Les auteurs ont examiné à maintes reprises les spécifications de nouveaux projets de centrales électriques, où les concepteurs optent généralement pour l'acier inoxydable 304 ou 316 pour les tubes des condenseurs et des échangeurs de chaleur auxiliaires. Pour beaucoup, le terme « acier inoxydable » évoque une résistance inébranlable à la corrosion, alors qu'en réalité, il peut parfois s'avérer le pire choix en raison de sa sensibilité à la corrosion localisée. De plus, à l'heure où la disponibilité en eau douce pour l'appoint d'eau de refroidissement est réduite, et où les tours de refroidissement fonctionnent à des cycles de concentration élevés, les risques de défaillance de l'acier inoxydable sont amplifiés. Dans certaines applications, l'acier inoxydable de la série 300 ne résiste que quelques mois, voire quelques semaines, avant de se rompre. Cet article se concentre sur les points à prendre en compte lors du choix des matériaux des tubes de condenseur, du point de vue du traitement de l'eau. D'autres facteurs, non abordés ici mais influents dans le choix des matériaux, incluent la résistance mécanique, les propriétés de transfert thermique et la résistance aux contraintes mécaniques, notamment la fatigue et la corrosion-érosion.
L'ajout de 12 % ou plus de chrome à l'acier provoque la formation d'une couche d'oxyde continue qui protège le métal de base sous-jacent. D'où le terme acier inoxydable. En l'absence d'autres éléments d'alliage (notamment de nickel), l'acier au carbone fait partie du groupe des ferrites et sa maille élémentaire possède une structure cubique centrée (BCC).
Lorsque du nickel est ajouté au mélange d'alliage à une concentration de 8 % ou plus, même à température ambiante, la cellule existera dans une structure cubique à faces centrées (CFC) appelée austénite.
Comme le montre le tableau 1, les aciers inoxydables de la série 300 et d'autres aciers inoxydables ont une teneur en nickel qui produit une structure austénitique.
Les aciers austénitiques se sont révélés très précieux dans de nombreuses applications, notamment comme matériau pour les tubes de surchauffeurs et de resurchauffeurs haute température des chaudières industrielles. La série 300, en particulier, est souvent utilisée pour les tubes d'échangeurs de chaleur basse température, y compris les condenseurs de surface à vapeur. Cependant, c'est dans ces applications que beaucoup négligent les mécanismes de défaillance potentiels.
La principale difficulté avec l'acier inoxydable, en particulier les matériaux populaires 304 et 316, est que la couche d'oxyde protectrice est souvent détruite par les impuretés présentes dans l'eau de refroidissement et par les crevasses et les dépôts qui contribuent à concentrer ces impuretés. De plus, en cas d'arrêt, l'eau stagnante peut entraîner une prolifération microbienne, dont les sous-produits métaboliques peuvent être très dommageables pour les métaux.
Le chlorure est une impureté courante des eaux de refroidissement, et l'une des plus difficiles à éliminer économiquement. Cet ion peut causer de nombreux problèmes dans les générateurs de vapeur, mais dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur auxiliaires, la principale difficulté réside dans le fait que les chlorures, à des concentrations suffisantes, peuvent pénétrer et détruire la couche d'oxyde protectrice de l'acier inoxydable, provoquant une corrosion localisée, c'est-à-dire des piqûres.
La corrosion par piqûres est l'une des formes de corrosion les plus insidieuses car elle peut provoquer des perforations des parois et des défaillances d'équipement avec une faible perte de métal.
Les concentrations de chlorures n'ont pas besoin d'être très élevées pour provoquer une corrosion par piqûres dans l'acier inoxydable 304 et 316, et pour les surfaces propres sans dépôts ni crevasses, les concentrations maximales de chlorures recommandées sont désormais considérées comme étant :
Plusieurs facteurs peuvent facilement entraîner des concentrations de chlorures supérieures à ces valeurs limites, tant de manière générale que localement. Il est devenu très rare d'envisager d'emblée un refroidissement à passage unique pour les nouvelles centrales électriques. La plupart sont construites avec des tours de refroidissement, ou dans certains cas, des condenseurs à air. Pour celles équipées de tours de refroidissement, la concentration d'impuretés dans l'eau d'appoint peut augmenter de façon cyclique. Par exemple, une colonne alimentée avec une eau d'appoint dont la concentration en chlorures est de 50 mg/l fonctionne avec cinq cycles de concentration, et la teneur en chlorures de l'eau en circulation atteint 250 mg/l. Ce seul facteur devrait généralement exclure l'acier inoxydable 304. De plus, dans les centrales nouvelles et existantes, le besoin de remplacer l'eau douce pour la recharge des installations est croissant. Une alternative courante est l'utilisation des eaux usées municipales. Le tableau 2 compare l'analyse des quatre sources d'eau douce avec celle des quatre sources d'eaux usées.
Attention à l'augmentation des niveaux de chlorure (et d'autres impuretés, telles que l'azote et le phosphore, qui peuvent considérablement augmenter la contamination microbienne dans les systèmes de refroidissement). Pour la quasi-totalité des eaux grises, toute circulation dans la tour de refroidissement dépassera la limite de chlorure recommandée par l'acier inoxydable 316.
La discussion précédente se fonde sur le potentiel de corrosion des surfaces métalliques courantes. Les fissures et les sédiments modifient considérablement la situation, car ils constituent des zones de concentration pour les impuretés. Les fissures mécaniques dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur similaires se forment généralement aux jonctions entre les tubes et les plaques tubulaires. Les sédiments présents à l'intérieur du tube peuvent créer des fissures à leur interface, et les sédiments eux-mêmes peuvent servir de site de contamination. De plus, comme l'acier inoxydable repose sur une couche d'oxyde continue pour sa protection, les dépôts peuvent former des zones pauvres en oxygène qui transforment la surface d'acier restante en anode.
La discussion précédente met en lumière des problèmes que les concepteurs d'installations négligent généralement lorsqu'ils choisissent les matériaux des tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur auxiliaire pour les nouveaux projets. Concernant l'acier inoxydable 304 et 316, on a parfois encore tendance à privilégier les matériaux « on a toujours fait comme ça », sans se soucier des conséquences. Il existe pourtant des matériaux alternatifs capables de résister aux conditions de refroidissement plus difficiles auxquelles de nombreuses installations sont désormais confrontées.
Avant d'aborder la question des métaux alternatifs, il convient de préciser un autre point. Dans de nombreux cas, un acier inoxydable 316, voire 304, fonctionne correctement en fonctionnement normal, mais tombe en panne lors d'une coupure de courant. Le plus souvent, cette panne est due à un mauvais drainage du condenseur ou de l'échangeur de chaleur, entraînant la stagnation d'eau dans les tubes. Ce milieu offre des conditions idéales à la prolifération de micro-organismes. Les colonies microbiennes produisent alors des composés corrosifs qui attaquent directement le métal tubulaire.
Ce mécanisme, connu sous le nom de corrosion induite par les micro-organismes (CIM), est capable de détruire les tuyaux en acier inoxydable et autres métaux en quelques semaines. Si la vidange de l'échangeur de chaleur est impossible, il est fortement recommandé d'y faire circuler de l'eau périodiquement et d'y ajouter un biocide. (Pour plus de détails sur les procédures de mise hors service appropriées, voir D. Janikowski, « Mise hors service des condenseurs et des échangeurs BOP – Considérations », présenté lors du 39e Symposium sur la chimie des services publics d'électricité, qui s'est tenu du 4 au 6 juin 2019 à Champaign, Illinois.)
Pour les environnements difficiles mentionnés précédemment, ainsi que pour les environnements encore plus extrêmes comme l'eau saumâtre ou l'eau de mer, des métaux alternatifs peuvent être utilisés pour limiter la contamination. Trois groupes d'alliages ont fait leurs preuves : le titane commercialement pur, l'acier inoxydable austénitique à 6 % de molybdène et l'acier inoxydable superferritique. Ces alliages sont également résistants à la corrosion microbiologique. Bien que le titane soit considéré comme très résistant à la corrosion, sa structure cristalline hexagonale compacte et son module d'élasticité extrêmement faible le rendent sensible aux dommages mécaniques. Cet alliage est particulièrement adapté aux nouvelles installations dotées de structures de support tubulaires robustes. L'acier inoxydable superferritique Sea-Cure® constitue une excellente alternative. Sa composition est présentée ci-dessous.
Cet acier est riche en chrome mais pauvre en nickel ; il s’agit donc d’un acier inoxydable ferritique et non austénitique. Grâce à sa faible teneur en nickel, son coût est nettement inférieur à celui d’autres alliages. La haute résistance et le module d’élasticité de Sea-Cure permettent de réaliser des parois plus fines qu’avec d’autres matériaux, ce qui améliore le transfert de chaleur.
Les propriétés améliorées de ces métaux sont illustrées sur le graphique « Numéro équivalent de résistance à la corrosion par piqûres », qui, comme son nom l’indique, est une procédure de test utilisée pour déterminer la résistance de divers métaux à la corrosion par piqûres.
L'une des questions les plus fréquentes est : « Quelle est la teneur maximale en chlorures tolérable pour une nuance d'acier inoxydable donnée ? » Les réponses varient considérablement. Parmi les facteurs à prendre en compte figurent le pH, la température, la présence et le type de fractures, ainsi que la présence potentielle d'espèces biologiques actives. Un outil a été ajouté sur l'axe de droite de la figure 5 pour faciliter cette décision. Il est basé sur un pH neutre et une eau courante à 35 °C, conditions courantes dans de nombreuses applications de blocs obturateurs de puits (BOP) et de condensation (afin de prévenir la formation de dépôts et de fissures). Une fois un alliage de composition chimique spécifique sélectionné, son PREn peut être déterminé, puis croisé avec la ligne correspondante. Le niveau maximal de chlorures recommandé peut alors être déterminé en traçant une ligne horizontale sur l'axe de droite. En général, pour une utilisation en eau saumâtre ou en eau de mer, un alliage doit présenter une température de cristallisation (CCT) supérieure à 25 °C, mesurée par le test G 48.
Il est clair que les alliages super-ferritiques représentés par Sea-Cure® conviennent généralement même aux applications en eau de mer. Un autre avantage de ces matériaux mérite d'être souligné. Des problèmes de corrosion par le manganèse ont été observés depuis de nombreuses années sur les aciers inoxydables 304 et 316, notamment dans les centrales situées le long de la rivière Ohio. Plus récemment, des échangeurs de chaleur de centrales situées le long des rivières Mississippi et Missouri ont été touchés. La corrosion par le manganèse est également un problème courant dans les systèmes d'appoint d'eau de puits. Le mécanisme de corrosion a été identifié comme étant la réaction du dioxyde de manganèse (MnO2) avec un biocide oxydant pour générer de l'acide chlorhydrique sous le dépôt. C'est l'HCl qui attaque réellement les métaux. [WH Dickinson et RW Pick, « Corrosion dépendante du manganèse dans l'industrie électrique », présenté à la conférence annuelle NACE sur la corrosion de 2002, Denver, Colorado.] Les aciers ferritiques sont résistants à ce mécanisme de corrosion.
Le choix de matériaux de qualité supérieure pour les tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur ne saurait remplacer une maîtrise adéquate du traitement chimique de l'eau. Comme l'a souligné l'auteur Buecker dans un précédent article sur l'ingénierie énergétique, un programme de traitement chimique correctement conçu et exploité est indispensable pour minimiser les risques d'entartrage, de corrosion et d'encrassement. La chimie des polymères s'impose comme une alternative performante à la chimie traditionnelle des phosphates/phosphonates pour lutter contre la corrosion et l'entartrage dans les tours de refroidissement. La maîtrise de la contamination microbienne a toujours été et restera un enjeu crucial. Si l'oxydation par le chlore, l'eau de Javel ou des composés similaires constitue la pierre angulaire de la maîtrise microbienne, des traitements complémentaires peuvent souvent améliorer l'efficacité des programmes de traitement. La stabilisation chimique, par exemple, contribue à augmenter la vitesse de libération et l'efficacité des biocides oxydants à base de chlore sans introduire de composés nocifs dans l'eau. De plus, l'ajout de fongicides non oxydants peut s'avérer très bénéfique pour contrôler le développement microbien. En conséquence, il existe de nombreuses façons d'améliorer la durabilité et la fiabilité des échangeurs de chaleur des centrales électriques, mais chaque système étant différent, une planification et une consultation minutieuses sont essentielles. Il est important de consulter des experts du secteur pour le choix des matériaux et des procédés chimiques. Cet article est rédigé en grande partie du point de vue du traitement de l'eau ; nous ne sommes pas impliqués dans les décisions relatives aux matériaux, mais nous sommes sollicités pour aider à gérer l'impact de ces décisions une fois l'équipement en fonctionnement. La décision finale concernant le choix des matériaux doit être prise par le personnel de l'usine en fonction d'un certain nombre de facteurs spécifiques à chaque application.
À propos de l'auteur : Brad Buecker est responsable des relations publiques techniques chez ChemTreat. Il possède 36 ans d'expérience dans le secteur de l'énergie, notamment dans les domaines de la chimie de la production de vapeur, du traitement de l'eau et du contrôle de la qualité de l'air. Il a travaillé pour City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et pour Kansas City Power & Light Company, située à la centrale de La Cygne, au Kansas. Il a également occupé pendant deux ans le poste de superviseur intérimaire du service des eaux et des eaux usées dans une usine chimique. M. Buecker est titulaire d'une licence en chimie de l'Université d'État de l'Iowa et a suivi des cours complémentaires en mécanique des fluides, en équilibre énergétique et des matériaux, et en chimie inorganique avancée.
Dan Janikowski est directeur technique chez Plymouth Tube. Depuis 35 ans, il travaille dans le développement des métaux, la fabrication et les essais de produits tubulaires, notamment en alliages de cuivre, en acier inoxydable, en alliages de nickel, en titane et en acier au carbone. Entré chez Plymouth Metro en 2005, M. Janikowski a occupé divers postes de direction avant de devenir directeur technique en 2010.