N° d'ordre

Valentin Rohr

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

• dissertation

N° d'ordre : 2266 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : MATERIAUX-STRUCTURE-MECANIQUE Spécialité : Science et Génie des matériaux Par M. Valentin Rohr DEVELOPPEMENT DE REVETEMENTS POUR LES ACIERS D'ECHANGEURS THERMIQUES ET AMELIORATION DE LEUR RESISTANCE A LA CORROSION EN ENVIRONNEMENT SIMULANT LES FUMEES DE COMBUSTION DE CHARBON Soutenue le 21 octobre 2005 devant le jury composé de : M. F. Maury Directeur de recherche CNRS à l'INP Toulouse Président M. F.H. Stott Professeur à l'université de Manchester, Royaume-Uni Rapporteur M. F.J. Pérez-Trujillo Professeur à l'université Complutense de Madrid, Espagne Rapporteur M. F. Crabos Ingénieur, Turboméca Examinateur M. J. Furtado Ingénieur, Air Liquide Invité M. B. Vandenberghe Ingénieur, Vallourec & Mannesmann Tubes Invité M. D. Monceau Chargé de recherche CNRS à l'INP Toulouse Directeur de thèse M. M. Schütze Professeur à l'université d'Aachen, Allemagne Directeur de thèse

• developpement de revetements pour les aciers d'echangeurs thermiques


• und die hilfreichen


• recherche au cirimat


• für die


• der kwi- werkstatt und


• sciences de temps en temps


• cirimat-umr5085


• furtado ingénieur

Sujets

• Dissertation
• Birgit
• Nicolas
• Viguier
• Université de Manchester
• Toulouse
• Masset
• Maugis
• Düsseldorf
• René Crabos

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 octobre 2005
• Nombre de lectures: 27
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

N° d’ordre : 2266







THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE


École doctorale : MATERIAUX-STRUCTURE-MECANIQUE

Spécialité : Science et Génie des matériaux


Par M. Valentin Rohr


DEVELOPPEMENT DE REVETEMENTS POUR LES
ACIERS D'ECHANGEURS THERMIQUES ET
AMELIORATION DE LEUR RESISTANCE A LA
CORROSION EN ENVIRONNEMENT SIMULANT LES
FUMEES DE COMBUSTION DE CHARBON


Soutenue le 21 octobre 2005 devant le jury composé de :


M. F. Maury Directeur de recherche CNRS à l’INP Toulouse Président
M. F.H. Stott Professeur à l’université de Manchester, Royaume-Uni Rapporteur
M. F.J. Pérez-Trujillo ’université Complutense de Madrid, Espagne
M. F. Crabos Ingénieur, Turboméca Examinateur
M. J. Furtado Ingénieur, Air Liquide Invité
M. B. Vandenberghe Ingénieur, Vallourec & Mannesmann Tubes Invité
M. D. Monceau Chargé de recherche CNRS à l’INP Toulouse Directeur de thèse
M. M. Schütze Professeur à l’université d’Aachen, Allemagne hèse Acknowledgment – Danksagung – Remerciements



This thesis was prepared at the Karl-Winnacker-Institut of DECHEMA e.V. in
Frankfurt am Main (Germany) in collaboration with the MEMO (Mécanique-
Microstructure-Oxydation) team of the “Centre Inter-universitaire de Recherche et
d’Ingénierie des Matériaux” (CIRIMAT-UMR5085, INP/UPS/CNRS) in Toulouse
(France). This research work is part of the SUNASPO network (RTN project N° HPRN-
CT-2001-00201), funded by the European commission, which is gratefully acknowledged.

I would like to express my deep gratitude to Prof. Howard Stott of the University of
Manchester (UK) and Prof. Francisco Javier Pérez-Trujillo of Universidad Complutense
de Madrid (Spain) for reviewing this dissertation and for undertaking such a long
journey to participate in the thesis jury.
In addition, I would also like to thank all members of the SUNASPO Network for the
fruitful collaboration and the friendly environment that they created. My special
gratitude goes to Dr. Elina Huttunen-Saarivirta for sharing her expertise in TEM and
for her kindness and patience.
I also thank the institutions, which provided the materials studied: FZ Jülich
(Germany), JRC Petten (The Netherlands) and UC Madrid (Spain).
My last words in English are dedicated to Dr. Dan Renusch, whom I would like to
thank for the numerous discussions on my research work.

Mein besonderer Dank gilt Prof. Michael Schütze für die Themenstellung, die
fördernde Betreuung und die hilfreichen Diskussionen über diese Doktorarbeit.
Diese wäre nie möglich gewesen, ohne die technischen Unterstützungen von: Ellen
Berghof-Hasselbächer und Daniela Hasenpflug (Metallographie), Monika Schorr
(ESMA), Peter Gawenda (REM), Michael Jusek (XRD) sowie den Mitarbeitern der KWI-
Werkstatt und der Bibliothek. Hier möchte ich an allen meine tiefste Anerkennung
ausdrücken.
Allen Mitarbeitern der Arbeitsgruppe HTW sei für die ständige Hilfsbereitschaft bei
der Durchführung dieser Arbeit sehr herzlich gedankt. Mein spezieller Dank gilt Dr. Till
Weber für die wichtigen Kommentare zu dieser Dissertation.
Ebenso dankbar bin ich den Dechema Musikern für die regelmäßige Entspannung.
Danke auch an Dr. Alexander Donchev, dass er es drei Jahre lang mit mir im Raum I214
ausgehalten hat...
Zum Schluss möchte ich Frau Dr. Birgit Pöter vom Max Plank Institut für
Eisenforschung in Düsseldorf für die Durchführung von XRD Messungen und für die
einträglichen Diskussionen danken.
Je poursuis ces quelques lignes dans ma langue maternelle pour remercier en premier
lieu Monsieur Francis Maury, Directeur de recherche au CIRIMAT, pour avoir assuré la
présidence de mon jury de thèse, ainsi que Messieurs Bruno Vandenberghe, ingénieur
chez Vallourec & Mannesmann et Jader Furtado, ingénieur chez AirLiquide pour avoir
accepté de faire partie de ce jury.
J’adresse mes vifs remerciements à Monsieur Fabrice Crabos, ingénieur chez
Turboméca, pour avoir participé au jury, mais surtout pour m’avoir « donné goût aux
hautes températures », il y a un peu plus de trois ans.

Je tiens à exprimer ma plus profonde reconnaissance à Monsieur Daniel Monceau,
chargé de recherche au CIRIMAT, pour avoir encadré ce travail, pour son énorme
disponibilité (même à des milliers de kilomètres !) et les précieux conseils qu’il a su me
donner. Je lui dois beaucoup, lui qui m’accompagne depuis mes débuts dans le domaine
des hautes températures et qui m’a encouragé à tenter l’aventure allemande…
Avec lui, je remercie très sincèrement les membres de l’équipe MEMO du CIRIMAT,
en particulier Dominique Poquillon, Philippe Maugis, Bernard Viguier et Jacques Lacaze
pour leur ouverture et pour avoir toujours su me poser les bonnes questions qui m’ont
permis d’avancer dans ma réflexion.
Aussi, je tiens à saluer Jean-Michel Brossard pour les simulations Dictra effectuées à
Madrid et pour son éternelle bonne humeur.
Je n’oublie pas tous les francophones de la Dechema, que je remercie très
sincèrement pour l’ambiance chaleureuse au laboratoire et en dehors. Merci en
particulier à Patrick Masset pour ses commentaires sur ce manuscrit de thèse et Edwige
Nicolas pour son aide à la réalisation d’un grand nombre d’essais expérimentaux.

J’exprime toute ma gratitude à l’ensemble de mes amis avec qui je passe de très bons
moments et qui me permettent d’oublier les sciences de temps en temps: les Alsaciens,
mes camarades d’études à Toulouse et tous ceux que j’ai rencontrés au cours de ces
trois années à Francfort.

Bien sûr, au moment où je rédige ces phrases, je pense à mes proches. Je remercie du
fond du cœur ma sœur Mathilde, mon frère Baptiste et mes parents pour leur inlassable
soutien depuis toujours. Merci pour tout ce qu’ils m’apportent, je leur en serai
éternellement reconnaissant. Merci notamment à mes parents pour m’avoir transmis ces
racines alsaciennes qui ont véritablement facilité mon adaptation de ce côté-ci du Rhin.





Francfort sur le Main, le 10 novembre 2005 Valentin Rohr














TABLE OF CONTENTS

INTRODUCTION---------------------------------------------------------------------------------------1
CHAPTER 1: OBJECTIVES OF THE WORK AND STATE OF THE
DEVELOPMENT5
1. CORROSION ISSUES IN A THERMAL POWER PLANT ---------------------------------------------6
1.1. PRINCIPLE OF A THERMAL STEAM POWER PLANT -----------------------------------------------6
1.2. IMPROVEMENT OF THE PLANT EFFICIENCIES ----------------------------------------------------6
1.3. CONSEQUENCES ON THE SUPERHEATER MATERIALS -------------------------------------------8
2. GENERAL ASPECTS OF HIGH TEMPERATURE CORROSION BY HOT GASES-------------------9
2.1. INTERACTION BETWEEN A METAL AND ITS ENVIRONMENT AT HIGH TEMPERATURE --------9
2.2. OXIDE LAYER GROWTH-------------------------------------------------------------------------- 10
2.3. CORROSION KINETICS---------------------------------------------------------------------------- 10
2.4. PRINCIPLES OF THE HIGH TEMPERATURE CORROSION PROTECTION------------------------- 13
2.5. IMPORTANT HIGH TEMPERATURE CORROSION ASPECTS IN COAL FIRED POWER PLANTS-- 14
3. CORROSION PROPERTIES OF THE STEELS USED FOR SUPERHEATERS --------------------- 15
3.1. T HE DEVELOPMENT AND MICROSTRUCTURE OF 9-12 % CR STEELS ------------------------- 15
3.2. CORROSION PROPERTIES OF 9-12 % CR STEELS ---------------------------------------------- 17
3.2.1. The borderline situation with regards to oxidation of 9-12 % Cr steels in air--------- 18
3.2.2. Influence of water vapour on the oxidation of 9-12 % Cr steels------------------------ 19
3.2.3. Corrosion behaviour in oxidising flue gas simulating coal firing environment------- 23
3.3. EFFECTS OF CORROSION ON CREEP ------------------------------------------------------------- 24
3.4. USE OF AUSTENITIC STEELS AND NI-BASE ALLOYS------------------------------------------- 26
3.5. POTENTIAL OF COATINGS ----------------------------------------------------------------------- 27
3.5.1. Chromia forming coatings ------------------------------------------------------------------- 27
3.5.2. Al or Si diffusion coatings 28
3.5.3. Oxidation of Fe-Al alloys below 800 °C--------------------------------------------------- 29
4. COATING PROCESSES INVESTIGATED IN THE PRESENT WORK------------------------------ 30
4.1. PACK CEMENTATION PROCESS------------------------------------------------------------------ 30
4.1.1.