Comment la résistance à l'érosion-à la corrosion du cupronickel 70-30 se compare-t-elle à celle du PTFE dans l'eau de mer à grande vitesse ?

L'eau salée en mouvement, en particulier lorsqu'elle transporte du sable ou des fragments de coquilles en suspension, fonctionne comme un sableur liquide à l'intérieur d'un tube d'échangeur de chaleur. Deux matériaux généralement utilisés dans le service de l'eau de mer --cuivre-nickel 70-30 et PTFE - réagissent de manière très différente à ces abus mécaniques. Le défi ne se limite pas à la résistance à la corrosion. La véritable lutte est contre la dégradation due à l’impact de particules à grande vitesse.

Le résultat peut paraître contradictoire dans la comparaison entre le cupronickel 70-30 et l'eau de mer par corrosion par érosion du PTFE. Étant donné que le PTFE est chimiquement inerte vis-à-vis de l’eau de mer, les alliages de cuivre restent des métaux électrochimiquement actifs. Mais dans des conditions d'écoulement abrasif à grande vitesse, l'alliage métallique le plus résistant peut parfois survivre plus longtemps que le polymère plus mou lorsque l'érosion devient le mode de défaillance dominant.

Érosion des systèmes d'eau de mer-Corrosion
L'érosion-corrosion est un phénomène combiné mécanique et électrochimique.

Effet de la vitesse du fluide
À mesure que la vitesse de l'eau de mer augmente,

Les turbulences s'aggravent

Couches limites minces

Augmentation de l'énergie d'impact des particules

l'usure de la surface s'accélère

Avec les matières en suspension, le matériau est physiquement retiré de la paroi du tube par le flux de fluide.

Le sable comme agent abrasif
Les particules de sable fin peuvent provoquer :

Gougeage de surface

Film en bande

Microcoupe

Fatigue d'impact répétée

La gravité varie selon :

Concentration de particules

Tailles de particules

Dureté des particules

Forme de la particule

Vitesse du flux

Les particules de quartz sont très hostiles en raison de leur netteté, de leur dureté et de leur géométrie angulaire.

Comment le Cupronickel 70-30 se protège
L'alliage cuivre-nickel 70-30 représente environ :

70% de cuivre

30 % de nickel

Cet alliage a longtemps été utilisé pour les échangeurs de chaleur maritimes en raison de la formation d'une couche protectrice d'oxyde.

La-couche d'oxyde auto-réparatrice
L'alliage se développe lors de l'exposition à l'eau de mer :

Un revêtement d'oxyde cuivreux adhérant fermement

Ce revêtement d'oxyde forme une couche protectrice contre d'autres dommages.

Le métal est recouvert d'une peau de céramique-auto-cicatrisante. La seule défense du polymère est son caractère glissant.

Résistance à haute vitesse d'écoulement
Dans l'eau de mer propre, le film d'oxyde peut être stable à des vitesses de l'ordre de :

3-4 m/sec

Dans cette gamme :

Le retrait du film reste limité

L'attaque de surface toujours sous contrôle

La couche protectrice est toujours en train d'être reformée

Si le film d'oxyde est légèrement perturbé par l'abrasion, le métal exposé se réoxyde rapidement et rétablit la protection.

Résistance de l'alliage (mécanique)
Le matériau à base de cuivre-nickel situé en dessous offre également une résilience mécanique.

L'alliage est

Flexibilité

Difficile

Résistant aux fissures

Capacité d’absorption d’énergie d’impact

Cette résistance mécanique permet d’éviter des dommages catastrophiques à la surface, même dans des conditions d’écoulement turbulent.

Réaction du PTFE à l’eau de mer abrasive
La différence avec le PTFE est qu’il n’est pas un métal et ne repose pas sur une protection électrochimique.

L'inertie chimique totale du PTFE est :

Résistance à la corrosion à l'eau de mer

Non susceptible d'être attaqué par le chlorure

Résistant au bioencrassement chimique

Stable dans l'eau salée.

Il n’y a pas de processus de corrosion et donc pas de film d’oxyde qui se décompose.

Frottement mécanique pur
Pour le PTFE, le processus de défaillance est pratiquement exclusivement mécanique.

La surface polymère peut être soumise à :

éraflures

Érosion de la surface

Érosion des particules

Perte progressive de matière

Le PTFE est à peu près aussi dur qu'un ongle humain, c'est pourquoi, à une vitesse d'écoulement élevée, il peut être endommagé par des impacts répétés avec du sable.

Limites de vitesse du PTFE
Le PTFE n'a pas la dureté des alliages métalliques et sa vitesse de fonctionnement sûre en service abrasif est nettement inférieure.

Débit d’eau propre vs débit chargé de sable
Le PTFE fonctionne bien dans l’eau de mer propre avec des conditions d’écoulement modérées.

Cependant, pour le service avec du lisier sableux :

Les limites de vitesse pratiques peuvent être réduites à environ 1 à 2 m/s

En dehors de cette plage :

Les taux d’usure peuvent augmenter rapidement

La surface peut être amincie.

Détérioration de l'intégrité structurelle à long-terme

La limite admissible dépend fortement de la concentration et de l'agressivité des matières en suspension.

Importance des caractéristiques des particules
L’érosion du PTFE est bien plus importante si les particules sont :

Rond et non anguleux

Gros, pas bien

Dur pas doux

Bien que le limon lisse à faibles concentrations puisse causer très peu de dégâts, les particules de silice pointues peuvent dissoudre le polymère beaucoup plus violemment.

Pourquoi le Cupronickel 70-30 est parfois plus durable que le PTFE
Lorsqu’on considère des milieux de corrosion chimique pure, le PTFE est généralement préférable.

Toutefois, la comparaison est différente dans le cas de conditions d’eau de mer abrasives.

Inertie et dureté
70-30 avantages Cu-Ni de

Dureté de surface accrue

Protection contre l'oxyde auto-réparatrice-

Meilleure résilience à la coupe des particules

Le PTFE fournit :

Immunité chimique totale

Comportement des surfaces à faible frottement

Aucune dégradation électro-chimique

Mais le principal défaut du service érosif est la douceur.

La seule protection du PTFE est la friction
L'avantage est que le PTFE a un faible coefficient de friction.

La surface glissante pourrait :

Diminuer l'adhésion des particules

Frottement de glissement réduit

Dissiper une partie du transfert d'énergie d'impact

Cependant, cet avantage peut ne pas être suffisant pour compenser la dureté réduite du matériau sous fort flux abrasif.

Applications typiques de chaque matériau
Le choix optimal du matériau dépend du fait que la corrosion ou l'érosion soit le facteur principal de l'application.

Où brille le cupronickel 70-30
Le cupronickel continue de très bien performer dans :

condenseurs pour usage marin

Matériel de réfrigération navale

Tuyauterie d'eau salée à haut débit

Service d'échangeur tolérant le sable

surtout lorsque la vitesse d'écoulement est grande mais que la chimie est quelque peu typique.

Là où le PTFE brille
Le PTFE est exceptionnel dans les domaines suivants :

Mélanges d'eau de mer de produits chimiques hautement corrosifs

Systèmes de chloration

Acidification des eaux marines

Systèmes de contrôle de l'encrassement biologique

à condition que les matières solides abrasives en suspension soient limitées.

L'impact de la conception du système
Les performances des matériaux dépendent également fortement de la forme de l’échangeur et de la conception hydraulique.

Contrôle du flux
La réduction de l’érosion peut inclure :

Diminuer la vitesse d'écoulement

Avec des coudes plus lisses

Éliminer les changements brusques de direction

Installation de séparateur de sable

Stratégies de conception hybride
Certains systèmes mélangent délibérément les matériaux :

PTFE dans les environnements chimiquement agressifs

Cu-Ni dans les zones à haut débit d'abrasifs

De cette façon, on peut profiter de manière sélective de chaque substance.

Résumé
L'évaluation du cupronickel 70-30 par rapport au PTFE dans l'eau de mer à grande vitesse est un compromis technique classique entre l'inertie chimique et la durabilité mécanique. Le PTFE est totalement résistant à la corrosion par l'eau de mer, bien que sa surface relativement molle puisse être fortement érodée lorsqu'elle est soumise à un écoulement rapide - chargé de sable. En pratique, dans de telles conditions, les vitesses sont limitées à peut-être 1 à 2 m s-1.

À l'inverse, le nickel 70-30 cuivre- se protège avec un revêtement d'oxyde cuivreux robuste et auto-cicatrisant qui peut tolérer des vitesses d'eau salée de 3 à 4 m/s en service propre et continuer à se remettre des dommages abrasifs modérés. Ce revêtement protecteur, associé à la ténacité et à la résilience mécanique de l'alliage, peut permettre une durée de vie plus longue dans des contextes maritimes extrêmement érosifs.

Ainsi, dans des conditions d'utilisation intensive de l'eau de mer sableuse, l'alliage métallique le plus difficile peut être globalement plus durable que le polymère chimiquement supérieur. En fin de compte, la sélection des matériaux pour les systèmes thermiques maritimes est une bataille entre deux forces différentes : la capacité du métal à se guérir tout seul et à résister aux coups physiques, et la capacité du polymère à simplement ignorer la chimie.