Un guide pour protéger les systèmes de refroidissement

Enregistrer dans la liste de lecture Publié par Bella Weetch, Editorial Assistant Hydrocarbon Engineering, mercredi 11 janvier 2023 09:00

Les systèmes de refroidissement de nombreuses usines pétrolières et gazières en aval sont principalement constitués de tuyauteries en acier au carbone, tandis que les surfaces d'échange de chaleur utilisent principalement de l'acier au carbone et des métaux jaunes (alliages contenant du cuivre). Par conséquent, le contrôle de la corrosion de l'acier au carbone et du cuivre est essentiel pour maintenir la fiabilité du système et maximiser la durée de vie des actifs. Fondamentalement, le processus de corrosion conduit tous les métaux vers leur état d'oxydation le plus élevé, entraînant la formation d'une couche d'oxyde à la surface. Au fil du temps, cette couche d'oxyde ralentit le processus de transfert d'électrons jusqu'à ce que l'ion métallique cationique se dissolve dans l'eau de refroidissement via des chlorures ou des sulfates. La corrosion du métal jaune est un défi notable, car elle peut non seulement provoquer la défaillance des faisceaux de tubes eux-mêmes, mais également induire une corrosion galvanique agressive sur les surfaces en acier au carbone. Sur le plan environnemental, la libération de sous-produits de corrosion du cuivre dans l'eau de refroidissement peut avoir un impact sur la conformité de la décharge.

Initialement utilisées comme additif de peinture pour la corrosion, les moisissures et le contrôle microbien, les molécules de benzotriazole et d'azole ont une longue histoire en tant que traitements chimiques pour des applications industrielles. Le traitement de l'eau industrielle utilise de manière omniprésente des dérivés de benzotriazole pour le contrôle de la corrosion des métaux jaunes (cuivre, cuivre-nickel et échangeurs de chaleur en amirauté) depuis environ 75 ans.

La technologie à base d'azole présente des inconvénients et des limites. Les principaux aspects négatifs comprennent une toxicité aquatique élevée, la génération d'halogénures organiques adsorbables (AOX) et la perte de passivation de la surface métallique lorsqu'elle est exposée à des oxydants.

Pour maintenir le contrôle microbiologique dans le traitement des eaux de refroidissement industrielles, il est courant d'alimenter un oxydant, soit en continu, soit par intermittence. Les oxydants les plus utilisés sont l'hypochlorite de sodium, le brome, le dioxyde de chlore, le peroxyde ou l'ozone. Malheureusement, les oxydants peuvent contourner la réaction cathodique dans une cellule de corrosion, entraîner un potentiel d'oxydation plus élevé et accélérer à la fois la corrosion générale et localisée. Lorsqu'un biocide oxydant est ajouté à l'eau de refroidissement industrielle qui est traitée avec un azole, une image de microscopie électronique à transmission (TEM) en coupe transversale de la surface métallique montre que la surface passivée auparavant uniforme est maintenant poreuse et discontinue (voir Figure 1).

Figure 1. A : image TEM en coupe d'un film TTA sur une surface en laiton amirauté (ADM), formé en l'absence d'acide hypochloreux. B : image TEM en coupe montrant le déplacement catalysé hypochloreux du TTA sur la surface métallique.

En conséquence, il y a souvent un compromis nécessaire entre le contrôle de la corrosion du métal jaune et le contrôle microbien. Malgré des recherches approfondies sur les propriétés des benzotriazoles et des composés azolés en tant qu'inhibiteurs de corrosion filmogènes, les installations de traitement des eaux industrielles obtiennent souvent un large éventail de résultats insatisfaisants : taux de corrosion du métal jaune dépassant la norme industrielle de 0,2 mpy maximum, désutilisation des alliages de métal jaune (dézincification), corrosion galvanique et niveaux élevés de cuivre dans les effluents.

Plus récemment, la disponibilité des matériaux est une autre limitation qui a compliqué l'utilisation de la technologie traditionnelle des azoles. Les problèmes de chaîne d'approvisionnement concernant les matières premières, les tarifs imposés par le gouvernement et les retards d'expédition ont affecté l'approvisionnement et fait grimper les coûts de manière significative, incitant les utilisateurs finaux à rechercher de nouvelles technologies qui réduisent leur dépendance à cette technologie.

La technologie de science des surfaces de pointe (par exemple XPS, ToF-SIMS, TEM) facilite la compréhension de la façon dont les films de passivation sont construits au niveau moléculaire sur les surfaces métalliques. Cela a permis le développement d'un nouveau système de protection « technique » de composants qui forment une barrière électriquement isolante pour inhiber la corrosion. Le système fonctionne en formant un « co-film » dynamique qui intègre des azoles de faible niveau, une chimie en instance de brevet et divers colloïdes salins présents dans la chimie de l'eau cyclée.

Le système de passivation du cuivre technique (ECP) répond à plusieurs des lacunes des programmes traditionnels d'azole, avec l'avantage supplémentaire de fournir une protection des actifs égale ou améliorée, même dans des conditions de stress. Le film de passivation tenace formé par ECP peut gérer des chlorures élevés (> 1500 ppm), offrant aux utilisateurs finaux la possibilité d'utiliser des eaux grises ou d'autres sources d'eau recyclées dans leurs systèmes de refroidissement, sans sacrifier la protection des actifs. Le « co-film » est extrêmement stable dans les systèmes qui dépendent fortement des oxydants pour le contrôle microbiologique. Des tests sur le terrain dans une raffinerie ont démontré que le film de passivation peut résister à des résidus de chlore libre jusqu'à 100 ppm pendant plusieurs jours, sans perte de protection.

Sur le plan environnemental, les additifs de cette nouvelle technologie ont généralement une toxicité aquatique plus faible et il a été démontré qu'ils réduisent la génération d'AOX jusqu'à 50 %. De plus, cette technologie réduit considérablement la dépendance des utilisateurs finaux vis-à-vis de la chimie des azoles, atténuant ainsi les problèmes de chaîne d'approvisionnement. L'analyse de surface des coupons montre une réduction moyenne de 80 % de la teneur en azote sur les systèmes traités à l'ECP. L'azote est un élément de signature pour la présence d'azoles sur la surface métallique, validant la réduction de la dépendance à la chimie des azoles pour la protection contre la corrosion.

Dans le passé, les utilisateurs finaux étaient réticents à s'éloigner des produits chimiques éprouvés tels que le tolytriazole, le benzotriazole et le tolytriazole chloré. Même si d'autres technologies de contrôle de la corrosion du cuivre ont été envisagées, les avantages potentiels n'ont pas suffisamment dépassé le coût du changement pour inciter à l'action. Cependant, les pressions mondiales sur l'approvisionnement mentionnées ci-dessus, associées au passage des installations de traitement du pétrole et du gaz en aval à des sources d'approvisionnement en eau alternatives et plus difficiles, ont fourni des incitations supplémentaires pour justifier le réexamen des nouvelles technologies.

Un grand complexe de raffinerie/pétrochimie dans le sud-ouest des États-Unis a développé et mis en œuvre un plan d'essai pour évaluer les avantages de la technologie ECP par rapport à leur programme d'azole traditionnel. La banque de tours choisie pour l'essai avait des antécédents de taux de corrosion du métal jaune dépassant les 0,2 mpy ciblés en raison de l'utilisation intensive d'hypochlorite de sodium pour contrôler l'activité microbiologique. Les tours utilisaient un triazole chloré pour leur protection contre la corrosion des métaux jaunes.

Les tours de refroidissement sélectionnées pour être testées à la raffinerie dépendent fortement de l'hypochlorite de sodium, produisant des niveaux élevés de chlore libre pour contrôler l'encrassement microbiologique pendant de longues périodes. La moyenne à long terme du chlore libre a approché 2 ppm sous forme de chlore, les lectures quotidiennes dépassant parfois 2 ppm sous forme de chlore (voir la figure 2). Tout en prévenant la contamination microbiologique et en minimisant le potentiel d'agents pathogènes, ce résidu élevé d'halogène libre aurait un impact négatif sur le traitement précédent au métal jaune à base d'azole et conduirait à des taux de corrosion plus élevés que souhaité.

Figure 2. Résidus typiques de chlore libre de tour de refroidissement (ppm).

Alors que le site étudiait la technologie ECP, le principal défi à relever consistait à valider une protection accrue face à des niveaux de chlore libre continuellement élevés et/ou des tours de refroidissement avec des problèmes de contrôle du chlore qui entraînent des concentrations de chlore libre périodiquement élevées et imprévues. Une série d'essais au banc ont été développés et menés, suivis d'un essai sur le terrain à portée limitée, pour mesurer l'amélioration des performances dans des conditions de fonctionnement typiques et des conditions de chlore libre « stressées » élevées pendant de longues périodes.

En 2021, l'essai de passivation du cuivre d'ingénierie a été lancé sur une tour sélectionnée avec des tours adjacentes fonctionnant sur le programme azole traditionnel utilisé pour les comparaisons de base. Dans l'ensemble, la transition s'est déroulée en douceur, car les débits d'alimentation ont été ajustés pour intégrer progressivement la nouvelle technologie de traitement et établir un film de passivation satisfaisant dans tout le système de refroidissement par évaporation ouvert. La compatibilité du produit avec le programme azole traditionnel a facilité la transition et minimisé le coût du changement. Tout au long de l'essai, des efforts ont été déployés pour s'assurer que les variables telles que le pH, les cycles de concentration, les résidus de chlore et les concentrations d'autres additifs du programme de traitement restent stables. La cohérence de ces variables externes, à la fois pour les tours de refroidissement d'essai et de référence, a permis d'isoler et de valider l'impact de la nouvelle technologie ECP.

Figure 3. Comparaison des taux de corrosion des coupons d'amirauté sur 30 jours de la tour traitée à l'ECP par rapport à une tour traitée à l'azole de base.

Une fois le nouveau film de passivation du cuivre mis en place, le site a commencé à voir une meilleure protection de la métallurgie du cuivre. Par rapport à d'autres tours de refroidissement sur site qui sont encore traitées avec le programme traditionnel à base d'azole (voir la figure 3), la tour traitée à l'ECP a produit des taux de corrosion par amirauté inférieurs sur les coupons de 30 jours au cours de chacun des cinq mois de l'essai, allant de 20 à 80 % de moins. La plus grande amélioration a été observée pendant les mois où les résidus de chlore libre étaient constamment supérieurs à 1,5 ppm. Cela valide la ténacité du film ECP et sa capacité à résister à l'utilisation intensive d'eau de Javel.

L'impact positif de la technologie ECP pouvait également être constaté visuellement lors de l'inspection des coupons de l'amirauté de 30 jours. Le film d'ingénierie est plus brillant et montre un changement minimal de la métallurgie de base (voir Figure 4). L'analyse de surface a en outre indiqué une réduction de 72 % de la teneur en cuivre sur la surface du coupon par rapport à un film de passivation à l'azole traditionnel. La réduction de l'oxyde de cuivre démontre que les taux de corrosion sont plus faibles dans les systèmes protégés par l'ECP que dans les systèmes protégés par l'azole.

Figure 4. De gauche à droite : acier doux traité à l'azole (1,07 mpa), acier doux traité à l'EPC (0,29 mpa), amirauté traité à l'azole (0,74 mpa), amirauté traité à l'EPC (0,16 mpa).

Un avantage secondaire de la technologie ECP au cours de cet essai était une réduction mesurable de la corrosion de l'acier doux. Comme indiqué, la libération de cuivre soluble en tant que sous-produit de la corrosion du métal jaune peut favoriser la corrosion de l'acier doux par attaque galvanique. Historiquement, ces tours ont démontré des taux de corrosion de l'acier doux sur des coupons de 30 jours à environ 1 mpy. Au cours de l'essai, les taux de corrosion de l'acier doux ont approché 0,3 mpy, ce qui représente une amélioration de 70 % par rapport aux tendances historiques.

À la suite de l'essai réussi, d'autres tours de refroidissement sont en cours de conversion à la technologie ECP lorsqu'il y a lieu de le faire. Il est avantageux pour les utilisateurs finaux de disposer d'un choix de technologies à appliquer selon les circonstances, d'améliorer la flexibilité d'exploitation et d'éviter des augmentations de coûts importantes dues à des problèmes de chaîne d'approvisionnement, tout en offrant des performances égales ou supérieures. La facilité de la transition vers la nouvelle technologie était un autre point positif, permettant l'utilisation des points d'injection, des commandes, des pompes et de l'équipement de réservoir existants, réduisant encore le coût du changement.

Sur la base de ces premiers succès dans la transition vers la nouvelle technologie, le site étudie actuellement une portée élargie pour inclure comment l'utilisation d'eau de dureté faible ou très faible pour l'appoint de la tour de refroidissement modifiera la protection contre la corrosion. Étant donné que la base de la technologie consiste à former des films protecteurs à l'aide des ions dissous de l'eau de refroidissement, les eaux à faible dureté fournissent moins de matière pour la formation du film. Une autre étude au banc est en cours pour remédier à cette condition, avec des essais sur le terrain limités prévus à suivre. Bien que l'étude soit toujours en cours, les premiers résultats sont positifs.

Cet article a été écrit par Jesse E. Stamp, ExxonMobil, aux côtés d'Eric Zubovic et du Dr Paul Frail, Veolia Water Technologies & Solutions.

Lire l'article en ligne sur : https://www.hydrocarbonengineering.com/special-reports/11012023/a-guide-to-protecting-cooling-systems/

Miro Cavkov, d'Euro Petroleum Consultants (EPC), explique comment les raffineries s'adaptent pour produire des carburants liquides et des composants chimiques plus propres.

Intégrer le lien de l'article :(copiez le code HTML ci-dessous):