Quelle quantité de chlorure ? : sélection des matériaux pour les échangeurs de chaleur des centrales électriques

À maintes reprises, les auteurs ont passé en revue de nouvelles spécifications de projets énergétiques dans lesquelles les concepteurs de centrales sélectionnent régulièrement de l'acier inoxydable 304 ou 316 comme matériau de tube pour les condenseurs et les échangeurs de chaleur auxiliaires. Pour beaucoup, le terme acier inoxydable évoque une aura d'invincibilité à la corrosion, alors qu'en fait, les aciers inoxydables peuvent parfois être le pire choix en raison de leur sensibilité aux attaques localisées. Et, en cette ère de diminution de la disponibilité d'eau douce pour l'appoint d'eau de refroidissement, combinée à des tours de refroidissement qui fonctionnent à des cycles de concentration élevés, les mécanismes potentiels de défaillance de l'acier inoxydable sont amplifiés. Dans certaines applications, les aciers inoxydables de la série 300 n'ont survécu que des mois, voire des semaines seulement, avant de tomber en panne. Cet article met en évidence les problèmes, principalement du point de vue du traitement de l'eau, qui devraient au moins être pris en compte lors de la sélection des matériaux des tubes de condenseur. D'autres facteurs non abordés dans cet article mais qui jouent un rôle dans la sélection des matériaux comprennent la résistance des matériaux, les propriétés de transfert de chaleur et la résistance aux forces mécaniques, y compris la fatigue et l'érosion-corrosion.

Quelques définitions

L'ajout de 12 pour cent ou plus de chrome à l'acier induit l'alliage à former une couche d'oxyde continue qui protège le métal de base sous-jacent. Ainsi, le terme inoxydable. En l'absence d'autres matériaux d'alliage, notamment le nickel, les aciers au carbone font partie du groupe des ferrites, dont les cellules unitaires ont une structure cubique centrée (BCC).

Lorsque du nickel à une concentration de 8% ou plus est ajouté au mélange d'alliage, les cellules unitaires, même à température ambiante, existent dans une structure cubique à faces centrées (FCC) connue sous le nom d'austénite.

Comme l'illustre le tableau 1, les aciers inoxydables de la série 300 et autres ont la teneur en nickel nécessaire pour produire la structure austénitique.

Les aciers austénitiques se sont avérés très précieux dans de nombreuses applications, y compris en tant que matériaux pour les surchauffeurs à haute température et les tubes de réchauffeur dans les chaudières électriques. La série 300 en particulier a couramment servi de matériaux pour les tubes d'échangeur de chaleur à basse température, y compris les condenseurs à surface de vapeur. Mais c'est dans ces applications que de nombreuses personnes perdent de vue les mécanismes de défaillance potentiels.

Numéros de la série 300

La principale difficulté avec les aciers inoxydables, et en particulier les matériaux populaires 304 et 316, est que la couche d'oxyde protectrice peut souvent être perturbée par des impuretés dans l'eau de refroidissement et par la présence de crevasses et de dépôts qui aident à concentrer les impuretés. De plus, pendant les conditions d'arrêt, l'eau stagnante permet la croissance microbiologique, dont les sous-produits métaboliques peuvent être très dommageables pour les métaux.

Chlorure - Le gorille de 800 livres dans la pièce

Une impureté courante de l'eau de refroidissement, qui est parmi les plus difficiles à éliminer économiquement, est le chlorure. Cet ion peut causer de nombreux problèmes dans un générateur de vapeur, mais dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur auxiliaires, la principale difficulté est qu'en concentration suffisante, le chlorure pénètre et perturbe la couche d'oxyde protectrice sur l'acier inoxydable pour induire une corrosion localisée, c'est-à-dire des piqûres.

La piqûre est l'une des formes de corrosion les plus insidieuses, car elle peut provoquer une pénétration à travers la paroi et une défaillance de l'équipement avec très peu de perte de métal.

La concentration de chlorure n'a pas besoin d'être élevée pour induire des piqûres sur les aciers inoxydables 304 et 316, et la concentration maximale recommandée de chlorure pour des surfaces propres sans dépôts ni crevasses est désormais considérée comme :

Plusieurs facteurs peuvent facilement générer des concentrations de chlorure dépassant ces recommandations, soit en général, soit à des endroits localisés. Considérons tout d'abord que le refroidissement à passage unique pour les nouvelles centrales électriques est devenu très rare. La plupart sont construits avec des tours de refroidissement ou, dans certains cas, des condenseurs à air (ACC). Pour ceux qui ont des tours de refroidissement, les impuretés dans la composition sont « recyclées » en concentration. Par exemple, une tour avec une concentration en chlorure d'eau d'appoint de 50 mg/l qui fonctionne à cinq cycles de concentration aurait 250 mg/l de chlorure dans l'eau en circulation. Cela seul devrait généralement éliminer 304 SS de considération. De plus, dans les usines nouvelles et existantes, des alternatives à l'eau douce pour l'alimentation des plantes sont de plus en plus nécessaires. Une alternative courante est l'effluent des eaux usées municipales. Le tableau 2 propose une comparaison des analyses de quatre approvisionnements en eau douce par rapport à quatre approvisionnements en eaux usées.

Notez les niveaux accrus de chlorure (et d'autres impuretés telles que les espèces azotées et le phosphore, qui peuvent considérablement augmenter l'encrassement microbiologique dans les systèmes de refroidissement). Pour pratiquement toutes les eaux grises, tout recyclage dans une tour de refroidissement dépasserait la limite de chlorure recommandée pour le 316 SS.

La discussion précédente était basée sur le potentiel de corrosion des surfaces métalliques lisses. Les crevasses et les dépôts modifient considérablement l'histoire, car les deux offrent des endroits où les impuretés peuvent se concentrer. Les emplacements typiques pour les crevasses mécaniques dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur similaires sont au niveau des joints tube-plaque tubulaire. Le dépôt dans les tubes générera des crevasses aux limites du dépôt, et les dépôts eux-mêmes peuvent servir d'atouts pour la concentration des impuretés. De plus, étant donné que les aciers inoxydables dépendent d'une couche d'oxyde continue pour leur protection, les dépôts peuvent établir des emplacements appauvris en oxygène qui deviennent anodiques sur la surface d'acier restante.

La discussion mentionnée ci-dessus décrit les problèmes que les concepteurs d'installations ne prennent souvent pas en compte lors de la spécification des matériaux des tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur auxiliaire pour de nouveaux projets. L'état d'esprit concernant les 304 et 316 SS semble parfois encore être "C'est comme ça que nous avons toujours fait" sans tenir compte des conséquences de telles actions. Des matériaux alternatifs sont disponibles pour gérer les conditions d'eau de refroidissement plus difficiles auxquelles de nombreuses usines sont désormais confrontées.

Un autre point doit être brièvement abordé avant de discuter des métaux alternatifs. Il y a eu de nombreux cas où 316 SS et même 304 SS ont bien fonctionné pendant le fonctionnement normal, mais ont ensuite échoué pendant les pannes. Dans la plupart des cas, les pannes sont dues à une mauvaise vidange du condenseur ou de l'échangeur qui laisse stagner de l'eau stagnante dans les tubes. Cet environnement offre des conditions idéales pour la croissance microbiologique. Les colonies microbiennes produisent à leur tour des composés corrosifs qui attaquent directement le métal du tube.

Ce mécanisme, appelé corrosion microbiologiquement induite (MIC), est connu pour détruire les tubes en acier inoxydable, et d'autres métaux d'ailleurs, en quelques semaines. Si l'échangeur de chaleur ne peut pas être vidangé, il convient alors de réfléchir sérieusement à la circulation régulière de l'eau à travers l'échangeur avec une alimentation en biocide pendant le processus. (Vous trouverez plus de détails sur les procédures de superposition appropriées dans D. Janikowski, "CONDENSER AND BOP EXCHANGER LAYUP — Do's and Don'ts" ; présenté au 39e atelier annuel sur la chimie des services publics d'électricité, du 4 au 6 juin 2019, Champaign, Illinois.)

Matériaux alternatifs

Pour les environnements difficiles mis en évidence ci-dessus, et pour des environnements encore plus agressifs tels que l'eau saumâtre ou l'eau de mer, des métaux alternatifs sont disponibles pour résister aux impuretés. Trois groupes d'alliages ont fait leurs preuves, le titane commercialement pur, les aciers inoxydables molybdénumausténitiques à 6 % et les aciers inoxydables superferritiques. Ces alliages sont également résistants au MIC. Bien que le titane soit considéré comme très résistant à la corrosion, sa structure cristalline hexagonale compacte et son très faible module d'élasticité le rendent sensible aux dommages mécaniques. Cet alliage est mieux utilisé dans les nouvelles unités qui ont une structure de support de tube robuste. Une excellente alternative est l'acier inoxydable super-ferritique, Sea-Cure®. La composition de ce matériau est indiquée ci-dessous.

L'acier a une teneur élevée en chrome, mais une faible teneur en nickel, de sorte qu'il s'agit d'un acier inoxydable ferritique plutôt qu'un acier inoxydable austénitique. Avec sa faible teneur en nickel, il peut avoir un coût nettement inférieur à celui des autres alliages. La haute résistance et le module d'élasticité de Sea-Cure permettent des parois plus minces que pour les autres matériaux, ce qui améliore le transfert de chaleur.

La performance améliorée de ces métaux est montrée dans le tableau de "PittingResistance Equivalent Number", qui était une procédure de test développée pour déterminer, comme son nom l'indique, la résistance de divers métaux à la piqûre.

Quels sont les niveaux maximum de chlorure que nous pouvons utiliser ?

L'une des questions les plus fréquemment posées est "Quel est le niveau de chlorure maximal qui peut être toléré pour une nuance particulière d'acier inoxydable?" La réponse varie considérablement. Les facteurs comprennent le pH, la température, la présence et le type de crevasses, et le potentiel d'espèces biologiques actives. Un outil est ajouté sur l'axe droit de la figure 5 pour aider à cette décision. Il est basé sur un pH neutre, une eau courante à 35 degrés centigrades (pour empêcher les dépôts de se former et de former des crevasses) commune dans de nombreuses applications BOP et de condensation. Une fois qu'un alliage avec une chimie particulière est sélectionné, le PREn peut être déterminé puis recoupé avec la ligne inclinée appropriée. Le niveau de chlorure maximal suggéré peut alors être déterminé en traçant une ligne horizontale vers l'axe de droite. En général, si un alliage est envisagé pour des applications d'eau saumâtre ou d'eau de mer, il doit avoir un CCT supérieur à 25 degrés Celsius mesuré par le test G 48.

Lors de l'utilisation de ce guide, des mises en garde supplémentaires doivent être prises en compte :

Comme il est évident, les alliages super-ferritiques, illustrés par Sea-Cure®, conviennent généralement même aux applications en eau de mer. Il y a aussi un autre avantage à ces matériaux qui doit être souligné. Des problèmes de corrosion au manganèse de 304 et 316 SS ont été observés pendant des années, y compris des usines le long de la rivière Ohio. Plus récemment, les échangeurs de chaleur des usines situées le long des fleuves Mississippi et Missouri ont été attaqués. La corrosion du manganèse est également un problème courant dans les systèmes alimentés par l'eau d'appoint d'un puits. Le mécanisme de corrosion a été identifié comme une réaction du dioxyde de manganèse (MnO2) avec des biocides oxydants qui crée de l'acide chlorhydrique sous le dépôt. HCl est ce qui attaque réellement le métal. [WH Dickinson et RW Pick, "La corrosion dépendante du manganèse dans l'industrie des services publics électriques" ; présenté à la NACE Annual Corrosion Conference2002, Denver, Colorado.] Les aciers ferritiques résistent à ce mécanisme de corrosion.

Même avec des mises à niveau de matériaux, ne négligez pas la bonne chimie du traitement de l'eau

La sélection de matériaux de qualité supérieure pour les tubes des condenseurs et des échangeurs de chaleur ne remplace toujours pas un bon contrôle chimique du traitement de l'eau. Comme l'auteur Buecker l'a souligné dans des articles précédents sur Power Engineering, des programmes de traitement chimique correctement conçus et exploités sont nécessaires pour minimiser les risques de tartre, de corrosion et d'encrassement. La chimie des polymères est en train de devenir un substitut solide à l'ancienne chimie des phosphates/phosphonates pour contrôler la corrosion et l'entartrage dans les systèmes de tours de refroidissement. Le contrôle de l'encrassement microbiologique est, et restera, un problème critique. Bien que la chimie oxydante avec du chlore, de l'eau de Javel ou des composés similaires soit la pierre angulaire du contrôle microbiologique, des traitements supplémentaires peuvent souvent améliorer l'efficacité des programmes de traitement. Un tel exemple est la chimie stabilisatrice qui aide à améliorer le taux de libération et l'efficacité des biocides oxydants à base de chlore, sans introduire de composés dangereux dans l'eau. De plus, une alimentation supplémentaire d'un biocide non oxydant peut être tout à fait bénéfique pour contrôler le développement microbien. Le résultat est qu'un certain nombre de méthodes sont disponibles pour améliorer la durabilité et la fiabilité des échangeurs de chaleur des centrales électriques, mais chaque système est différent et, par conséquent, une planification et une consultation minutieuses avec des experts de l'industrie sont importantes pour la sélection des matériaux et des programmes chimiques. Cet article est en grande partie écrit du point de vue du traitement de l'eau, où nous ne sommes pas impliqués dans la prise de décision concernant les matériaux, mais sommes appelés à aider à gérer l'impact de ces décisions une fois que l'unité est opérationnelle. La décision finale sur la sélection des matériaux doit être prise par le personnel de l'usine en fonction d'un certain nombre de facteurs dictés par chaque application.

À propos de l'auteur : Brad Buecker est publiciste technique senior chez ChemTreat. Il a 36 ans d'expérience dans l'industrie de l'énergie ou dans le secteur de l'énergie, dont une grande partie dans la chimie de la production de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et les postes d'ingénierie des résultats avec City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et la station La Cygne, Kansas de la Kansas City Power & Light Company. Il a également passé deux ans comme superviseur par intérim de l'eau et des eaux usées dans une usine chimique. Buecker est titulaire d'un BS en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en bilans énergétiques et matériaux et en chimie inorganique avancée.

Dan Janikowski est directeur technique chez Plymouth Tube. Il a été impliqué dans le développement des métaux ainsi que dans la fabrication et les essais de produits tubulaires, notamment les alliages de cuivre, les aciers inoxydables, les alliages de nickel, le titane et les aciers au carbone depuis plus de 35 ans. Chez Plymouth Tube depuis 2005, Janikowski a occupé divers postes de direction avant de devenir directeur technique en 2010.