Formation de magnétite dans les tubes des chaudières
La température très élevée à l’intérieur des chaudières à vapeur (supérieure à 800 °C ou 1472 °F) peut engendrer la formation d’un type spécifique d’oxyde ferrique dur et cassant appelé « magnétite » qui se dépose sur la surface interne et externe des tubes en acier. À température très élevée, la vapeur d’eau réagit avec le fer contenu dans l’acier et forme de la magnétite et de l’hydrogène, selon la formule suivante :
3 Fe + 4 H 20 = Fe 3O 4 + 4 H 2
Plus la température est élevée, plus la réaction est rapide. Les atomes d’oxygène se dispersent de l’extérieur vers l’intérieur de la couche de magnétite, tandis que les atomes de fer empruntent le trajet inverse, de sorte que la magnétite continue de se former même après que le tube en soit entièrement recouvert.
La magnétite agit sur le tube comme un isolant thermique, car sa conductivité thermique correspond à environ 5 % de celle de l’acier. Quand la chaleur ne peut plus être transmise efficacement de la flamme à travers le tube jusqu’à la vapeur à l’intérieur, la paroi du tube se réchauffe au-delà de la température de fonctionnement prévue.
L’exposition prolongée à des températures extrêmement élevées, combinée à la très forte pression à l’intérieur du tube, cause des microfissures intergranulaires dans le métal et des déformations par fluage (renflement ou bombement lent du métal). Ces contraintes finissent par provoquer la rupture du tube. L’exfoliation de la magnétite constitue un problème secondaire lorsque des morceaux de magnétite se détachent, généralement en raison de contraintes thermiques au démarrage et à l’arrêt de la chaudière. Le débit de vapeur transporte ces morceaux durs dans la turbine où, avec le temps, ils causent des dommages attribuables à l’érosion.
La formation de la magnétite et les dommages qu’elle cause au métal sont les principaux facteurs limitant la durée de vie du tube de chaudière. Le processus commence lentement pour ensuite s’accélérer. À mesure que la magnétite s’épaissit, la paroi du tube devient plus chaude. La chaleur accélère le développement de magnétite et les dommages au métal. Des études réalisées dans
l’industrie de la production d’énergie ont révélé que l’impact de la magnétite est négligeable jusqu’à ce que son épaisseur atteigne environ 0,3 mm (0,012 pouce). Toutefois, au-delà de cette épaisseur, les effets négatifs de la magnétite augmentent rapidement.
Mesure par ultrasons de l’épaisseur de la magnétite dans les tubes de chaudières
La mesure périodique de l’épaisseur de la couche de magnétite permet d’estimer la durée de vie résiduelle des tubes et d’identifier ou de remplacer les tubes approchant du point de rupture. L’inspection par ultrasons est une méthode rapide et non destructive pour la mesure de la couche de magnétite.
Les appareils portables de contrôle par ultrasons, comme le mesureur d’épaisseur 39DL PLUS™ ou les appareils de recherche de défauts de la série EPOCH™, peuvent mesurer les couches de magnétite internes à partir d’une épaisseur approximative de 0,2 mm (0,008 po) en utilisant la sonde couramment recommandée M2017 (ligne à retard de
20 MHz). La sonde spécialisée M2091, qui est une sonde à ondes transversales d’une fréquence de 20 MHz, peut être utilisée avec un couplant adapté pour effectuer des mesures à partir d’une épaisseur approximative de 0,152 mm (0,006 po). Dans tous les cas, la surface de couplage doit être lisse, et dans certains cas, il faut préparer la surface avant de prendre les mesures.
Mesure typique de l’épaisseur de la couche de magnétite interne avec un mesureur d’épaisseur et la sonde à ligne à retard M2017 (agrandie)
Mesure typique de l’épaisseur de la couche de magnétite interne avec un appareil de recherche de défauts et
une sonde à ligne à retard M2017, montrant l’écho de la ligne à retard à gauche de l’écran
Vous trouverez des renseignements détaillés sur la magnétite et son action sur les tubes des chaudières dans le livre Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers, de David N. French (John Wiley Sons, 1983).
