Comment une vitesse d'écoulement supérieure à 2 m/s affecte-t-elle le taux d'érosion-de corrosion des serpentins de chauffage en titane de grade 12 dans un service d'hypochlorite de sodium ?

L'hypochlorite de sodium (NaOCl) est un agent de blanchiment, un désinfectant et un biocide oxydant courant dans les usines de pâtes et papiers, les installations de traitement de l'eau et les usines de traitement chimique. Le chauffage des solutions d'hypochlorite de sodium est l'une des conditions les plus difficiles pour les équipements de chauffage métalliques en raison de la concentration élevée en oxydant, de la teneur en chlorure et des températures extrêmes, généralement nécessaires pour améliorer la cinétique de réaction ou préserver la stabilité du stockage. Le titane grade 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) devient le matériau de choix pour les réchauffeurs NaOCl. Il offre une meilleure résistance à la réduction des attaques acides et de la corrosion caverneuse que le grade 2. Lorsque la vitesse d'écoulement est supérieure à 2 m/s, cependant, un processus de défaillance moins connu, l'érosion-corrosion, domine la surface du serpentin de chauffage. À des vitesses élevées, la dissolution électrochimique synergique provoquée par l'élimination mécanique des revêtements passifs par cisaillement des fluides et des particules solides en suspension produit des taux d'amincissement des parois qui peuvent perforer un tube de calibre standard en quelques mois. Cet article évalue le comportement érosion-corrosion du titane de grade 12 en service NaOCl en fonction de la vitesse d'écoulement, de la concentration en hypochlorite et de la température, et fournit des limites de conception pour les réchauffeurs à serpentin où les vitesses d'écoulement sont intrinsèquement variables.

Érosion-Mécanisme de corrosion en milieu hypochlorite
L'érosion-corrosion n'est ni une érosion mécanique pure ni une corrosion électrochimique pure, mais les deux mécanismes contribuent en synergie à la perte de matière. Le titane de grade 12 présentait un film protecteur passif de TiO2 dans des solutions d'hypochlorite de sodium statiques ou à faible débit-. L'hypochlorite est un oxydant très puissant (potentiel de réduction standard ClO-/Cl-=+0.89 V vs. SHE), de sorte que le film se forme rapidement et les ajouts d'alliage de molybdène et de nickel l'empêchent de se décomposer en présence de chlorures. À des vitesses d'écoulement inférieures à 1,5 m/s, le film passif est stable et les taux de corrosion sont généralement inférieurs à 0,01 mm/an.

Lorsque la vitesse d'écoulement dépasse 2 m/s, la contrainte de cisaillement du fluide au niveau de la paroi du tube commence à perturber mécaniquement le film passif. La contrainte de cisaillement essentielle pour l'élimination du film passif sur le titane de grade 12 dans 5 % de NaOCl à 40 degrés est de l'ordre de 15 Pa, correspondant à un débit d'eau de 2,0-2,3 m/s sur une surface de tube lisse. Lors du retrait mécanique de la couche passive, le titane nu exposé se dissout rapidement dans l'environnement hypochlorite, avec des taux de dissolution sur les surfaces fraîchement abrasées estimés entre 0,5 et 2,0 mm par an. Dans l'hypochlorite statique, la repassivation se produit en quelques millisecondes, mais le flux d'hypochlorite empêche la reformation complète du film en balayant continuellement les ions de titane dissous et en maintenant faible la concentration locale d'espèces contenant de l'oxygène à proximité de la surface métallique.

La présence de particules solides en suspension aggrave considérablement l'érosion-corrosion. Les solutions commerciales d'hypochlorite de sodium contiennent souvent du chlorate de sodium (NaClO3), du chlorure de sodium (NaCl) et des particules d'oxyde métallique résultant de leur dégradation pendant le stockage. Même des précipités d’eau dure comme le carbonate de calcium peuvent se former dans les systèmes NaOCl. De telles particules impactent la surface du tube à des vitesses supérieures à 2 m/s et provoquent une déformation plastique localisée, une déchirure passive du film et l'inclusion de particules abrasives. Dans un écoulement chargé de particules-, les taux d'érosion-corrosion peuvent être 5 à 20 fois supérieurs aux taux observés dans un écoulement de fluide propre à la même vitesse.

Érosion-Données sur le taux de corrosion (quantitative)
Des tests en boucle contrôlée du titane de grade 12 dans l'hypochlorite de sodium ont été effectués à l'aide d'un appareil à électrode à cylindre rotatif (RCE) pour donner des mesures reproductibles d'érosion-corrosion. Les taux de perte de matériau, déterminés par la perte de poids après 500 heures d'exposition, obtenus par des tests à 40 °C dans 5 % de chlore disponible (sous forme de NaOCl, pH 11,5), avec une teneur en chlorure de 8 %, à des vitesses de rotation correspondant à des vitesses de surface de 0,5 à 5,0 m/s, sont :

Pour une vitesse d'écoulement de 1,0 m/s, le taux de corrosion par érosion-du titane de grade 12 est inférieur à 0,01 mm/an, ce qui est impossible à distinguer de la corrosion statique. Le rythme reste inférieur à 0,02 mm par an à 1,5 m/s. A 2,0 m/s le taux grimpe jusqu'à 0,05 mm par an, néanmoins acceptable pour un tube à paroi de 1,65 mm conçu pour un fonctionnement de 10 ans (surcharge totale de 0,5 mm). À 2,5 m/s, le taux augmente considérablement jusqu'à 0,15 mm chaque année. Et le taux est de 0,35 mm chaque année à 3,0 m/sec. À 4,0 m/s, le taux est de 0,8 mm/an. Le taux est supérieur à 1,5 mm par an à 5,0 m/sec, suffisant pour perforer une paroi de tube de 1,65 mm en 13 mois.

En revanche, le titane de grade 2, dans des conditions comparables, présente des taux de corrosion par érosion environ 2 à 3 fois plus élevés à toutes les vitesses supérieures à 2 m/s. À 3,0 m/s, le grade 2 perd du matériau à un rythme de 0,9 mm/an, et à 4,0 m/s, le taux augmente jusqu'à 2,0 mm/an. Les meilleures performances du grade 12 sont dues à la teneur en molybdène qui augmente la dureté du film passif et diminue sa vulnérabilité aux perturbations mécaniques et à la teneur en nickel qui permet une repassivation rapide après la dégradation du film.

Les taux d'érosion-corrosion sont augmentés d'un facteur de 4 à 6 pour toutes les vitesses en présence de 50 ppm de particules d'alumine en suspension (diamètre moyen 20 µm). Le grade 12 perd de la matière à raison de 0,7 mm par an à 2,5 m/s avec les particules. Avec des particules à 3,5 m/s, le taux est de 1,8 mm par an et toute durée de vie au-delà de deux ans devient irréalisable.

Érosion-corrosion en fonction de la température et de la concentration
La température favorise la désintégration électrochimique et l'affaiblissement mécanique du film d'érosion-corrosion. Le taux d'érosion-corrosion du titane de grade 12 dans 5 % de NaOCl à une vitesse d'écoulement de 3,0 m/s est double à 40 degrés par rapport à 30 degrés (0,18 mm/an à 0,35 mm/an). Augmenter la température de 40 degrés à 50 degrés augmente le taux d'un autre facteur de 1,8 (de 0,35 à 0,63 mm par an). L'hypochlorite de sodium est thermiquement instable au-delà de 50 degrés et se décompose rapidement en chlorate et chlorure avec dégagement d'oxygène. Les produits de décomposition comprennent l'acide chlorhydrique qui acidifie localement la solution et accélère la dissolution du titane. Pour ces raisons, chauffer NaOCl au-dessus de 50 degrés est généralement déconseillé, quel que soit le matériau choisi.

La concentration d'hypochlorite affecte également le taux d'érosion-corrosion. Le taux d'érosion-corrosion double (de 0,08 à 0,15 mm par an) lorsque le chlore disponible augmente de 2 % à 5 % à 2,5 m/sec et 40 degrés. Un triplement [de 5 % à 10 %] augmente le rythme (0,15 à 0,45 mm par an). Ce résultat est dû à la force motrice accrue de dissolution électrochimique due à la concentration plus élevée d’oxydant une fois que le film passif est brisé. Pour les solutions concentrées de NaOCl (eau de Javel commerciale moyenne contenant 12 -15 % de chlore disponible), les restrictions en matière d'érosion-corrosion deviennent sévères : la vitesse d'écoulement maximale recommandée pour le grade 12 est de 1,5 m/s.

Matrice de sélection de la vitesse d'écoulement des serpentins de chauffage NaOCl
Le tableau ci-dessous propose des conseils de conception aux ingénieurs spécifiant des serpentins de chauffage en titane de grade 12 pour un service d'hypochlorite de sodium, en fonction de la concentration de chlore disponible, de la température de fonctionnement et du fait que la solution soit clarifiée ou contienne des matières en suspension.

Condition de service NaOCl Concentration (% disponible Cl₂) Température (degrés) Max. Vitesse d'écoulement recommandée (m/s)Érosion anticipée-taux de corrosion (mm/an)Durée de vie estimée du tube (épaisseur de paroi de 1,65 mm)
Stockage de l'eau de Javel, chauffage clarifié (sans solides) 5-6 % 30-35 degrés 2,5 m/s 0,08-0,12 mm/an 10-15 ans
Chauffage du stockage d'eau de Javel clarifié 5-6 % 40-45 degrés 2,0 m/s 0,05-0,08 mm/an 15-20 ans
Chauffage de l'eau de Javel stockée 10-12 % 30-35 degrés 1,8 m/s 0,10-0,15 mm/an 8-12 ans
Usine de blanchiment (filtrée) de l'usine de pâte à papier 3-4 % 40-45 degrés 2,2 m/s 0,08-0,10 mm/an 12-15 ans
Usine de blanchiment de l'usine de pâte à papier (non filtrée, traces de fibres) 3-4 % 40-45 degrés 1,5 m/s 0,15-0,25 mm/an 5-8 ans
Désinfection des eaux usées (effluent secondaire, particules en suspension) 0,5-1 % 25-30 degrés 1,2 m/sec 0,10-0,20 mm/an 6-10 ans
Réchauffeur de procédé chimique (NaOCl propre et inhibé) 8-10 % 45-50 degrés 1,2 m/sec 0,20-0,35 mm/an 3-5 ans
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 mm/an<3 years
Approches de conception pour la bobine de contrôle de vitesse
Dans les applications avec serpentins de chauffage, la vitesse d’écoulement n’est pas un paramètre constant tout au long du serpentin. La vitesse est maximale dans les tubes de plus petit diamètre et près de l’entrée de la bobine. Les stratégies de conception pour contrôler la corrosion par érosion comprennent l'utilisation de diamètres de tubes plus grands (diamètre extérieur de 25-32 mm) pour réduire la vitesse pour un débit volumétrique donné, l'orientation des serpentins verticalement et non horizontalement pour obtenir une distribution de débit plus uniforme, et l'ajout de redresseurs de débit ou de diffuseurs à l'entrée du serpentin pour briser les jets turbulents. Dans les applications où des vitesses supérieures à 2,5 m/s sont inévitables--par exemple, dans le cas d'un chauffage unique-à travers des radiateurs connectés à une tuyauterie à haute vitesse existante, un tube à paroi plus lourde (2,5 à 3,0 mm) offre une marge de corrosion supplémentaire, bien que la relation ne soit pas linéaire car l'érosion-corrosion s'accélère à mesure que la paroi s'amincit et que la vitesse locale augmente en raison de la section transversale réduite.

Les dispositifs de débit de dérivation ne détournent qu'une partie du débit total à travers le réchauffeur, tandis que le débit principal est contourné. Les dispositifs de flux de dérivation peuvent réduire la vitesse côté tube-sans réduire la transmission de chaleur. Alternativement, le flux est divisé en plusieurs serpentins parallèles, réduisant ainsi la vitesse dans chaque serpentin. Pour les nouvelles installations où des vitesses approchant 2 m/sec sont prévues, une simulation de dynamique des fluides computationnelle (CFD) de la configuration de tuyauterie individuelle est recommandée.

Résumé des spécifications du réchauffeur NaOCl
Pour les serpentins de chauffage en titane grade 12 en service d'hypochlorite de sodium, une vitesse d'écoulement supérieure à 2 m/s entraîne un taux d'érosion-corrosion détectable qui augmente rapidement avec l'augmentation de la vitesse, de la température, de la concentration et des particules en suspension. La vitesse sûre la plus élevée pour le NaOCl purifié à 5 % à 40 degrés est de 2,5 m/s, ce qui donne un taux de perte de matériau acceptable de 0,1 mm par an et une durée de vie du tube de 10-15 ans avec une épaisseur de paroi de 1,65 mm. Pour 10 à 12 % de NaOCl ou une température > 45 degrés, la vitesse maximale de sécurité est réduite à 1,5 à 1,8 m/s. Pour tout service impliquant des flux de processus non filtrés ou des particules abrasives, la vitesse doit être inférieure à 1,5 m/s, de préférence inférieure à 1,0 m/s. Lors de la spécification de serpentins de chauffage de grade 12, les ingénieurs doivent fournir au fournisseur la vitesse d'écoulement estimée (ou le débit volumétrique et les dimensions du tube), la concentration de chlore disponible, la température de fonctionnement et une estimation de la charge de particules en suspension. Ces connaissances peuvent être utilisées pour déterminer le diamètre correct du tube, l'épaisseur de paroi et la disposition des bobines de manière à ce que les taux de corrosion par érosion se situent dans des limites acceptables. Pour des vitesses soutenues supérieures à 2,5 m/s, d'autres matériaux tels que le titane de grade 7 (qui présente une résistance à l'érosion-corrosion similaire) ou l'acier au carbone revêtu doivent être envisagés. Le grade 12 n’offrira pas la durée de vie attendue sous un écoulement d’hypochlorite à grande vitesse.