La norme historique
Le plomb est utilisé pour la manipulation de l'acide sulfurique depuis le XVIIIe siècle. Les alliages plomb-antimoine (généralement 4-8 % d'antimoine) ont amélioré les propriétés mécaniques du plomb pur, le rendant adapté aux échangeurs de chaleur, aux canalisations et aux revêtements de réservoirs. Pendant plus d’un siècle, le plomb-antimoine a été le matériau standard pour chauffer les bains de décapage à l’acide sulfurique. De nombreuses installations de ce type restent en service aujourd'hui.
Le plomb résiste à l'acide sulfurique grâce à la formation d'un film de sulfate de plomb (PbSO₄) insoluble dans l'acide. Ce film est stable et protecteur dans la plage de concentration et de température de la plupart des opérations de décapage-jusqu'à environ 80 degrés dans 10 à 20 % d'acide sulfurique.
Pourtant, les échangeurs de chaleur au plomb-antimoine sont en cours de remplacement. Les remplacements sont de plus en plus en PTFE. La force motrice n'est pas une défaillance du mécanisme de protection contre la corrosion du plomb ;- elle fonctionne toujours. Ce sont les inconvénients opérationnels accumulés d’un métal mou, lourd et toxique par rapport à un polymère inerte moderne.
Les inconvénients cumulatifs du plomb-antimoine
Les limites de l'alliage plomb-antimoine couvrent les domaines mécaniques, opérationnels et environnementaux. Aucun n’est catastrophique individuellement. Ensemble, ils génèrent un coût total de possession supérieur à celui du PTFE malgré le coût inférieur du plomb.
Érosion-corrosion : le film de PbSO₄ qui protège le plomb de l'acide sulfurique est mou. Dans l'acide qui s'écoule-en particulier au niveau des refoulements des pompes de circulation, des buses d'éjection ou des zones de forte turbulence-, le film s'érode. Le plomb exposé reforme le film, consommant du métal. Sur les sites d'érosion, la paroi de plomb s'amincit progressivement. Un tube d'échangeur de chaleur en plomb-antimoine peut durer 5 à 8 ans dans des conditions statiques, mais seulement 2 à 4 ans sous un débit modéré.
Fatigue thermique : le plomb a un coefficient de dilatation thermique de 29 × 10⁻⁶/degré -, l'un des plus élevés de tous les métaux. Le plomb-antimoine ne réduit que légèrement ce phénomène. Pendant les cycles de chauffage et de refroidissement, le plomb se dilate et se contracte considérablement. Le mouvement répété provoque une déformation par fluage au niveau des points d'appui et des connexions. Les articulations se relâchent. Les tubes s'affaissent entre les supports. La déformation cumulative finit par provoquer une défaillance à une fraction de la durée de vie limitée par la corrosion.
Toxicité : Le plomb est un métal toxique réglementé. Son utilisation nécessite un contrôle de l'exposition, une surveillance médicale et des procédures de manipulation spéciales. L'élimination des échangeurs de chaleur au plomb usagés est considérée comme un déchet dangereux. Les frais d'administration et d'élimination s'ajoutent au coût total de possession.
| Paramètre de performances | Alliage de plomb-antimoine | PTFE |
|---|---|---|
| Mécanisme de protection contre la corrosion | Film passif PbSO₄ | Stabilité inhérente de la liaison C-F |
| Résistance à l'érosion | Mauvais (film souple et substrat) | Bon (homogène, pas de film) |
| Résistance à la fatigue thermique | Mauvais (forte expansion, fluage) | Excellent (accommodation viscoélastique) |
| Poids pour un service de 50 kW (kg) | 180-250 | 12-15 |
| Toxicité | Élevé (métal réglementé) | Aucun (polymère inerte) |
| Durée de vie sous débit modéré (années) | 2-4 | 15+ |
| Durée de vie dans des conditions statiques (années) | 5-8 | 15+ |
| Élimination | Déchets dangereux | Non-dangereux |
| Coût du matériel (relatif par kg) | 1.0× | 2-3× |
| Coût installé (relatif) | 0.8× | 1.0× |
La comparaison du poids et de la sécurité de l'installation
Un échangeur de chaleur plomb-antimoine pour une cuve de décapage de 50 kW pèse 180-250 kg. Ce poids nécessite un support structurel, un équipement de levage mécanique pour l'installation et le retrait, et présente un risque de manipulation du personnel. Un échangeur PTFE pour le même usage pèse 12-15 kg, soit moins d'un dixième. Deux ouvriers peuvent le transporter et l'installer sans assistance mécanique.
La différence de poids affecte également la charge structurelle du réservoir. Une bobine de plomb lourde reposant sur le fond du réservoir peut nécessiter un renforcement du fond, en particulier dans les réservoirs en plastique ou revêtus. La grille légère en PTFE impose une charge structurelle négligeable.
Pendant la maintenance, une bobine de plomb qui a été utilisée avec de l'acide sulfurique porte une couche superficielle de PbSO₄ et d'acide adsorbé. Sa manipulation nécessite un équipement de protection individuelle et des procédures de décontamination. Un serpentin en PTFE est chimiquement propre-un rinçage à l'eau élimine l'acide de surface et le polymère inerte ne nécessite aucune manipulation particulière.
La décision de transition
Les installations qui utilisent encore des échangeurs thermiques au plomb-antimoine sont confrontées à une décision à chaque remplacement : remplacer par une autre unité au plomb-antimoine et accepter le même cycle de remplacement de 2-4 ans, ou convertir au PTFE et éliminer le cycle de remplacement pendant 15+ ans. La conversion du PTFE implique un coût d'équipement ponctuel plus élevé, mais élimine les coûts récurrents liés au remplacement fréquent, à la gestion de la toxicité et à la manutention lourde des matériaux.
La transition se fait souvent par étapes -un réservoir à la fois, à mesure que les unités principales échouent. Après que la première conversion en PTFE ait démontré la durée de vie prolongée et la maintenance simplifiée, les conversions suivantes suivent rapidement.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE durent plus longtemps que l'alliage plomb-antimoine en service avec de l'acide sulfurique chaud, non pas parce que le mécanisme de corrosion du plomb échoue, mais parce que le PTFE élimine les inconvénients liés à l'érosion-corrosion, à la fatigue thermique et à la toxicité qui s'accumulent au cours de la durée de vie du plomb. La durée de vie de 15+ ans du PTFE contre 2 à 4 ans pour le plomb dans des conditions d'écoulement entraîne un avantage en termes de coût total de possession malgré le coût initial plus élevé du matériau du PTFE. La réduction de poids de plus de 90 % et l'élimination de la manipulation de matières toxiques ajoutent des avantages opérationnels et de sécurité.
Une assistance technique pour le remplacement de l'échangeur thermique en plomb-vers-PTFE est disponible sur présentation des dimensions du réservoir, de la concentration et de la température de l'acide, des conditions de débit, ainsi que de la durée de vie et des enregistrements de maintenance actuels de l'équipement en plomb.
