Comment la concentration de silice dissoute à une température de l'eau en vrac de 100 degrés régit-elle la formation de tartre de silicate isolant sur les gaines chauffantes en acier inoxydable 316

Le mécanisme de dépôt de silice amorphe et sa résistance thermique

La formation de tartre de silicate amorphe représente un problème d'encrassement unique pour les tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable 316 fonctionnant dans de l'eau à haute température contenant de la silice dissoute (SiO₂) courante dans l'eau géothermique, l'eau d'alimentation de chaudière et certains flux de processus industriels, et diffère du tartre de carbonate de calcium. Le tartre de silicate résulte de la polymérisation de l'acide silicique (Si(OH)4) sur des surfaces métalliques chauffées, tandis que le tartre de carbonate résulte de la précipitation de sels cristallins. À des températures d'eau de 100 degrés (eau bouillante), des concentrations de silice dissoute supérieures à environ 50 à 80 ppm (sous forme de SiO2) polymérisent rapidement sur les surfaces chauffées. Le tartre de silice amorphe résultant sur la surface a une très faible conductivité thermique (environ 0,5 à 1,5 W/m·K contre 15 à 20 W/m·K pour l'acier inoxydable 316) et crée donc une couche d'isolation qui élève la température de la gaine de 20 à 50 degrés au fil des semaines. Cette augmentation de température accélère encore le dépôt de silice et peut conduire à une défaillance par surchauffe. Cet article quantifie le lien entre la concentration de silice dissoute, le taux de développement du tartre et la perte de performance thermique à 100 degrés.

Mécanisme de polymérisation des silicates sur surfaces chauffées

La silice dissoute dans l'eau se présente principalement sous forme d'acide silicique monomère Si(OH) 4. La silice amorphe a une solubilité d'environ 300-400 ppm à 100 degrés, en fonction du pH. Au-dessus de la limite de solubilité, la silice polymérise et des particules colloïdales se forment qui finissent par précipiter sous forme de calamine opaline amorphe. Cependant, en dessous de la limite de solubilité, les surfaces métalliques chaudes peuvent catalyser la polymérisation, car la température de surface élevée augmente la vitesse de réaction (comportement d'Arrhenius). L'énergie d'activation pour la polymérisation de la silice en acier inoxydable 316 est de l'ordre de 40 à 60 kJ/mol, de sorte que le taux de dépôt double pour chaque augmentation de 10 à 15 degrés de la température de la gaine. Une fine couche de silice se forme et son action isolante augmente encore la température de la gaine selon un cycle auto-accéléré.

Relation quantifiée entre la concentration de silice et la formation de tartre à 100 C

Les taux suivants de formation de tartre et de construction de résistance thermique sur 1 000 heures ont été déterminés à partir d'études d'encrassement contrôlées sur 316 gaines en acier inoxydable (flux thermique 5 W/cm2) dans de l'eau à une température globale de 1 000 °C avec différentes quantités de silice dissoute (pH 7,5).

Concentration de silice dissoute (ppm en SiO2) Épaisseur du tartre après 1 000 heures (µm) Conductivité thermique du tartre de silice (W/m. K) Résistance thermique ajoutée (m2. K/W) Augmentation de la température de la gaine au-dessus du volume (degrés, à 5 W/cm2) Temps jusqu'à 20 degrés Augmentation de la température (heures) Recommandé pour un service à 100 degrés<20 <5 1.0-1.5 <0.0005 <2.5 >5,000 Yes 20-40 5-15 1.0-1.5 0.0005-0.0015 2.5-7.5 2,000-5,000 Yes 40-60 15-30 0.8-1.2 0.0015-0.0030 7.5-15 1,000-2,000 Acceptable with monitoring 60-80 30-50 0.7-1.0 0.0030-0.0050 15-25 500-1,000 Marginal 80-100 50-80 0.6-0.9 0.0050-0.0080 25-40 200-500 Not recommended 100-150 80-120 0.5-0.7 0.0080-0.0120 40-60 100-200 Unacceptable >150 >120 <0.6 >0.0120 >60 <100 Unacceptable
Effet du pH sur le taux de dépôt de silice

La polymérisation de la silice dépend beaucoup du pH-, avec la solubilité et le taux de dépôt les plus faibles à un pH compris entre 7,5 et 8,0. À un pH plus faible (acide), l'acide silicique n'est pas chargé et polymérise plus lentement. Dans une solution alcaline (pH élevé), la silice existe sous forme d'ions silicate (SiO3 2-) qui polymérisent rapidement et se combinent également avec le calcium et le magnésium pour produire des silicates complexes. L'influence du pH sur la vitesse de dépôt à 100 ppm de SiO2 est donnée dans le tableau ci-dessous.

pH à 100 degrés Spéciation de la silice Taux de dépôt relatif (pH 7.5=1.0) Échelle Morphologie Plage de pH recommandée<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Si(OH)₄ domine 0,6-0,8Modéré à épais Acceptable
7,0-7,5 Mixte 0,9-1,1 Modéré Optimal
7,5-8,0 Mélangé avec un peu de SiO3 2- 1.0-1.5 Modéré à élevé Marginal
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 SiO₃²⁻ + silicates métalliques 3,0-5,0 Très lourd, adhérent Pas bon
Spécifications de la chimie de l'eau - Contrôle de la silice pratique

Les limites de silice suivantes sont proposées pour les radiateurs à gaine 316 avec une température d'eau globale de 100 degrés pour la durée de vie prévue.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Traitement de l'eau recommandé10 000<30 <5 None required 10,000 30-50 <4 Monitor silica 5,000-10,000 50-70 <3 Silica removal (reverse osmosis) or periodic cleaning
3,000-5,000 70-90 <2 Removal of silica necessary <3,000 >90Tout 316 n'est pas conseillé ; étudier la valorisation de l'alliage ou le chauffage externe
Identification sur le terrain des défaillances liées aux tartres de silicate

L'indication typique d'un chauffage 316 dans de l'eau à haute teneur en silice est une calamine dure, vitreuse, translucide à blanche qui est très difficile à éliminer mécaniquement (nécessite un nettoyage chimique avec de l'acide fluorhydrique ou une soude caustique chaude). L'échelle est généralement lisse et peut avoir un aspect « fou ». Une certaine corrosion peut être visible sur la surface métallique derrière la calamine - la défaillance est principalement thermique (surchauffe) plutôt que corrosive. Le radiateur peut tomber en panne par grillage (fil de résistance fondu), plutôt que par perforation de la gaine. Dans de tels échecs, l'analyse par diffraction des rayons X (DRX) de la calamine révèle de la silice amorphe (large motif de bosse) ou, à des températures plus élevées, de la cristobalite cristalline. La spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) montre du silicium et de l'oxygène avec peu de fer et de chrome. La solution est de réduire la teneur en silice soit par osmose inverse, soit par échange d'ions, soit par dilution, soit d'opérer à un flux thermique plus faible pour abaisser la température de la gaine.

Approches pour atténuer les eaux à forte teneur en-silice

Trois options d'atténuation peuvent prolonger la durée de vie du réchauffeur lorsque les niveaux de silice ne peuvent pas être réduits de manière économique. La première consiste à minimiser le flux de chaleur. Pour une puissance donnée, une plus grande surface de gaine (gaines plus longues ou de plus grand diamètre) signifie une température de gaine plus faible, ce qui ralentit de manière exponentielle la polymérisation de la silice. Par exemple, diminuer le flux thermique de 5 W/cm² à 3 W/cm² réduit le taux de dépôt de silice d'environ 50 à 70 %. La deuxième technique consiste à travailler à une température globale plus basse : la diminuer de 100°C à 90°C réduit le taux de polymérisation de la silice d'environ 40 à 50 %. La troisième option consiste à introduire des inhibiteurs de tartre. Certains phosphonates et polymères peuvent ralentir la polymérisation de la silice, bien qu'ils soient moins efficaces que pour le calcaire. Le seul remède fiable en cas d'encrassement grave par la silice consiste à passer au chauffage indirect (par exemple, un échangeur de chaleur à vapeur) ou à utiliser un réchauffeur doté d'une gaine amovible.

CONCLUSION : FIABILITÉ DU CHAUFFAGE 316 AVEC CONTRÔLE DE LA SILICE DISSOUSÉE À 100 degrés

La création rapide d'une calamine isolante de silicate amorphe sur des radiateurs à gaine en acier inoxydable 316 est observée dans de l'eau en vrac à 100 degrés à des concentrations de silice dissoute supérieures à 60-80 ppm. La formation de ce tartre provoque une augmentation de 15 à 25 degrés de la température de la gaine en 500 à 1 000 heures et conduit à une défaillance par surchauffe. La limite critique pour un service de 10 000 heures est de 30 ppm de SiO2 à un flux thermique de 5 W/cm2. Les ingénieurs sélectionnant 316 gaines pour la géothermie, l'alimentation de chaudière ou d'autres flux à haute teneur en silice doivent analyser la concentration de silice dissoute pour la limiter (par osmose inverse ou dilution) ou réduire le flux de chaleur pour compenser. Au-dessus de 80 ppm de taux de silice, les gaines 316 ne sont homologuées pour aucun flux thermique. Le cadre développé ici fournit une relation entre la concentration de silice dissoute et les taux mesurables de développement de tartre et d'accumulation de résistance thermique, permettant à l'acheteur de demander des modifications de traitement de l'eau ou de conception de chauffage qui évitent le mode de défaillance furtive de surchauffe induite par les silicates.