Quelle est l'épaisseur de gaine vérifiée pour les chauffe-eau à flux en acier inoxydable 316 dans 50 % de propylène glycol avec 2 000 ppm de chlorures à 90 degrés et dans des conditions de faible débit

Le compromis de base-entre l'inhibition du glycol et la contamination par les chlorures

Le propylène glycol (PG) est le fluide caloporteur de choix dans les applications de transformation des aliments, de fabrication pharmaceutique et de brassage où la toxicité de l'éthylène glycol est inacceptable. Une solution à 50 % de PG dans l'eau offre une bonne protection contre le gel jusqu'à environ -35 C et fonctionne également comme inhibiteur de corrosion lorsqu'elle est correctement préparée. Cependant, dans les circuits industriels PG, les chlorures ont tendance à s'infiltrer dans le circuit à partir d'un certain nombre de sources telles que des agents de nettoyage résiduels, l'infiltration de l'eau des tours de refroidissement à travers des échangeurs de chaleur ou l'utilisation d'eau d'appoint ordinaire (non adoucie). Le PG perd sa protection contre la corrosion à des niveaux de chlorure de 2 000 ppm, ce qui est un niveau normalement observé dans les systèmes mal entretenus ou présentant des fuites d’eau de mer. À une température de fonctionnement de 90 degrés et dans des conditions de faible débit favorisant la stagnation de la couche limite, l'acier inoxydable 316 présente un risque considérable de corrosion par piqûres et fissures. Dans cette application, l'épaisseur de la gaine n'est pas un simple calcul de tolérance à la corrosion, mais un exercice de vérification visant à démontrer que la paroi sélectionnée peut résister à l'attaque combinée des chlorures, à une température élevée et à un transfert de chaleur réduit en raison d'un faible débit.

Mécanisme de piqûres induites par le chlorure dans les solutions de propylène glycol

Les 2000 ppm de chlorures dans une solution à 50 % de propylène glycol à 90 degrés constituent un environnement agressif pour le film passif de l'acier inoxydable 316. Le propylène glycol lui-même est faiblement inhibiteur, mais son mécanisme d'inhibition dépend de l'adsorption de la molécule de glycol sur la surface métallique. À 90 degrés, la couche adsorbée est moins efficace en raison du mouvement thermique. Les ions chlorure sont très mobiles et minuscules et se disputent les emplacements de la surface et provoquent des piqûres aux points faibles tels que des inclusions de sulfure ou des rayures sur la surface après avoir percé le revêtement passif. La température critique de piqûre de l'acier inoxydable 316 dans une solution de chlorure à 2 000 ppm est d'environ 50 à 60 degrés dans l'eau seule. La présence de l'inhibiteur glycol augmente la température critique de piqûre dans 50 % de propylène glycol d'environ 10 à 15 degrés jusqu'à environ 65 à 75 degrés. La température de fonctionnement est de 90 degrés et le système fonctionne ainsi au-dessus de la température critique de piqûre, de sorte que la question du déclenchement de la piqûre n'est pas « si » mais « quand ». Une fois qu'une fosse est formée, le taux de sa croissance peut être prédit par une tendance logarithmique ou linéaire en fonction de la disponibilité de l'oxygène et de la résistivité de la solution. Les résultats publiés pour l'acier inoxydable 316 dans du glycol contaminé par du chlorure à 90 degrés révèlent des taux de croissance des fosses de 0,2 à 0,6 mm/an dans des conditions aérées. Une tranchée s'étendant à un rythme de 0,4 mm/an percerait un mur de 1,5 mm en 3,75 ans pour un appareil de chauffage dont la durée de fonctionnement prévue est de 5 000 heures par an (environ 60 % de service). Un mur de 2,0 mm prolongerait cette durée à 5 ans. Cependant, ces calculs sont basés sur une seule fosse, alors qu'en réalité plusieurs fosses sont initiées et la rupture est contrôlée par la plus profonde.

Effets des conditions de faible débit sur la corrosion et son amplification

Pour cette application, les conditions de faible débit sont particulièrement préjudiciables car elles permettent à la couche limite à la surface de la gaine de devenir sursaturée en produits de corrosion et en ions chlorure. La convection des chlorures depuis la surface est fortement limitée pour des vitesses d'écoulement inférieures à 0,5 m/sec. La teneur en chlorure à la surface du métal peut être cinq ou dix fois supérieure à celle de la masse, ce qui réduit considérablement le potentiel de piqûres. Un faible débit favorise également une ébullition partielle ou une ébullition filmique à la surface de la gaine lorsque le flux thermique est fort. La formation et l’effondrement des bulles dégradent mécaniquement la couche passive et créent des solutions de chlorure localement concentrées dans le mince film liquide situé sous la bulle. Ce mécanisme conduit au motif caractéristique en « anneaux de piqûres » observé autour des sites de nucléation des bulles sur les radiateurs en panne. Par exemple, pour un chauffe-eau en acier inoxydable 316 utilisé à une température globale de 90 degrés et une densité de puissance de gaine de 7 à 8 W/cm2, la température de surface de la couche limite peut être supérieure à 110 à 120 degrés, même dans des conditions de faible débit. À ces températures, le seuil critique de piqûres est largement dépassé et le taux de propagation des piqûres peut être de 1 à 2 mm/an. L'épaisseur vérifiée doit donc prendre en compte non seulement la concentration globale de chlorure et la température, mais également l'impact d'amplification localisé du faible débit. Une épaisseur qui semble suffisante dans des configurations massives pourrait se briser en quelques mois lorsque le débit est inférieur à 0,3 m/s.

Interactions thermohydrauliques limitant l’épaisseur maximale

L'interaction entre l'épaisseur de paroi, la transmission thermique et le faible débit impose une limite supplémentaire à l'épaisseur de gaine maximale réalisable. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la paroi, la résistance thermique augmente, ce qui augmente la température de la surface de la gaine pour la même puissance électrique absorbée. À faible débit, le coefficient de transfert de chaleur par convection est déjà réduit -généralement de 300 à 600 W/m²·K à 0,3 m/s contre 1 500 à 2 500 W/m²·K à 2 m/s. Une paroi plus épaisse augmente la résistance conductrice dans un mauvais scénario de convection. L'augmentation de l'épaisseur de paroi d'un tube de 12 mm de diamètre extérieur dans 50 % de PG, à 90 degrés et avec une vitesse d'écoulement de 0,3 m/s de 1,2 mm à 2,0 mm, augmente la température de la gaine d'environ 125 degrés à 155 degrés pour une densité en watts de 7 W/cm2. L'augmentation de température de 30 degrés entraîne une multiplication par 3 à 5 du taux de piqûres de chlorure suite au comportement d'Arrhenius. La paroi plus épaisse, censée offrir une marge de corrosion, rend l'attaque par piqûre si rapide que la durée de vie nette peut être inférieure à celle d'une paroi plus mince et plus froide. Cette boucle de rétroaction autodestructrice signifie que dans les systèmes à faible débit et à haute teneur en chlorure de glycol, il existe une plage optimale d'épaisseur au-delà de laquelle une plus grande quantité de métal diminue la durée de vie plutôt que de la prolonger. Les données vérifiées sur le terrain pour les réchauffeurs à circulation des brasseries et de l'industrie alimentaire montrent que l'optimum se situe entre 1,4 et 1,8 mm pour la plupart des systèmes PG à 50 % contaminés par des chlorures.

Recommandations d'épaisseur confirmées pour divers régimes d'écoulement

Là où l'on peut garantir que la vitesse d'écoulement sera toujours supérieure à 1,0 m/s, une épaisseur de 1,5 à 1,7 mm offre un service fiable pendant cinq ans en présence de 2 000 ppm de chlorures. Une épaisseur modérée maintient la température de la gaine en dessous de 120 degrés à des densités de watts normales et un écoulement turbulent empêche la concentration de chlorure à la surface. L'épaisseur minimale vérifiée devient de 1,8 à 2,0 mm pour les systèmes à débit intermittent ou lorsque le débit peut devenir inférieur à 0,5 m/s dans certaines phases opérationnelles. Ce métal supplémentaire n'est pas tant destiné à compenser la corrosion qu'à supporter les piqûres rapides qui se produisent lors d'événements de faible débit. Cependant, pour une paroi de 2,0 mm, la densité en watts doit être limitée à 5-6 W/cm2 pour maintenir la température de la gaine en dessous de 135 degrés à faible débit. S'il n'est pas possible de réduire la densité en watts en raison de limitations d'espace ou de capacité de chauffage, l'épaisseur doit être limitée à 1,5-1,6 mm pour éviter l'accélération thermique de la corrosion, et le propriétaire du système doit accepter une durée de vie raccourcie de trois à quatre ans.. 316 l'acier inoxydable n'est pas suggéré pour les systèmes où le débit peut être complètement stagnant (vitesse nulle) pendant les cycles de chauffage, quelle que soit l'épaisseur. Dans des conditions stagnantes, une ébullition localisée est inévitable et une température de surface élevée, une teneur en chlorure et une action mécanique des bulles perceront toute épaisseur pratique en un à deux ans. Dans de telles circonstances, une gaine en titane ou un élément chauffant en Incoloy 825 doit être spécifié.

Vérification via des tests de corrosion et des données de terrain

Les trois sources de preuves étayant les recommandations d'épaisseur ci-dessus sont : Des profondeurs de piqûres de 0,2 à 0,3 mm/an ont été observées dans des essais avec agitation (débit élevé) et de 0,5 à 0,8 mm/an dans des essais sans agitation (faible débit) lors d'essais d'immersion en laboratoire de 316 coupons d'acier inoxydable dans 50 % de PG avec 2 000 ppm de NaCl à 90 degrés. Deuxièmement, des inspections sur le terrain de réchauffeurs à circulation mis hors service après trois à cinq ans dans des boucles de glycol d'usines alimentaires où des niveaux de chlorure ont été signalés entre 1 500 et 2 500 ppm montrent que les unités avec des parois de 1,5 à 1,6 mm et un écoulement turbulent ont des profondeurs de fosse maximales de 0,4 à 0,7 mm, laissant une paroi résiduelle suffisante. Les unités avec des parois de 2,0 à 2,2 mm et un faible écoulement ont des profondeurs de creux de 0,8 à 1,2 mm, non pas à cause d'un matériau moins résistant, mais parce que l'épaisseur accrue des parois augmente la température de surface et accélère l'attaque. Troisièmement, des analyses de polarisation électrochimique de l'acier inoxydable 316 dans du PG contaminé par du chlorure à 80-100 degrés montrent que le potentiel de piqûre chute fortement au-dessus de 100 degrés, confirmant qu'il est plus important de maintenir la température de la gaine en dessous de ce seuil que d'ajouter de l'épaisseur.

Conclusion : La gamme d'épaisseurs vérifiée pour un service fiable

Une plage validée pour la détermination de l'épaisseur de la gaine des chauffe-eau instantanés en acier inoxydable 316 dans 50 % de propylène glycol avec 2 000 ppm de chlorures à 90 degrés dans des conditions de faible débit est nécessaire pour équilibrer la résistance aux piqûres et l'accélération thermique. Pour les systèmes de bonne conception, avec des vitesses d'écoulement de 1,0 m/s et des densités de watts de 6-8 W/cm2, une épaisseur de 1,5 à 1,7 mm donne une durée de vie validée de 5 ans. Pour les systèmes avec un débit de fonctionnement normal inférieur à 0,5 m/s, l'épaisseur doit être augmentée à 1,8-2,0 mm, mais seulement si la densité en watts est simultanément diminuée à 5-6 W/cm². Aucun système où une stagnation de l'écoulement peut se produire n'est acceptable pour l'acier inoxydable 316, quelle que soit son épaisseur. Les ingénieurs qui spécifient un appareil de chauffage pour cet environnement difficile doivent spécifier non seulement l'épaisseur de la paroi, mais également la vitesse d'écoulement la plus basse autorisée, la densité en watts maximale et la méthode de vérification (test de coupon ou surveillance électrochimique) à suivre pendant l'entretien. Cela remplace une exigence dimensionnelle de base par une technique de gestion de la corrosion validée qui relie directement l'épaisseur de la paroi à la résistance aux piqûres et aux performances thermiques dans les systèmes de glycol contaminés par des chlorures.