Tubes de chaudière : protéger et servir

Gary Heath explique comment déployer des revêtements avancés pour prolonger la durée de vie des tubes de chaudière dans les centrales électriques à déchets et au charbon

La chaudière de production d'électricité typique représente un environnement agressif en termes d'usure érosive et de corrosion à haute température pour les matériaux des tubes de l'échangeur de chaleur. Les nombreuses formes, tailles, conceptions, marques, etc. des chaudières, ainsi que la diversité des combustibles utilisés (charbon, pétrole, déchets, biomasse, etc.) et des régimes de fonctionnement donnent lieu à une gamme large et complexe de problèmes d'usure/corrosion.

L'érosion ou la corrosion peut conduire à un amincissement de la section transversale de la paroi du tube de ce qui est un récipient sous pression. Lorsque l'épaisseur de la paroi du tube devient trop mince, le tube éclate et les opérations doivent être fermées pour le remplacer.

Il existe différentes philosophies pour réduire le gaspillage de tubes à des niveaux acceptables, qui incluent des modifications de conception, de température de fonctionnement et de débit de gaz (qui peuvent réduire l'efficacité de la chaudière) ou des changements de matériau de tube (qui peuvent être coûteux et signifient généralement sacrifier d'autres propriétés). Les méthodes disponibles comprennent la co-extrusion, la calorisation, la nitruration, la chromisation, la boruration, la pré-oxydation, le recouvrement par soudure et les revêtements projetés thermiquement.

Aujourd'hui, la technologie la plus utilisée contre la corrosion est la superposition de soudure (généralement de 2 mm d'épaisseur) d'un alliage complexe à base de nickel (généralement Inconel 625, 622).

Contre l'érosion, on utilise des revêtements projetés thermiquement qui sont généralement durs, minces (0,3-1,0 mm), rapides à appliquer et peuvent être appliqués comme de la peinture. Les procédés de pulvérisation qui ont été utilisés dans la protection des chaudières sont : la combustion à la flamme (avec de la poudre ou du fil), le fil à arc électrique, le plasma à air (APPS), le combustible à oxygène à grande vitesse (HVOF), la pulvérisation et le fusible (S&F) et les revêtements peints de composés inorganiques à base de céramique (revêtements en suspension).

En Europe et aussi de plus en plus en Asie, le passage à des sources alternatives de production d'énergie et les demandes de réduction de NOx et de CO2 ont conduit à un fonctionnement plus strict des chaudières et à l'utilisation de combustibles alternatifs (déchets municipaux, biomasse). Ces tendances, ainsi que la combustion de charbon de qualité inférieure, ont augmenté la quantité de corrosion et d'usure observée dans les tubes de la chaudière.

La qualité et les performances du revêtement, le coût du revêtement, la réduction des temps d'arrêt pour appliquer les couches sur site, les nouveaux tubes par rapport à la réparation sur site des tubes usés, etc. deviennent désormais des problèmes critiques dans l'économie de nombreuses centrales électriques. L'ajout de la société américaine WherTec au groupe Castolin Eutectic en 2014 a apporté au portefeuille 16 ans d'expérience dans le revêtement de chaudières ainsi que des technologies innovantes de revêtement au laser et de revêtements en suspension.

Densification et rechargement laser

Castolin Eutectic a développé un procédé thermochimique qui « densifie » le revêtement projeté thermiquement. Ce procédé de densification couplé au procédé de projection à l'arc (avec les gammes de produits de revêtement BTC et TubeArmor) est bien adapté pour revêtir les parois d'eau des chaudières de valorisation énergétique des déchets et de biomasse où la corrosion est un mécanisme d'usure important.

Pendant ce temps, la technologie laser à diode haute puissance (HPDL) a permis à la technologie de revêtement laser auparavant prometteuse, mais coûteuse, de devenir une solution de corrosion rentable pour les grandes surfaces de chaudières dans les ateliers de l'entreprise. Des matériaux de type Inconel avec des épaisseurs allant jusqu'à 0,7 mm sont produits et offrent de meilleures propriétés (dilution plus faible, zone affectée par la chaleur plus petite, structure plus fine, surface de revêtement lisse) par rapport au revêtement de chaudière à recouvrement de soudure traditionnel. Aux États-Unis, plusieurs centaines de mètres carrés de tubes de chaudière revêtus de laser sont installés dans des chaudières.

Études de cas réels

Dans la plus grande centrale électrique au lignite de 5 053 MW d'Europe en Pologne, où l'usure par érosion des tubes de surchauffeur était répandue, des essais avec divers revêtements par pulvérisation thermique sur une période de huit ans ont identifié un gagnant clair, le revêtement Eutronic Arc 595 pulvérisé avec l'équipement Castolin Eutectic à l'atelier de service de l'entreprise. L'Arc 595 est un alliage très dur à base de Fe et il a prolongé la durée de vie du tube de surchauffeur jusqu'à sept ans par rapport aux tubes en acier nus d'origine. Plus de 46 km de tubes et de coudes ont été revêtus pour chacune des six chaudières.

Une grande entreprise française de traitement des déchets a testé l'alliage 53606 S&F dans son réacteur de corrosion accélérée en laboratoire, qui simule le mécanisme de corrosion typique observé sur les tubes de surchauffeur utilisés dans ses chaudières de valorisation énergétique des déchets. De nombreux alliages et systèmes de revêtement différents ont été testés, y compris le revêtement de soudure Inconel 625. La société de traitement des déchets rapporte que l'alliage 53606 de Castolin Eutectic a surpassé les autres alliages et systèmes de dépôt.

Dans de nombreuses chaudières à biomasse et à déchets, il y a une attaque mixte d'érosion/corrosion des tubes de la chaudière. Une centrale électrique italienne a rencontré un grave problème de corrosion en ajoutant 10 % de déchets au charbon habituellement brûlé dans sa chaudière. Le fil BTW 66 (érosion-corrosion) a fait ses preuves lors d'essais sur le terrain sur des panneaux, et le client a donc commandé cette solution pour une surface de mur d'eau beaucoup plus grande.

Pour plus d'informations, visitezwww.engineerlive.com/ipe

Gary Heath est avecCastolin eutectique.