La voie de contamination que personne ne surveille
Une ligne de zingage de précision produit des dépôts brillants et constants pendant des mois. Soudainement, des pièces apparaissent avec des taches hydrophobes, une mauvaise adhérence et des bandes lumineuses troubles. L'analyse du bain montre des concentrations normales de métaux. Le test de contamination organique révèle une huile minérale à 15 ppm-bien au-dessus du seuil de 5 ppm pour le placage décoratif. La source n'est pas attribuée aux produits chimiques de placage, ni aux pièces à usiner, ni à l'eau de rinçage. La source est le système de vapeur.
La chaudière de l'usine utilise un injecteur de vapeur pour le traitement chimique. Un injecteur défectueux a surdosé un inhibiteur de corrosion à base d'amine filmante dans la vapeur. Le produit chimique transporté avec la vapeur dans l'échangeur de chaleur, s'est condensé à l'intérieur des tubes et a trouvé un chemin à travers des piqûres de corrosion microscopiques dans la paroi du serpentin en acier inoxydable jusqu'au bain de placage.
Cette voie de contamination est invisible pour les opérateurs. La pression de la vapeur reste stable. Aucune fuite n’est détectable par une surveillance normale. Pourtant, les piqûres de corrosion qui se développent dans chaque échangeur de chaleur métallique au fil du temps créent des chemins capillaires suffisamment grands pour que les matières organiques dissoutes puissent les traverser, même s'ils sont trop petits pour laisser passer l'eau liquide à des taux mesurables.
Le mécanisme de transport par sténopé
Les échangeurs de chaleur métalliques en service vapeur développent des piqûres de corrosion sur la surface interne à cause de l'oxygène dissous, du dioxyde de carbone et des produits chimiques de traitement de l'eau de chaudière. Même avec un traitement approprié des condensats, un serpentin en acier inoxydable vieux de dix -contient des milliers de piqûres microscopiques.
Ces piqûres ne provoquent pas de fuites détectables lors d’essais hydrostatiques normaux. Une fosse qui pénètre à 80 % dans l’épaisseur de la paroi ne laisse aucune fuite. Une fosse qui pénètre à 95 % fuit à raison de microlitres par jour-indétectable par changement de niveau ou baisse de pression dans les instruments industriels typiques.
Cependant, ces puits-à travers-les murs sont des capillaires ouverts du côté de la vapeur. Lorsque la vapeur transporte des matières organiques dissoutes-l'huile provenant de pompes à vapeur alternatives, des produits chimiques de traitement aux amines, des inhibiteurs de corrosion volatils-ces composés se condensent à l'intérieur de la fosse. Les gradients de concentration entraînent la diffusion à travers la fine membrane métallique restante dans le bain de traitement.
Le tarif du transport est infime, mais il est continu. Au fil des semaines de fonctionnement, des milligrammes de contamination organique s'accumulent dans le bain. À 15 ppm dans un bain de 8 000-litres, la contamination totale est de 120 grammes, une quantité facilement transportée par diffusion capillaire pendant le temps de séjour d'un bain de placage entre les décharges.
Tableau 1 : Comparaison des barrières contre la contamination croisée (échangeurs de chaleur vieillis, 5 ans de service)
| Paramètre de contamination | Acier inoxydable 316L (5 ans) | Titane Grade 2 (5 ans) | PTFE (5 ans) |
|---|---|---|---|
| État de la surface interne | Dénoyauté (100-500 piqûres/cm²) | Piqûres modérées (20-50 piqûres/cm²) | Lisse, inchangé |
| Densité des fosses proche-à travers-des murs | 5 à 20 fosses par m² | 2 à 5 fosses par m² | Zéro |
| Voie de diffusion organique | Diffusion capillaire à travers le fond de la fosse | Diffusion capillaire | Aucun (porosité nulle) |
| Taux de transfert organique mesurable | 5-20 mg/m²/jour (typique) | 2-8 mg/m²/jour | 0 mg/m²/jour |
| Accumulation organique du bain sur 90 jours | 5-25 ppm (en fonction de la zone de la bobine) | 2-10 ppm | 0 ppm |
| Intégrité de la barrière après cycle thermique | S'aggrave (le stress thermique fait croître les piqûres) | S'aggrave | Inchangé |
La barrière imperméable en PTFE
Le PTFE est non-poreux au niveau moléculaire. La structure du fluoropolymère ne contient aucun vide interconnecté, aucun joint de grain et aucun défaut cristallin formant des chemins capillaires. Même les petites molécules organiques ne peuvent pas pénétrer à travers la paroi du tube à des taux détectables dans les applications industrielles.
Le taux de perméation de l'huile minérale à travers 1 mm de PTFE à 143 degrés est effectivement nul. La taille moléculaire des chaînes alcanes de l’huile minérale (C15-C40) est beaucoup trop grande pour traverser les éléments de volume libres de la matrice du polymère fluoré. De même, les inhibiteurs de corrosion aminés, avec des poids moléculaires de 200 à 400 g/mol, ne peuvent pas pénétrer.
Cette barrière ne dépend pas du maintien d’un film passif ou de l’évitement de la corrosion. C’est inhérent à la structure matérielle. Un tube en PTFE utilisé dans la vapeur depuis une décennie présente la même résistance à la perméation qu'un tube neuf. Aucune fosse ne se forme. Aucun capillaire ne se développe. La barrière est permanente.
Compatibilité chimique des chaudières
La barrière imperméable offre une liberté dans le choix du traitement de l’eau de chaudière. Les échangeurs de chaleur métalliques limitent la chimie de la chaudière car les produits chimiques de traitement qui entrent en contact avec la surface interne du serpentin peuvent être incompatibles avec le bain de traitement du côté externe. Une amine filmogène qui protège les tubes de chaudière en acier peut contaminer un bain de nickelage si elle migre à travers les défauts des serpentins.
Les échangeurs thermiques en PTFE éliminent cette contrainte. La chaudière peut être traitée avec n'importe quel produit chimique requis par la chaudière, indépendamment de la chimie du bain de traitement. La paroi PTFE isole complètement les deux environnements. L'ingénieur de procédés spécifie la chimie du bain pour les performances du placage. Le chaudronnier spécifie la chimie de la vapeur pour la protection des chaudières. Aucune des deux décisions ne contraint l’autre.
Confirmation sur le terrain d'une installation de placage décoratif
Une installation de placage décoratif de zinc-nickel a connu quatre événements de contamination organique sur une période de trois ans, chacun étant dû à des changements chimiques dans le système de vapeur. Les échangeurs de chaleur en acier inoxydable ont été testés sous pression-après chaque événement et n'ont révélé aucune fuite détectable.-. La contamination a été attribuée au transport capillaire à travers des piqûres de corrosion.
L'installation a remplacé les serpentins en acier inoxydable par des échangeurs de chaleur en PTFE. Au cours des quatre années qui ont suivi, aucun événement de contamination organique ne s'est produit malgré deux changements supplémentaires dans la chimie du traitement des chaudières au cours de cette période. La barrière en PTFE a éliminé la voie de contamination que les tests de pression seuls ne pouvaient pas détecter.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE empêchent le transfert d'huile et de contaminants organiques des systèmes à vapeur vers les bains de traitement en fournissant une paroi de tube imperméable aux molécules qui ne développe pas les voies capillaires inhérentes aux tubes métalliques corrodés. Les piqûres de corrosion près des parois-à travers-des bobines métalliques transportent des molécules organiques à des taux trop faibles pour être détectés par des tests de fuite normaux, mais suffisants pour contaminer les bains de placage sensibles.
L'intégrité de barrière permanente du PTFE élimine cette voie de contamination et dissocie les décisions de traitement de l'eau de chaudière des exigences de pureté du bain de traitement. La chaudière et le bain peuvent être optimisés indépendamment sans risque de contamination croisée.
Une analyse technique pour la modernisation d'un échangeur de chaleur en PTFE dans le cadre d'opérations de placage sensibles à la contamination est disponible sur présentation du matériau et de l'âge actuels du serpentin, de la chimie du traitement du système à vapeur et de tout historique d'événements de contamination organique inexpliqués.
