En 2019, la consommation de pétrole aux États-Unis s’est élevée en moyenne à environ 20,64 millions de barils par jour (b/j), dont environ 1,1 million de b/j de biocarburants. [1] Afin d’utiliser ces produits au niveau des consommateurs, le pétrole brut doit être foré, transporté et raffiné en produits tels que l’essence, du naphta, et de nombreux autres produits pétrochimiques.
Le pétrole brut est extrait dans le monde entier, mais le plus gros volume est fourni principalement par le Brent, le West Texas Intermediate (WTI), Dubai-Oman et le panier de l’OPEP. Les approvisionnements en pétrole brut sont classés selon la densité API, la densité de pétrole par rapport à l’eau, et la teneur en soufre. Grâce à ces classifications, il est possible de déterminer si les stocks de pétrole brut sont légers ou lourds, et donc de leur attribuer des valeurs différentes sur le marché. Par exemple, le WTI est considéré comme doux en raison de sa faible teneur en soufre et léger en raison de sa densité relative et donc de très haute qualité. Les pétroles bruts légers non corrosifs sont les plus recherchés, car ils peuvent être raffinés à l’aide de procédés beaucoup moins sophistiqués et moins gourmands en énergie. Selon l’OPEP, plus de 70 millions de barils sont produits chaque jour dans le monde [2], la raffinerie de Jamnagar de Reliance Industries étant la plus grande au monde avec un raffinage de 1,24 million de barils par jour (b/j).
Origines, fonctionnement du procédé de distillation du pétrole brut
La complexité des raffineries varie selon leur implantation géographique, mais pratiquement toutes les raffineries partagent un procédé de base pour séparer initialement les produits selon leur point d’ébullition, ce procédé s’intitule la distillation du brut. Appelé unité brute, unité de distillation ou simplement alambic, il s’agit du moyen le plus ancien de traitement de l’huile. Conçues par Samuel M. Kier dans les années 1850, les premières versions de l’unité de distillation pouvaient contenir 5 barils de pétrole. La distillation permet de séparer les composants sans les soumettre à des conditions susceptibles de provoquer le craquage ou une décomposition. L’unité de distillation alimente le reste de la raffinerie. Par conséquent, toute panne ou perturbation peut affecter la disponibilité de l’ensemble de la raffinerie.
La colonne de distillation du brut est un réservoir sous pression verticale construite en acier carbone et revêtue d’une fine couche d’acier inoxydable martensitique <12 % pour favoriser la résistance à la corrosion. Les parties internes des colonnes de brut, dont l’alliage est généralement assorti au matériau de revêtement, sont des plateaux horizontaux utilisés pour séparer et recueillir les différentes phases liquides. Des produits allant des gaz fixes non condensés, en haut, aux fiouls lourds, en bas, peuvent être prélevés en continu dans une colonne. Le procédé de distillation du brut commence par le passage de la matière première brute dessalée dans des fours suivi par son introduction au bas de la colonne verticale. Les pressions sont légèrement supérieures à la pression atmosphérique et les températures sont comprises entre 345 et 370 °C. Tout chauffage supplémentaire au-delà de ces températures pourrait provoquer du craquage thermique. La plupart du brut se transforme en vapeur, à l’exception des phases les plus lourdes, comme le fioul et le goudron, qui sont retirés par le fond. Au fur et à mesure que la vapeur monte dans la colonne, les températures sont réduites par convection, ce qui permet la condensation et la collecte ultérieure du produit au niveau des différents plateaux. Grâce à un système de perforations et de cloches, les vapeurs montent et les liquides descendent pour finalement se condenser à la température d’un plateau. L’unité de distillation du brut distille la matière première brute en fractions ou phases à différents niveaux d’ébullition, chacune d’entre elles pouvant être traitée ou regroupée dans les autres unités de raffinage.
Les défis de la corrosion dans le procédé de distillation
L’industrie mondiale du raffinage traite davantage de pétroles bruts très acides, principalement en raison du faible coût et de la plus grande disponibilité de matières premières à haute teneur en soufre. Dans certains cas, les matières premières de raffineries alternent entre des bruts légers riches en acide et des bruts sulfureux moins acides. Cette alternance de matières premières peut entraîner une accélération des niveaux de corrosion de l’acier carbone et des aciers faiblement alliés. La corrosion est le plus souvent grave dans les zones d’écoulement en phase liquide et en phase vapeur ainsi que dans les zones à grande vitesse. La sulfuration a lieu dans les plages de température les plus élevées du procédé. La sulfuration est un mécanisme également complémentaire qui doit être pris en compte en présence d’acide naphténique. Dans les zones où l’amincissement se produit, il peut être difficile de distinguer la corrosion par l’acide naphténique de la sulfuration. Les alliages à haute teneur en nickel sont sensibles à la sulfuration et doivent être évités en vue d’une modernisation métallurgique. L’augmentation du chrome dans les alliages soudés améliorera la résistance à la sulfuration. La corrosion par l’acide naphténique provoque une corrosion par piqûres localisées dans le procédé de distillation atmosphérique. « La corrosion par l’acide naphténique est généralement associée à des flux d’hydrocarbures chauds et secs qui ne contiennent pas de phase aqueuse libre, mais si les acides ont la possibilité de se condenser dans une phase aqueuse, une corrosion humide peut s’ensuivre et en découlera. »[3] L’acier inoxydable 317L offre une bonne résistance dans la plupart des circonstances en augmentant les quantités de molybdène par rapport aux aciers faiblement alliés. Enfin, le soufre favorise la formation de sulfure de fer et a un effet inhibiteur sur la corrosion par l’acide naphténique. Les zones d’écoulement à grande vitesse et de turbulence du procédé peuvent créer des cycles d’érosion-corrosion en éliminant les dépôts de sulfure de fer à la surface des métaux.
Atténuation de la corrosion des colonnes de distillation grâce à la technologie des machines WSI
WSI est capable de développer une stratégie de réparation par rechargement résistant à la corrosion conforme à la réglementation, grâce à des cordons de soudure déposés à la machine, afin de moderniser les métallurgies au lieu de remplacer les plaques, d’ajouter des tôles, de découper des ouvertures dans les cuves ou d’effectuer des cordons de soudure manuels à haute dilution. L’évaluation et la préparation du matériau de base de la coque sont essentielles à la fiabilité à long terme de l’ensemble de la réparation. La bonne pratique consiste à retirer le revêtement à l’aide de techniques spécifiques, de technologies avancées et grâce au travail de personnels qualifiés. Après avoir retiré le revêtement et préparé le matériau de base, le procédé mécanique de soudage à l’arc sous protection gazeuse (MIG) exclusif WSI est idéal pour les applications en espace confiné grâce à la commande automatique proportionnelle de la hauteur de la torche. Cette fonction permet à nos machines de mesurer électroniquement la distance entre la pointe et la zone de travail plus de 200 fois par seconde afin de garantir une épaisseur de dépôt uniforme et des taux de dilution minimaux. En outre, la buse de soudage propose une course de 23 cm afin de répondre à une variété de profondeurs de corrosion rencontrées lors des applications de réparation. Ces systèmes utilisent des alimentations de soudage contrôlées par des formes d’onde de pointe et des paramètres de soudage optimisés développés par les ingénieurs WSI pour minimiser la dilution, réduire les projections, et fournir un cordon de soudure lisse et régulier.
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[1] United States Energy Information Administration. Oil and Petroleum Products Explained. www.eia.gov
[2] Organization of the Oil Exporting Countries. www.opec.org
[3] Speight, James. 2014. Corrosion by High Acid Crude Oil.
