George Babcock et Steven Wilcox ont été les premiers à faire breveter leur conception de chaudière et ont ensuite créé la société Babcock & Wilcox en 1891. La croissance du pays a entraîné la nécessité pour les entreprises de services publics de produire et de distribuer de l’électricité dans les grandes villes et au-delà. Avec l’évolution de la demande, les exigences en matière de température et de pression de la vapeur des chaudières ont également augmenté, obligeant les fabricants à concevoir des chaudières plus grandes et plus efficaces. À la fin des années 1950, l’industrie a réagi en concevant des écrans de chaudières qui ont permis d’obtenir des rendements plus élevés, ouvrant ainsi la voie à des chaudières supercritiques pouvant générer plus de 1 000 MW. Des tubes sans soudure en acier carbone ou en acier Cr-Mo ont été soudés ensemble en utilisant des plats comme membrane entre les tubes, formant ainsi un grand écran de tubes. Cette innovation a éliminé le besoin de réfractaire, réduit le coût de construction et augmenté la taille des chaudières.
Les défis des écrans de chaudières
Les écrans constitués de tubes et de membranes sont construits autour de l’enceinte du four. L’eau sous haute pression à l’intérieur des tubes extrait la chaleur des gaz de combustion à haute température sur la partie intérieure de la chaudière. Les écrans sont soumis à des variations thermiques, à une corrosion à haute température et à une attaque par érosion. Les écrans de chaudières sont construits en acier ferrique pour assurer l’intégrité structurelle ainsi que la résistance à l’eau et à la vapeur à haute température utilisées dans le transfert de chaleur. Par ailleurs, les aciers ferriques utilisés n’offraient pas nécessairement une résistance supérieure à la corrosion à haute température due à l’oxydation, bien qu’ils se soient souvent comportés de manière adéquate avec des valeurs de perte d’épaisseur de paroi prévisibles. Les modifications apportées au « Clean Air Act » (loi sur la préservation de la qualité de l’air) en 1990 ont obligé les exploitants à mettre en place des systèmes de combustion à faible teneur en NOx, dans le but de réduire les émissions nocives d’oxyde d’azote (NOx) des chaudières dans l’environnement. Cela a effectivement créé une atmosphère réductrice dans le four inférieur avec de faibles niveaux d’oxygène et a changé le mécanisme de corrosion d’une oxydation simple à une érosion-corrosion par sulfuration. Le résultat de ces changements a considérablement augmenté l’usure des écrans de chaudières et a forcé les exploitants à trouver des innovations pour atténuer cet effet.
Applications d’alliage éprouvées dans l’industrie
Au début des années 1990, en réponse à la législation sur les émissions, WSI a commencé à rechercher des matériaux d’alliage et des méthodes d’application innovantes afin de prolonger la durée de vie des écrans de chaudières exposés à la corrosion à haute température et à l’érosion-corrosion. Au cours de la décennie suivante, les ingénieurs WSI ont breveté plusieurs procédés d’application de rechargement résistants à la corrosion et ont identifié divers alliages pour ces rechargements, notamment le 309SS (Fe-24Cr-13Ni), l’alliage 625 (Ni-22Cr-9Mo-3, 5Nb) et l’alliage 622 (Ni-22Cr-13Mo-3W) répondant aux besoins des exploitants de chaudières de production d’électricité. Les conditions nécessaires pour obtenir une protection maximale contre l’érosion et la corrosion du côté intérieur des écrans sont le maintien des taux de dilution les plus bas, le maintien d’une teneur relative élevée en Cr dans toute l’épaisseur du cordon de soudure et la minimisation des concentrations en fer. WSI est parvenu à ce résultat grâce à plusieurs méthodes d’application de rechargement résistant à la corrosion qui s’articulent autour du concept de dilution du cordon de soudure la plus faible possible avec des rechargements présentant une dilution inférieure à 10 %. Ces méthodes sont utilisées avec succès depuis de nombreuses années pour assurer la protection des chaudières contre la corrosion à haute température ainsi que l’érosion-corrosion.
Rechargement de métal in situ par soudage Unifuse™
Les exploitants de chaudières ont cherché à assurer la maintenance de leurs écrans de chaudières lors des périodes d’arrêt prévues, mais ils ont dû faire face à une usure accélérée, et parfois imprévisible, des tubes en raison de divers mécanismes d’érosion et de corrosion. WSI a mis au point une approche de soudage mécanique applicable sur chantier, répondant aux exigences de la réglementation ASME. Grâce à une technologie de soudage sur mesure et exclusive, un rechargement de métal par soudage MIG Unifuse™ déposé par une machine a la capacité de prolonger considérablement la durée de vie des écrans de chaudières. En appliquant des successions de cordon de soudure programmées sur mesure depuis la membrane jusqu’aux couronnes des tubes, la technologie Unifuse™ mise en œuvre sur le terrain assure la meilleure chimie de cordon de soudure, un dépôt d’épaisseur constante sur l’ensemble du tube, et une productivité impossible à atteindre auparavant. Le rechargement de métal par soudage WSI est considéré par l’industrie comme la norme en matière d’usure d’écrans d’eau dans les chaudières à charbon. Avec des milliers de rechargements déposés sur chantier, presque toutes les chaudières à charbon aux États-Unis ont reçu un rechargement par soudage WSI.
Fabrication en atelier de panneaux Unifuse™
De temps en temps, les exploitants sont confrontés à des situations où la corrosion à haute température et les mécanismes d’érosion et de corrosion ont accéléré l’usure des écrans de manière imprévisible et au-delà des épaisseurs autorisées par le code ASME. Les exploitants confrontés à des zones plus importantes présentant ce problème avaient besoin de panneaux de remplacement avec une protection en alliage disponible pour l’installation. WSI a tiré parti de ses expériences sur chantiers pour développer des procédés et des procédures pour le rechargement de métal par soudage Unifuse™ en atelier. L’application en atelier est conforme au code ASME et est fournie dans le cadre du programme de qualité WSI.
Fabrication en atelier de tubes 360° Unifuse™
Les exploitants de chaudières ont également constaté une augmentation des usures de métal dans les composants supérieurs du four, car les températures du métal du surchauffeur, par exemple, sont beaucoup plus élevées que celles des écrans d’eau. Afin de prolonger la durée de vie des composants supérieurs des fours, ainsi que d’augmenter les options de fabrication des panneaux, la technologie Unifuse™ a été brevetée par WSI, ce qui donne lieu à un procédé de fabrication de tubes bimétalliques utilisant un procédé de soudage automatisé à fusion complète. Le procédé breveté utilise un cordon de soudure MIG initial en alliage à 360°, suivi d’un cordon TIG pour lisser la surface de rechargement et tempérer la zone affectée thermiquement (HAZ) formée dans l’acier de substrat pendant le procédé MIG. Les tubes Unifuse™ 360° terminés présentent une excellente ductilité et ténacité à l’état rechargé, ce qui permet aux fabricants d’effectuer les cintrages nécessaires à la réalisation de diverses configurations sans fissure. La majorité des tubes Unifuse™ 360° sont fabriqués pour les sections d’écran d’eau, les surchauffeurs, les évaporateurs dans le four supérieur des chaudières, mais des panneaux peuvent également être construits en fonction de la conception de la chaudière.
WSI – Des résultats prouvés. Automatiquement.
Avec plus de 2000 chantiers exécutés au total dans le monde avec Unifuse™ pour les fours depuis les années 2000, WSI est le leader mondial de l’extension de la durée de vie des chaudières. Que la chaudière doive être réparée en urgence ou lors d’un arrêt planifié, WSI dispose d’un leadership innovant sans équivalent, garanti par des résultats prouvés. WSI dispose du plus grand portfolio de projets de soudure sur chaudières de production d’électricité menés avec succès et de procédures aptes à relever tous les défis spécifiques des chaudières de récupération. Pour en savoir plus sur notre offre de services d’ingénierie, rendez-vous sur le site WSI.
[1] Nicholas P. Cheremisinoff, Paul E. Rosenfeld, dans « Handbook of Pollution Prevention and Cleaner Production », 2010
[2] The National Board of Boiler and Pressure Vessel inspectors. Chaudières de récupération de liqueur noire
