Garantir un fonctionnement fiable de la chaudière grâce à une analyse appropriée des matériaux

Effrayé et fatigué, c'est l'état de nombreuses chaudières au charbon de nos jours. Comprendre les mécanismes de défaillance et les méthodes de test appropriées pour identifier les problèmes potentiels peut vous aider à détecter les problèmes avant qu'ils ne vous surviennent.

Même si l’environnement réglementaire actuel pousse les nouvelles centrales de production d’électricité à utiliser le gaz naturel plutôt que d’autres sources de combustible, une part importante de la production existante au charbon reste en activité. La majorité de ces centrales au charbon existent depuis longtemps : leur âge moyen avoisine les 40 ans. Maintenir ces usines en ligne et fonctionner efficacement représente un défi, mais avec des programmes en place pour surveiller efficacement l'état des équipements et remplacer les pièces critiques à des moments optimaux, ces unités peuvent continuer à fonctionner de manière fiable pendant des années.

Pour le fonctionnement à long terme des générateurs de vapeur au charbon, le fluage et la fatigue thermique sont les deux mécanismes de dommages qui affectent généralement l'intégrité de la chaudière. Les chaudières peuvent également être endommagées par des déséquilibres chimiques dans la chimie de l’eau ou des gaz de combustion, mais ces problèmes peuvent généralement être corrigés dans un court laps de temps.

Fatigue thermique. La fatigue thermique résulte de contraintes cycliques provoquées par des gradients de température qui varient dans le temps. Les générateurs de vapeur subissent la plus grande fatigue thermique lors des activités de démarrage et d’arrêt.

Dans les tubes de chaudières à haute température, des zones localisées à forte contrainte se déformeront plastiquement jusqu'à ce que la contrainte soit relâchée. Ce processus de déformation, tout en apportant un soulagement temporaire aux composants à des températures élevées, introduit également de nouvelles contraintes dans ces mêmes composants à mesure que le système refroidit, le matériau étant incapable de revenir à sa position d'origine.

Les concepteurs de chaudières anticipent un nombre planifié de cycles de démarrage et d'arrêt et conçoivent la chaudière pour gérer ces scénarios. Cependant, un cycle excessif d'un générateur de vapeur, soit en raison d'une expédition trop fréquente, soit d'une panne forcée et imprévue (en raison d'une mauvaise fiabilité de l'équipement), poussera prématurément la chaudière au-delà de sa durée de vie initiale. Le cyclage excessif entraînera finalement une fissuration par fatigue thermique des éléments des tubes de la chaudière. En règle générale, la fatigue thermique se produit au niveau des soudures ou des points de changement de configuration.

Ramper. Le deuxième mécanisme important de défaillance des tubes des générateurs de vapeur est le fluage. Le fluage est une déformation progressive et permanente d'un matériau soumis à des contraintes à haute température.

Lors de la fabrication des matériaux, des microvides se forment au sein de la structure du matériau. Au fil du temps, ces microvides commencent à se propager et à s'interconnecter, formant des fissures dans le matériau. La déformation se produit de manière plastique et provoque un amincissement du matériau, ce qui entraîne des contraintes plus élevées et une vitesse de fluage croissante. Ce phénomène peut se produire dans des matériaux soumis à des contraintes élevées, mais toujours à des niveaux inférieurs à la limite d'élasticité du matériau.

Le fluage se produit en trois étapes définies au cours de la vie d'un matériau. La première étape est communément appelée fluage primaire. Durant cette étape, la vitesse de déformation est élevée, mais elle ralentit rapidement avec le temps en raison de l'écrouissage. Cette première étape de fluage est de relativement courte durée et n’entraîne aucune modification significative de la structure du matériau.

La phase suivante du fluage est la phase secondaire, ou état stable. Le matériau subira un fluage secondaire pendant la majeure partie de sa durée de vie. Cette étape est définie par un taux de déformation relativement constant, où l'écrouissage est équilibré par son taux de récupération.

La dernière étape du fluage, la phase tertiaire, est définie par un allongement rapide dans le temps. Cet allongement rapide va s'accélérer jusqu'à ce que la rupture du matériau se produise.

Il existe des approches mathématiques pour calculer la durée de vie utile d’un matériau en fonction du temps et de la température. Les ingénieurs de General Electric ont développé une méthode dans les années 1950 qui peut être utilisée pour extrapoler des données expérimentales sur la résistance au fluage et à la rupture des matériaux. Il est connu sous le nom de paramètre de Larson-Miller et s'exprime comme suit :