Cyclisme de charge et métaux de chaudière : comment sauver votre centrale électrique

Étant donné que de nombreuses centrales électriques au charbon conçues pour le service de base doivent fonctionner en cycle, des contraintes imprévues ont été introduites sur les pièces sous pression de la chaudière. La compréhension des effets et la mise en œuvre de stratégies d'atténuation pourraient prévenir la défaillance prématurée des composants et assurer le fonctionnement fiable des installations.

Le 3 août 2015, l'Environmental Protection Agency des États-Unis a finalisé le Clean Power Plan, qui appelle à réduire la pollution par le carbone des centrales électriques existantes. Cette règle, associée aux bas prix du gaz naturel, pourrait entraîner une utilisation plus fréquente des installations au gaz naturel pour l'électricité de base et des centrales au charbon cyclées, plus que jamais, pour répondre aux exigences du réseau.

La majorité des unités au charbon ont été conçues et construites en tant qu'unités de charge de base, sans aucune anticipation de changements de charge significatifs. Mais les turbines à combustion et les générateurs de vapeur à récupération de chaleur offrent des rendements thermiques plus élevés (environ 60 %) que les chaudières à charbon (les meilleures centrales à vapeur peuvent fonctionner à un rendement maximum d'environ 40 %), ce qui contribue également à modifier les tendances de répartition.

Bien que les centrales électriques au charbon soient toujours très demandées, les sources alternatives sont très attractives d'un point de vue environnemental. L'augmentation des ressources d'énergie renouvelables variables, telles que l'énergie solaire et éolienne, exerce une pression supplémentaire sur les centrales au charbon pour suivre la charge. Cependant, le cycle de charge dans les centrales au charbon a des effets négatifs à long et à court terme sur la fiabilité et la disponibilité des équipements.

Le cycle de charge peut inclure des conditions de faible charge, un démarrage à chaud, un démarrage à chaud et/ou un démarrage à froid. Comme le terme l'indique, une condition de faible charge se produit lorsque la sortie est réduite et que l'unité fonctionne à une charge minimale sans être arrêtée. Lorsqu'une unité est allumée et éteinte quotidiennement, elle subit généralement un démarrage à chaud. Les démarrages à chaud se produisent généralement dans des unités qui fonctionnent pendant quatre à cinq jours en continu, puis s'arrêtent pendant les week-ends, tandis qu'un démarrage à froid suit un arrêt prolongé pour maintenance (généralement, l'usine aura mis en place une procédure de désarmement pour ces longues périodes d'entretien).

Voici les effets indésirables les plus courants de ces types d'opérations cyclistes.

Fatigue rampante. Les chaudières utilitaires sont construites avec différents matériaux et épaisseurs. Ces matériaux se dilatent et se contractent à des rythmes différents. En plus des dommages par fluage, les composants à haute température, tels que les surchauffeurs et les réchauffeurs, subissent une fatigue thermique et mécanique. L'effet cumulatif est connu sous le nom de fatigue de fluage.

Les dommages qui en résultent sont beaucoup plus graves que les dommages de fluage ou de fatigue autonomes. Sous une charge cyclique, les soudures tube-collecteur développent des fissures dues à une combinaison de contraintes de fatigue et de contraintes circonférentielles. Les contraintes de fatigue peuvent résulter d'un mouvement relatif entre les composants, en particulier pendant l'échauffement ou le refroidissement, ou lorsque des changements de charge se produisent en raison de contraintes transitoires. Des contraintes de fatigue peuvent également être présentes en raison d'une flexibilité inadéquate des jambes de tube, de supports/fixations défectueux ou de fixations rigides sur les pièces de pression.

Fissures ligamentaires. Les tubes individuels de surchauffe (SH) et de réchauffage (RH) à haute température peuvent fonctionner à des températures différentes en raison des variations de la distribution de la chaleur, des scories, de l'encrassement et du désalignement. Par conséquent, la vapeur pénètre dans le collecteur à différentes températures.

Le cycle de charge exacerbe la différence de température entre les tubes individuels, car le taux d'allumage est ajusté pendant les changements de charge pour maintenir la pression et la température. Pendant l'augmentation de la charge, la chaudière est temporairement surchauffée et la condition s'inverse lorsque la charge est réduite. Cela provoque des chocs thermiques transitoires sur le collecteur, entraînant une fissuration des ligaments.

Fatigue thermique du circuit à haute température. En plus de ces contraintes thermiques, les contraintes externes associées à la dilatation et à la contraction du collecteur peuvent endommager les unités cyclables, entraînant des fissures de fatigue au niveau des fixations. Un composant de fatigue supplémentaire peut exister partout où les composants sont assemblés par soudage, car différentes pièces se dilatent et se contractent à des vitesses différentes. Bien que le composant de fatigue se situe dans la limite d'endurance, il affectera les propriétés de fluage des composants.

Sur-trempe. Les aciers ferritiques améliorés à résistance au fluage (CSEF), comme le T91 et le T23, sont très populaires dans les centrales électriques modernes car ils offrent des contraintes admissibles plus élevées et des propriétés de fluage supérieures à celles de leurs aciers de qualité ancêtre, tels que le T22 et le T11. Cependant, il existe des problèmes de maintenance inhérents à long terme avec les aciers CSEF. L'utilisation de CSEF dans les unités à cycles lourds, en particulier dans les circuits de réchauffage, affecte de manière significative les propriétés supérieures obtenues grâce à un traitement thermique précis, entraînant des défaillances prématurées.

Soudures de métaux différents. Les soudures à métaux différents (DMW) sont très fréquemment utilisées dans les circuits à haute température pour faciliter les transitions de matériaux. Les oscillations de charge produisent des contraintes thermiques et différentielles transitoires importantes sur les DMW. Ces soudures ne sont pas seulement soumises au fluage mais sont également susceptibles de rupture par fatigue au fluage. Le cycle de charge réduit considérablement la durée de vie utile d'un DMW.

Condensat dans les points bas. Le condensat s'accumule généralement dans les sections éloignées des circuits SH et RH, ce qui entraîne deux problèmes majeurs : la fatigue thermique et la surchauffe à court terme. La différence de température qui existe entre les collecteurs et la vapeur peut produire des fissures de fatigue thermique et des fissures ligamentaires. Les démarrages à chaud produisent des dommages de fatigue thermique importants car la différence de température est généralement plus élevée.

Des conditions de démarrage rapide peuvent entraîner des pannes de surchauffe à court terme, car le condensat dans les points bas du système peut entraîner une augmentation des températures du métal en aval (Figure 1). La résistance à la traction de l'acier diminue considérablement une fois qu'il est au-delà des températures de conception. De plus, les démarrages et les arrêts rapides, ainsi que les changements de charge, peuvent provoquer une exfoliation de la calamine du diamètre intérieur. Si l'exfoliation est excessive, cela peut entraîner un colmatage des coudes ou des dommages dus à l'érosion dans la turbine.

Fatigue thermique des circuits à basse température. Dans les régions à basse température de la chaudière, le cycle de charge provoque également une fissuration par fatigue thermique dans les collecteurs ou tubes d'entrée de l'économiseur, les tubes ou collecteurs de la paroi inférieure du four et les composants internes du tambour à vapeur. Cette fissuration par fatigue se produit principalement à partir de la pénétration d'eau relativement plus froide dans les composants chauds de la chaudière ou vice versa.

Fatigue de corrosion. Les cycles de charge exacerbent la fatigue due à la corrosion sur les tubes à paroi d'eau car les contraintes différentielles sur les tubes à paroi d'eau sont plus élevées lors des démarrages et des oscillations de charge. La fatigue due à la corrosion n'est pas seulement un problème de fiabilité, mais c'est aussi un problème de sécurité car les défaillances se produisent généralement du côté froid de la chaudière.

Les conditions nécessaires pour que la fatigue par corrosion se produise comprennent soit une concentration en oxygène de l'eau de la chaudière trop élevée, soit un pH en dehors de la plage de contrôle en même temps que les contraintes sont suffisamment élevées pour briser la couche de magnétite (Figure 2). La fatigue due à la corrosion se produit lorsque des contraintes de fonctionnement ou résiduelles rompent la couche protectrice de magnétite (Fe3O4), exposant l'acier nu à l'environnement corrosif (Figure 3). Ces contraintes sont maximales pendant les périodes transitoires.

Gougeage caustique. Le gougeage caustique est un problème bien connu dans les unités à circulation naturelle, en particulier dans des conditions de faible charge. Dans les unités à circulation naturelle, le flux de fluide caloporteur est biaisé vers certains tubes car il fonctionne sur la différence de densité entre les fluides chaud et froid. Les conditions de faible charge et les variations de charge jouent un rôle majeur dans le gougeage caustique, car des conditions en constante évolution entraînent des perturbations répétitives du débit de liquide de refroidissement. Les perturbations de l'écoulement provoquent la concentration de la soude caustique sur les bords des bulles de vapeur. Les concentrations caustiques éliminent la couche protectrice d'oxyde de fer, ce qui entraîne un gaspillage du tube (Figure 4).

Cachette de phosphate. La cachette de phosphate, l'une des nombreuses formes de corrosion sous les dépôts, se produit généralement lorsque les unités fonctionnent avec un traitement à base de phosphate. La cachette de phosphate fait disparaître ou absorber le phosphate ionique dans des conditions d'apport de chaleur élevé, mais il revient ou se dissout dans l'eau de la chaudière lorsque l'apport de chaleur est réduit. La cachette de phosphate favorise la corrosion des phosphates acides. La cachette devient évidente lors des oscillations de charge ou des démarrages tout en modifiant l'apport de chaleur. Les chaudières sales sont sensibles aux cachettes de phosphate et à la corrosion des phosphates acides.

Il y aura toujours des effets négatifs sur la fiabilité de l'équipement en raison d'une condition de faible charge, d'un démarrage à chaud, d'un démarrage à chaud ou d'un démarrage à froid. Chacune de ces conditions affectera l'intégrité des pièces sous pression d'une manière ou d'une autre. Il a été observé dans tous les domaines que les démarrages à chaud causent le plus de dommages à l'équipement, car la différence de température est plus élevée et il y a une plus grande sensibilité aux fuites d'air que ce que l'on trouve dans d'autres conditions de cycle.

Voici quelques stratégies utiles pour atténuer les dommages à l'équipement.

Ajoutez plus de flexibilité au tube. Les contraintes de fatigue se produisent souvent en raison d'une flexibilité inadéquate de la jambe du tube entre les pénétrations du tube et le collecteur, ainsi que des fixations rigides sur le tube. Une plus grande flexibilité et une meilleure conception des attaches réduiront les contraintes de fatigue. Parfois, le déplacement de l'en-tête peut être nécessaire pour offrir plus de flexibilité.

Utilisez des pièces jointes de type bordereau. De nombreuses unités plus anciennes ont été conçues avec des accessoires rigides. Des attaches de type glissant doivent être utilisées à la place des attaches rigides pour s'adapter à la dilatation thermique différentielle.

Nouvelle conception pour les pénétrations de tubes symétriques et largement espacées. Plusieurs usines plus anciennes ont été conçues avec des pénétrations de tubes asymétriques et rapprochées, qui sont sensibles à la fissuration des ligaments. Il est bien connu que des ligaments plus grands et régulièrement espacés sont moins sensibles aux dommages causés par la fatigue au fluage (Figure 5).

La refonte des pénétrations des trous de tube et de la configuration de la soudure tube-tête, en particulier en éliminant l'encoche de manque de fusion à l'extrémité de la pénétration du tube, peut également augmenter la résistance à la fatigue par fluage. L'inclusion d'un chanfrein lisse au diamètre intérieur du trou d'alésage du collecteur réduit la concentration de contraintes (Figure 6), améliorant ainsi la résistance à la fatigue par fluage.

Faire des inspections périodiques. La majorité des problèmes liés à la tuyauterie sont associés aux suspensions et aux systèmes de support. Une bonne conception des accessoires est essentielle pour minimiser la fatigue due au fluage. L'inspection périodique des accessoires et la correction des défauts réduiront les problèmes liés à la fatigue. Les terminaisons des attaches doivent se rétrécir vers la surface pour réduire les concentrations de contraintes localisées. Le manque de pénétration dans les soudures de fixation peut entraîner des points chauds où la chaleur est incapable de se dissiper efficacement ou peut augmenter les concentrations de contraintes. Une bonne conception des soudures et le respect des procédures de soudage sont essentiels.

Taux de rampe inférieurs. Les contraintes transitoires dues aux cycles de charge affectent la durée de vie utile d'un DMW. Les contraintes transitoires peuvent être réduites avec des démarrages plus lents.

Utilisez des métaux d'apport à base de nickel. Un DMW peut être fabriqué avec ou sans métal d'apport, qui aura une durée de vie limitée. Les DMW fabriqués avec du métal d'apport EPRI P87 ou Inconel devraient avoir une durée de vie plus longue que ceux sans métal d'apport. Un DMW fabriqué à partir d'un métal d'apport à base de nickel atténue les effets des différences de dilatation thermique entre l'acier inoxydable et l'acier ferritique.

Déplacez les DMW. Les contraintes et les températures sont les facteurs critiques de la durée de vie d'un DMW ; les performances peuvent être améliorées en contrôlant ces facteurs. Le joint de soudure peut être déplacé vers une position où il est exposé à des températures plus basses. Une inspection et un entretien fréquents des suspensions de tubes, des supports et des entretoises peuvent être effectués pour réduire les charges secondaires.

Tubes de cuisson. Le condensat dans les circuits à haute température crée des problèmes majeurs pendant les périodes de démarrage. Les tubes doivent être cuits suffisamment longtemps pour évaporer le condensat avant d'augmenter l'apport de chaleur. Réduire le gradient thermique entre le fluide et le métal pendant les périodes de démarrage. Bien que le cycle de charge joue un rôle majeur dans la fatigue thermique, une fois que le composant atteint l'équilibre, la fatigue thermique ne sera pas un facteur significatif.

Utilisez des tubes rayés. L'utilisation de tubes rayés dans les zones sensibles à la corrosion sous les dépôts peut fournir un meilleur mélange de flux pour éviter les problèmes de corrosion potentiels. Le cycle de charge augmente considérablement la sensibilité des tubes à paroi d'eau à la fatigue par corrosion. Les démarrages rapides augmentent les contraintes transitoires car différentes pièces se dilatent et se contractent à des vitesses différentes, brisant les oxydes protecteurs et exposant les tubes nus à l'environnement corrosif.

Améliorer les techniques de soudage. Les soudures par pastilles doivent être évitées dans les régions sensibles à la fatigue due à la corrosion. Les contraintes résiduelles dues au soudage exacerbent la fatigue due à la corrosion. De plus, les profils de soudure médiocres doivent être éliminés pour réduire la concentration de contraintes. Le manque de pénétration dans les soudures de fixation peut augmenter les températures du métal et la concentration des contraintes.

Maintenir la chimie de l'eau appropriée. Il est essentiel de s'assurer que la chimie de l'eau se situe dans la plage de pH et de teneur en oxygène, en particulier lors des démarrages ou des changements de charge, afin de réduire le risque de fatigue due à la corrosion. La propreté de la chaudière doit être maintenue pour réduire le risque associé à la cachette de phosphate. Utilisez des phosphates trisodiques à la place des phosphates mono- ou disodiques pour augmenter les lectures de phosphate. L'ajout de phosphates trisodiques ne provoque pas de corrosion des phosphates acides, mais l'ajout de phosphates mono- et disodiques peut favoriser la corrosion des phosphates acides.

Évitez les purges importantes, qui affecteront considérablement les rapports de phosphate de sodium et aggraveront la situation dans les unités sensibles à la corrosion par les phosphates acides. Effectuez des tests périodiques de densité de poids des dépôts pour savoir à quel point la chaudière est sale. La propreté de la chaudière réduira considérablement la majorité des problèmes au bord de l'eau. ■

—Rama S. Koripelli, PhD ([email protected]) est le directeur technique de David N. French Metallurgists

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