Stratégies Efficaces de Contrôle de la Corrosion pour les Tours de Refroidissement

Les tours de refroidissement fournissent une méthode efficace de rejet de chaleur et sont largement utilisées pour le conditionnement d'air, la réfrigération et les applications de refroidissement industriel. Le contrôle de la corrosion dans les systèmes d'eau de refroidissement est un défi majeur pour de nombreuses industries à travers le monde.

Dans les circuits d'eau de refroidissement, les problèmes de corrosion et d'entartrage ne sont pas nouveaux, mais les tendances continues de la législation environnementale conduisent à des degrés d'évaporation toujours plus élevés et, par conséquent, à des concentrations résiduelles très élevées de diverses espèces. Par conséquent, même si les eaux utilisées sont initialement propres et non corrosives, en raison de cet effet de concentration, elles deviennent corrosives et leur tendance à induire l'entartrage et le biofouling augmente.

Dans cet article, nous examinerons les tours de refroidissement, les problèmes de corrosion qu'elles rencontrent le plus souvent et comment les prévenir.

Types de Circuits de Tours de Refroidissement

Dans un circuit fermé, toute l'eau de refroidissement est confinée dans une boucle fermée. Il n'y a pas de contact avec l'atmosphère et donc pas de risque de contamination par cette dernière. La chaleur est éliminée par conduction et convection via un circuit secondaire et non directement par évaporation de l'eau du circuit primaire. Les circuits fermés ne peuvent être utilisés que dans les petites installations, les systèmes à haut débit, ou les systèmes avec une unité de réfrigération (réservoir d'eau glacée).

Les systèmes de refroidissement en recirculation ouverte, comme montré à la Figure 2, sont les plus largement utilisés. Le circuit semi-fermé est alimenté par une eau d'appoint. Le débit d'eau en circulation est maintenu constant par des pompes. L'eau est chauffée par le fluide de processus chaud dans les échangeurs de chaleur. L'eau chaude est en contact direct avec l'air dans les tours de refroidissement, et est refroidie à la fois par ce contact et par perte de chaleur latente d'évaporation.

Problèmes Découlant de l'Utilisation d'Eau Non Traitée

Les trois principaux types de problèmes dans les circuits d'eau de refroidissement sont l'entartrage, la corrosion et l'encrassage. Ces problèmes sont fortement interdépendants et les actions correctives prises pour traiter l'un d'entre eux ont fréquemment des répercussions sur les autres.

Entartrage

L'entartrage est considéré comme se produisant lorsqu'une surface métallique ou autre est recouverte par un dépôt minéral adhérent. La caractéristique distinctive par rapport à un dépôt produit par la sédimentation de particules solides du liquide est le fait que le tartre adhère à la surface. Les dépôts de tartre peuvent favoriser le piégeage de solides en suspension.

Dans un circuit de refroidissement alimenté en eau, l'entartrage est essentiellement dû à la formation de carbonate de calcium. Le tartre peut contenir par la suite d'autres substances, telles que des argiles, des résidus d'algues ou du sulfate de calcium, mais c'est toujours le carbonate de calcium qui précipite en premier, car sa solubilité est plus faible.

Corrosion

La corrosion aqueuse des métaux est de nature électrochimique et implique deux réactions indépendantes. La première réaction correspond à l'oxydation du métal. La seconde réaction est une réduction d'une espèce dans le milieu corrosif. La réaction d'oxydation du métal est anodique et libère des ions métalliques chargés positivement dans la solution et des électrons dans le métal, comme le montre la formule ci-dessous :

(M)_métal → (Mⁿ⁺)_solution + ne^-

Subséquemment, les électrons libérés dans le métal réduisent un oxydant dans le milieu corrosif dans la réaction cathodique décrite ci-dessous :

(Ox^+q)_solution + (ne^-)_métal → (Red^q-n)_solution

Une grande variété de modes de corrosion peut se produire selon le milieu et les matériaux concernés. Pour les alliages d'acier, les modes de corrosion les plus courants sont la corrosion uniforme, la corrosion par piqûres, la corrosion de crevasse et la corrosion intergranulaire. Pour les alliages de cuivre, les modes de corrosion peuvent inclure la dézincification et l'appauvrissement en Al ou Ni.

Encrassage par Corrosion Induit par les Micro-organismes

Les micro-organismes sont naturellement présents dans toutes les eaux. S'ils prolifèrent trop rapidement, ils peuvent créer deux types de problèmes dans les circuits d'eau :

• Biofouling, qui se rapporte à l'accumulation de colonies de micro-organismes sur les surfaces des équipements, conduisant à la formation de biofilms.
• Biocorrosion, qui se rapporte à l'attaque chimique par les micro-organismes. Dans le cas des métaux, la corrosion est généralement due aux bactéries.

Dans les deux cas, les conséquences de la prolifération des micro-organismes peuvent être importantes, avec perte d'efficacité des échangeurs de chaleur, obstruction des tuyauteries, augmentation des contre-pressions et même fuites par corrosion perforante.

Traitement des Circuits d'Eau

Le but des traitements d'eau d'appoint en amont est de modifier les propriétés de l'eau brute pour répondre aux exigences du circuit concerné. Quel que soit le traitement de l'eau d'appoint, il est encore nécessaire d'ajouter des produits chimiques à l'eau du circuit de refroidissement. C'est parce qu'un conditionnement spécifique au site est requis pour assurer le succès de la philosophie de traitement adoptée. Les produits chimiques courants sont les inhibiteurs d'entartrage et dispersants, les inhibiteurs de corrosion et les biocides.

Inhibition d'Entartrage et/ou Traitements Dispersants — Stabilisation

Dans ce processus, des additifs sont injectés dans le circuit pour prévenir la précipitation de carbonate de calcium, particulièrement aux points chauds. Ces produits augmentent soit la limite de solubilité, soit maintiennent l'eau dans un état de sursaturation. Ils permettent ainsi au circuit de fonctionner à un ratio de concentration plus élevé.

Les mécanismes majeurs impliqués sont :

• Séquestration/complexation pour former des molécules stables avec les ions calcium et magnésium.
• Empoisonnement des noyaux de cristallisation.
• Inhibition de la croissance cristalline.
• Effet de dispersion pour maintenir les particules nucléantes dans un état de dispersion proche de leur limite de solubilité.

Les traitements de stabilisation sont très populaires, car ils permettent de fonctionner à « pH libre ».

Le pH est alors contrôlé par le CO₂ et l'équilibre de solubilité entre l'eau et l'atmosphère, et devient une simple fonction du niveau d'alcalinité M (MA).

Contrôle du pH

La limite de solubilité du CaCO₃ est sensible au pH, qui affecte directement la concentration en ions carbonate. Afin de prévenir la précipitation de CaCO₃, de l'acide est injecté dans le circuit pour abaisser le pH. L'acide sulfurique est généralement choisi à cet effet.

En fait, l'ajout d'acide a deux effets : il diminue le niveau MA en neutralisant les ions HCO₃⁻, formant du CO₂. Il abaisse également le pH si le CO₂ est généré plus rapidement qu'il n'est éliminé du circuit par dégazage.

Traitements d'Inhibition de la Corrosion

Lorsqu'un inhibiteur de corrosion est ajouté au circuit, le produit forme des films adsorbés minces qui n'entravent pas le transfert de chaleur. Ils contiennent deux agents actifs afin d'entraver à la fois les réactions de corrosion anodique et cathodique.

Inhibiteurs Anodiques

Les inhibiteurs anodiques augmentent la polarisation anodique et déplacent le potentiel de corrosion vers la direction cathodique. Ces substances se combinent avec les produits de corrosion du métal pour former un sel complètement insoluble. Si l'inhibition est purement anodique, de grandes quantités d'inhibiteur sont nécessaires. Cela ne peut être pratique que dans des circuits de très petit volume, car toute carence en inhibiteur peut mener à une attaque localisée accélérée.

Inhibiteurs Cathodiques

Les inhibiteurs cathodiques réduisent la corrosion en ralentissant le taux de réaction de réduction de la cellule électrochimique de corrosion. Ces substances se combinent avec les produits de la réaction de corrosion cathodique pour former à nouveau des composés insolubles. Les inhibiteurs cathodiques impliquent des risques moindres que leurs homologues anodiques, car la corrosion localisée n'est pas induite par une baisse de leur concentration.

Inhibiteurs Organiques

L'effet des inhibiteurs organiques est lié à la formation d'un film adsorbé continu, qui entrave les réactions électrochimiques aux surfaces exposées. Le film est formé par l'adsorption physique ou chimique de molécules organiques polaires sur la surface du métal, de sorte que le choix des molécules dépend du métal concerné.

Mise en Œuvre du Traitement

Après que le traitement de conditionnement a été défini, il est ensuite mis en œuvre conformément aux caractéristiques spécifiques du site. Pour les circuits fermés, les produits de conditionnement sont injectés au démarrage. Aucun autre ajout n'est nécessaire sauf en cas de vidange accidentelle.

Dans les systèmes de recirculation d'eau ouverte, les réactifs, sauf les biocides non oxydants, sont injectés périodiquement via des pompes dans le réservoir d'appoint. Dans de rares cas, l'injection par gravité est employée. Des traitements ponctuels supplémentaires peuvent parfois être nécessaires dans certains échangeurs de chaleur critiques.

Ces dernières années, des systèmes de surveillance de la corrosion en temps réel sont employés pour évaluer le taux de corrosion général ainsi que le potentiel de corrosion localisée, ou par piqûres. Ces systèmes utilisent une combinaison de technologies, incluant le bruit électrochimique (ECN), l'impédance à basse fréquence (LFI) et l'analyse de distorsion harmonique (HDA).