Détermination des causes d’endommagement
prématuré des tubes d’un échangeur de chaleur dans une centrale électrique à vapeur
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-
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
BOULEGHEB.K
Centre de recherché en électricité et du gaz CREDEG Alger, Algerie
kalcnd@gmail.com.com
DRIF.R
Centre de recherché en électricité et du gaz CREDEG Alger, Algerie
Rabah_usthb@yahoo.fr
OUADAH.M
Centre National de Recherche en Soudage et Contrôle(CSC)
m.ouadah@csc.dz
AZZOUG.M
Université des sciences et de la technologie Houari- Boumediene- UHTHB
Fig.1. aspects et dimensions des tubes de l’économiseur a) tube avec ailette, b) tube lisse
METHODOLOGIE D’ETUDE
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 ».
III.2. EXAMENS VISUELS :
III.2.1.EXAMEN DES SURFACES EXTERNES :
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).
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.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
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.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
Fig.7.Emplacement des empreintes de dureté sur l’échantillon au voisinage des soudures.
III.4.2. DURETE AU NIVEAU DES ZONES DE PERCEMENT
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.
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
[1] Barer RD, Peters BF. Why metals fail. 1st ed. New York:
Gordon and Breach Science Publishers; 1970.
[2] Becker WD, Shipley RJ. ASM handbook, failure analysis and prevention, 10th ed., vol. 11. ASM international; 2002.
[3] López-López D, Wong-Moreno A, Martinez L.
Carburisation processes involved in boiler-tube failures.
Corros Sci 1993;35:1151–5.
[4] Chaudhuri S. Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes – basic principles and case studies. Mater Sci Eng A 2006;432:90–9.
[5] Lee NH, Kim S, Choe BH, Yoon KB, Kwon D. Failure analysis of a boiler tube in USC coal power plant. Eng Fail Anal 2009;16:2031–5.
[6] Ahmad J, Purbolaksono J, Beng LC, Rashid AZ, Khinani A, Ali A. Failure investigation on rear water-wall tube of boiler. Eng Fail Anal 2009;16:2325–32.
[7] Saha A, Roy H, Shukla AK. Investigation into the probable cause of failure of economiser tube of a thermal power plant. J Fail Anal Preven 2010;10:187–90.
[8] Dhua SK. Metallurgical investigation of failed boiler water-wall tubes received from a thermal power station.
Eng Fail Anal 2010;17:1572–9.
[9] Spurr JC. Significance of copper deposits associated with a boiler tube failure. Anti-Corros Method M 1959;6(8):233–
7.
[10] Hutchings FR, Unterweiser PM. Failure analysis: the British Engine technical reports. Metals Park (OH):
American Society for Metals; 1981.
