Dans les centrales thermiques au charbon, l’érosion sévère par les particules et l’usure abrasive causées par le charbon, les cendres volantes et les particules minérales entraînées peuvent réduire considérablement la durée de vie et la fiabilité des composants critiques soumis à l’usure.
Des systèmes de manutention du charbon pulvérisé aux équipements de manutention des cendres et de traitement des gaz de combustion, les particules dures se déplaçant à des vitesses élevées peuvent attaquer continuellement les surfaces exposées. Au fil du temps, cela peut entraîner une perte de matière, des variations dimensionnelles, une diminution du rendement des composants et des besoins accrus en maintenance.
La maîtrise de ce type d’usure exige davantage que le simple choix d’un matériau plus dur. La géométrie du composant, les caractéristiques des particules, l’angle d’impact, la vitesse, la température, les charges mécaniques et l’environnement de fonctionnement doivent tous être pris en compte. Pour les applications appropriées, les composants d’usure en carbure de tungstène constituent une solution matérielle très efficace pour maîtriser l’usure abrasive et érosive sévère.
Durant la manutention du charbon, la combustion et le transport des cendres, les particules de charbon, les cendres volantes et les matières minérales entraînées peuvent circuler à des vitesses importantes dans les conduites, les coudes, les pulvérisateurs, les classificateurs, les séparateurs, les vannes et d’autres composants de procédé.
Plusieurs mécanismes d’usure peuvent se produire simultanément :
Les particules dures qui frappent une surface ou glissent sur celle-ci peuvent enlever de la matière par des mécanismes de coupe, de rayure et de labourage. La gravité de l’usure dépend de la dureté, de la forme, de la vitesse et de l’angle d’impact des particules, ainsi que des propriétés du matériau constituant le composant.
Les impacts répétés des particules peuvent générer des contraintes localisées et une détérioration progressive de la surface. Dans des conditions suffisamment sévères, des microfissures peuvent se former et se propager, contribuant à l’enlèvement de matière ou à un écaillage localisé.
De nombreuses applications de production d’énergie comportent à la fois des impacts de particules et une abrasion par glissement. Les changements de direction de l’écoulement — particulièrement autour des coudes, des restrictions et d’autres transitions géométriques — peuvent créer des zones localisées d’usure accélérée.
Les aciers résistants à l’usure et les alliages moulés conventionnels peuvent offrir un rendement efficace dans de nombreuses applications. Toutefois, lorsqu’ils sont exposés à des particules minérales fortement abrasives, à des vitesses de particules élevées ou à des combinaisons sévères d’érosion et de charges mécaniques, leur taux d’usure peut devenir inacceptable pour les composants critiques.
Cela peut entraîner une perte progressive de matière et une modification de la géométrie fonctionnelle du composant, augmentant ainsi les besoins en inspection, en maintenance et en remplacement.
Le carbure de tungstène cémenté est un matériau composite principalement constitué de grains durs de carbure de tungstène (WC) maintenus dans un liant métallique, généralement à base de cobalt ou, pour certaines applications, dans un système de liant à base de nickel.
Sa combinaison de dureté élevée, de résistance à la compression et de ténacité dépendant de la nuance le rend particulièrement adapté à de nombreux environnements fortement abrasifs et érosifs.
La phase dure WC présente une dureté nettement supérieure à celle des aciers conventionnels et de nombreux alliages couramment utilisés pour résister à l’usure. Cette dureté élevée aide à résister à la coupe, aux rayures et à l’enlèvement de matière causés par les particules abrasives.
Plutôt que d’affirmer que les particules incidentes vont toujours « se briser ou rebondir », il est plus exact de dire que la dureté élevée du carbure de tungstène réduit la pénétration et l’action de coupe des particules abrasives, contribuant ainsi à limiter la perte progressive de matière.
Le carbure de tungstène est offert dans une vaste gamme de nuances. La taille des grains de WC, la teneur en liant, la composition du liant et d’autres paramètres du matériau peuvent être ajustés afin d’équilibrer la dureté et la ténacité en fonction de l’application.
Les nuances destinées à une abrasion sévère peuvent privilégier la dureté et la résistance à l’usure, tandis que les applications soumises à des impacts ou à des charges mécaniques plus élevés peuvent nécessiter une nuance plus tenace.
Cet équilibre est important, car le choix de la nuance la plus dure disponible ne constitue pas nécessairement la meilleure solution lorsque des impacts, des vibrations, des conditions thermiques ou des charges complexes sont également présents.
Comme le carbure de tungstène peut présenter de très faibles taux d’usure dans les applications auxquelles il est correctement adapté, les surfaces critiques soumises à l’usure peuvent conserver leur géométrie fonctionnelle plus longtemps.
Cela est particulièrement important pour les composants dont les variations dimensionnelles influencent les jeux fonctionnels, les caractéristiques d’écoulement, les surfaces d’étanchéité, l’alignement ou la stabilité du procédé.
Le maintien de la géométrie critique peut donc contribuer à préserver la fonction du composant et à réduire la fréquence des réglages ou des remplacements.
Selon la conception de l’équipement et les conditions de fonctionnement, le carbure de tungstène peut être utilisé dans différents composants critiques soumis à l’usure ou y être intégré pour les applications de manutention du charbon et des cendres volantes, notamment :
Selon les dimensions, les charges, la géométrie et les exigences de coût du composant, la solution appropriée peut comprendre un composant en carbure massif, des inserts en carbure intégrés mécaniquement à un assemblage plus grand ou d’autres configurations techniques.
Le principal avantage du carbure de tungstène ne réside pas uniquement dans sa dureté supérieure. Sa valeur repose sur sa capacité à prolonger la durée de vie utile des composants critiques soumis à l’usure lorsque la nuance du matériau et la conception du composant sont correctement adaptées à l’environnement de fonctionnement.
Une meilleure résistance à l’abrasion et à l’érosion par les particules peut prolonger considérablement les intervalles de remplacement par rapport aux matériaux conventionnels dans les applications sévères appropriées. L’amélioration réelle dépend des conditions de fonctionnement, de la nuance de carbure, de la conception du composant et du matériau remplacé.
Bien que le coût initial des composants en carbure de tungstène puisse être supérieur à celui des solutions conventionnelles en acier ou en alliage moulé, des intervalles de remplacement prolongés peuvent réduire la fréquence des opérations de maintenance, la consommation de pièces de rechange, les besoins en main-d’œuvre et les temps d’arrêt pendant la durée de vie du composant.
Cet avantage peut être particulièrement important lorsque le remplacement exige un accès difficile, un démontage important ou une interruption du fonctionnement continu de l’installation.
Une usure plus lente et plus prévisible peut réduire le risque de dégradation prématurée des composants et aider les équipes de maintenance à planifier plus efficacement les inspections et les remplacements.
Pour les composants d’usure critiques, cela peut contribuer à améliorer la disponibilité de l’équipement et à rendre la planification de la maintenance plus prévisible.
Toutes les nuances de carbure de tungstène n’offrent pas le même rendement.
Pour les applications liées au charbon et aux cendres volantes, le choix de la nuance doit tenir compte des facteurs suivants :
Une approche technique adaptée à chaque application est donc essentielle. Une nuance de carbure optimisée pour une abrasion sévère par glissement peut ne pas convenir à un composant exposé à des impacts répétés de forte énergie, à des cycles thermiques ou à d’autres conditions de service combinées.
Le charbon et les cendres volantes peuvent créer des combinaisons exigeantes d’abrasion, d’érosion par les particules, de charges mécaniques et d’usure en fonctionnement continu dans les équipements de production d’énergie. Pour les applications appropriées, des composants d’usure en carbure de tungstène correctement sélectionnés constituent une solution très efficace pour protéger les surfaces critiques et prolonger les intervalles de remplacement.
L’objectif ne consiste pas simplement à remplacer un composant conventionnel par un matériau plus dur. Une maîtrise efficace de l’usure exige une compréhension du mécanisme d’usure dominant, des conditions de fonctionnement, de la géométrie du composant et de l’équilibre requis entre dureté et ténacité.
En adaptant la nuance de carbure et la conception du composant aux conditions réelles de service, les exploitants de centrales électriques et les fabricants d’équipements peuvent réduire les besoins de maintenance liés à l’usure, prolonger la durée de vie des composants et améliorer la fiabilité des équipements critiques soumis à l’usure.