Comment la géométrie des fissures (matériau du joint et couple de serrage) influence-t-elle le temps d'initiation de la corrosion caverneuse sur les tubes chauffants en titane dans les bassins d'évaporation de sel ?

Les bassins d'évaporation de sel pour la production de chlorure de sodium, de chlorure de potassium et d'autres sels à partir de saumures fonctionnent à des températures de 40-60 degrés et des concentrations de chlorure allant de la saturation (environ 26 % de NaCl) à la sursaturation avec précipitation de cristaux de sel. Des tubes chauffants en titane sont utilisés pour maintenir la température d'évaporation et empêcher la cristallisation des surfaces de transfert de chaleur. Le mode de défaillance dominant, cependant, est la corrosion caverneuse au niveau des joints tube--plaque tubulaire, sous les joints et sous les fixations des colliers. Contrairement à de nombreux problèmes de corrosion du titane qui dépendent principalement de la chimie de l'alliage ou de l'épaisseur de la paroi, le temps d'initiation de la corrosion caverneuse en service d'évaporation du sel est considérablement affecté par les paramètres de conception mécanique tels que la géométrie des fissures (largeur et profondeur de l'espace), le matériau du joint et le couple de serrage. Cet article évalue l'effet de ces variables sur le délai d'apparition des fissures et propose des suggestions de conception pour prolonger la durée de vie du réchauffeur en service dans les étangs salés.

Mécanisme de corrosion caverneuse dans une saumure saturée de chlorure.
La saumure de chlorure de sodium saturée ou presque saturée à 50 degrés est très agressive en raison de la concentration en chlorure (environ 5,4 M Cl-) et de la force ionique élevée dans la solution globale. Mais le titane est passif dans la saumure en vrac, car il n’y a pas de pH bas associé à une teneur élevée en chlorure. La condition clé de la corrosion caverneuse est le manque d’oxygène dans la crevasse. La dissolution anodique du titane produit du Ti4+ qui s'hydrolyse pour former H+.. En conséquence, le pH à l'intérieur de la crevasse diminue à 2-3 lorsque l'oxygène est épuisé. Pour la saumure saturée de chlorure, une réduction mineure du pH conduit à une condition dans laquelle le titane ne peut pas repassiver et la corrosion caverneuse se propage rapidement.

Le temps d'initiation, c'est-à-dire le temps avant le début de l'assaut persistant des crevasses, est lié au taux d'appauvrissement en oxygène et à la vitesse de chute du pH en dessous du seuil de repassivation. Les deux sont contrôlés par la géométrie de la crevasse, la perméabilité du matériau du joint à l'oxygène et la pression de contact entre le joint et la surface en titane.

Effets de la largeur des fentes
Parmi les paramètres géométriques, le plus critique est la largeur de l'espace entre le tube en titane et la surface opposée (plaque tubulaire, joint ou collier). Pour une largeur de fente particulière, le taux de diffusion de l'oxygène dans la crevasse est proportionnel au cube de la fente (loi de Fick pour un canal étroit). Des espaces plus grands permettent le réapprovisionnement en oxygène, ce qui retarde l'épuisement et prolonge le temps d'initiation. des espaces plus petits conduisent à un plus grand appauvrissement en oxygène.

L'examen contrôlé d'échantillons de titane de grade 2 avec des fissures artificielles de largeur d'espace contrôlée, dans du NaCl saturé à 50 degrés, pH 7,0, a montré les temps de début suivants (délai jusqu'à l'attaque visible sous un grossissement 10x) :

À une largeur d'espace de 0,05 mm (typique d'un joint en PTFE bien serré contre une bride usinée), l'épuisement de l'oxygène se produit en 24 à 48 heures et l'attaque des crevasses commence en 50 à 100 heures. Pour une largeur d'intervalle de 0,10 mm, l'initiation se produit entre 200 et 300 heures. Pour une largeur d'intervalle de 0,25 mm, le début s'étend sur 500 à 1 000 h. La diffusion de l'oxygène permet de maintenir la passivité et donc aucune attaque de crevasse n'est détectée à une largeur d'intervalle de 0,50 mm après 5 000 heures. Pour une largeur de fente supérieure à 1,0 mm, la géométrie n'est plus une crevasse mais une fente ouverte. Aucune attaque n'a lieu.

En pratique, cela signifie que les crevasses très étroites (moins de 0,1 mm) sont les plus dangereuses. Les concepteurs doivent élargir les espaces à plus de 0,5 mm (joints ou entretoises épais) ou éliminer les espaces (joints soudés).

Effets de la profondeur des fissures
L'étendue de la crevasse (la distance à laquelle l'espace pénètre sous le joint ou dans la plaque tubulaire) détermine la quantité de surface appauvrie en oxygène - disponible pour la dissolution anodique. L'initiation est accélérée pour les crevasses plus profondes car elles présentent des zones appauvries en oxygène - plus grandes et des chemins de diffusion plus longs pour une largeur d'espace donnée.

Pour une largeur d'intervalle donnée de 0,1 mm, le temps d'initiation est réduit de 300 heures à 100 heures à mesure que la profondeur de la crevasse augmente de 5 mm à 20 mm. À 50 mm de profondeur, l'initiation a lieu à 40 -50 heures. Évitez les profondeurs de fissure supérieures à 15 mm pour l'utilisation d'un évaporateur de sel. Les jonctions tube--plaque tubulaire doivent être conçues pour avoir une crevasse peu profonde (moins de 10 mm de profondeur) ou être soudées partout pour éliminer la crevasse.

Perméabilité du matériau du joint
Les matériaux des joints varient dans leur perméabilité à l’oxygène et dans leur capacité à absorber la saumure, qui influencent toutes deux la chimie des fissures. les joints non-poreux et non-perméables (PTFE, PEEK, métal) assurent une étanchéité parfaite et ne permettent pas la diffusion de l'oxygène à travers le joint lui-même, accélérant ainsi l'épuisement de l'oxygène dans la crevasse. Caoutchouc souple, EPDM, silicone (joints poreux et perméables) : un peu d'oxygène peut se diffuser à travers le corps du joint pour remplacer la crevasse et retarder le démarrage.

Différents matériaux de joint ont été testés (espace 0,1 mm, profondeur 10 mm, NaCl saturé à 50 degrés) et les résultats sont :

Joint PTFE (imperméable) – début à 200-300 heures. Caoutchouc EPDM (perméabilité modérée) : apparition entre 400 et 600 heures. Caoutchouc silicone (haute perméabilité) 800 à 1 200 heures pour démarrer. Pas de joint (contact métal sur métal, espace effectivement nul, interface poreuse) Initiation au-dessus de 2 000 heures avec une attaque juste modérée.

Le compromis-est que les joints perméables absorberont la saumure et le gonflement, ce qui peut modifier la géométrie de l'espace au fil du temps. Le silicone et l'EPDM se décomposent sur de longues périodes (2 à 5 ans) dans la saumure chaude et doivent être remplacés.

Couple de serrage et pression de contact
La pression exercée sur le joint et l'interface en titane est fonction du couple utilisé pour serrer le collier. Plus de couple signifie des joints plus serrés, ce qui signifie que la largeur effective de l'espace est réduite et que moins d'oxygène est diffusé. Un couple plus faible (dans les limites des limites d'étanchéité) entraîne un écart effectif légèrement plus grand, donc une initiation plus lente des fissures.

Le test d'un joint PTFE sur une bride de tube de 50 mm de diamètre avec du NaCl saturé à 50 degrés donne :

Couple 20 N·m (faible) Écart effectif 0,15-0,20 mm À partir de 400-600 heures. Couple 40 Nm (standard) Écart effectif 0,08-0,12 mm Démarrage 200-300 heures Couple 60 N·m (élevé) : écart effectif 0,04-0,07 mm, initiation 50-100 heures.

La meilleure façon d'entretenir un évaporateur de sel est d'appliquer le plus petit couple qui assurera l'étanchéité, généralement 50 à 60 pour cent du maximum suggéré pour le matériau du joint. Cette technique augmente l'écart effectif sans fuite.

Matrice d'application de conception de crevasses pour évaporateurs de sel
Paramètre de conception Valeur préférée pour le mécanisme à durée de vie prolongée Temps prévu jusqu'à l'apparition d'une crevasse (NaCl saturé, 50 degrés)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5 000 heures (pas d'attaque)
Largeur de l'espace (si<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Profondeur des fissures<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Matériau du joint EPDM ou silicone (perméable) Joint diffusion d'oxygène 400 à 1 200 heures.
Couple de serrage Min. couple d'étanchéité (50 à 60 % du maximum) Maximise l'écart efficace 2 à 3 fois plus longtemps qu'un couple élevé
Tube de joint-plaque tubulaireSoudures (pénétration complète)Aucune attaque de crevasse (juste des piqûres) Supprime les crevasses
Conseils pratiques sur les radiateurs à évaporateur de sel
Dans les bassins d'évaporation de sel, la meilleure conception pour les tubes chauffants en titane est celle dans laquelle toutes les fissures sont éliminées par des -tubes soudés à pénétration totale-à-raccords à plaque tubulaire. Lorsque des connexions détachables sont nécessaires, utilisez un joint perforé ou nervuré pour préserver la séparation et spécifiez une largeur d'espace de 0,20 à 0,30 mm. Utilisez des joints en EPDM ou en silicone (conçus pour une saumure à 60 degrés) au lieu du PTFE pour profiter de sa perméabilité à l'oxygène. Appliquez le couple de serrage minimal qui empêchera les fuites, tel que déterminé par le test de bulle. Concevoir des brides avec des évidements peu profonds pour limiter la profondeur des fissures à 10 mm ou moins. Ces choix de conception augmentent le temps de démarrage des crevasses de 200 à 300 heures (joint PTFE standard, couple élevé) à 2 000 à 5 000 heures avant qu'une inspection ne soit nécessaire, ou 3 à 6 mois de fonctionnement continu. Planifiez des inspections annuelles du chauffage et nettoyez toute attaque de crevasse naissante par un léger polissage pour un fonctionnement 24h/24 et 7j/7 de l'étang salé. Pour les applications avec une période de maintenance de 5 ans, des joints soudés sont nécessaires, même si la géométrie est optimisée.