Lutte contre la corrosion dans les boucles de refroidissement

Rich Roser, directeur chez Laird Engineered Thermal Systems | 21 novembre 2017

De nombreuses applications de refroidissement nécessitent une grande pureté dans le fluide de refroidissement du procédé. La corrosion contamine les fluides, tandis que les exigences de pureté pour ces fluides peuvent être comptées en parties par milliard. Dans la plupart des applications, la corrosion des métaux peut être gérée, ralentie ou même arrêtée en utilisant les matériaux et les techniques de prévention appropriés.

La corrosion dans les boucles de refroidissement liquide peut être causée par une action chimique, électrochimique ou abrasive du fluide caloporteur sur les surfaces mouillées. Les couches de produits chimiques formées par la corrosion peuvent inhiber un transfert de chaleur approprié entre les surfaces métalliques liquides et mouillées. Les produits corrosifs peuvent introduire des débris dans le système de fluide affectant le débit de fluide, obstruant les filtres et les restrictions serrées, ou même endommageant les composants de la pompe. Dans des conditions extrêmes, des fuites peuvent se former.

Choisir les bons matériaux

L'acier inoxydable, et en particulier l'acier inoxydable de la série 300 (austénitique), est inerte vis-à-vis de presque tous les fluides caloporteurs en raison de la nature de la couche de passivation d'oxyde de chrome (III) recouvrant les surfaces de ces aciers. Lors de l'utilisation d'eau déionisée, l'acier inoxydable et le nickel sont considérés comme appropriés pour les surfaces mouillées. Bien que l'acier inoxydable soit excellent pour une utilisation contre la corrosion dans la plupart des cas, il présente un inconvénient important. L'acier inoxydable a une conductivité thermique plutôt faible, en particulier par rapport à d'autres métaux tels que l'aluminium ou le cuivre. Cependant, des concentrations élevées de chlorure peuvent vaincre la résistance de l'acier inoxydable.

L'aluminium a tendance à être sensible à la corrosion ou à la piqûre due aux impuretés présentes dans l'eau non purifiée. Même avec une solution de glycol dans de l'eau distillée, l'éthylène glycol et le propylène glycol forment des composés acides sous oxydation. Cela devient corrosif sur les surfaces mouillées et forme des sous-produits acides organiques. Pour éviter cela, des inhibiteurs de corrosion sont habituellement ajoutés au glycol, auquel cas ses performances en tant que retardateur de corrosion sont grandement améliorées au-dessus de l'eau ordinaire.

L'anodisation des surfaces d'aluminium mouillées est la formation d'une couche passivée d'oxyde d'aluminium (III) (Al2O3). Cela forme une couche plus épaisse, par ordre de grandeur, que la fine couche passivée naturelle qui se forme sur l'aluminium exposé. La couche naturelle n'est pas une barrière efficace contre la corrosion, mais une couche anodisée peut l'être, à condition que des niveaux de pH modérés soient maintenus et que la concentration en ions halogénures reste faible. D'autres métaux peuvent être protégés à l'aide de revêtements tels que la peinture ou la galvanoplastie. Les peintures et revêtements anticorrosifs sont couramment utilisés pour protéger les métaux de la dégradation due à l'humidité, à l'humidité, au brouillard salin, à l'oxydation ou à l'exposition à diverses conditions environnementales ou à des produits chimiques industriels. Ces peintures et revêtements résistants à la corrosion offrent une protection supplémentaire pour les surfaces métalliques. Des revêtements métalliques, ou placage, peuvent également être appliqués pour inhiber la corrosion.

Les alliages de cuivre et de nickel de cuivre ont une bonne résistance à la corrosion et une résistance naturelle à la croissance biologique. Comme pour l'aluminium, cependant, des inhibiteurs de corrosion doivent être utilisés pour éviter la corrosion acide.

Résoudre le défi de la corrosion des fosses

La piqûre est également un problème dans les boucles de refroidissement. Dans une zone à faible vitesse, une piqûre peut se former en raison de la forte concentration localisée d'un agent de corrosion tel que les ions halogénures. Une fois formé, le taux de corrosion dans la fosse s'accélère en raison du volume à l'intérieur de la fosse qui n'échange pas de fluide avec le reste du volume de fluide, ce qui entraîne des concentrations toujours croissantes d'ions corrosifs et l'expansion de la fosse.

Les dommages causés par ce type de corrosion sont particulièrement dangereux, car ils se produisent avec peu d'effets observables sur l'apparence ou les performances, la corrosion n'affectant qu'une petite partie d'une surface. La corrosion, cependant, se propage profondément dans le métal et peut créer des fuites sans avertissement.

Comme avec d'autres formes de corrosion, une forte concentration d'halogénure, en particulier en présence d'oxygène et de niveaux de pH supérieurs ou inférieurs, créera des conditions idéales pour que des piqûres se produisent dans l'aluminium ou l'acier. Les emplacements d'écoulement stagnant doivent être évités et des inhibiteurs de corrosion pour l'élimination de l'oxygène peuvent être ajoutés.

Surmonter la corrosion galvanique

La corrosion galvanique est le résultat de la différence de potentiel d'électrode de deux matériaux différents en contact par un chemin électriquement conducteur et un électrolyte suffisamment conducteur. Plus précisément, c'est le résultat naturel des matériaux passant chimiquement à leur état le plus stable dans un système avec d'autres composants capables de transporter ou d'absorber des électrons et des ions. Le chemin électriquement conducteur se produira généralement à travers la plomberie métallique et le matériel constituant le système de refroidissement.

Le moins noble des deux métaux se corrodera avec le temps, se dissolvant dans l'eau. L'aluminium et le cuivre, deux métaux de transfert de chaleur couramment utilisés, sont des exemples de métaux dissemblables qui ont tendance à entraîner des problèmes de corrosion galvanique lors du transfert de chaleur. Les combinaisons d'acier et d'alliages de cuivre peuvent être problématiques si le cuivre est autorisé à se dissoudre dans le fluide et à plaquer sur des surfaces en acier, ce qui entraîne une action galvanique agressive sur l'acier.

La sélection de matériaux mouillés qui sont électrochimiquement similaires réduira le potentiel entre eux et ralentira le taux d'action galvanique. La consultation de la série galvanique montrera le classement des métaux et leur réactivité dans un fluide, typiquement disponible pour l'eau de mer et l'eau douce. Plus la différence entre les deux métaux en question est grande, plus le taux de corrosion sur le métal anodique le moins noble est important.

L'érosion comme forme de corrosion

L'érosion est une autre préoccupation. L'érosion se produit lorsqu'il y a abrasion par des débris de matières solides et des vitesses de fluide élevées. Une filtration adéquate, ou mieux encore, l'utilisation des pratiques décrites ci-dessus, réduira la quantité de débris à traiter. Le problème des vitesses de fluide élevées nécessite une analyse plus approfondie. Un emplacement de corrosion localisé a tendance à être protégé d'une corrosion supplémentaire dans un volume stagnant par les produits de corrosion passivés, mais l'augmentation de la vitesse du fluide repoussera les produits et découvrira le métal n'ayant pas réagi et sensible en dessous.

Stratégies pour prévenir la corrosion

Des inhibiteurs de corrosion spécifiques au métal à protéger peuvent être ajoutés aux fluides de refroidissement, bien que ceux-ci puissent nécessiter un entretien supplémentaire pour recharger l'inhibiteur car il s'épuisera avec le temps. Différents types de fluides, tels que l'eau distillée propre, peuvent réduire le taux de corrosion. Un fluide caloporteur diélectrique peut être utilisé pour éliminer le chemin ionique du métal corrosif si les exigences de procédé et de performance devaient permettre son utilisation.

La protection cathodique est une méthode employée pour se prémunir contre la corrosion galvanique. La protection cathodique utilise un métal réactif plus sacrificiel pour agir comme une anode préférentielle. Il fonctionne en convertissant les zones anodiques sacrificielles (actives) sur la surface d'un métal en zones cathodiques (passives) par l'application d'un courant opposé. Le placement correct de l'anode sacrificielle par rapport aux anodes et aux cathodes est une question complexe. Des unions diélectriques peuvent être utilisées pour rompre le chemin conducteur entre des métaux dissemblables. Des précautions particulières doivent être prises concernant la quincaillerie et les composants de plomberie, en s'assurant qu'ils ne sont pas une source de métal dissemblable pour la corrosion.

Pour la prévention de l'érosion, les restrictions de débit et les changements de direction créent l'opportunité de régions localisées à haute vitesse, même lorsque le débit volumétrique global à travers le système semble correspondre à une vitesse de fluide gérable. Les changements soudains de diamètre de tube ou de tuyau doivent être évités, en particulier des diamètres supérieurs aux diamètres inférieurs. Les changements de direction doivent permettre le rayon de braquage maximal possible, avec l'élimination des saillies ou des évidements pointus dans le trajet d'écoulement.

Équilibrer la résistance à la corrosion et l'efficacité du refroidissement

Bien sûr, une vitesse de fluide plus élevée est généralement une caractéristique de conception souhaitée dans un système de refroidissement, avec des performances de transfert de chaleur améliorées entre le fluide et les surfaces de transfert de chaleur. Cela nécessite d'établir un équilibre entre les performances de transfert de chaleur et la résistance à long terme aux effets de la corrosion par érosion. Des vitesses supérieures à 1-2 m/s en tout lieu doivent être évitées. De plus, les vitesses de fluide acceptables diminuent en fonction de la susceptibilité de la surface mouillée en question et de la température et de l'agressivité du fluide caloporteur, des températures plus élevées augmentant évidemment le taux d'attaque chimique sur la surface mouillée.

Aucun métal n'est imperméable à la corrosion dans tous les environnements. Cependant, grâce à la compréhension des conditions clés qui causent la corrosion, à une surveillance et à un entretien constants, la corrosion peut être contenue et même contrôlée. La surveillance de l'état des surfaces et la mise en place de moyens de prévention adaptés sont indispensables pour protéger les boucles de refroidissement contre la détérioration des métaux et la corrosion.

Rich Roser est directeur chez Laird Engineered Thermal Systems. Laird est une société technologique mondiale qui se concentre sur la fourniture de systèmes, de composants et de solutions qui permettent la connectivité via des applications sans fil et des systèmes d'antenne qui protègent l'électronique des interférences électromagnétiques et de la chaleur.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Laird.

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