Quelles menaces de corrosion induite microbiologiquement (MIC) existent dans les échangeurs duplex refroidis à l'eau en acier inoxydable ?

Plus qu'une simple restriction de débit, un revêtement visqueux à l'intérieur d'un tube duplex en acier inoxydable est une colonie vivante de bactéries qui peuvent creuser des trous à travers le mur. Même les aciers fortement alliés sont sensibles à un danger caché connu sous le nom de corrosion induite microbiologiquement, ou MIC. Pour éviter les fuites imprévues et les temps d'arrêt coûteux, il est crucial de comprendre la corrosion induite par la microbiologie dans les échangeurs duplex refroidis à l'eau en acier inoxydable-.

La base biologique de l'attaque
En raison de leur résistance supérieure à la fissuration par corrosion sous contrainte et aux piqûres de chlorure, les aciers inoxydables duplex (tels que 2205 et 2507) sont préférés. Ils sont cependant sensibles à la corrosion causée par les microbes. Les bactéries sulfato-réductrices (SRB) sont les contrevenants les plus fréquents. Dans l’eau stagnante ou à écoulement lent, ces microbes anaérobies prospèrent et établissent des colonies à l’intérieur d’un biofilm protecteur, qui est une matrice visqueuse de protéines, de polysaccharides et de détritus cellulaires qui s’accroche fermement à la surface métallique.

L’environnement immédiatement sous le biofilm change radicalement par rapport à l’eau en vrac après son développement. Les bactéries dégradent les ions sulfate (SO₄²⁻) dans l'eau en sulfure d'hydrogène (H₂S) en consommant des ressources organiques. Les bactéries aérobies qui résident au-dessus du biofilm consomment de l’oxygène, tandis que les sous-produits métaboliques bactériens produisent une acidité localisée. Le résultat est un microenvironnement qui est :

Acide : le pH peut descendre jusqu’à 4.

Désoxygéné : Empêche la réparation du film d'oxyde passif.

abondant en sulfure d’hydrogène, une substance corrosive qui cible les couches passives de l’acier inoxydable.

Dans ce microenvironnement hostile, le revêtement passif d’oxyde de chrome qui protège généralement l’acier duplex devient instable. Les piqûres commencent aux points faibles, fréquemment au niveau des défauts de surface ou des inclusions de sulfures. L'intérieur d'une fosse, où les conditions sont considérablement plus réductrices et riches en sulfures-, est colonisé par des bactéries une fois la fosse commencée. Étant donné que la cellule de corrosion est autonome-, l'assaut est accéléré par les bactéries qui se développent dans la fosse et produisent davantage de H2S.

C’est l’environnement toxique produit par les bactéries qui provoque la rouille, et non les bactéries elles-mêmes. En quelques mois seulement, un biofilm aussi fin que 0,1 mm peut produire des trous de plusieurs millimètres de profondeur.

Les raisons pour lesquelles l’acier inoxydable duplex n’est pas à l’abri
Les aciers inoxydables duplex reposent sur un mince film passif oxydant, contrairement au titane ou à certains alliages de cuivre-nickel, qui présentent une forte résistance au MIC en raison de leur stabilité d'oxyde ou de leurs qualités biocides inhérentes. Ce film n'est stable que dans des environnements neutres à légèrement alcalins et oxygénés. Le film se désintègre sous le biofilm réducteur, acide et chargé de sulfures. Bien que le duplex ait une résistance au MIC plus élevée que le 316L en raison de sa teneur élevée en chrome et en molybdène (22 à 25 % de Cr, 3 à 4 % de Mo), l'alliage n'est pas à l'abri. Même si la corrosion générale était minime, un certain nombre de défaillances sur le terrain ont été signalées, au cours desquelles 2 205 tubes en service de refroidissement par eau de mer ou par eau saumâtre ont connu de profondes piqûres de MIC après seulement deux à cinq ans de service.

Les SRB se trouvent dans de nombreuses voies navigables naturelles, notamment les lacs, les rivières, les océans et même les systèmes d'eau de refroidissement traitée avec de faibles niveaux de biocides ou des zones stagnantes. Tout échangeur de chaleur refroidi à l'eau-qui fonctionne à des températures comprises entre 20 et 60 degrés -la plage dans laquelle se développent la plupart des SRB-est vulnérable, en particulier si le débit d'eau est sporadique ou si des dépôts s'accumulent.

Inspection et symptômes visuels du MIC
Les piqûres de MIC se distinguent des piqûres de chlorure ou d'autres types de corrosion par leurs caractéristiques distinctives :

Morphologie agressive et dégagée : la cavité située en dessous est large, peu profonde ou de forme irrégulière, ressemblant à un "trou de ver" ou à un réseau de micro-puits connectés. L'embouchure de la fosse est souvent petite (1 à 3 mm).

Dépôts noirs ou brun foncé : le sulfure de fer (FeS), un sous-produit courant, donne à la fosse et au biofilm environnant un aspect noir et goudronneux.

Odeur de sulfure : Lorsque le dépôt est perturbé, il peut y avoir une odeur d'œuf pourri (sulfure d'hydrogène).

Clusters localisés : MIC se manifeste fréquemment sous la forme d'un groupe de fosses plutôt que de fosses individuelles largement dispersées.

La surface métallique à l’extérieur du biofilm est toujours brillante et intacte ; il n'y a pas de détérioration globale.

Parmi les techniques d’inspection figurent :

Examinez attentivement l’intérieur des tubes à la recherche de dépôts bruns ou noirs ou de taches sombres et visqueuses.

Après l’élimination du biofilm, un ressuage peut identifier des microfissures ou des piqûres.

La méthode non-destructive de détection des piqûres dans les tubes est appelée test par courants de Foucault (ECT). Contrairement aux dommages mécaniques, les piqûres MIC génèrent des signaux distinctifs.

Échantillonnage bactérien : la présence de bactéries est confirmée par un écouvillonnage du biofilm, une culture pour le SRB ou par des tests génétiques (tels que la qPCR).

Prévention : garder les bactéries hors de votre maison
Une stratégie multi-barrières est nécessaire pour empêcher les MIC dans les échangeurs duplex en acier inoxydable-refroidis à l'eau. Une combinaison des éléments suivants est très efficace, mais aucune stratégie à elle seule ne garantit la protection.

1. Traitement biocide cohérent
Parce que les biocides oxydants traversent les biofilms et détruisent instantanément les bactéries, ils sont les plus efficaces. Choix typiques :

Chlore ou hypochlorite : Maintenir la teneur en chlore résiduel libre de l'eau de refroidissement entre 0,1 et 0,5 ppm. À ces faibles concentrations, le Duplex 2205 résiste au chlore. Des piqûres peuvent toutefois résulter d'une chloration excessive (plus de 2 ppm).

Dioxyde de chlore : Moins corrosif et plus efficace contre les biofilms que le chlore. Le dosage habituel est compris entre 0,1 et 0,3 ppm.

L'ozone est un puissant oxydant qui se décompose complètement en oxygène. utilisé dans les systèmes de refroidissement à boucles fermées.

Pour arrêter la résistance bactérienne, des biocides non-oxydants (tels que le glutaraldéhyde et les isothiazolones) sont souvent utilisés, souvent en combinaison avec des oxydants. Pour maintenir les niveaux résiduels, le biocide doit être administré en continu ou au moins deux fois par jour.

2. Nettoyage mécanique régulier
Les biofilms établis ne peuvent pas être éliminés par le seul traitement chimique. L’intérieur des tubes doit être nettoyé mécaniquement de façon régulière (tous les six à douze mois par exemple) :

Le brossage des tubes consiste à tirer ou à pousser une brosse rotative à poils en acier inoxydable ou en nylon à travers chaque tube. Le biofilm et les éventuels dépôts libres sont ainsi éliminés.

Hydroblasting : les biofilms tenaces peuvent être éliminés efficacement avec des jets d'eau à haute-pression (5 000 à 10 000 psi). Les extrémités des tubes ne doivent pas être endommagées.

Nettoyage de la boule d'éponge : pour le nettoyage en ligne, les surfaces des tubes sont continuellement essuyées en faisant circuler des boules d'éponge avec de l'eau de refroidissement.

Pour arrêter une repousse rapide, le système doit être rincé et-redosé avec du biocide après un nettoyage mécanique.

3. Gardez la vitesse de l'eau élevée
Dans un flux turbulent-à grande vitesse, les bactéries ont du mal à adhérer et à former des biofilms. Pour l'acier inoxydable duplex utilisé dans l'eau de refroidissement, une vitesse côté tube-d'au moins 1,5 à 2,0 m/s est conseillée. Le risque MIC est significativement augmenté à des vitesses inférieures à 1 m/s, en particulier dans les tubes droits à flux laminaire. Minimisez les branches mortes, les zones de faible débit- et les zones d'écoulement perturbé autour des plaques tubulaires.

4. Évitez les situations stagnantes
L'eau de refroidissement doit être retirée de l'échangeur pendant les arrêts de l'usine ou les périodes d'inactivité, et les tubes doivent être séchés et nettoyés à l'eau douce. Comme alternative, un biocide peut être utilisé pour maintenir une recirculation à faible débit. La croissance du biofilm se développe dans l’eau stagnante, et même quelques jours de stagnation peuvent établir des colonies de SRB.

5. Choisir des matériaux pour les situations graves
Un alliage plus résilient pourrait être pris en considération si une usine a des antécédents de CMI sévère, même avec un traitement d'eau adéquat. Étant donné que le titane (grade 2) n’améliore pas activement l’adhérence du biofilm et que son revêtement passif est stable même dans des circonstances décroissantes, le titane est largement immunisé contre la MIC. Parce que les ions cuivre sont libérés, les alliages cuivre-nickel (90/10 ou 70/30) ont naturellement des qualités biocides. Cependant, les deux coûtent beaucoup plus cher que le duplex. Le duplex est une option fiable pour la majorité des applications-refroidies à l'eau avec un fonctionnement et un entretien appropriés.

Comment procéder si MIC est trouvé
Les étapes suivantes doivent être mises en œuvre dans le cas où un échangeur duplex présente des piqûres MIC :

Vérifiez le diagnostic en effectuant une analyse métallographique d'une section transversale de fosse-et d'une culture bactérienne. Recherchez les dépôts de sulfures et la morphologie en contre-dépouille distinctive.

Déterminez l'étendue en insérant un endoscope ou en utilisant des tests par courants de Foucault pour examiner chaque tube. La possibilité de boucher le tube (s'il est peu nombreux et peu profond) ou la nécessité d'un retubage dépend de la quantité et de la profondeur des fosses.

Améliorez immédiatement le traitement de l'eau en ajoutant un programme de nettoyage mécanique, en augmentant le dosage de biocide ou en passant à un biocide plus puissant. Passer au traitement continu si la plante n’a reçu que des soins occasionnels.

Réparer ou remplacer : si le taux de corrosion diminue après le traitement, des piqûres peu profondes (moins de 0,3 mm de profondeur) dans des tubes à paroi épaisse-peuvent être acceptables. Les tubes individuels doivent être branchés dans des fosses ou des grappes plus profondes. Le retubage ou le remplacement de l'échangeur est conseillé si plus de 10 à 15 % des tubes sont impactés.

Examiner les procédures d'exploitation pour s'assurer que les arrêts sont bien gérés (vidanger et sécher l'échangeur). Si cela est possible, augmentez la vitesse de l’eau.

En conclusion
La corrosion induite microbiologiquement est une bataille biologique contre le métal qui peut être gagnée en combinant un nettoyage physique de routine avec une bonne hygiène chimique. Même les alliages de haute qualité-sont exposés à un risque de corrosion induite par la microbiologie dans les échangeurs duplex refroidis à l'eau en acier inoxydable-. Les biofilms formés par des bactéries sulfato-réductrices et d'autres micro-organismes fournissent un environnement localement acide, sulfuré et désoxygéné, ce qui entraîne des piqûres rapides qui peuvent pénétrer dans les parois des tubes en quelques mois. Le maintien d'une vitesse de l'eau supérieure à 1,5 m/s, la prévention des stagnations lors des arrêts, un nettoyage mécanique occasionnel (brossage ou hydrosablage) et un traitement biocide continu ou régulier sont nécessaires à la prévention. Pour vivre, même l’alliage le plus sophistiqué nécessite une atmosphère propre. Les échangeurs duplex peuvent offrir un service étendu-sans problème en reconnaissant le danger et en mettant en place un programme strict de traitement de l'eau et de nettoyage des tubes. Cependant, un alliage à haute-performance devient un tamis si le MIC est ignoré.