Détermination des causes d`endommagement

Détermination des causes d’endommagement
prématuré des tubes d’un échangeur de chaleur dans
une centrale électrique à vapeur
BOULEGHEB.K
DRIF.R
Centre de recherché en électricité
et du gaz CREDEG Alger, Algerie
[email protected]
Centre de recherché en électricité et
du gaz CREDEG Alger, Algerie
[email protected]
Abstract— L’objet de ce travail présenté dans ces quelques
feuilles tourne autours d’une expertise menée sur des tubes
d’économiseur d’un générateur de vapeur d’une central
électrique à vapeur donc après une opération de rénovation des
structure tubulaire de la Chaudière et après un certain temps de
fonctionnement de cette dernière on a constaté la multiplication
du phénomène de percement des tubes (endommagement
prématuré). Dans le souci de déterminer les causes qui ont
menées à cet endommagement prématuré et par la suite de
proposer des solutions adéquates à ce problème, une enquête a
été enclenchée dont les étapes ainsi que les résultats sont présenté
tout au long de cet article
Index Terms— énergie électrique, central vapeur, chaudière,
économiseur, corrosion, percement, oxyde de fer, poste d’eau.
INTRODUCTION
Le phénomène de dégradation que se soit par éclatement ou
encore suite à un percement des structures tubulaires dans les
générateurs de vapeur constitue généralement la cause
majeure des manques de production dans le domaine de
l’industrie pétrolière et de l’énergie électrique. à cet effet, il
devient essentiel de multiplier les expertises pour essayer de
trouver des réponses cohérentes à ce problème afin de réduire
à un seuil tolérable faire le nécessaire pour éviter de tels
problèmes.
A ce titre plusieurs études et investigations ont étés menues
par de nombreux chercheurs sur différentes catégories de
tubes chaudière. Lopez-Lopez et Al [4] ont étudié la relation
entre la décarburation des aciers inoxydables austénitiques et
le taux de corrosion à haute température sur les surfaces
externes des tubes des surchauffeurs et des resurchauffeurs.
Chaudhuri [5] a décrit un cas d’une étude en relation avec la
rupture des tubes de resurchauffeur en 1,25Cr-0,5Mo, des
tubes en acier au carbone et des tubes de surchauffeur en
2,25Cr-1Mo. Lee et Al [6] ont présenté un cas d’une analyse
de rupture au niveau des tubes d’un surchauffeur. Ahmad et al
[7] ont réalisés des expertises pour expliquer les causes
probables de la rupture des tubes écran fabriqués en SA210-
OUADAH.M
Centre National de Recherche
en Soudage et Contrôle(CSC)
[email protected]
AZZOUG.M
Université des sciences et de
la technologie HouariBoumediene- UHTHB
A1. Saha et al [8] ont étudiés les différentes causes probables
qui ont menées à la rupture des cordons de soudure dans la
chaudière d’une centrale électrique de 210MW.
Au final, les résultats de toutes ces étude ont montrés que
mal gré que les raisons qui mènes à la rupture des structures
tubulaires sont varies, mais néanmoins les phénomènes qu’y
sont responsables sont presque toujours les mêmes, à savoir :
la corrosion par piqûration, l’érosion, la fatigue thermique, le
fluage et la fissuration par corrosion sous contrainte
[2,3,10,11]. A titre d’exemple la corrosion par piqûration est
provoquée par l’oxygène dissout dans l’eau alimentaire. Dans
les chaudières l’eau qui arrive du dégazeur contient presque
toujours une certaine quantité résiduelle d’oxygène dissout,
qui est ensuite éliminé par voie chimique en injectant de
l’hydrazine.
Les échantillons qui vont êtres l’objet de notre travail
d’expertise proviennent d’un économiseur, cet organe qui joue
le rôle d’un récupérateur de chaleur se trouve dans la partie de
basse température de la chaudière (450- 600°C), dans le
parcours des gaz d’échappement. Cet organe est constitue
d’une serie de tubes généralement d’un diamètre externe de
38.5 mm et d’une épaisseur de 3.85 mm qui peut être soit
lisse ou dotés d’ailettes afin d’augmenter la surface d’échange
thermique entre les gaz d’échappement qui brassent les
surfaces externe et l’eau du circuit d’alimentation qui circule à
l’intérieur de ces derniers/ de notre travail
Fig.1. aspects et dimensions des tubes de l’économiseur a)
tube avec ailette, b) tube lisse
METHODOLOGIE D’ETUDE
III.2. EXAMENS VISUELS :
III.2.1.EXAMEN DES SURFACES EXTERNES :
Après récupération des tubes rompus au niveau de la
centrale électrique, un contrôle visuel direct et indirect (par
vidéo- endoscope) a été réalisé sur les surfaces externes et
internes des différents échantillons afin de recueillir le
maximum d’information, en suite vient l’étape du
découpage et de la préparation de spécimens pour
des analyses chimiques et métallographiques approfondies.
Au court de l’analyse, les méthodes et les techniques suivantes
ont étés utilisées :
 Spectromètre à étincelle pour la détermination de la
composition chimique des échantillons ;
 Microscope optique pour l’étude métallographique ;
 MEB pour l’examen des surfaces;
 EDS pour l’analyse semi-quantitative des éléments
RESULTATS ET DISCUTIONS :
III.1. ANALYSE CHIMIQUE :
Les résultats des l’analyses chimiques obtenus par
spectrométrie d’émission à étincelle réalisées sur les partie
saines de nos tubes (Figure III.5) sont regroupées dans le
tableau III.1.
Table III.1 : Composition chimique de l’acier A210/A210M
selon la norme ASTM.
(1)
: Marge d’erreur standard des résultats selon la norme
ASTM E 1009 pour les aciers.
(2)
: Composition chimique de la nuance A210/A210M d’après
la norme ASTM.
En regardant ces résultats en voit clairement que notre
matériau est un alliage hypo-eutectoïde (%C< 0.85), aussi en
constate qu’il n’y a aucun élément d’alliage qui atteint la
teneur de 1%, ce qui signifie qu’on est en présence d’un
matériau non allie.
Et afin de connaitre la nuance exacte de nous échantillons
nous avons procédé à une
comparaison des résultats
expérimentaux qu’on a obtenus par spectroscopie avec les
valeurs de la norme ASTM 1009, ce qui nous a permis
d’identifier
notre
alliage
comme
étant
l’acier
« A210/A210M ».
Fig.2.états des surfaces externes des tubes de l’économiseur
III.2.2. EXAMEN DES SURFACES INTERNES :
L’observation des parois internes de nos tubes
endommagés par un vidéo endoscope nous a permis de mettre
en évidence la présence de plusieurs types d’oxydes de fer
(Fig.3), leurs répartition est comme suite :
 Les plus grandes parties des surfaces internes des tubes sont
couvertes d’une couche uniforme de couleur noire, identifie
dans la bibliographie comme étant un oxyde de fer type
(Fe3O4) communément appelé magnétite (Fig.III.c). La
présence de cette couche d’oxyde stable est généralement
souhaitée à cause du rôle de protection qu’elle joue pour
altérer le processus de corrosion aqueuse de l’acier/
 Présence de plusieurs zone des surfaces interne des tubes
qui présentent une dégradation de la couche de magnétite
(écaillage), à l’intérieure de ces zones on remarque la
présence d’une couche d’oxyde de fer de couleur brun rouge
aussi identifie comme étant un oxyde de fer type (Fe2O3)
communément appelé hématite (Fig.3.b). La présence de
cette couche d’oxyde de fer poreuse est généralement
indésirable parce qu’elle est en premier lieu instable et en
deuxième lieu, n’offre aucun pouvoir de protection aux
surfaces des tube.
Le mécanisme de formation de ces couches d’oxydes
s’explique comme suit :
Niveau des zones écaillées, le métal nu est le siège
d’une réaction d’oxydation fer (anode), les électrons ainsi
libérés dans l’électrolyte vont êtres captés par l’oxygène à la
cathode pour donner naissance à un oxyde de fer de type
Fe(OH)2. La le cas ou nous sommes dans un milieu povre en
oxygène et à de haute température le Fe(OH)2 se transforme
en magnetite (Fe2O3), mais dans le cas oû on est en présence
d’un électrolyte riche en oxygène dissous, le processus de
formation de la magnétite perd le terrain devant la formation
d’un autre type d’oxyde de fer à savoir l’hématite (Fe2O3),
plus poreux et moins protecteur que le premier type d’oxyde.
Au final, on se trouve en présence de petits sites couvert
d’oxyde poreux (zones anodiques) éparpillés dans de larges
zones couvertes d’oxyde protecteur (zones cathodiques), se
qui explique le phénomène de corrosion par piqûration des
surfaces internes des tubes de l’économiseur et par la suite
leurs percement.
Fig.3.états des surfaces interne des tubes de l’économiseur
En outre il faut noter que la présence de l’hématite au niveau
des surfaces internes des tubes de l’économiseur est le signe
d’une mauvaise élimination de l’oxygène dissout dans l’eau
du circuit alimentaire (mauvais dégazage mécanique et
chimique).
Fig.4. Microstructure de la section transversale du tube
d’économiseur (x200).
III.3.2. EXAMENS DES ZONES DE PERCEMENT :
L’étude des différentes micrographies obtenues à partir des
observations microscopiques réalisées au niveau de cette zone
nous a permis de mettre en évidence les points suivant :
. Au niveau des zones éloignées du cordon de soudure (B), la
microstructure de nos échantillon est la même que celle
observée sur les échantillons sains, à savoir une microstructure
ferrito-perlitique ;
. Sur les micrographies des zones qui se trouvent aux alentours
des zone percées (micrographie C), on remarque que les
proportions des surfaces occupées par la microstructure à
contraste noir entre autre la perlite et celle à contraste blanc ou
encore ferrite est presque la même. Cette augmentation de la
quantité de perlite est la conséquence d’une surchauffe locale
provoquée probablement par la mauvaise exécution du cordon
de soudure d’assemblage tube/parois de chaudière (figures
III.3 et III.4);
 Au niveau de la zone de percement, on constate qu’on est en
présence d’une microstructure à contraste binaire, le premier
est de couleur noir qui constitue la matrice, et le second est
de couleur blanche et qui se présente généralement sous
forme de lattes
III.3. EXAMENS METALLOGRAPHIQUE
III.3.1. MICROSTRUCTURE GENERALE
Après préparation mécanique (polissage) et attaque chimique
par du Nital 4% des surfaces de nos échantillons, on est passé
aux observations microscopique de ces dernières.
Les
différentes micrographies révèlent qu’on est en présence d’une
microstructure biphasée, la première phase qui apparait sous
un contraste clair qui constitue la matrice est identifiée comme
étant de la ferrite, tandis que la deuxième phase qui se
présente sous une morphologie granulaire à contraste noir
dispersées au sein de la matrice est identifiée comme étant de
la perlite
Fig.5. Différentes microstructures présentent au niveau des
zones de percement
III.3.3. EXAMENS DES ZONES SOUDEES
L’étude des différentes micrographies obtenues à partir des
observations microscopiques réalisées au niveau de cette zone
nous a permis de mettre en évidence les points suivant :
 Au niveau des zones éloignées du cordon de soudure (A), la
microstructure de nos échantillon est la même que celle
observée sur les échantillons sains, à savoir une
microstructure ferrito-perlitique ;
 Au voisinage de la soudure (B) on remarque la présence de
trois zones, la première (coin bas à droite) présente une
microstructure ferrito-perlitique propre au matériau de base,
la deuxième (au dessus de la première) est la zone affectée
thermiquement qui présente un mélange entre des
microstructures ferrito-perlitique mais cette fois ci avec des
grains plus fins et des microstructures hors équilibres type
martensite, et enfin la troisième zone, ou encore zone fondue
qui se présente sous forme d’une microstructure
martensitique.
 Sur la micrographie (C), on peut identifie clairement un
défaut interne de soudage (manque de collage),
généralement la présence de type de défaut constitue des
points fragiles pour la jonction de soudure et engendre dans
la plupart des cas la rupture de cette dernière au cours de
service
Fig.7. Emplacement des empreintes de dureté sur l’échantillon
au voisinage des soudures.
III.4.2. DURETE
PERCEMENT
AU
NIVEAU
DES
ZONES
DE
Le courbe d’évolution de la dureté présenté sur le graphe 2
présente un profile ascendant, en partant des zones saine vers
les zone percées, ce qui correspond parfaitement avec
l’évolution de la microstructure observée au niveau de ces zone
la, ou elle passe d’une microstructure ferrito-perlitique (stable)
côté zones saines à une microstructure hors équilibre de
surchauffe (côté cordon de soudure mal executé) du côté des
zones de percement.
Fig.6. Différentes microstructures présentent au niveau des
zones soudées
III.4. ESSAIS DE DURETE :
III.4.1. DURETE AU NIVEAU DES ZONES SOUDEES
Le courbe d’évolution de la dureté présenté sur le graphe 1
présente un profile ascendant, en partant du métal de base vers
la zone fondue, ce qui correspond parfaitement avec
l’évolution de la microstructure observée au niveau de ces zone
la, ou elle passe d’une microstructure ferrito-perlitique (stable)
côté métal de base à une microstructure hors équilibre du côté
de la zone fondue.
Graph1. Profile de la dureté Vickers HV10 des échantillons
soudés
Graph2. Profile de la dureté Vickers HV10 des échantillons
percés
Fig.8. Emplacement des empreintes de dureté sur l’échantillon
au voisinage des zones de percement.
I. CONCLUSION :
Suite aux différents résultats recueilles tout au long de cette
expertise, nous pouvons conclure que les causes qui ont
conduit à la dégradation prématurées des structures tubulaires
pourtant récemment rénovées de l’échangeur de chaleur entre
autre de l’économiseur, résultent de l’interaction de plusieurs
facteurs, à savoir :
 Présence de défauts à l’intérieur des cordons de soudure des
tubes qui comportent des ailettes, ce type de défaut est
considéré comme étant un défaut de fabrication ;
 Mauvaise exécution des cordons de soudure utilisée pour
accrocher les tubes de l’économiseur aux parois de tunnel
d’échappement ;
 Présence de l’oxygène dissout dans l’eau du circuit d’eau
d’alimentation suite à un mauvais dégazage mécanique et
chimique, ce qui a favorisé le développement d’une couche
d’oxyde de fer instable (hématite) au endroits ou il y a eu une
dégradation de la couche de magnétite (couche d’oxyde de
fer stable et protectrice)
REFERENCES
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Gordon and Breach Science Publishers; 1970.
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