Quelle est la justification technique d'une épaisseur de gaine de 1,2 mm contre 2,0 mm dans les thermoplongeurs d'eau de chaudière en acier inoxydable 316 à 150 degrés et 6 bars

Service d'eau sous pression à haute température : le compromis de base-

L’une des conditions les plus difficiles pour tout matériau de gaine métallique est celle des thermoplongeurs à eau de chaudière. L'eau est liquide à 150°C et sous une pression de 6 bars mais proche de sa courbe de saturation, de sorte que toute excursion localisée de température à la surface de la gaine peut déclencher une ébullition nucléée ou même une ébullition pelliculaire. Dans ces circonstances, avec une chimie de l’eau correctement gérée, l’acier inoxydable 316 présente une résistance générale à la corrosion adéquate. Cependant, deux mécanismes de défaillance deviennent importants. Fissuration par corrosion sous contrainte due aux hydroxydes concentrés et piqûres dues à toute pénétration de chlorures. Le choix d’une épaisseur de gaine de 1,2 mm ou de 2,0 mm n’est pas une question de choix. Chaque chiffre représente une philosophie d'ingénierie différente avec des explications variées basées sur le confinement de la pression, la tolérance à la corrosion, la réponse thermique et le contrôle du régime d'ébullition. Cette recherche présente le raisonnement technique pour chaque option d’épaisseur et identifie les circonstances dans lesquelles l’une dépasse clairement l’autre.

Justification du maintien de la pression à 6 bar, 150 degrés

La contrainte circonférentielle dans une gaine en acier inoxydable 316 à une pression de fonctionnement de 6 bars (jauge) est calculée à l'aide de la formule du cylindre à paroi mince-. Le rayon intérieur du tube avec un diamètre extérieur de 12 mm et une épaisseur de 1,2 mm est de 4,8 mm. La contrainte du cercle est égale à la pression multipliée par le rayon intérieur divisé par l'épaisseur de la paroi : 0,6 MPa fois 4,8 mm divisé par 1,2 mm équivaut à 2,4 MPa. Pour une épaisseur de paroi de 2,0 mm, le rayon intérieur est de 4,0 mm et la contrainte circonférentielle est de 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa . Les deux chiffres sont plusieurs ordres de grandeur inférieurs à la limite d'élasticité de l'acier inoxydable 316 à 150 degrés, soit environ 170 MPa. Le confinement de la pression ne justifie pas une paroi plus épaisse. Même le mur de 1,2 mm présente un facteur de sécurité de 70 contre la rupture d'élasticité. Pour être étanche à une pression de 6 bars, l'épaisseur de paroi requise est au minimum inférieure à 0,3 mm. La base technique pour l’une ou l’autre épaisseur doit donc être basée sur d’autres bases et non sur des considérations de pression d’éclatement.

Pourquoi une tolérance à la corrosion dans la chimie de l'eau de chaudière

L'eau de chaudière est généralement traitée pour maintenir des conditions alcalines (pH 9-11) et pour éliminer l'oxygène dissous, les chlorures et autres espèces hostiles. Le taux de corrosion général de l'acier inoxydable 316 dans une chimie optimale de l'eau à 150 degrés est assez faible, environ 0,005 à 0,015 mm/an. Un mur de 1,2 mm ne résisterait potentiellement que de 80 à 240 ans à des attaques constantes. Mais les véritables systèmes de chaudières ont leurs problèmes : les fuites du condenseur introduisent des chlorures, un mauvais traitement chimique provoque une concentration caustique ou une intrusion d'oxygène lors de la maintenance. Les taux de corrosion localisée ont été estimés à 0,1 à 0,3 mm/an dans des conditions de choc. Le mur a une épaisseur de 1,2 mm, ce qui donne une marge de corrosion de, disons, 0,6 à 0,7 mm avant d'atteindre l'épaisseur structurelle minimale de 0,5 mm. Ce permis serait dépensé dans 3 à 4 ans avec un taux de corrosion contrariée de 0,2 mm/an. La paroi de 2,0 mm offre une tolérance à la corrosion de 1,3 à 1,4 mm et prolonge la durée de survie aux perturbations jusqu'à six à huit ans. Ainsi, la raison technique de la paroi de 2,0 mm dans le service d'eau de chaudière n'est pas liée aux conditions de fonctionnement normales mais à la robustesse face aux perturbations chimiques de l'eau. La paroi plus mince peut être justifiée pour les installations disposant d’un bon suivi et contrôle du traitement de l’eau. La paroi plus épaisse doit être justifiée comme protection contre les perturbations pour les installations avec une qualité d'eau d'alimentation variable, des fuites fréquentes au niveau du condenseur ou une main-d'œuvre limitée pour le traitement chimique.

Contrôle du régime d'ébullition et de la différence d'épaisseur critique

La raison technique la plus unique expliquant la différence entre 1,2 mm et 2,0 mm réside dans l'interaction de chaque épaisseur avec le régime d'ébullition à la surface de la gaine. À 150 degrés et 6 bars de pression, la température de saturation de l'eau est de 150 degrés. La gaine chauffante doit être supérieure à la température globale pour transférer la chaleur. Par conséquent, la température de surface est normalement de 160 à 180 degrés en fonction de la densité en watts et des conditions de débit. De telles températures provoquent une ébullition nucléée. La seconde, l'ébullition nucléée, se produit lorsque des bulles de vapeur germent à partir des sites de nucléation situés à la surface de la gaine, se développent et se détachent, et est très efficace pour le transfert de chaleur. Mais si le flux thermique est trop important ou si la température de surface dépasse une certaine valeur, l’ébullition nucléée se transformera en ébullition filmique où une couche de vapeur continue isole la gaine et conduit à une augmentation rapide de la température. L'épaisseur de la paroi affecte la température de surface à une certaine densité de watts. Pour une densité de watts donnée de 12 W/cm 2 sur la surface de la gaine dans de l'eau à 150 degrés, une épaisseur de paroi de 1,2 mm aura une température de surface d'environ 165-170 degrés, ce qui est bien à l'intérieur du régime d'ébullition nucléée. À la même densité de watts, un mur de 2,0 mm avec une résistance thermique accrue entraîne la température de surface à 180-185 degrés. Ceci est proche du flux thermique critique de l’eau à cette pression et température. Si vous êtes plus proche de la transition d'ébullition du film, vous risquez une excursion rapide de température si le débit chute ou si la densité en watts augmente. Ainsi, la base technique d'une paroi de 1,2 mm est une meilleure performance thermique et une marge plus élevée contre l'ébullition du film. La paroi plus fine maintient une température de surface plus basse, permettant des densités de watts plus importantes ou un tampon contre les perturbations du processus.

Susceptibilité des concentrés d’eau de chaudière à la fissuration par corrosion sous contrainte

La fissuration par corrosion sous contrainte caustique (CSCC) est un mécanisme de défaillance reconnu pour les aciers inoxydables austénitiques dans des conditions d'eau de chaudière où il existe une concentration locale de caustique sous les dépôts ou au niveau de la ligne de flottaison. La sensibilité au CSCC augmente avec la température et avec la concentration d'hydroxyde de sodium. La contrainte seuil pour le CSCC de l'acier inoxydable 316 est d'environ 150 -200 MPa à 150 degrés dans des solutions caustiques diluées, mais diminue rapidement avec l'augmentation de la température. Il existe deux sources de contraintes de traction résiduelles dans une gaine chauffante : la contrainte de pression interne (indiquée ci-dessus comme étant minime) et les contraintes résiduelles de fabrication dues à l'étirage et au pliage des tubes. Les contraintes circulaires résiduelles dans les tubes étirés en acier inoxydable 316 sont généralement de 50 à 150 MPa en fonction du degré d'écrouissage et de l'état de recuit du tube. Un mur de 1,2 mm est plus mince et présente donc des contraintes résiduelles après étirage plus faibles qu'un mur de 2,0 mm. En effet, moins de travail à froid est nécessaire pour atteindre la dimension finale. L'expérience sur le terrain indique que les réchauffeurs à parois plus minces sont moins sujets à l'initiation du CSCC en raison d'une contrainte résiduelle plus faible et d'une température de surface plus basse, ce qui réduit le taux de concentration caustique. La base technique de la paroi de 1,2 mm est une susceptibilité intrinsèque plus faible à la fissuration par corrosion sous contrainte dans les mêmes circonstances chimiques de l’eau.

Réponse thermique et contrôle du système

Les thermoplongeurs d’eau de chaudière sont couramment utilisés dans les systèmes qui nécessitent un contrôle précis de la température. La masse thermique de la gaine influence le temps de réponse aux signaux de commande. Une paroi de 2,0 mm contient environ 67 % de métal en plus par unité de longueur qu'une paroi de 1,2 mm (pour le même diamètre extérieur, soit un tube de 12 mm, la section transversale de la gaine passe de 40,7 mm² à 62,8 mm²). Ce métal supplémentaire fonctionne comme un condensateur thermique, qui ralentit le taux de changement de température de la gaine lors de l'application ou de la suppression de l'alimentation. Pour un système qui s'allume et s'éteint beaucoup, la paroi plus épaisse entraîne des variations de température plus importantes et des périodes de stabilisation plus longues. Plus important encore, en raison du décalage thermique entre le fil de résistance et la surface de la gaine, un système de contrôle qui répond à un thermocouple placé sur la gaine sera lent à réagir aux changements de température du fil. La constante de temps nécessaire à la transmission de la chaleur du fil à la surface extérieure pour un mur de 1,2 mm est d'environ 0,5 à 1,0 seconde. Dans un mur de 2,0 mm, cette constante de temps est de 1,5 à 3,0 secondes. Cette différence est mineure pour la plupart des commandes de chaudière, mais pour les applications de haute précision ou les systèmes avec des changements de charge rapides, la paroi plus fine offre une meilleure contrôlabilité. La justification technique de la paroi de 1,2 mm dans ces applications est une meilleure réactivité dynamique et un contrôle plus strict de la température.

Tableau récapitulatif des justifications techniques

Gaine de 1,2 mm Gaine de 2,0 mm
Facteur de sécurité de confinement de pression à 6 bar 70 (excellent) 140 (surdimensionné)
Tolérance de corrosion pour un fonctionnement normal 0,6 mm (80+ ans) 1,4 mm (180+ ans)
Temps de survie bouleversé (Taux de corrosion 0,2 mm/an)3-4 ans 6-8 ans
Température de surface à 12 W/cm2 165-170 degré 180-185 degrés
Marge de transition vers le film d'ébullitionGrand Petit
Contrainte résiduelle de fabrication Inférieure (50 à 100 MPa)Augmentée (80 à 150 MPa)
Risque d’initier CSCCLowerHigher
Constante de temps de réaction thermique 0,5 à 1,0 seconde 1,5 à 3,0 secondes
Application normale justifiéeSystèmes bien contrôlés Densité de puissance élevée Contrôle de précisionConception conservatriceSystèmes sujets aux perturbations-Eau d'alimentation variable
Conclusions : la justification technique de chaque épaisseur

Il ne s’agit pas pour autant que l’un soit meilleur que l’autre. Par exemple, thermoplongeurs d'eau de chaudière en acier inoxydable 316 à 150 degrés et 6 bars : épaisseur de gaine de 1,2 mm ou 2,0 mm. La paroi de 1,2 mm est justifiée lorsque la chimie de l'eau est bien contrôlée et maintenue en continu, lorsqu'un fonctionnement à haute densité de puissance est requis et lorsque le temps de réaction thermique est important. Il en résulte des températures de surface plus basses, une plus grande marge contre l'ébullition du film, moins de contraintes résiduelles et moins de susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte. Un mur de 2,0 mm est garanti là où des perturbations chimiques de l'eau sont attendues, où une durée de survie plus longue est nécessaire et où la tolérance à la corrosion est préférée aux performances thermiques par la philosophie de conception. Cela donne une plus grande réserve de métal pour une attaque localisée, mais au prix de températures de surface plus élevées et peut-être d'un risque de CSCC plus élevé. Pour la plupart des systèmes de chaudières actuels où le traitement chimique est automatisé et la surveillance constante, la justification technique se situe dans la plage de 1,2 à 1,5 mm. La paroi de 2,0 mm est un choix raisonnablement prudent pour les plantes âgées, les plantes dont la qualité de l'eau est fluctuante ou les circonstances dans lesquelles le chauffe-eau n'est pas facile à inspecter et à changer. Dans ces cas, l'ingénieur doit justifier son choix sur la base de la capacité de gestion chimique de l'eau, de la fréquence de perturbation attendue et des besoins en densité de puissance, et non sur l'idée erronée selon laquelle une épaisseur plus épaisse est toujours plus sûre dans un service d'eau sous pression à haute température.