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Vie et mort des centrales électriques


Les centrales électriques qui utilisent la vapeur pour produire de l’électricité ont besoin d’eau. Sans cela, ils ne peuvent pas faire leur travail. Mais l’eau et la vapeur sont compliquées, tout comme le sang dans nos veines et nos artères. Ainsi, la chimie de l’eau est un travail important, complexe et important dans les centrales électriques à vapeur.

L’eau est l’élément vital de toutes les centrales électriques à vapeur – charbon, gaz à cycle combiné ou à combustible nucléaire. Au sens propre.

Le 9 décembre 1986, une rupture dans un coude du système qui condense l’eau de refroidissement à la centrale nucléaire de Surry (figure 1) près de Williamsburg, en Virginie, a tué quatre travailleurs et coûté des dizaines de millions de dollars en revenus perdus et en coûts de réparation. . La cause, selon l’Institut de recherche sur l’énergie électrique (EPRI), était la corrosion dans un coude du tuyau d’une pompe à eau d’alimentation. L’eau sous pression s’est transformée en vapeur, brûlant les travailleurs et mettant l’usine hors service. Reuters a rapporté à l’époque: «Un accident similaire à Surry il y a environ trois ans a tué un travailleur et en a blessé un autre.»

1. Les unités Surry 1 et 2 sont des réacteurs à eau pressurisée Westinghouse à trois boucles qui ont commencé à fonctionner en décembre 1972 et mai 1973, respectivement. En octobre 2018, Dominion Energy a déposé une demande de prolongation des licences d’exploitation des deux unités jusqu’en 2052 et 2053, alors qu’elles auront 80 ans. Source: Commission de réglementation nucléaire des États-Unis

L’importance de la chimie de l’eau

« Élément vital? Je suis d’accord à 100% », a déclaré Daniel Wells, responsable du programme de chimie de l’eau dans le secteur nucléaire de l’EPRI. PUISSANCE. Le principal groupe de recherche et développement de l’industrie de l’électricité a depuis longtemps un programme actif pour la chimie de l’eau dans les centrales électriques à vapeur. Les principales technologies de production ont des problèmes d’eau communs. Wells, un gourou du nucléaire, a déclaré: «En général, la chimie de l’eau est l’un des principaux moyens de maintenir la durée de vie des matériaux» dans les centrales à vapeur.

Alex Filar de Fossil Consulting Services Inc., basé dans le Maryland, achète également la métaphore de la «pierre angulaire». Dans un blog d’entreprise il y a deux ans, il a écrit: «Au cœur de presque toujours[y] les centrales électriques sont une chaudière, une turbine et des systèmes de condensat et d’eau d’alimentation associés. L’eau et la vapeur qui les traversent sont la pierre angulaire du processus de production d’électricité. En tant que tel, il est de la plus haute importance que l’eau / vapeur soit correctement surveillée et traitée. Un mauvais contrôle de la chimie de l’eau peut avoir des effets néfastes sur la disponibilité des équipements, les budgets de l’usine et, surtout, la sécurité du personnel. »

La tâche des directeurs d’usine et des opérateurs est de contrôler les impuretés et autres caractéristiques de l’eau qui transforment la chaleur en vapeur et la vapeur en énergie électrique. Les impuretés peuvent provoquer de la corrosion et des fissures. La corrosion causée par les surfaces métalliques oxydantes peut libérer de la rouille dans le courant d’eau et entraîner des dépôts ailleurs dans les entrailles de l’usine.

Cela peut également entraîner des dépôts dans la chaudière, a déclaré Wells, ce qui réduit le transfert de chaleur et un ralentissement du débit d’eau dans le système. Cela signifie une usine moins efficace et, comme on le voit à l’usine de Surry, des menaces pour la sécurité des travailleurs.

Filar a observé: «Pour mieux prévenir ces effets négatifs, le contrôle de la chimie de l’eau a subi des changements substantiels au cours des 30 dernières années. Ces changements sont le résultat d’un engagement en faveur de la recherche et du développement technologique de la communauté de la chimie. Cependant, c’est l’exploitant de la centrale électrique qui est responsable de la mise en œuvre de ces changements dans sa centrale. Et avec une main-d’œuvre vieillissante dans l’industrie, il est maintenant plus important que jamais que la prochaine génération d’exploitants comprenne le contrôle de la chimie de l’eau.

Wells de l’EPRI a déclaré que les opérateurs devaient se concentrer sur deux objectifs majeurs: la fissuration par corrosion, qui peut entraîner une défaillance des tuyaux, et la corrosion générale, qui peut réduire le transfert de chaleur, diminuer le débit et provoquer la dégradation des matériaux.

C’est la chimie et la métallurgie

Ecrire dans PUISSANCE il y a quelques années (voir «Feedwater Chemistry Meets Stainless Steel, Copper, and Iron» dans le numéro de mars 2015), David Daniels, spécialiste de la chimie de l’eau chez M&M Engineering Associates Inc. de Leander, Texas, a décrit trois grandes métallurgies et leur eau défis de chimie. «Les alliages trouvés dans les systèmes de condensat et d’eau d’alimentation des centrales électriques comprennent l’acier au carbone pour les tuyauteries, les pompes et, dans certains cas, les échangeurs de chaleur. De nombreux systèmes contiennent encore des alliages à base de cuivre provenant d’alliages de laiton et de cuivre-nickel (Cu-Ni) d’amirauté jusqu’à la série 400 Monel, principalement sous forme de tubes de chauffe-eau.

Les alliages d’acier inoxydable évitent généralement les mécanismes de corrosion courants qui affectent l’acier au carbone et les alliages de cuivre. C’est parce que l’acier inoxydable «est protégé par une couche d’oxyde de chrome adhérente qui se forme à la surface», a écrit Daniels.

«On a tendance à penser que l’acier inoxydable est l’alliage parfait pour remplacer les tubes d’eau d’alimentation en alliage de cuivre», a déclaré Daniels. Mais le talon d’Achille de l’acier inoxydable est que les chlorures et les caustiques corrosifs peuvent entraîner une fissuration par corrosion sous tension. La fissuration par corrosion sous contrainte intergranulaire était un problème majeur dans les centrales nucléaires des années 1980, bien que la recherche menée par l’EPRI ait largement offert des moyens de gérer ce problème.

Corrosion accélérée par l’écoulement

La corrosion accélérée (FAC) est l’un des défis les plus délicats en matière de chimie de l’eau. Selon U.S. Water, «peu de sujets ont attiré l’attention des experts en chimie du cycle de chaudière et des dollars de recherche au cours des 10 dernières années en tant que corrosion accélérée par l’écoulement. Ayant auparavant été le plus préoccupé par les pannes survenant dans les zones à haute pression du cycle, le FAC est maintenant une préoccupation majeure, car plus de 60% de tous les services publics ont déclaré l’avoir trouvé dans leurs installations. Défini comme une perte de métal rapide localisée entraînant un amincissement de la paroi du tube de la tuyauterie en carbone et en alliage faible, le FAC est connu pour se produire dans les régions à température moyenne du cycle, entre 250 ° F et 400 ° F. Dans les cycles de chaudière à haute pression, ces températures existent dans l’eau d’alimentation de la chaudière ou les sections «LP» (basse pression) et «IP» (pression intermédiaire) d’un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG). »

EPRI étudie la FAC depuis de nombreuses années. Ses orientations mises à jour en 2017 pour le contrôle des FAC, Lignes directrices pour le contrôle de la corrosion à écoulement accéléré dans les usines à combustibles fossiles et à cycle combiné, dit: «Le FAC provoque un amincissement localisé de la paroi (perte de métal) dans les tuyaux, les tubes et les cuves en acier au carbone exposés à de l’eau courante (monophasée) ou à de la vapeur humide (biphasée). S’il n’est pas détecté, le composant dégradé peut soudainement se rompre, libérant de la vapeur et de l’eau à haute température dans les zones de l’usine voisines, ce qui inclut souvent des endroits où du personnel peut être présent. Les fluides qui s’échappent peuvent blesser les travailleurs de l’usine, entraînant parfois des décès et endommager l’équipement à proximité. Au fil des ans, FAC a causé des centaines de pannes de tuyauterie et d’équipement dans tous les types de centrales fossiles, à vapeur industrielle et nucléaires, ainsi que des pannes de tubes dans les HRSG. »

La rupture de la conduite Surry en 1986 et les décès ont attiré l’attention sur le problème. «Avant le milieu des années 80», explique l’EPRI, «la cause de ces défaillances était souvent inconnue du propriétaire de l’usine ou, si elle était connue, n’était pas signalée. De plus, le secteur de l’électricité n’a pas pleinement compris les conditions dans lesquelles le FAC se produisait, où les usines devraient chercher à le trouver, ni comment le contrôler au mieux quand il a été découvert. » Cela a changé suite à la rupture du tuyau Surry. «FAC s’est avérée être la cause de l’échec. Parce que des décès sont survenus et en raison des normes réglementaires élevées appliquées aux centrales nucléaires, une approche globale globale était nécessaire. »

À la fin des années 80, FAC a commencé à apparaître «dans les systèmes conventionnels d’eau d’alimentation des usines fossiles, et des programmes d’inspection ont été lancés. Cette initiative a pris un nouvel accent à la suite d’une rupture mortelle de tuyau à l’usine de Pleasant Prairie en 1995 », déclare EPRI. Lors de cet incident à la centrale au charbon de 1 200 MW dans le Wisconsin, une rupture de tuyau de vapeur a tué un travailleur et en a gravement blessé un autre. Le journal local a rapporté: «Une colonne de vapeur de 400 à 600 degrés a grimpé au sommet de l’usine de 20 étages, emprisonnant Steven Baker et Gregory Schultz dans un nuage mortellement chaud.»

Selon l’EPRI, «Malheureusement, les efforts dans les centrales nucléaires et conventionnelles à fossiles n’ont pas éliminé les pannes fatales des FAC.» En 2004, cinq employés ont été tués à la suite d’une rupture de tuyau causée par les FAC à l’unité 3 de Mihama au Japon (figure 2), et en 2007, deux décès liés aux FAC et une blessure grave sont survenus à la centrale électrique au charbon d’Iatan, dans le États-Unis en raison d’une rupture catastrophique d’une ligne de vapeur.

2. La centrale nucléaire japonaise de Mihama est exploitée par la Kansai Electric Power Co. Les tranches 1 et 2 ont été définitivement retirées après la catastrophe de Fukushima. En novembre 2016, l’unité 3 a reçu une prolongation de licence de 20 ans, lui permettant de fonctionner jusqu’en 2036. L’unité a été autorisée par les régulateurs à redémarrer, mais des sources de nouvelles locales ont annoncé qu’elle ne reprendrait ses activités qu’au moins avant juillet 2020. Source: Creative Commons / Alpsdake

Pour l’acier au carbone et les alliages de cuivre, selon Daniels, les principaux mécanismes de corrosion comprennent la corrosion à écoulement accéléré (voir l’encadré) et la fatigue par corrosion dans l’acier au carbone, ainsi que la fissuration par corrosion sous contrainte induite par l’ammoniac et le rainurage à l’ammoniac dans les alliages de cuivre.

Chimie de l’eau de l’énergie nucléaire

Alors que la chimie de l’eau est cruciale pour toutes les centrales électriques à vapeur, a noté EPRI’s Wells, les centrales nucléaires ont des problèmes uniques. Cela découle du fait que les réacteurs à eau légère conventionnels ont de l’eau qui touche le combustible, c’est-à-dire le H2O transporte des radiations. Cela complique les activités de maintenance et expose potentiellement les travailleurs à la contamination.

Les radiations peuvent également provoquer une dégradation des métaux dans l’usine, ainsi que sa circulation d’eau et de vapeur. Cela a des implications pour la prolongation de la durée de vie des centrales nucléaires, que l’industrie considère comme cruciale pour son avenir. «Quand nous regardons les opérations à long terme, la chimie de l’eau est certainement quelque chose qui contribue» à l’analyse, a déclaré Wells.

Les défis de la chimie de l’eau à venir

Les conceptions nucléaires avancées apporteront également des défis à la chimie de l’eau, a déclaré Wells, notant la proposition de NuScale Power pour un petit réacteur modulaire. L’EPRI, a-t-il dit, examine de près la conception du réacteur NuScale, y compris les implications pour la chimie de l’eau.

Un autre défi futur, selon Wells, est «la disponibilité des produits chimiques». L’hydroxyde de lithium (enrichi de manière isotopique en lithium-7) est utilisé pour alcaliniser le liquide de refroidissement du réacteur dans les réacteurs à eau pressurisée pour le contrôle de la corrosion. Son approvisionnement pourrait être menacé, c’est pourquoi EPRI a développé un moyen d’utiliser l’acide borique pour obtenir du lithium-7 à partir du bore-10. Cela, dit-il, «est assis sur l’étagère».

Une autre possibilité est l’utilisation d’hydroxyde de potassium (KOH) comme substitut. Les Russes utilisent du KOH dans leurs réacteurs à eau pressurisée VVER dans le même but que les propriétaires américains utilisent de l’hydroxyde de lithium – pour maintenir l’eau alcaline en empêchant la corrosion. EPRI, a déclaré Wells, «a déployé de gros efforts pour terminer le travail technique en vue de son transfert vers l’hydroxyde de potassium. Une manifestation est probable en 2020 ou 2021.

Un autre défi chimique est l’utilisation de l’hydrazine (N2H4). Les exploitants de centrales nucléaires et fossiles l’utilisent dans le cycle de la vapeur pour réduire l’oxygène dissous et la corrosion. Mais c’est un produit chimique désagréable à plusieurs égards et interdit en Europe pour cause de cancer. «Nos usines craignent de ne pas pouvoir l’utiliser» à l’avenir, a déclaré Wells. «Les Européens ont fait des travaux sur un produit chimique de remplacement et le rôle de l’EPRI est d’être un moteur de collaboration pour rassembler toutes les recherches», a-t-il déclaré. ■

Maïs Kennedy est un journaliste énergétique de longue date et un contributeur fréquent à POWER.



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