Refroidissement par eau de mer dans les centrales électriques côtières : sélection du matériau des tubes en acier inoxydable

Pour les circuits de refroidissement par eau de mer dans les centrales électriques côtières, l’acier inoxydable standard 316L n’offre généralement pas une résistance suffisante ; l’eau de mer chaude, riche en chlorures et sujette au biofouling exige des matériaux à teneur plus élevée en alliages, tels que les aciers duplex 2205, les aciers austénitiques superausténitiques à 6Mo, les aciers duplex superduplex 2507 ou le titane, dont le choix dépend de la température, de la vitesse d’écoulement et du régime de chloration. Les principales menaces sont la corrosion localisée induite par les chlorures (piqûres et corrosion sous joint), la corrosion influencée microbiologiquement sous les biofilms, ainsi que la corrosion-érosion à haute vitesse d’écoulement ; aussi, le choix optimal doit équilibrer résistance à la corrosion, résistance mécanique et coût, en fonction de l’application spécifique (conduites d’admission, tubes de condenseur et échangeurs thermiques).

Le défi du refroidissement par eau de mer
Les centrales thermiques et nucléaires côtières rejettent d’énormes quantités de chaleur dans la mer, aspirant de grands volumes d’eau de mer à travers des structures d’admission, des grilles, des pompes, des condenseurs et des canalisations de rejet. L’eau de mer est presque aussi agressive que les fluides industriels les plus corrosifs : elle contient environ 19 000 ppm de chlorure, est entièrement oxygénée, biologiquement active, et absorbe souvent davantage de chaleur en traversant le condenseur. Chacun de ces facteurs attaque les aciers inoxydables conventionnels.
Trois mécanismes prédominent. Les chlorures dégradent la couche passive, provoquant des piqûres et, dans les interstices, une corrosion sous contrainte. Des organismes marins s’installent sur les surfaces et forment des biofilms qui créent des zones à gradient d’oxygène, favorisant ainsi la corrosion microbienne (MIC), capable de percer rapidement les tubes sous les dépôts. En outre, comme ces systèmes déplacent l’eau à grande vitesse, l’écoulement rapide élimine les films protecteurs et érode le métal par corrosion-érosion, tandis que les zones stagnantes pendant les arrêts permettent aux dépôts et à la MIC de s’installer.

Pourquoi l’acier 316L échoue souvent
l’acier inoxydable 316L, contenant environ 2 % de molybdène et présentant un indice PREN voisin de 24, offre d’excellentes performances dans de nombreuses applications impliquant des chlorures, mais il est limite en eau de mer chaude. Sa température critique de piqûre dans des milieux chlorés similaires à l’eau de mer est faible : au-delà de températures modérées, il subit des piqûres et est particulièrement sensible à la corrosion sous dépôt, notamment sous les joints d’étanchéité, aux raccords entre tubes et plaques tubulaires, ainsi qu’en présence de dépôts biologiques.
L’enseignement tiré de décennies d’exploitation en zone côtière est que, pour les applications en eau de mer, il convient de spécifier les matériaux en fonction de leur indice PREN et de leur résistance à la corrosion sous dépôt, et non sur la base de leur comportement général face aux chlorures. Une référence utile : une résistance fiable à la corrosion sous dépôt en eau de mer exige généralement un indice PREN d’environ 40 ou plus — bien supérieur à celui du 316L.

Options en alliages plus riches
Plusieurs familles de matériaux répondent au défi de l’eau de mer, chacune occupant une niche définie par la température, la résistance et le budget. Le duplex 2205, contenant environ 3 % de molybdène ainsi que de l’azote et présentant un PREN dans la mi-trentaine, offre environ le double de la résistance des nuances austénitiques et résiste bien à l’eau de mer froide ou contrôlée en chlore, bien qu’il puisse être limite pour les services en eau de mer chaude avec des joints étroits. Les nuances superausténitiques 6Mo, contenant environ 6 % de molybdène et 0,2 % d’azote pour un PREN supérieur à 40, constituent une solution éprouvée pour les canalisations et les échangeurs thermiques destinés à l’eau de mer. Le duplex super 2507, contenant environ 4 % de molybdène, affiche un PREN supérieur à 40 et une très haute résistance, ce qui le rend adapté aux applications exigeantes en eau de mer, notamment les conduites à paroi mince et haute pression. Le titane est pratiquement insensible à la corrosion localisée par piqûres et par crevasses due aux chlorures et reste le choix traditionnel pour les tubes de condenseurs, limité principalement par son coût ainsi que par sa résistance et sa rigidité moindres.

Tubes de condenseur et vitesse d’écoulement
Le condenseur est le cœur du circuit de refroidissement, et ses tubes à paroi mince constituent les éléments les plus sensibles à la corrosion. Le titane et les tubes en acier inoxydable à haute teneur en alliages ont historiquement remplacé les alliages de cuivre dans les environnements à forte concentration de chlorures et de polluants, car ils supportent efficacement l’encrassement biologique, la chloration et les vitesses d’écoulement rencontrées dans un condenseur.
La vitesse d’écoulement doit se situer dans une plage donnée. Trop faible, elle favorise le dépôt de boues, de sédiments et de biofilms, ce qui entraîne une corrosion sous dépôt et une corrosion influencée microbiologiquement ; trop élevée, elle provoque une érosion-corrosion qui arrache les films protecteurs aux coudes, aux entrées et aux extrémités des tubes. Les aciers inoxydables hautement alliés, tels que les aciers 6Mo et super duplex, supportent des vitesses plus élevées que les alliages de cuivre — souvent plusieurs mètres par seconde — mais les concepteurs évitent tout de même une turbulence excessive aux entrées, utilisent des raccords progressifs et maintiennent la vitesse au-dessus du seuil minimal requis pour empêcher tout dépôt. La chloration intermittente ou continue permet de maîtriser le biofouling, mais l’alliage choisi doit résister aux conditions oxydantes riches en chlorures ainsi créées, ce qui oriente à nouveau vers des matériaux à haute valeur PREN.

Conception et pratiques opératoires
Le choix des matériaux ne constitue qu’une partie de la fiabilité. Réduisez au minimum les interstices à l’aide de soudures en pénétration totale, de joints toriques bien positionnés et d’assemblages tube-plaque réalisés par roulage ou soudage approprié, car même les alliages les plus performants présentent une limite de température en milieu intersticiel. Concevez les systèmes de façon à permettre leur vidange et leur rinçage à l’eau douce pendant les arrêts, afin d’éviter que l’eau de mer stagnante ne concentre les chlorures et n’alimente la corrosion microbienne (MIC). La protection cathodique et un régime de chloration adapté prolongent la durée de vie ; par ailleurs, les couples galvaniques entre métaux dissimilaires doivent être évités ou soigneusement gérés, car l’association d’un composant en alliage hautement résistant avec un métal moins noble dans l’eau de mer peut entraîner une corrosion rapide de ce dernier.
Wenqiang fournit des tubes et tuyaux sans soudure ou soudés, des raccords et des brides en acier duplex 2205 et super duplex 2507/S32750, conformes aux normes ASTM A312, A213, A269, A790 et A928, accompagnés de certificats de contrôle des matériaux EN 10204 type 3.1 ou 3.2. Des analyses de composition chimique et d’essais mécaniques, des contrôles par inspection par méthode magnétique (PMI), des essais hydrostatiques et des essais non destructifs (END) effectués en interne garantissent que chaque article répond aux exigences spécifiques en matière de composition chimique et d’intégrité pour un service en eau de mer.

Conclusion
Le refroidissement à l’eau de mer endommage les matériaux sous-spécifiés. L’eau de mer chaude, oxygénée, biologiquement active et à fort débit attaque violemment l’acier inoxydable 316L ; aussi, les centrales électriques côtières doivent-elles choisir leurs matériaux en fonction de leur indice PREN et de leur résistance à la corrosion sous joint, en privilégiant les aciers duplex 2205, les aciers austénitiques superausténitiques à 6 % de molybdène, les aciers duplex superduplex 2507 ou le titane, selon la température, la vitesse d’écoulement et le coût. Associé à une conception sans joints, à un écoulement maîtrisé, à une chloration contrôlée et à des rinçages pendant les arrêts, le bon choix d’un alliage hautement allié permet d’obtenir des circuits de refroidissement capables de résister aux chlorures, à l’encrassement biologique et à l’érosion tout au long des longues durées de service exigées par ces centrales.

Questions fréquemment posées
Q : Pourquoi le 316L n’est-il pas recommandé pour le refroidissement à l’eau de mer ?
R : Avec seulement environ 2 % de molybdène et un indice PREN voisin de 24, le 316L subit des piqûres dans l’eau de mer chaude et est très sensible à la corrosion sous joint, notamment sous les joints toriques, aux raccords de tubes et sous les dépôts biologiques. Une résistance fiable à la corrosion sous joint en eau de mer exige généralement un indice PREN d’environ 40 ou plus.
Q : Quelle vitesse d’écoulement est sûre pour les canalisations en acier inoxydable destinées à l’eau de mer ?
A : Il existe une fenêtre de vitesse : celle-ci doit rester suffisamment élevée pour empêcher la formation de dépôts et de biofilms, causes de corrosion sous-dépôt et corrosion microbiologique, mais assez faible pour éviter la corrosion-érosion. Les nuances à haute teneur en alliages, telles que les aciers 6Mo et super duplex, tolèrent plusieurs mètres par seconde, mais des transitions lisses et une turbulence maîtrisée aux entrées et aux coudes sont essentielles.

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