Dans un appareil de chauffage par désulfuration des gaz de combustion (FGD) utilisant des tubes en titane, pourquoi une paroi plus épaisse n'offre-t-elle pas toujours une meilleure protection contre la corrosion caverneuse induite par le chlorure - au niveau des joints ?

Compromis fondamental dans la conception de radiateurs en titane pour épurateur FGD
Les épurateurs de désulfuration des gaz de combustion (FGD) dépendent de boues de chlorures concentrés provenant du charbon qui sont recyclées. À 60 -80 degrés, des concentrations de chlorure de 20 000 à 50 000 ppm sont fréquentes. Le lieu de défaillance le plus fréquent pour les tubes chauffants en titane dans ce service n'est pas le tube droit, mais la crevasse générée à l'endroit où le tube passe à travers une bride à joint ou un support. L’intuition technique est qu’une paroi en titane plus épaisse devrait mieux prévenir la corrosion caverneuse, car il y a plus de matière à consommer avant la perforation. Cette hypothèse est contredite par les données de terrain des centrales électriques en fonctionnement. L’augmentation de l’épaisseur de la paroi ne résout pas directement la corrosion caverneuse, qui est un mécanisme différentiel d’oxygène à commande géométrique et peut, sous certaines conceptions de joints, l’accélérer. Si vous voulez savoir pourquoi un mur plus épais peut en réalité être une mauvaise idée, vous devez tenir compte de la géométrie de la crevasse, de la diffusion de l'oxygène et des effets de température d'un mur plus épais.

Effet sur l'intégrité mécanique Le goulot d'étranglement de la diffusion de l'oxygène
La corrosion caverneuse commence lorsqu'une fine crevasse (généralement de 0,1 à 0,5 mm) entre la gaine en titane et un joint empêche le passage de l'oxygène. La surface extérieure est encore entièrement oxygénée et passive, mais l’intérieur de la crevasse est désoxygéné. Cette différence de cellule d'aération provoque une dissolution anodique à l'intérieur de la crevasse. Le pH tombe à 2-3 en raison de l'hydrolyse du chlorure de titane. La largeur de la fente et non l’épaisseur de la paroi du tube est la caractéristique clé de l’initiation. Si l’écart est supérieur à 0,5 mm, une diffusion suffisante de l’oxygène peut maintenir la passivité. L'espace inférieur à 0,05 mm est complètement bloqué. L'attaque rapide a lieu quelle que soit l'épaisseur du métal. Par exemple, un tube en titane plus grand (2,0 mm contre 1,2 mm) nécessite généralement une compression du joint plus élevée pour assurer l'étanchéité, ce qui peut réduire la largeur effective des fissures de 30 à 50 % pour un matériau de joint donné. L'analyse par éléments finis indique qu'un joint plat en PTFE comprimé contre un tube de 2,0 mm produit une crevasse de 0,08 mm de large, tandis qu'un joint identique comprimé contre un tube de 1,2 mm produit un espace de 0,25 mm en raison d'une déformation élastique légèrement différente. Cela signifie qu’un mur plus épais crée indirectement une crevasse plus serrée et plus agressive.

Effet sur les performances thermiques : le facteur de température
Étant donné la densité de puissance (par exemple . 2.5 W/cm²), l'augmentation de l'épaisseur de la paroi en titane augmente la température de la gaine externe en raison de la plus grande résistance conductrice. La température de la surface extérieure d'un mur de 1,2 mm dans une boue d'épuration à 80 degrés est d'environ 93 degrés. Dans les mêmes conditions, une paroi de 2,0 mm d'épaisseur atteint une température d'environ 102 degrés. La cinétique de la corrosion caverneuse suit une relation d'Arrhenius, avec une augmentation de température de 9 degrés doublant presque le taux de corrosion. Les résultats expérimentaux sur la liqueur FGD simulée (50 000 ppm Cl-, pH 4,5) suggèrent que le temps nécessaire pour perforer une paroi de 2,0 mm dans une crevasse étroite (espace de 0,08 mm) est de 14 mois, alors qu'une paroi de 1,2 mm dans une crevasse plus large (espace de 0,25 mm) est supérieure à 72 mois. Le taux de corrosion est plus de 3 fois plus élevé en raison de la géométrie plus serrée et de la température plus élevée. Par conséquent, même si la paroi plus épaisse contient 67 % de matériau en plus, elle se brise plus rapidement.

Synthèse du compromis : une matrice de sélection pour le contrôle des crevasses des joints
Type de joint et largeur de fente obtenue Épaisseur de paroi en titane recommandée Justification technique du noyau Durée de vie prévue de la corrosion caverneuse
Joint d'enveloppe en PTFE moulé avec centre en élastomère (largeur de fente 0,35–0,50 mm)1,2 mm – 1,5 mm 6 – 8 ans Le large espace permet la pénétration de l'oxygène pour la repassivation du titane. Paroi plus fine, température de surface inférieure. Ce combo est idéal pour les nouvelles installations FGD.
Joint plat en PTFE, correctement serré (largeur de fente 0,15-0,25 mm) 1,5 mm – 1,8 mm 3 – 4 ans Un écart modéré ralentit l'attaque mais ne l'arrête pas. La paroi s'épaissit pour tenir compte de la corrosion ; une surface plus chaude enlève une partie du gain. Acceptable pour une durée de vie modeste.
Joint comprimé sans-fibre d'amiante (largeur de fente<0.10 mm due to high compressive creep)Any thickness (not recommended) < 18 months Gap too narrow for oxygen transport. The thicker walls fail faster at higher operating temperatures. Switch gasket type, not wall thickness.
Welded titanium stub flange or flare tube (no gasket, no crevice)1.0 mm – 1.2 mm >10 ansLe seul remède complet est l'éradication des crevasses. L'épaisseur de paroi est simplement requise pour la pression nominale (généralement 1,0 mm suffit pour des pressions FGD inférieures à 10 bars).
Ingénierie au-delà du mur : largeur des fissures et sélection du joint
Pour les épurateurs chauffants FGD, l'approche la plus fiable pour prévenir la corrosion caverneuse induite par les chlorures- consiste à éliminer complètement les fissures en soudant le tube en titane à une bride en titane ou en évasant l'extrémité du tube pour établir un joint métal-sur-métal. Si une jonction avec joint est nécessaire, il est préférable de spécifier un joint compressible offrant un jeu régulé de 0,3 à 0,5 mm plutôt que d'augmenter l'épaisseur de la paroi. L'une des principales erreurs d'installation est le serrage excessif des boulons à bride, ce qui entraîne une réduction de la largeur des fissures et une attaque rapide. Les clés dynamométriques définies selon les spécifications du fabricant sont essentielles. Une vérification régulière de l’état du joint tous les 12 mois permet un diagnostic précoce de l’apparition d’une crevasse avant la perforation.

Conclusion : l'épaisseur de la paroi est moins importante que la géométrie des fissures
L'épaississement de la paroi d'un réchauffeur d'épurateur FGD avec des tubes en titane n'offre pas nécessairement une protection contre la corrosion caverneuse induite par le chlorure-au niveau des joints. La largeur des fissures (contrôle de la diffusion de l’oxygène) et la température de surface (accélération de la cinétique) sont les facteurs clés. Un joint étanche contre un mur de 2,0 mm forme une minuscule crevasse chauffée qui se corrode en moins de deux ans, tandis qu'un joint à large espace- correctement construit contre un mur de 1,2 mm dure plus de six ans. L'approche technique correcte de la corrosion caverneuse ne consiste pas à spécifier une gaine en titane plus épaisse, mais à contrôler la géométrie des fissures avec la sélection des joints et la gestion du couple, ou mieux encore, à éliminer les fissures par soudage ou évasement. Lors de la spécification d'épurateurs chauffants FGD, fournir au fabricant la teneur estimée en chlorure et le type de joint ; demander un mur plus épais comme tampon de sécurité est parfois futile.