Amélioration de la durabilité des usines pétrochimiques avec résines FRP résistantes à la corrosion

Les matériaux composites sont connus pour leur durabilité dans les environnements hautement corrosifs, mais pour une performance optimale, il est essentiel de sélectionner la bonne résine pour chaque application. La filiale SABIC (Riyad, Arabie Saoudite), Petrokemya, son complexe pétrochimique à Jubail, Arabie Saoudite, produit une variété de produits chimiques de base tels que l'éthylène, le styrène, le chlore, l'éthanol industriel brut et plus. Pour le processus de production, le complexe nécessitait une unité de combustion avec plusieurs grands composants et tuyaux qui doivent résister à l'acide chlorhydrique sans corrosion.

La conception et la fabrication du réservoir de quenching, du laveur, du réservoir d'échappement et des vaisseaux et tuyauteries associés ont été confiées à une équipe incluant le fabricant d'équipements résistants à la corrosion Ollearis (Martorelles, Espagne), le contractant China Tianchen Engineering Corp. (TCC, Tianjin, Chine) et le bureau d'études John Zink Hamworthy Combustion (Tulsa, Oklahoma, États-Unis). Ces composants devaient résister au contact avec l'acide chlorhydrique, relever plusieurs défis de conception et constituer une solution rentable.

Les composites renforcés fibres de verre ont été choisis comme matériau capable de résister aux produits chimiques hautement corrosifs, tout en offrant une solution plus rentable que les alliages métalliques spécialisés. Tous les composants majeurs ont été construits en plastique renforcé de fibres (FRP), avec quelques exceptions mineures incluant les goujons de levage et de maintien (acier inoxydable), buses de pulvérisation (thermoplastique ou métallique) et garnissage du laveur.

Pour fournir la solution la plus économique tout en satisfaisant les exigences de performance, Ollearis s'est tourné vers trois résines AOC (Collierville, Tennessee, États-Unis) de la gamme Atlac. « Nous avons sélectionné les types de résines en utilisant le Guide de résistance chimique AOC ainsi que l'expertise de l'équipe technique d'AOC, en tenant compte des fluides manipulés et des températures de conception détaillées par le client. Il était nécessaire de s'assurer que les résines proposées performeraient bien sous [les conditions requises] », explique Adriano Ureña, responsable technique chez Ollearis.

Sélection des résines par composant

Ollearis a sélectionné la résine Atlac 590 époxy Novolac pour le réservoir de quenching, première phase du processus de nettoyage des gaz. Le réservoir mesure 11,8 m de haut avec un diamètre intérieur (DI) de 3 m. Le défi est que, en fonctionnement, les gaz d'échappement de l'unité de combustion entrent dans ce réservoir à une température d'environ 300°C, puis sont refroidis très rapidement par l'eau pulvérisée depuis les buses près de l'entrée des gaz. L'Atlac 590 a été choisi pour assurer la résistance à la solution d'acide chlorhydrique et la rétention de résistance aux températures élevées requises.

Pour le laveur de 14,10 m de haut, la cheminée d'échappement de 39,7 m de haut d'où le gaz nettoyé est relâché, et le conduit de 1,45 m reliant le laveur et le réservoir de quenching, la résine Atlac 430 époxy vinylester bisphénol A a été choisie. C'est un produit polyvalent, standard, correspondant aux conditions de température comparativement moins exigeantes pour ces composants – les températures de conception du laveur et de la cheminée atteignent jusqu'à 85°C. Le laveur est exposé à la solution d'acide chlorhydrique provenant du réservoir de quenching ainsi qu'à la solution d'hydroxyde de sodium présente dans l'eau de lavage utilisée pour neutraliser l'acide. La cheminée d'échappement est également exposée à l'air contenant une petite quantité d'acide chlorhydrique et de chlore humide.

Pour le système de tuyauterie installé autour du laveur et du réservoir de quenching, l'Atlac 383 polyester insaturé bisphénol A a été choisi pour sa résistance chimique aux fluides acides et caustiques à un coût inférieur aux résines vinylester standard.

Le réservoir de quenching, le laveur et les parties cylindriques de la cheminée ont été fabriqués via un procédé hybride, combinant enroulement filamentaire humide avec une couche extérieure de tissus bidirectionnels appliquée simultanément. Cette combinaison a produit des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques dans les deux directions : circonférentielle (par l'enroulement filamentaire) et axiale (par les tissus, qui s'alignent avec l'axe de la pièce). L'ajout de tissu tissé a également réduit le pourcentage en poids de fibres de verre par pièce, de 70% pour une pièce entièrement enroulée filamentairement à 55%. Cela augmente la quantité de résine résistante à la corrosion par pièce. Les autres composants ont été produits par stratification manuelle.

Résolution des défis de conception

Ollearis a fait face à plusieurs défis lors de la conception des équipements pour ce projet. Un défi provenait de la nécessité d'inclure une couche barrière de corrosion riche en résine sur la surface interne du réservoir de quenching, ce qui posait des risques de microfissuration – ou craquelure – due au choc thermique pendant le fonctionnement. L'équipe a amélioré la résistance du composant au choc thermique en renforçant la barrière de corrosion avec un voile de surface en fibres de carbone.

Un second défi était de trouver un moyen de supporter le poids du garnissage à l'intérieur du laveur – le garnissage étant le matériau qui élimine les gaz de l'air passant à travers le laveur. Pour résoudre cela, Ollearis a installé un grillage composite sous le garnissage, supporté par une corniche composite et deux poutres composites. La corniche et les poutres ont une section creuse rectangulaire, et la corniche est remplie de mousse polyuréthane. La corniche a été fabriquée directement dans le laveur cylindrique enroulé filamentairement en une seule pièce ; le collage après fabrication aurait posé un risque de décollement dû aux charges du poids du garnissage. Les poutres sont supportées par des buses composites spécialement conçues collées à la coque du laveur.

Un troisième défi de conception provenait du fait que le réservoir de quenching et le laveur fonctionnent sous vide mais ont des fonds plats – les panneaux composites plats ont une faible résistance à la pression et au vide et doivent généralement être très épais pour supporter de telles charges, ce qui les rend coûteux à fabriquer. Pour atteindre les objectifs du projet, Ollearis a développé une solution moins coûteuse en utilisant une construction sandwich comprenant un noyau de tissu 3D en fibres de verre imprégné de résine, revêtu de couches de peau composites, pour réduire le coût et le poids d'une pièce composite massive.

Pour ce projet, les composants composites ont été conçus et livrés en 2016, avec installation finale achevée en 2017.