Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur ?

Lorsque les ingénieurs comparent les Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur, la vraie question n’est pas de savoir quel alliage présente les meilleures caractéristiques sur une fiche technique. La vraie question est de savoir quel alliage résiste à votre environnement de corrosion réel, notamment à la contamination lors de la mise en service, à l’humidité lors de l’arrêt, aux produits chimiques de nettoyage, aux zones affectées par la chaleur de soudage et aux variations ponctuelles de la composition chimique. L’INCOLOY 825 est un alliage Ni-Fe-Cr renforcé pour offrir une large résistance dans les milieux réducteurs et oxydants, tandis que l’alliage B-2 est un matériau à base de nickel-molybdène conçu pour les services réducteurs sévères, en particulier les environnements de type acide chlorhydrique, mais présentant une très faible tolérance à la contamination oxydante.

Cette distinction revêt une importance encore plus grande dans le domaine des tubes. Les tubes d'échangeurs de chaleur sont des produits à paroi mince, souvent soumis à un travail à froid, expansés, cintrés et soudés pour former un système qui connaît rarement des conditions chimiques parfaitement stables tout au long de sa durée de vie. L’INCOLOY 825 est disponible dans une large gamme de normes pour tubes et tuyaux, notamment les normes ASTM B163, B423, B704, B705, B751, B775 et B829. L’alliage B-2 est également disponible sous forme de tubes et de tuyaux sans soudure ou soudés, conformément aux normes ASTM B622 et B626, entre autres ; le choix ne porte donc généralement pas sur l’existence ou non d’un tube adapté, mais sur le degré de variabilité du processus que la métallurgie est capable de tolérer.

En quoi l'Incoloy 825 et l'Hastelloy B-2 se distinguent-ils réellement en matière de tubes pour échangeurs de chaleur ?

Au niveau de leur composition, l’INCOLOY 825 et l’Alloy B-2 ont été conçus selon des approches différentes. L’INCOLOY 825 contient une proportion importante de chrome, ainsi que du nickel, du molybdène, du cuivre et du titane. C’est cette combinaison qui lui confère sa résistance aux acides sulfurique et phosphorique, à la fissuration par corrosion sous contrainte due aux ions chlorure, à la corrosion par piqûres, à la corrosion interstitielle, ainsi qu’à toute une gamme de milieux oxydants tels que les nitrates et les environnements contenant de l’acide nitrique. L’alliage B-2, en revanche, est essentiellement un alliage Ni-Mo spécialisé dans les acides réducteurs : le reste est constitué de nickel, avec environ 26 à 30% de molybdène, tandis que la teneur en chrome est délibérément maintenue à un niveau très bas. C’est précisément cette composition chimique qui lui permet d’offrir d’excellentes performances dans l’acide chlorhydrique, le chlorure d’hydrogène et d’autres systèmes acides non oxydants.

Concrètement, en ce qui concerne les échangeurs de chaleur, Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur c'est généralement un choix entre étendue et intensité. L'alliage 825 offre une marge de sécurité plus large lorsque le flux de procédé est susceptible de passer de conditions réductrices à des conditions oxydantes, ou lorsque la contamination par les chlorures et l'attaque en interstices constituent des risques réels. L'alliage B-2 présente un avantage plus marqué lorsque le fluide est fortement réducteur et étroitement contrôlé, en particulier en présence d'acide chlorhydrique. L’erreur que je constate le plus souvent consiste à choisir l’alliage B-2 au motif que le milieu de fonctionnement normal est réducteur, tout en ignorant le fait que les défaillances des échangeurs surviennent souvent lors du nettoyage, de la purge, de l’entrée d’oxygène, d’une contamination par le fer ou dans des conditions de marche à vide en milieu humide. Les recommandations relatives à l’alliage B-2 sont sans équivoque : même la présence de traces de milieux oxydants peut augmenter considérablement la corrosion, et cet alliage ne doit pas être utilisé dans des environnements oxydants.

Les principes de corrosion applicables aux tubes ne sont pas les mêmes que ceux qui s'appliquent aux tôles

Les faisceaux de tubes ne subissent pas uniquement des défaillances dues à une usure uniforme de la paroi. Ils peuvent également présenter des défaillances dues à une corrosion interstitielle sous les dépôts, à une fissuration induite par les contraintes au niveau des joints dilatés, à une corrosion localisée dans les zones affectées thermiquement (HAZ) des soudures, ainsi qu’à des gradients chimiques entre les extrémités chaudes et froides. L’INCOLOY 825 a été conçu pour résister aussi bien aux environnements réducteurs qu’oxydants et se distingue tout particulièrement par sa résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte due aux chlorures et à la corrosion localisée. Cela en fait un choix par défaut plus sûr lorsque l’échangeur est soumis à un service acide mixte, à une contamination par de l’eau contenant des chlorures, à des flux contenant du soufre ou à des pratiques d’entretien incertaines en matière de nettoyage et d’arrêt.

Le choix de l’alliage B-2 doit être plus restreint et plus mûrement réfléchi. Il offre d’excellentes performances dans l’acide chlorhydrique sur une large plage de concentrations et de températures, et se comporte également bien dans le chlorure d’hydrogène, l’acide sulfurique et l’acide phosphorique dans des conditions réductrices. Mais le B-2 n’est pas un “ alliage CPI polyvalent ”. Il s’agit d’une solution spécialisée à un problème spécifique. Dans le cadre de l’utilisation d’échangeurs thermiques, cela implique généralement la présence d’un acide réducteur pur d’un côté, un contrôle rigoureux des espèces oxydantes, ainsi qu’une équipe d’exploitation qui comprend parfaitement les limites de cet alliage.

La fabrication, le soudage et la stabilité thermique sont souvent déterminants pour le résultat final

Pour les fabricants, Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur Cela dépend également du niveau de rigueur que votre atelier et votre sous-traitant sur chantier sont capables de maintenir. L’INCOLOY 825 est considéré comme présentant une bonne soudabilité par tous les procédés conventionnels, les métaux d’apport couramment recommandés comprenant notamment l’INCONEL Filler Metal 625 pour le soudage sous protection gazeuse. L'alliage B-2 peut également être soudé par TIG/MIG et, comparé à l'ancien alliage B, il est moins sensible à la corrosion de la zone de soudure à l'état tel que soudé. Cela dit, le B-2 exige tout de même un contrôle plus strict de la contamination, une pratique de recuit de mise en solution et une vigilance accrue concernant l'exposition à la chaleur après fabrication.

Le problème plus profond réside dans la stabilité thermique. Selon ’ Corrosion Materials », l’alliage B-2 ne doit pas être utilisé à des températures comprises entre 1 000 °F et 1 600 °F, car des phases secondaires peuvent réduire sa ductilité. La comparaison effectuée par Haynes entre le B-3 et son prédécesseur, le B-2, explique les raisons métallurgiques qui sous-tendent cet avertissement : les alliages de type B sont sujets à la formation de phases indésirables, et le B-2 peut subir une formation rapide de Ni4Mo aux alentours de 750 °C. Cela ne signifie pas pour autant que tous les échangeurs en B-2 subiront une défaillance due à l’exposition thermique. Cela signifie simplement que votre marge de manœuvre en matière de fabrication et de tolérance aux déformations est plus restreinte que ne le supposent de nombreux acheteurs.

Tableau établi à partir des informations fournies par le fabricant et des fiches techniques concernant les formes et les propriétés des tubes en INCOLOY 825 et en Alliage B-2.

Mon avis technique concernant le choix entre l'Incoloy 825 et l'Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur

Optez pour l’INCOLOY 825 lorsque l’échangeur est exposé à un mélange d’acides, à une contamination par des chlorures, à un milieu contenant de l’acide sulfurique ou phosphorique présentant un certain potentiel oxydant, à des conditions chimiques incertaines lors des arrêts, ou à des nettoyages chimiques fréquents. Dans ce type d’environnement industriel réel, l’alliage 825 offre généralement une plus grande marge de manœuvre en termes d’exploitation. C’est l’alliage que je recommanderais en priorité lorsque les données du client sur les fluides sont incomplètes ou lorsqu’il existe un risque réel qu’une “ légère ” contamination oxydante finisse par entraîner une intervention de maintenance.

Optez pour l’alliage B-2 lorsque les conditions d’exploitation se détériorent de manière évidente et constante, en particulier en présence d’acide chlorhydrique ou de chlorure d’hydrogène, et lorsque le responsable du procédé est en mesure de contrôler rigoureusement les espèces oxydantes. Dans ce cadre très restreint, le B-2 peut constituer la solution technique la plus performante. Il s’agit toutefois d’un outil de précision, qui ne tolère aucune marge d’erreur. Pour les services d’approvisionnement, cela signifie que l’appel d’offres doit inclure non seulement les conditions chimiques normales, mais aussi les conditions chimiques exceptionnelles, les agents de nettoyage, le risque d’infiltration d’oxygène, la contamination par le fer, les détails de soudage entre les tubes et la plaque tubulaire, ainsi que l’historique thermique de fabrication. C’est là que commencent de nombreuses substitutions d’alliages inappropriées.

Conclusion

Pour la plupart des acheteurs, Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur devrait être déterminé en fonction de la résistance à la corrosion dans des conditions de non idéal en fonction des conditions d'utilisation, et non du nom de l'acide indiqué en tête de la fiche de procédé. Si le milieu d'utilisation est susceptible de subir des variations, d'être contaminé, d'être aéré ou de faire l'objet d'un nettoyage agressif, l'INCOLOY 825 constitue généralement le choix le plus robuste en matière de tubes. Si le milieu d'utilisation est étroitement contrôlé, fortement réducteur, et en particulier s'il s'agit d'acide chlorhydrique, l'alliage B-2 peut offrir des performances exceptionnelles. La bonne réponse dépend à la fois de la fenêtre chimique, du procédé de fabrication et de l’historique des opérations de refoulement.

Pour une analyse de sélection au niveau du projet, veuillez fournir la composition du fluide, les températures normales et de surchauffe, la pression, la teneur en chlorures, les contaminants oxydants, la procédure de nettoyage et le procédé de fabrication des tubes. Ces informations suffisent généralement pour transformer une simple comparaison générique d’alliages en une recommandation de matériau justifiable.

Questions et réponses connexes

1) L'Hastelloy B-2 est-il plus performant que l'Incoloy 825 pour les tubes d'échangeurs de chaleur en contact avec l'acide chlorhydrique ?

Dans un milieu d'acide chlorhydrique pur et fortement réducteur, l'alliage B-2 constitue généralement le choix le plus résistant à la corrosion, car il a été spécialement conçu pour résister à l'acide chlorhydrique dans une large plage de concentrations et de températures. Mais cet avantage s'amenuise rapidement dès que des contaminants oxydants pénètrent dans le système.

2) L'Incoloy 825 peut-il remplacer l'Hastelloy B-2 dans les échangeurs thermiques exposés à des acides mixtes ?

Souvent, oui. Lorsque l'échangeur est soumis à des conditions mixtes de réduction et d'oxydation, à une contamination par les chlorures ou à des produits chimiques d'arrêt ou de nettoyage dont les effets sont incertains, l'INCOLOY 825 constitue souvent le choix le plus sûr, car sa résistance à la corrosion est plus large et n'est pas optimisée uniquement pour les acides réducteurs.

3) Que doit fournir un acheteur avant de commander l'un ou l'autre de ces alliages sous forme de tubes ?

Au minimum : composition chimique complète du fluide, teneur en chlorures, présence de fer ou d’oxygène dissous, températures de fonctionnement et de dérégulation, produits chimiques de nettoyage, nature des tubes (sans soudure ou soudés) et nécessité ou non de soudures entre les tubes et la plaque tubulaire. Ces détails déterminent si Incoloy 825 ou Hastelloy B-2 pour les tubes d'échangeurs de chaleur s'agit-il d'une décision simple ou d'une hypothèse très risquée ? Les normes relatives aux tubes et les consignes de fabrication présentent suffisamment de différences pour que ces éléments soient pris en compte dès le début.