Déchets

Une enquête sur les arrêts non planifiés de Prewin Network en 2021 a révélé que les pannes d'équipement dans les usines de valorisation énergétique des déchets (WtE) et de biomasse étaient responsables d'un total de 22,9 jours d'arrêts non planifiés en 2021. Elle a également révélé que 43 % des classifications de pannes d'équipement étaient liées à la chaudière (Figure 1). De plus, les chaudières à elles seules étaient responsables en moyenne de 9,9 jours d'arrêts non planifiés en 2021, la partie rayonnement représentant 49 % des pannes de chaudières (Figure 2), suivie de l'économiseur (28 %), de la partie convective (20 %) et des autres (3 %).

Ces dernières statistiques donnent un aperçu des performances et de la fiabilité des actifs, mettant en évidence les chaudières comme l'un des équipements les plus problématiques à gérer pour les propriétaires d'usines. Cet article traite de l'un des facteurs contributifs les plus courants à l'origine de la défaillance d'une chaudière : la corrosion.

Généralement conçues pour les moyennes ou grandes installations, les chaudières WtE produisent de la vapeur pour la production d'électricité ou de chaleur, en brûlant de la biomasse, de la biomasse recyclée ou des déchets industriels ou urbains prétraités. La flexibilité du combustible offre des réductions de coûts connexes, mais entraîne une augmentation de la corrosion de la chaudière.

Les environnements de combustion de combustibles mixtes créent des conditions extrêmes qui peuvent prédisposer l'équipement aux dommages. Il existe une grande variété de modèles de chaudières : grille horizontale, grille inclinée, lit fluidisé bouillonnant, lit fluidisé circulant, etc. Si le mélange de carburant contient des plastiques et d'autres produits chimiques, du chlore, du soufre et d'autres métaux alcalins et lourds peuvent être générés, augmentant considérablement les taux de perte d'épaisseur des pièces sous pression grâce à des mécanismes de corrosion accélérés. Sans soins préventifs appropriés, ces conditions peuvent entraîner des fuites, des pannes imprévues et des coûts de maintenance et d'exploitation élevés, réduisant ainsi la disponibilité, l'efficacité et les émissions de ces chaudières.

Augmenter l'efficacité des chaudières WtE signifie augmenter la pression et la température à l'intérieur des tubes de la chaudière. La combinaison de nouveaux types de carburant contenant des niveaux plus élevés d'agents corrosifs avec ces températures et pressions plus élevées peut entraîner un ramollissement du matériau. La corrosion accélérée de la chaudière au coin du feu commence sur les surfaces d'échange de chaleur en acier non protégées des surchauffeurs et la résistance à l'érosion du métal de base diminue.

La plupart des mécanismes de protection contre la corrosion consistent à générer une barrière anticorrosion sur le métal de base en formant une couche d'oxyde. Le défi à l'intérieur des chaudières WtE est que cette couche est rapidement érodée, forçant la formation d'une autre couche, et par conséquent conduisant au phénomène d'érosion-corrosion (Figure 3). L'amincissement par érosion-corrosion peut se produire rapidement lorsque des conditions difficiles sont combinées avec des matériaux mous ou peu résistants à l'érosion à ces températures élevées.

La protection réfractaire est la première défense contre les gaz de combustion corrosifs et peut également avoir d'excellentes propriétés d'érosion. Cependant, les propriétés d'échange thermique sont limitées car le rendement thermique est faible. Des alliages réfractaires peuvent être utilisés, mais en raison des coûts excessifs des matériaux et de la résistance limitée à l'érosion, l'utilisation d'une couche de protection de surface est souvent une solution plus rentable.

L'utilisation de revêtements céramiques minces semble être une approche attrayante, mais souvent le décalage de dilatation thermique et la fragilité de ces revêtements rendent cette solution peu fiable. Les revêtements ont tendance à se fissurer et une corrosion peut se développer sous la couche de protection qui risque alors de se décoller. Certaines solutions possibles incluent les suivantes.

Superposition de métal soudé (WMO). De nombreuses chaudières sont conçues et fabriquées avec une protection de recouvrement en métal soudé (WMO) installée dans les zones critiques à risque d'érosion ou de corrosion. Souvent, au cours du temps et en fonctionnement continu, on observe alors une corrosion accélérée sur les tubes non protégés au-delà de la section OMM, par exemple lors de la seconde passe. Ceci est communément appelé "fluage de corrosion". Dans ce cas, la portée de la zone de tube protégée par une barrière anticorrosion doit être étendue (Figure 4).

Dans de nombreux cas, la solution conventionnelle consiste à retirer les sections affectées et à les remplacer par de nouveaux panneaux tubulaires, qui sont à leur tour protégés par une barrière anticorrosion WMO appliquée dans l'atelier. Cependant, le remplacement des sections de mur d'eau peut entraîner de longues pannes et des problèmes supplémentaires, tels que des distorsions et des irrégularités de géométrie de surface au niveau des joints de section de panneau et des soudures bout à bout, entre autres. L'OMM est particulièrement difficile dans les cas où du mobilier extérieur est impliqué.

L'alternative de l'application sur site de l'OMM sur le terrain est difficile à gérer du point de vue de la qualité, peut ne pas être possible sur des sections de tube plus minces, prend du temps en raison de l'apport thermique et risque de distorsion thermique, prolongeant les arrêts de l'usine. Dans d'autres cas, dans certaines parties de la chaudière, le WMO appliqué peut commencer à montrer des signes de perte accélérée due à l'érosion/corrosion à haute température après seulement un ou deux ans de service. Cet investissement initial doit être protégé d'une nouvelle dégradation rapide, qui met en péril l'intégrité de la limite de pression sous-jacente du mur d'eau.

Pulvérisation Thermique. La technologie de pulvérisation thermique est utilisée pour l'application d'alliages résistants à la corrosion (ARC) dans l'industrie de l'énergie depuis les années 1980 (Figure 5), pulvérisant des alliages métalliques largement utilisés dans le procédé WMO. Cependant, il a été rapidement compris que le processus de projection thermique lui-même affecte négativement les propriétés de l'alliage projeté.

Le revêtement tel qu'appliqué résultant, lors de l'utilisation de fils en alliage métallique standard et d'un équipement de projection thermique conventionnel, était perméable. Cette perméabilité due à la porosité, aux contraintes internes élevées, aux oxydes encapsulés et aux forces de liaison inférieures avec le métal de base a créé une voie parfaite pour la corrosion et les défaillances prématurées. Tout le contraire du résultat souhaité.

Ces premiers échecs ont entraîné une grande méfiance à l'égard de la technologie de pulvérisation thermique. Dans le même temps, cela a fourni une énorme opportunité : est-il possible d'améliorer la force de liaison et de réduire la perméabilité, la porosité, les oxydes et les contraintes internes du revêtement par projection thermique tel qu'appliqué ?

Les ingénieurs et les scientifiques des matériaux d'Integrated Global Services (IGS) ont développé avec succès une solution à ce problème en repensant à la fois l'équipement de convoyage utilisé pour appliquer l'alliage métallique et le matériau de base de l'alliage métallique lui-même.

Une force de liaison. Le problème de la force de liaison entre les particules métalliques appliquées par pulvérisation thermique et le substrat a été résolu en augmentant la vitesse de pulvérisation et en améliorant la qualité de la préparation de la surface du substrat. Lorsque les particules de métal en fusion atomisées propulsées par le flux d'air supersonique frappent le substrat convenablement préparé, elles s'écrasent comme une crêpe et s'incrustent dans le substrat, formant des liaisons très étroites.

Créer une barrière imperméable. Lorsque les gouttelettes de métal atomisées sortent du pistolet thermique, lors de leur vol vers le substrat, elles sont exposées à l'atmosphère et à 21% d'oxygène. En conséquence, ces gouttelettes fondues à haute température subissent une oxydation en vol. Si elles ne sont pas contrôlées, lorsque les gouttelettes de métal atterrissent sur le substrat, elles se déposent avec une fine couche d'oxyde d'accompagnement, compromettant la perméabilité de la microstructure appliquée.

IGS a résolu ce problème de macro porosité avec ses systèmes de revêtement en alliage à grande vitesse. Les alliages conventionnels prêts à l'emploi ont été remplacés par des alliages modifiés, contenant des composants d'alliage uniques pour minimiser l'oxydation en vol. En atténuant la formation d'oxydes, les performances de corrosion et la perméabilité de la barrière de protection contre les projections thermiques ont été transformées.

Le four Hitachi Zosen Inova (HZI) installé à Renergia est une chaudière WtE à quatre passes à grille mobile inclinée avec un économiseur externe. La capacité thermique de la chaudière est de 47 MW avec un débit de vapeur de 58 tonnes/h et une pression de vapeur de 41 Bar à 410C.

Conçu à dessein sans réfractaire, le revêtement de soudure en alliage 625 a été appliqué en atelier sur les panneaux de mur d'eau côté feu pour protéger les tubes de la chaudière WtE de la corrosion côté feu. Après des mois de fonctionnement, une inspection a révélé une dégradation accélérée de la couche de protection en alliage 625, en particulier juste au-dessus de la grille, qui perdait à certains endroits plus de 0,5 millimètre d'épaisseur par an. Plusieurs solutions ont été envisagées pour gérer le gaspillage de métal des tubes de la chaudière et améliorer à la fois la fiabilité et la durée de vie des murs d'eau, y compris le remplacement, le recouvrement de soudure appliqué sur le terrain et la pulvérisation thermique.

Cependant, la décision a été prise d'essayer la solution HVTS d'IGS. La première application a eu lieu en 2017 sur une surface de 20 mètres carrés (m2) située sur la paroi gauche de la membrane jusqu'au niveau de la chaudière WtE à grille mobile. L'usine disposait également d'un revêtement par pulvérisation thermique (TS) appliqué par un autre fournisseur sur le côté droit de la membrane.

Ces zones ont ensuite été inspectées en 2018 pour déterminer si l'IGS HVTS et le TS de l'autre fournisseur ont réussi à arrêter la dégradation de la superposition de soudure. L'inspection de l'interface HVTS/WMO (Figure 6) a montré que la zone revêtue d'IGS HVTS n'était plus affectée par l'érosion/corrosion. L'alliage 625 WMO non protégé et le TS de l'autre fournisseur, en revanche, ont continué à se dégrader.

Il a été décidé que la portée serait étendue et que le revêtement en alliage IGS HVTS serait appliqué sur une zone supplémentaire de 20 m2 en 2019. Une inspection plus tard dans l'année, en août 2019, a confirmé ce qui suit : les zones protégées par le revêtement en alliage HVTS ne présentaient aucune corrosion par piqûres ou perte. Les sections adjacentes non protégées du recouvrement de soudure en alliage 625 montraient des signes d'usure et de dégradation. Les inspections en cours et les extensions de portée dans les deux lignes de Renergia en 2020, 2021 et 2022 ont confirmé que le système IGS HVTS fonctionne conformément aux attentes et continue de protéger les zones recouvertes de soudure en alliage 625 contre une corrosion supplémentaire depuis 2017.

Markus Benz, responsable de la maintenance chez Renergia Zentralschweiz AG, a commenté : « IGS a été sélectionné en novembre 2017 pour appliquer environ 20 m² de leur matériau IGS à l'aide de leur technologie HVTS. Ils se sont mobilisés efficacement et ont réalisé dans les délais serrés l'étendue des travaux prévus.

« Après dix mois de fonctionnement, une courte inspection de la chaudière de valorisation énergétique des déchets a été réalisée en septembre 2018 confirmant la bonne tenue du revêtement. De ce fait, une autre zone a été commandée pour application en janvier 2019. Début janvier, une inspection plus approfondie a confirmé le bon comportement global du revêtement après 14 mois de fonctionnement.

"La zone protégée a été doublée, de sorte que nous prévoyons d'opérer en toute sécurité jusqu'à notre prochain redressement dans 18 mois. IGS a appliqué avec succès la portée contractuelle dans le chemin critique de manière hautement professionnelle, avec une communication fiable et transparente."

Les conclusions de l'enquête sur les arrêts non planifiés de Prewin Network en 2021 soulignent l'importance de la maintenance des actifs et de la protection des équipements de traitement contre la dégradation et la perte de performances. Les arrêts non planifiés peuvent avoir un impact financier important à la fois en termes de perte de productivité et de travaux de réparation d'urgence.

Il existe d'autres solutions disponibles sur le marché, à savoir WMO, qui est une méthode fiable mais longue et coûteuse. La pulvérisation thermique est une autre solution, qui est en théorie une meilleure alternative à WMO mais peut conduire à une défaillance prématurée.

IGS HVTS est la prochaine évolution des revêtements par projection thermique (Figure 7), qui offre une protection fiable et à long terme contre la corrosion. Étant donné que les pannes d'actifs, en particulier les pannes de chaudière, continuent d'être un problème coûteux pour les gestionnaires d'usine WtE, il est crucial que des mesures de maintenance préventive soient prises pour améliorer la durée de vie et la disponibilité des actifs, offrant des économies et des avantages significatifs.

—Colin Batmanest un expert en matière de fiabilité des chaudières (PME) avec Integrated Global Services (IGS).

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