Étude de corrosion de chaudières, réseaux de distribution et échangeurs thermiques

Une chaudière est une installation ou une unité de production de chaleur composée de plusieurs éléments :

• Un combustible (liquide, gazeux dont le biogaz, ou solide dont la biomasse – bois, déchets organiques, sous-produits de l’agriculture et de l’industrie)

• Selon la puissance et le type de chaudière, un foyer (bien souvent associé à un brûleur) ou une véritable chambre de combustion (associée généralement à la combustion de combustibles solides comme la biomasse ou les ordures ménagères)

• Un certain nombre d’échangeurs dont la fonction va dépendre du fluide caloporteur que l’on veut produire

Il existe de nombreux types de chaudières (à tubes fumées, à tubes d’eau, chaudières de récupération, …), le choix étant fonction de la puissance et de l’application visée, comme par exemple :

• Produire de l’eau chaude pour un circuit de chauffage central, individuel ou non. L’échange thermique final se fait généralement par le biais de radiateurs.

• Produire de l’eau chaude sanitaire. L’échange thermique entre le circuit de chauffage et le circuit « eau chauffée » se fait alors au travers d’un échangeur.

• Produire de l’eau surchauffée. Le principal exemple est le chauffage urbain, qui s’apparente à un chauffage central à l’échelle d’une ville et qui permet d’alimenter en chaleur et en eau chaude sanitaire des bâtiments à usage privé, public (collectif) ou industriel.

• Produire de la vapeur surchauffée ou non, habituellement pour répondre au besoin énergétique d’un procédé particulier.

Tous ces systèmes peuvent être représentés à l’aide du schéma synoptique suivant, sur lequel apparaissent des exemples de cas de défaillance qui témoignent que tous les niveaux du procédé peuvent être concernés par des mécanismes d’endommagement, notamment par des phénomènes de corrosion :

Cas n°1 : Fissuration de tubes tirants et de plaques tubulaires de 2 chaudières à tubes fumées

• Apparition des fissurations sur deux chaudières, quelques mois seulement après leur mise en service
• Fissurations provoquées par un phénomène de corrosion sous contrainte en milieu caustique en présence d’ions cuivriques
• Interprétation de l’action des ions cuivriques par reproduction du phénomène en laboratoire à l’aide d’essais électrochimiques

Cas n°2 : Eclatement de tubes d’un surchauffeur basse température

• Eclatements, après 100 heures de fonctionnement, de la chaudière dans une zone très localisée
• Température « prévue » des tubes en fonctionnement de l’ordre de 450°C
• Diagnostic :
• Auto-inflammation locale des gaz dans la chaudière
• Surchauffe des tubes aux environs de 700°C pendant une dizaine de jours
• Eclatement des tubes

• Mise en évidence et quantification de la surchauffe à l’aide d’examens microstructuraux, de mesures de dureté et de mesures d’épaisseur de couches d’oxydes sur des échantillons témoins chauffés à différentes températures

Cas n°3 : Fissurations de tubes de surchauffeurs au niveau des soudures

• Fissurations apparues localement au niveau du surchauffeur, après 2 à 3 mois d’utilisation de la chaudière
• Amorçage progressif des fissures en pied de cordon
• Problème de conception des faisceaux de tube de la chaudière entraînant un flambage des tubes, accentué par le phénomène de fluage (températures de l’ordre de 500°C)

Cas n°4 : Percement du circuit de distribution d’un réseau de chauffage urbain en acier

• Réseau calorifugé en fonctionnement depuis 1982, véhiculant de l’eau surchauffée
• Percements localisés en génératrice basse
• Percements consécutifs à un phénomène de corrosion sous isolation thermique
• Problèmes de mise en œuvre du calorifuge générant l’introduction, puis la stagnation d’eau en partie basse

Cas n°5 : Fuites multiples constatées au niveau des circuits secondaires d’une installation de réchauffage de cuves

• Circuits secondaires et cuves calorifugées
• Fuites constatées sur les circuits secondaires et sur les demi-coquilles assurant le réchauffage des cuves, moins d’un an après la mise en service de l’installation (matériau à acier inoxydable 304L)
• Fuites provoquées par un phénomène de corrosion sous contrainte sous calorifuge
• Problème de choix du calorifuge (laine de roche relargant des chlorures, non PMUC) et de mise en œuvre (présence de points d’arrêts permettant l’introduction d’humidité par condensation)

Cas n°6 : Percement d’échangeurs tubulaires de sous-station d’un réseau de chauffage urbain

• Réseau de plus de 160 km en service depuis 20 ans
• Percements provoqués par la présence de phénomènes de corrosion affectant le côté primaire et le côté secondaire :
• Côté primaire : phénomène de corrosion localisée par piqûre en présence d'oxygène dissous (aération différentielle)
• Côté secondaire : phénomène de corrosion localisée par piqûre de type caustique en présence de sels alcalins
• Réalisation d’un état de dégradation sur un ensemble d’échantillons représentatifs du réseau complet
• Recherche des causes de l’oxygénation de l’eau côté primaire par un audit détaillé de l’installation