Challenge
Une usine de traitement chimique Amérique du Nord à la pointe de l’industrie produisant des oléfines exploite deux échangeurs verticaux à tuyauterie (A et B) qui utilisent l’eau d'alimentation de la chaudière et le condensat de vapeur pour éliminer la chaleur du processus. Ces unités étant sujettes à l’encrassement dû aux particules de fer en suspension, des tests réguliers sont effectués sous la forme d’analyses du filtre Millipore pour confirmer que la contamination par le fer est maintenue à de faibles niveaux dans les affluents et les effluents des unités.
Historiquement, les deux échangeurs ont apporté de bons résultats concernant les taux de fer, Fe inférieur à 50 ppb, qui sont mesurés mensuellement avec des Millipores par le représentant technique de Veolia. Après une panne, malgré la mise en service d’échangeurs fraîchement nettoyés, les niveaux de fer sont restés élevés (figure 1 – ligne bleue), de sorte qu’ils ont été remplacés après un an de fonctionnement et inspectés.
Figure 1 : Les tests de fer du Millipore ont montré des résultats élevés tout au long de 2021 et 2022 (ligne bleue) alors que les charges de vapeur atteignent 120 à 125 % de la conception (ligne orange)
Solution
Des échantillons de tubes ont été prélevés dans les sections centrale et inférieure, et des analyses métallurgiques ont été effectuées au sein du laboratoire d’analyse de Veolia à Tomball, au Texas, dans lequel des rainures et des piqûres allongées du métal ont été observées. Veolia a également examiné les changements dans les pratiques opérationnelles et a audité le programme de traitement de l'eau pour s’assurer que les meilleures pratiques étaient respectées. Une étude complète a été menée pour comprendre le fonctionnement interne du réservoir.
Les caractéristiques de conception du navire présentaient des défis uniques du côté de l’eau :
1) Le récipient n’a pas de tambour à vapeur intégré. À la place, il a recours à des déflecteurs. L’absence d’un tambour à vapeur intégré impliquait la présence d'une interface liquide/vapeur interne avec un espace de dégagement de vapeur restreint, ce qui rendait cette zone sujette à la corrosion et aux dépôts. Le réservoir est également plus sensible aux changements de niveau d’eau, ce qui entraîne des taux de purge élevés, en particulier des purges intermittentes, qui peuvent perturber la circulation interne et provoquer des alarmes de niveau d’eau bas.
2) Alors que les chaudières conventionnelles ont de l’eau d’alimentation entrant par le haut de l’unité, cette chaudière avait de l’eau d’alimentation entrant par le bas et juste en amont d’un coude provoquant un changement de direction dans la circulation de l’eau. L’eau d'alimentation de la chaudière plus froide entrant à cet endroit peut avoir causé des problèmes de température et de circulation.
3) En raison de la présence de déflecteurs, plusieurs rotations de 180° dans le chemin de circulation interne de l’eau rendent l’échangeur plus sujet aux dépôts de particules d’oxyde de fer. De plus, s'il est utilisé au-dessus des charges de vapeur nominales, cette géométrie peut être sujette à la corrosion accélérée par l’écoulement (FAC) et/ou à la corrosion par érosion.
4) Les points d’échantillonnage de purge continue et d’eau de chaudière sont situés près du bas de l’unité. Il est recommandé de recueillir une purge continue juste en dessous de la ligne de flottaison afin que l’eau la plus concentrée et la plus représentative puisse être échantillonnée. L’eau recueillie au fond de l’unité présente de grandes quantités de solides décantés qui peuvent ne pas être représentatives de l’état général de l’eau.
L’analyse métallurgique des échantillons prélevés dans les tubes a révélé des signes de gougeage et de piqûres importants au fond des tubes, mais aucun signe de corrosion accélérée par l'écoulement (FAC). Cela pourrait indiquer que lorsque l’échangeur fonctionne au-dessus de 110 % de sa capacité nominale, il existe dans la cuve des conditions qui causent une perte de fer et/ou de la corrosion, sans qu’il y ait de lien avec une corrosion accélérée par l'écoulement. Cela peut être dû à des conditions d’ébullition anormales à un taux élevé ou à une évaporation à siccité laissant des sels corrosifs se déposer. Dans ces cas, il a été suggéré que la mise à niveau du matériau de la coque et du tube vers un alliage de qualité supérieure pourrait offrir une protection supplémentaire si les charges de vapeur devaient dépasser 110 % de la conception.
Résultat
Après examen des données opérationnelles, nous avons remarqué une forte corrélation entre des résultats élevés en fer et des charges de vapeur atteignant 120 à 125 % au-dessus de la conception. Lors de l’opération précédente, les charges de vapeur ont atteint des pics de 110 à 115 % au-dessus de la capacité de conception (figure 1 - ligne orange). L’échangeur a été mis en service en juin, mais les conditions instables de l’usine tout au long de l’automne ont donné des résultats peu fiables concernant le test Millipore au cours de cette période. Avec la stabilisation de l’exploitation de l’usine après septembre et le début de l’essai visant à maintenir les charges de vapeur dans l’échangeur en dessous de 120 % de la valeur nominale, nous avons observé que les niveaux de fer se sont stabilisés et ont fini par diminuer. Millipore indique un taux de fer plus élevé obtenu à partir de l’échantillon, mais ne permet pas d’identifier la source de la contamination par le fer.
Pour s’assurer que les échangeurs de chaleur mis en service après les arrêts étaient dans des conditions de démarrage optimales, l’usine a développé des procédures de nettoyage et de passivation hors ligne.
Suite aux modifications opérationnelles apportées aux échangeurs, dans lesquels les charges de vapeur sont désormais contrôlées à un maximum de 110 % de la conception, les tests Millipores sont revenus à la normale et continuent d’être surveillés. Étant donné qu’une défaillance de l’échangeur aurait entraîné une panne d’au moins 3 jours avec un coût supplémentaire de remplacement ou de retubage de l’échangeur, les économies ont été estimées à 1 750 000 $.
Figure 2 : Résultats de Millipore montrant une tendance à l’augmentation du fer et une diminution des niveaux de fer après une réduction de la charge en dessous de 120 %