L'érosion des conduites de vapeur et de condensât

L'érosion est un phénomène physique caractérisé par la dégradation continue d'un solide par abrasion. L'article suivant traite de l'érosion des conduites de vapeur et de condensât, un problème récurrent dans les usines qui peut causer des fuites considérables de vapeur.

Exemple de fuite de vapeur causée par l'érosion d'une conduite

L'érosion, causant l'amincissement des parois des conduites, peut finalement causer des trous à travers lesquels de la vapeur vive s'échappe et causer des accidents graves.

Quelles sont les causes de l'érosion?

Les gouttelettes d'eau entraînées dans le flux de vapeur et le condensât non-évacué sont les sources principales de l'érosion. En impactant régulièrement la tuyauterie au niveau des coudes, l'eau provoque l'amincissement des parois compte tenu de sa masse et de sa haute vitesse d'impact, à la manière d'un découpage par jet d'eau à haute pression. Ce type d'érosion, causé par les goutelettes d'eau est connu sous son nom en anglais : Liquid Droplet Impingement (LDI) Erosion.

Dans la plupart des cas, notamment pour les tuyaux en acier au carbone, l'érosion enlève la couche protectrice interne de la conduite, ce qui accélère l'amincissement électrochimique de la paroi, un processus plus connu sous le nom de corrosion. En fait, l'érosion et la corrosion agissent de concert pour amincir les parois internes des tuyauteries.

Les dommages causés par l'érosion

La résistance à l'érosion varie selon le matériau utilisé. En raison des coûts d'installation, l'acier au carbone est souvent utilisé comme matériau pour les conduites de transport de vapeur plutôt qu'un matériau plus résistant comme l'acier inoxydable. L'utilisation de l'acier inoxydable se limite souvent aux industries pharmaceutiques ainsi qu'aux applications pour vapeur propre ou toute autre application évoluant dans un milieu stérile.

L'érosion de la paroi d'une conduite

Les gouttelettes d'eau se heurtent à la paroi de la conduite, provoquant son amincissement graduel.

Il existe certains traitements de surface pour protéger les parois des conduites en acier au carbone de la corrosion, mais leur résistance demeure toutefois inférieure à celle de l'acier inoxydable. L'érosion et la corrosion peuvent être ralenties grâce à ces procédés.

Malgré cela, une fois l'amincissement des parois amorcé, le phénomène s'aggrave de façon exponentielle. En effet, l'impact de l'eau à grande vitesse provoque non seulement la dégradation physique de la région atteinte, mais accélère également la corrosion en enlevant le traitement de surface qui protège la paroi interne.

Les autres types d'érosion

L'érosion dans les conduites de vapeur et de condensât ne se limite pas seulement au bombardement de fines gouttelettes d'eau (LDI) ou au condensât non-évacué.

Les conduites de récupération de condensât sont particulièrement sensibles aux problèmes d'érosion si la vapeur flash (vapeur de revaporisation) est mal gérée. En effet, même si ces conduites sont conçues pour le transport de condensât, le phénomène de revaporisation peut engendrer un environnement semblable à celui d'une conduite de transport de vapeur qui contient un volume important de vapeur humide à haute vélocité. Ce type d'érosion est communément appelé «érosion flash».

Citons ci-dessous deux facteurs aggravants d'érosion flash:

• Les lignes de retour de condensât sont sous-dimensionnées, augmentant la vélocité de la vapeur flash (effet de découpe par jet d'eau à haute pression)
• Des éléments corrosifs comme l'acide carbonique sont souvent présents dans du condensât à basse température

De plus, «l'érosion par cavitation» se produit à partir d'impacts liés aux ondes de choc soudaines provoquées par l'implosion de petites zones gazeuses à l'intérieur du condensât. L'érosion par cavitation se produit car la vapeur flash occupe un volume initial très important, qui est brusquement réduit, puisque la vapeur flash se condense brutalement après avoir transféré une partie de sa chaleur aux parois et au condensât adjacents.

En raison de la différence de volume spécifique entre la vapeur et le condensât, la condensâtion subite de la vapeur flash crée un gros vide qui est rapidement et violemment rempli par le condensât adjacent, causant des ondes de choc appelées coups de bélier. C'est ce condensât à haute vélocité remplissant le vide qui provoque l'érosion et donc des dommages significatifs à la tuyauterie.

Mesures contre l'érosion

Contre-mesures pour limiter l'érosion des conduites de récupération de condensât

Limiter le phénomène d'érosion dans les lignes de condensât nécessite quelques revues de conception. L'un des éléments critiques est la taille des conduites, qui doit être suffisament importante pour permettre un écoulement biphasique comme décrit ci-dessous:

• Conduite de récupération du condensât

Les lignes de condensât sont souvent dimensionnées en utilisant la valeur moyenne du débit de condensât. Toutefois, pour les purgeurs à décharge intermittente, tels que les purgeurs inversés ouverts, à disque, à piston ou thermostatiques, le débit instantané d'évacuation du condensât est bien plus important que la moyenne calculée. La vélocité du condensât sera alors bien supérieure à celle prévue, contribuant à une érosion plus rapide des conduites.

Érosion en aval du purgeur

Les purgeurs à décharge intermittente aggravent le phénomène d'érosion en aval du purgeur

Dans ce cas, les options sont soit de localiser le purgeur le plus en amont amont possible afin d'augmenter la distance avec un coude, soit d'éliminer le coude si possible, soit de surdimensionner la conduite aval si cela s'avère avantageux économiquement, soit de sélectionner un purgeur à décharge continue comme le purgeur à flotteur fermé libre (Free Float®).

Contre-mesures pour limiter l'érosion des conduites de distribution de vapeur

Les mesures pour empêcher l'érosion dans les conduites de transport de vapeur sont généralement plus faciles à mettre en œuvre et consistent à enlever les gouttelettes d'eau entraînées dans la vapeur en installant un séparateur.

Séparateur pour vapeur

Le condensât entraîné dans la vapeur est retiré mécaniquement à l'aide d'un séparateur pour vapeur.

Bien que la vapeur fournie par la chaudière puisse avoir un titre de vapeur proche de 100%, elle contiendra toujours de minuscules gouttelettes de condensât à moins que la chaudière ait une section dédiée à la vapeur surchauffée. De plus, la perte de chaleur par radiation à travers les conduites de distribution est aussi une des causes de la formation de condensât. Pour ces raisons, il est d'importance primordiale d'installer simultanément des purgeurs à intervalle régulier et des séparateurs pour retirer les gouttelettes d'eau.