Comprendre les défaillances de corrosion de la graisse de gaz de combustion

Les épurateurs de gaz de combustion sont des systèmes de lutte contre la pollution critique dans les centrales électriques, les fours à ciment et les installations de traitement chimique. Ils éliminent le dioxyde de soufre (SO2), le chlorure d'hydrogène (HCl) et d'autres polluants acides des flux d'échappement à l'aide d'un sorbant liquide, le plus souvent un calcaire ou un lisier de chaux.

La corrosion dans les épurateurs de gaz de combustion n'est pas un phénomène unique mais un jeu complexe de réactions chimiques, d'usure physique et de limitations des matériaux.Les conséquences vont de l'éclaircissement progressif des composants structurels à des défaillances catastrophiques soudaines qui libèrent des gaz dangereux.

L'environnement d'exploitation des gaz de combustion

Pour comprendre pourquoi la corrosion se produit, il faut d'abord apprécier l'environnement à l'intérieur d'un récipient d'épuration. Les gaz de combustion entrants sont généralement chauds (150°C–200°C) et contiennent des oxydes de soufre, du chlorure d'hydrogène, du fluorure d'hydrogène, des oxydes d'azote et des particules.

L'intérieur de l'épurateur est soumis à des conditions en évolution rapide :

  • Dégradations de température: La zone d'entrée du gaz (canal d'admission et section d'extinction) subit un refroidissement rapide lorsque le gaz chaud rencontre le lisier plus frais, créant ainsi une contrainte thermique et une condensation des gouttelettes acides.
  • Zones basses-pH:[ Malgré le lisier en vrac ayant un pH cible, les zones localisées où le gaz acide frais contacte le liquide peuvent avoir des pH aussi bas que 1–2, surtout près de l'entrée et dans les éliminateurs de brouillard.
  • La concentration de chlorure:[ Les chlorures provenant de la combustion du charbon ou de l'utilisation de l'eau de mer dans les installations côtières s'accumulent dans le lisier recirculation.
  • Galerie de corrosion par érosion:[ Le lisier contient des solides en suspension (frêne volant, particules de calcaire, gypse) qui abrade les films de surface protectrice, accélérant la perte de matériau.

Ces conditions exigent que les matériaux de construction et les systèmes de protection soient choisis avec soin, car même de petites surveillances peuvent entraîner une dégradation rapide.

Principaux mécanismes de corrosion dans les gaz de combustion

Corrosion uniforme

La corrosion uniforme se caractérise par une perte relativement uniforme de matériaux sur une surface. Dans les épurateurs, cela se produit lorsque toute la surface mouillée est exposée à un environnement acide. L'acier au carbone, parfois utilisé dans les conduits d'entrée ou les structures de support des épurateurs, peut corroder à des vitesses supérieures à 1–2 mm par an s'il n'est pas protégé. La réaction est simple : l'acide sulfurique (formé lorsque le SO2 se dissout et s'oxyde) attaque le fer, produisant du sulfate ferreux soluble et du gaz d'hydrogène. La corrosion uniforme est prévisible et peut être gérée par l'ajout d'une réserve de corrosion ou l'application de revêtements, mais elle nécessite toujours une surveillance attentive.

Corrosion de la piqûre

Le piquage est une attaque localisée qui produit de petites cavités ou fosses sur la surface métallique. Il est particulièrement dangereux parce que l'étendue de pénétration peut être sévère alors que la surface n'apparaît que légèrement endommagée. Le piquage se produit lorsque le film passif protecteur sur l'acier inoxydable ou d'autres alliages se décompose dans une zone localisée, souvent initiée par des ions chlorure. Dans les épurateurs, les chlorures sont les principaux coupables. Par exemple, une centrale utilisant de l'eau de mer pour le lavage peut voir des niveaux de chlorure supérieurs à 20 000 ppm dans l'eau circulante. Dans ces conditions, les aciers inoxydables austénitiques courants comme 304L et 316L sont sensibles au piquage.

Corrosion de la crévasse

La corrosion des crevasses se produit dans les espaces de trou et les zones blindées où l'environnement en vrac ne peut pas atteindre, comme sous les joints, les brides, les dépôts ou les sous-coups de soudure. Dans les épurateurs, les cendres volantes et les balances de gypse peuvent se déposer sur les lords et les surfaces horizontales, créant une zone stagnante sous le dépôt. La cellule d'aération différentielle qui forme conduit à l'acidification et à la concentration de chlorure dans la crevasse. La corrosion des crevasses est insidieuse parce qu'elle peut progresser sans détection jusqu'à ce que l'intégrité structurelle soit compromise.

Craquage de corrosion du stress (CSC)

La fissuration par corrosion par stress combine la contrainte par traction et un environnement corrosif pour produire des fractures fragiles dans des matériaux normalement ductile.

  • Craquage de corrosion sous contrainte au chrome (Cl-SCC):[ Occupe une zone à haut risque dans les aciers inoxydables austénitiques exposés à des chlorures à des températures supérieures à 60°C. La zone d'entrée des épurateurs, où les gaz chauds sont encombrés, est la zone à haut risque.
  • Craquage de corrosion par contrainte caustique: Peut se produire en acier au carbone et en acier inoxydable si le pH devient trop alcalin. Bien que moins fréquent dans le fonctionnement typique du épurateur, il peut se produire lorsque le caustique (NaOH) est utilisé pour le contrôle du pH et que les concentrations locales deviennent très élevées.

Les défaillances du CCN sont souvent soudaines et catastrophiques. Une seule fissure peut se propager à travers une paroi du navire, causant une fuite ou une rupture sans avertissement préalable.

Corrosion par érosion

Dans les épurateurs, le lisier contient des solides en suspension qui s'immobilisent sur les surfaces à grande vitesse, particulièrement dans les coudes, les buses de pulvérisation et les enveloppes de pompe. La combinaison d'attaque chimique et d'usure mécanique peut augmenter les taux de perte de matériaux d'un ordre de grandeur par rapport à la corrosion seule. Des fers blancs à haute teneur en chrome et des composants doublés de céramique sont souvent utilisés dans ces zones.

Matériaux de construction pour la résistance à la corrosion

La première ligne de défense est la sélection du bon matériau pour chaque composant. Les matériaux suivants sont couramment utilisés dans les épurateurs de gaz de combustion, chacun avec des forces et des limitations spécifiques.

Aciers inoxydables

Les aciers inoxydables austénitiques, tels que 304L et 316L, sont largement utilisés mais présentent une résistance limitée aux chlorures. 316L contient du molybdène, qui améliore la résistance aux piqûres, mais dans des environnements à haute teneur en chlorure (au-dessus de 2 000 ppm Cl-), il peut encore être insuffisant. Les aciers inoxydables duplex, tels que 2205 et 2507, offrent une résistance plus forte et une meilleure résistance aux piqûres (mesurée par le nombre équivalent de résistance aux piqûres, PREN).

Alliages à base de nickel

Pour les conditions de chlorure extrême et de faible pH, les alliages à base de nickel comme le C-276 (UNS N10276) et l'alliage 625 (N06625) sont souvent spécifiés. Ces alliages offrent une excellente résistance aux fissures de corrosion par piqûre et par contrainte.

Métaux réactifs (Titanium et Zircônium)

Le titane présente une résistance exceptionnelle à la corrosion dans les milieux chlorures, mais il peut être sensible à la corrosion par crevasse à des températures élevées (au-dessus de 70°C) et à un pH bas.

Matériaux non métalliques

On utilise parfois du plastique renforcé par fibre (FRP), du chlorure de polyvinyle (PVC) et du polypropylène pour les gaines, les piles et les canalisations dans les sections à basse température. Ces matériaux sont à l'abri de la corrosion galvanique mais peuvent se dégrader à partir d'une exposition aux UV, des limites de température (généralement inférieures à 90 °C pour le PVC) et des chocs mécaniques.

Revêtements et doublures de protection

Même avec une sélection minutieuse des matériaux, de nombreux composants de la massique nécessitent une protection supplémentaire. Les revêtements et les revêtements constituent une barrière entre l'environnement corrosif et le substrat structural (souvent l'acier au carbone pour des raisons de coût).

Revêtements minces

Les revêtements époxy, ester vinyle et polyuréthane à haute construction sont appliqués à des épaisseurs de 250 à 500 microns. Ils sont efficaces pour un service modéré mais sont vulnérables aux dommages mécaniques et au cycle thermique.

Doublures épaisses

Les revêtements lourds, tels que l'ester vinyl renforcé en verre de flocons (époxy appliqué de 2 à 4 mm d'épaisseur) ou rempli de céramique, offrent une plus grande durabilité. Les plaquettes en verre de flocons sont parallèles à la surface, créant un chemin tortueux pour la perméation. Ces revêtements sont largement utilisés dans les cuves, les réservoirs et les gaines d'absorbeur.

Doublures en caoutchouc

Le caoutchouc chlorobutyle ou les revêtements en caoutchouc naturel, d'une épaisseur de 3 à 6 mm, sont souvent appliqués sur les cuves d'épuration en acier au carbone. Ils résistent fortement aux acides minéraux et au chlorure, mais ne peuvent pas résister à des températures supérieures à 90 °C sans dégradation.

Briques réfractaires et antiacides

Dans la zone d'extinction d'entrée où le gaz chaud entre, les températures peuvent être trop élevées pour les revêtements organiques. Les revêtements en brique résistant aux acides, sertis de mortiers en silicate de potassium ou en résine furanne, sont utilisés.

Études de cas sur les défaillances de la corrosion du greffon

Cas 1 : Mise en place et perforation d'une coquille d'absorbeur de 316L

Une centrale au charbon utilisant un épurateur humide à gypse calcaire a connu de fréquentes fuites dans le bâtiment absorbant au cours des trois années suivant le démarrage. Le bâtiment a été fabriqué à partir d'acier inoxydable de type 316L (UNS S31603). L'analyse a montré que les niveaux de chlorure dans le lisier avaient atteint 35 000 ppm en raison de l'utilisation d'un flux d'eaux usées recyclé. La corrosion de la piqûre a eu lieu à plusieurs endroits, avec quelques fosses pénétrant toute l'épaisseur de la paroi de 8 mm. La piqûre était concentrée dans les zones supérieures où le film liquide était mince et la concentration de chlorure s'est produite.

Cas 2 : Craquage de corrosion par stress dans la conduite d'entrée

Dans une usine chimique utilisant un épurateur pour éliminer le HCl et le SO2 d'un procédé de chloration, le conduit d'entrée construit en acier inoxydable 304L a développé des fissures longitudinales après seulement 18 mois. Le conduit a fonctionné à 120°C–150°C et a été exposé à des gaz acides condensés. Un mécanisme de CSC au chlorure a été identifié, avec des contraintes résiduelles de soudage qui ont entraîné la propagation des fissures. Le conduit a été remplacé par une section en acier inoxydable duplex 2507 et un soulagement des contraintes post-soudage a été effectué.

Cas 3: Corrosion de la crévasse sous les dépôts de gypse

L'inspection a révélé que l'échelle de gypse s'était construite sur les surfaces supérieures des poutres, créant un environnement stagnant et acide sous les dépôts. Le matériau du faisceau était de 316L, et les taux de piqûres atteignaient 3 mm/an sous l'échelle. La solution consistait à remanier le système d'eau de lavage interne pour rincer régulièrement les surfaces horizontales, en combinaison avec un nettoyage périodique hors ligne pour éliminer les dépôts accumulés.

Techniques d'inspection et de surveillance

La détection précoce de la corrosion est essentielle pour prévenir les défaillances. Un programme d'inspection complet pour les épurateurs devrait comprendre :

Inspection visuelle et essais de pénétration de colorant (PT)

Des inspections internes régulières, généralement pendant les pannes prévues, permettent d'identifier visuellement la corrosion, les fissures et les dommages causés par le revêtement.

Mesure de l'épaisseur ultrasonore (UT)

L'UT est le principal outil pour quantifier la perte de paroi due à la corrosion et au piquage uniformes. Une grille de mesures de l'épaisseur est prise sur la coque du bateau et les tuyauteries critiques au fil du temps, permettant de calculer les taux de corrosion.

Essais radiographiques (RT)

RT est utilisé pour inspecter les soudures et détecter les piqûres internes ou les laminations. La radiographie numérique offre des résultats plus rapides et un archivage plus facile.

Surveillance des émissions acoustiques

AE est une technique en temps réel qui détecte les ondes de contrainte générées par la fissuration active ou le décollage du revêtement. Elle peut être utilisée lors des essais hydrométriques ou même pendant l'opération pour identifier les zones de dommages continus.

Sondes de taux de corrosion et surveillance en ligne

Les sondes de résistance électrique (ER) et de résistance à la polarisation linéaire (LPR) peuvent être installées dans des boucles de circulation de la brosse pour mesurer les vitesses de corrosion instantanées.

Stratégies de prévention et d ' atténuation

Contrôle des processus

Le maintien d'un pH optimal dans le lisier absorbant est le moyen le plus efficace de réduire la corrosion. Un pH inférieur à 4,5 augmente considérablement les taux de corrosion pour la plupart des matériaux. La plupart des épurateurs fonctionnent entre pH 5.0 et 6,0 pour un rendement maximal d'élimination du SO2, mais des excursions vers un pH plus faible se produisent lors de changements de charge ou d'interruptions de l'alimentation en calcaire.

Inhibiteurs chimiques

Des inhibiteurs de corrosion peuvent être ajoutés au lisier pour former un film protecteur sur les surfaces métalliques. On utilise parfois des inhibiteurs à base de molybdate et de nitrite, mais ils peuvent être consommés rapidement dans un environnement à haute teneur en solides et peuvent interférer avec la chimie de lavage. On a également étudié les organophosphonates et les azoles. L'utilisation d'inhibiteurs nécessite une évaluation attentive pour éviter les effets néfastes sur la qualité du gypse ou le traitement des déchets.

Améliorations de la conception

L'attention portée aux détails de conception peut prolonger de façon significative la durée de vie.

  • Évitez les crevasses en utilisant des soudures à pleine pénétration et en éliminant les barres de support.
  • Fournir des drains à des points bas pour prévenir l'accumulation de liquide.
  • Conception pour l'accessibilité pour permettre le nettoyage et l'inspection.
  • Utilisez des rayons plus grands dans les coudes de tuyauterie pour réduire l'érosion-corrosion.
  • Installez des buses d'eau de lavage pour éliminer les dépôts d'échelle sur les surfaces horizontales.

Pratiques exemplaires opérationnelles

Des procédures telles que le rinçage post-dégradation à l'eau douce pour éliminer les résidus acides, le maintien de la concentration adéquate de solides lisiers pour réduire l'érosion et l'élimination des gradients de température excessifs lors des démarrages et des arrêts contribuent tous au contrôle de la corrosion.

Conclusion

Les défaillances induites par la corrosion dans les épurateurs de gaz de combustion demeurent un défi opérationnel important dans toutes les industries qui dépendent de ces systèmes de lutte contre la pollution. L'environnement chimique agressif, caractérisé par un pH bas, des concentrations élevées de chlorure, des températures élevées et des solides érosifs, exige une approche multiforme de la sélection des matériaux, des systèmes de protection, du contrôle des procédés et de l'inspection.

Bien que le coût de la mise en oeuvre d'alliages résistant à la corrosion et de revêtements à haute performance puisse être important, il est presque toujours inférieur au coût des pannes non planifiées, des réparations d'urgence et des pénalités réglementaires.Une approche proactive qui combine le choix approprié des matériaux avec des programmes rigoureux de surveillance et d'entretien permettra de maximiser la durée de vie des systèmes d'épurateurs, en s'assurant qu'ils continuent d'atteindre les objectifs environnementaux de façon fiable et sécuritaire.

Pour plus de détails, voir Directives de la NACE International sur la corrosion dans les épurateurs à eau et Directives techniques de l'EPA sur les matériaux de désulfuration des gaz de combustion.