L'eau et les solutions eau/glycol sont les fluides caloporteurs standard des circuits de refroidissement liquides industriels, mais leur activité électrochimique les rend également corrosifs pour les métaux avec lesquels ils sont en contact. Cet article traite des trois principaux mécanismes de corrosion — la corrosion chimique, la corrosion galvanique et la corrosion par érosion — ainsi que des choix de conception, de la chimie des fluides de refroidissement et des pratiques de maintenance permettant de les maîtriser. Ces recommandations sont particulièrement pertinentes pour plaques de froid liquide et échangeurs de chaleur à plaques et ailettes Utilisé pour la gestion thermique des batteries de véhicules électriques et le refroidissement des systèmes de stockage d'énergie. Les plages de pH, les limites de chlorures et les types d'inhibiteurs mentionnés sont des valeurs de référence. Les valeurs réelles doivent être validées par rapport aux spécifications du fournisseur de fluide de refroidissement, aux alliages et matériaux de liaison présents, ainsi qu'aux conditions de fonctionnement.
Pourquoi les circuits de refroidissement liquide sont-ils intrinsèquement sujets à la corrosion ?
Le risque de corrosion dans les circuits de refroidissement liquide est inhérent à la composition chimique des fluides de refroidissement à base d'eau et des métaux avec lesquels ils sont en contact. L'oxygène dissous est le principal facteur d'accélération. Dans les systèmes en circuit fermé, il est consommé durant les premières semaines de fonctionnement, après quoi le taux de corrosion diminue sensiblement. Les systèmes en circuit ouvert, quant à eux, renouvellent continuellement l'oxygène par contact avec l'air, ce qui maintient des taux de corrosion plus élevés tout au long de leur durée de vie.
Le pH, la conductivité, la concentration d'inhibiteur, la température, la vitesse d'écoulement du liquide de refroidissement et la combinaison spécifique des matériaux en contact avec le fluide interagissent tous pour déterminer le mécanisme de corrosion prédominant. Aucun paramètre, pris isolément, ne régit le comportement à la corrosion.
On distingue la corrosion générale et la corrosion localisée. La corrosion générale entraîne une perte de métal uniforme sur une surface ; elle est prévisible et généralement détectable avant toute défaillance structurelle. La corrosion localisée, principalement la corrosion par piqûres, pénètre rapidement dans les composants à parois minces, comme les canaux des plaques froides, et provoque souvent des fuites avant même que des dommages superficiels ne soient visibles.
Corrosion galvanique : métaux dissemblables et risque électrochimique
La corrosion galvanique se produit lorsque deux métaux de potentiels électrochimiques différents sont en contact électrique au sein d'un fluide de refroidissement conducteur. Ce fluide fait office d'électrolyte et le métal le moins noble se corrode préférentiellement. La vitesse de corrosion dépend de la différence de potentiel, de la conductivité du fluide, du pH, de la nature de l'inhibiteur, du rapport des surfaces anode et cathode, de la température et de l'existence d'un chemin électrique continu entre les composants.
L'aluminium et le cuivre forment une association à haut risque dans les fluides de refroidissement conducteurs à base d'eau. Sans inhibiteurs appropriés ni isolation galvanique, une plaque froide en aluminium reliée à des composants en cuivre ou en laiton dans le même circuit est susceptible de subir une corrosion accélérée. La vitesse de corrosion réelle dépend toutefois de toutes les variables mentionnées précédemment. Les circuits combinant aluminium et cuivre ou laiton doivent être évalués en fonction de la formulation spécifique du fluide de refroidissement, et non considérés comme systématiquement proscrits. Certains inhibiteurs sont adaptés aux circuits multimétaux. Lorsque l'utilisation de métaux différents est inévitable, des joints diélectriques peuvent interrompre le circuit électrique aux transitions de matériaux.
Le risque galvanique concerne tous les composants en contact avec le fluide : raccords, connecteurs, vannes et colliers contribuent tous à la corrosion électrochimique. La compatibilité des matériaux doit être évaluée sur l’ensemble du circuit hydraulique.
Érosion-corrosion : géométrie d’écoulement, particules et limites de débit des composants
La corrosion par érosion se produit lorsque la vitesse du fluide de refroidissement est suffisante pour éliminer mécaniquement la couche d'oxyde protectrice des surfaces métalliques. Le métal de base est alors exposé à une attaque chimique avant même que l'oxyde puisse se reformer, et le processus s'auto-entretient à mesure que le flux continue d'éroder chaque nouvelle couche en formation. Le risque est maximal aux endroits où la direction ou la vitesse du flux change brusquement : coudes de canal, collecteurs d'admission, transitions de diamètre abruptes et zones en aval des géométries génératrices de turbulences.
Il n'existe pas de seuil de vitesse de sécurité universel pour toutes les plaques froides. Le débit maximal doit être indiqué dans la fiche technique du fournisseur du composant et validé en fonction de la géométrie du canal, de la chimie du fluide de refroidissement, de la qualité de la filtration et des limites de perte de charge de l'installation spécifique.
Le liquide de refroidissement contenant des particules en suspension (issues de la corrosion, de dépôts ou d'une filtration insuffisante) intensifie l'érosion, même à faible débit. Les filtres à particules constituent donc un élément de protection contre la corrosion, et non une simple mesure de propreté.
Les mesures de contrôle comprennent des coudes à grand rayon, des variations progressives de diamètre aux entrées du collecteur, des finitions internes lisses, une réduction de l'oxygène dissous et une filtration adaptée à la géométrie du canal. Les débits maximaux spécifiés pour chaque composant ne doivent pas être dépassés lors de la mise en service ou du rinçage de maintenance.
Chimie des fluides de refroidissement : pH, inhibiteurs et surveillance
Efficace sélection du liquide de refroidissement Pour les plaques froides en aluminium, il convient de prendre en compte trois contrôles interdépendants : la stabilité du pH, la chimie de l’inhibiteur adaptée aux métaux présents et le maintien de l’état du glycol pendant sa durée de vie.
pH : Pour les circuits à plaques froides à dominante aluminium, de nombreux fournisseurs de fluides de refroidissement préconisent un pH proche de la neutralité à légèrement alcalin, généralement entre 7,0 et 8,5. Ceci protège la couche d'oxyde d'aluminium contre la corrosion par piqûres acides et la dissolution alcaline. Les circuits à métaux mixtes et les fluides à base de glycol peuvent nécessiter des plages de pH différentes, par exemple de 8,0 à 10,5, en fonction des inhibiteurs et des matériaux présents. Les spécifications du fournisseur de fluide de refroidissement font foi ; les plages indiquées ci-dessus ne sont que des points de départ.
Sélection de l'inhibiteur en fonction du métal :
- Phosphates : efficace sur le fer, l'acier et la plupart des aluminiums
- Tolyltriazole (TT) / benzotriazole (BT) : efficace sur le cuivre et le laiton ; standard dans les emballages d'inhibiteurs de circuits multimétaux
- Silicates : large spectre à faibles concentrations ; risque de dépôts à des concentrations plus élevées ou à des températures élevées
- Nitrites : efficace sur les métaux ferreux ; ne convient pas aux concentrations élevées en présence de soudure étain-plomb.
- Molybdates : Efficace sur les métaux ferreux ; largement utilisé en remplacement des inhibiteurs traditionnels à base de chromate.
Les inhibiteurs s'épuisent par consommation chimique et dégradation thermique. Leur concentration doit être vérifiée à intervalles réguliers ; le temps écoulé seul n'est pas un indicateur fiable.
Surveillance: Un réfractomètre mesure uniquement la concentration en glycol. La concentration en inhibiteur nécessite un contrôle distinct : le kit de test du fournisseur de liquide de refroidissement, une méthode colorimétrique ou de titrage, ou une analyse en laboratoire telle que la spectrométrie d'émission atomique à plasma inductif (ICP) ou la chromatographie ionique, lorsqu'un suivi plus précis est nécessaire. Le pH et les niveaux d'inhibiteur doivent être revérifiés dans les 24 à 48 heures suivant toute purge ou tout remplissage, une fois que le système a atteint sa température de fonctionnement.
Normes et méthodes d'essai pour le contrôle de la corrosion
Les spécifications relatives à la protection contre la corrosion doivent faire référence à des méthodes d'essai et à des lignes directrices établies plutôt que de s'appuyer sur des paramètres génériques :
| Norme / Ligne directrice | Application |
|---|---|
| ASTM D8040 | Essais de corrosion des fluides caloporteurs ; convient au dépistage initial des fluides de refroidissement |
| ASTM D1384 | Test de corrosion de la verrerie pour les liquides de refroidissement moteur ; largement utilisé pour la qualification des fluides de refroidissement |
| ASTM D4340 | Corrosion des alliages d'aluminium coulés en conditions de rejet de chaleur ; pertinente pour la qualification des plaques froides |
| ASTM G1 / G31 / G102 | Préparation des échantillons, essais d'immersion et calcul du taux de corrosion |
| Directives OCP relatives au refroidissement liquide à base d'eau/à base de PG | Paramètres du fluide de refroidissement, compatibilité des matériaux et surveillance des circuits de la plaque froide |
| ASHRAE TC 9.9 | contexte de conception du refroidissement des centres de données |
| Références AMPP / NACE | Terminologie de la corrosion et données de compatibilité des matériaux |
Pour les applications EV et ESS, la qualification du liquide de refroidissement doit également prendre en compte les contraintes de cyclage thermique sur les joints mouillés, l'exposition aux vibrations et les performances de protection contre le gel, en plus de la résistance à la corrosion.
Considérations relatives à la conception des alliages d'aluminium et du brasage
La résistance à la corrosion des plaques froides en aluminium dépend de conception d'une plaque froide Les décisions – choix de l’alliage, conception du brasage, état de surface et compatibilité du liquide de refroidissement – ne sont pas uniquement liées à la chimie du liquide de refroidissement.
- Sélection de l'alliage : Les alliages de la série 3xxx (à base de manganèse) sont largement utilisés dans les échangeurs de chaleur et les applications de brasage pour leur résistance à la corrosion dans de nombreux environnements de refroidissement. Les alliages de la série 6xxx (magnésium-silicium) offrent une résistance structurelle supérieure et sont couramment utilisés dans les corps de plaques froides usinés ou extrudés. Leur comportement à la corrosion doit être validé en fonction du taux de chlorures, du pH, du traitement de surface et du procédé d'assemblage utilisé.
- Revêtement brasé : Dans certaines conceptions de tôles brasées, la couche de revêtement est formulée pour être légèrement plus anodique que l'alliage du noyau. Ceci assure une protection sacrificielle du matériau de structure, similaire au principe des anodes de zinc utilisées pour la protection contre la corrosion marine. Ce principe ne doit pas être appliqué systématiquement aux tôles brasées à froid. La composition de l'alliage de revêtement, de l'alliage d'apport et de l'alliage du noyau, ainsi que l'état de surface après brasage, doivent être spécifiés et validés pour l'application prévue.
- Finition de surface : La rugosité de la surface interne des canaux crée des turbulences localisées qui accélèrent la corrosion-érosion aux vitesses d'écoulement de fonctionnement. Des finitions internes lisses et des transitions progressives entre les orifices réduisent ce risque sans compromettre les performances thermiques.
Nos plaques de refroidissement par eau sont fabriquées à partir d'alliages d'aluminium sélectionnés pour les environnements EV et ESS, avec une géométrie des canaux et des spécifications de surface développées pour une résistance à la corrosion à long terme.
Programme d'entretien pour la protection anticorrosion à long terme
Le calendrier suivant prend en charge Durée de vie de l'ESS en détectant les problèmes de chimie du liquide de refroidissement avant qu'ils n'endommagent les composants.
| Phase | Vérifications recommandées |
|---|---|
| mise en service | pH, conductivité, chlorure, dureté, TSS/TDS, concentration de glycol, niveau d'inhibiteur, ions métalliques de base (Al, Cu, Fe, Zn) |
| Premier mois | pH, conductivité, inspection visuelle et pression différentielle du filtre hebdomadaires |
| Premier trimestre | Analyses chimiques mensuelles + concentration d'inhibiteur |
| Fonctionnement stable | Tests trimestriels sur site ; analyses semestrielles ou annuelles en laboratoire par ICP/chromatographie ionique |
| Après la chasse d'eau ou le remplissage | Tester à nouveau le pH, la conductivité, l'inhibiteur et les ions métalliques dans un délai de 24 à 48 heures à la température de fonctionnement. |
Un pH hors des valeurs spécifiées par le fournisseur de liquide de refroidissement doit entraîner un rinçage et un remplissage immédiats. Toute tentative de correction du pH sur site, en cours de fonctionnement, accélère la corrosion et provoque des dommages irréversibles.
Conclusion
La maîtrise de la corrosion dans les circuits de refroidissement liquide en aluminium exige d'adapter la chimie du fluide de refroidissement, le choix des matériaux et les pratiques de maintenance aux conditions spécifiques de chaque système. Les modes de défaillance les plus fréquemment à l'origine d'interruptions de service dans les applications pour véhicules électriques et systèmes de stockage d'énergie — la corrosion par piqûres due à la contamination par les halogénures, la corrosion galvanique aux jonctions métalliques mixtes et l'érosion au niveau des canaux à haute vitesse — font chacun l'objet de mesures techniques de contrôle. Ces mesures sont optimales lorsqu'elles sont prises en compte dès la conception.
Dans les plaques froides que nous concevons pour la gestion thermique des batteries de véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie, trois variables déterminent de façon constante la résistance à la corrosion à long terme : les spécifications de l'alliage et du revêtement brasé, la qualité de l'eau d'entrée lors de la mise en service et la composition chimique de l'inhibiteur maintenue pendant toute la durée de vie. Les systèmes mis en service avec un pH et une concentration d'inhibiteur conformes aux spécifications du fournisseur de fluide de refroidissement — et maintenus dans ces conditions grâce à une surveillance régulière — atteignent systématiquement leur durée de vie nominale sans défaillance liée à la corrosion.
Les ingénieurs qui évaluent les options de plaques froides pour les applications de véhicules électriques ou de systèmes de stockage d'énergie sensibles à la corrosion sont invités à nous contacter en nous fournissant l'architecture de leur circuit, la chimie du fluide de refroidissement, la liste des matériaux et les conditions de fonctionnement pour une analyse de compatibilité. Plaques de refroidissement de l'eau sont disponibles avec un support d'ingénierie d'application couvrant la sélection des alliages, les essais de pression et la compatibilité du liquide de refroidissement.
FAQ
Quel liquide de refroidissement est recommandé pour les plaques froides en aluminium des systèmes de véhicules électriques et de stockage d'énergie ?
Les mélanges eau/éthylène glycol ou propylène glycol inhibés sont la norme, avec un système d'inhibition compatible avec l'aluminium. La compatibilité des matériaux pour le circuit spécifique est déterminée par les spécifications du fournisseur de liquide de refroidissement (plage de pH, concentration d'inhibiteur, limite de chlorures, conductivité et rapport glycol/eau). Les spécifications génériques des liquides de refroidissement ne remplacent pas une validation au niveau de l'application.
L'aluminium et le cuivre peuvent-ils être utilisés dans le même circuit de refroidissement liquide ?
L'aluminium et le cuivre présentent un risque galvanique élevé dans les fluides de refroidissement conducteurs à base d'eau. L'acceptabilité d'un circuit donné dépend de la conductivité du fluide de refroidissement, de la chimie de l'inhibiteur, du rapport des surfaces anode/cathode, de la température et de la continuité électrique entre les composants. Certains inhibiteurs sont compatibles avec les circuits aluminium-cuivre. Il est impératif de vérifier la compatibilité auprès du fournisseur de fluide de refroidissement avant d'opter pour une conception multimétallique.
Quel est le taux de chlorure sans danger pour les plaques de refroidissement à eau en aluminium ?
Il n'existe pas de seuil de chlorures unique et sans risque pour toutes les plaques froides en aluminium. La limite acceptable dépend de l'alliage, du matériau de brasage, de la nuance d'acier inoxydable, de la température de fonctionnement, du pH et de la composition chimique de l'inhibiteur. Le fournisseur de liquide de refroidissement doit définir la limite de chlorures pour le circuit concerné. Les applications de plaques froides pour batteries de véhicules électriques exigent généralement un contrôle strict de la teneur en chlorures, à de faibles concentrations (ppm).
Comment tester la présence d'inhibiteurs de corrosion dans un liquide de refroidissement ?
Un réfractomètre mesure uniquement la concentration en glycol, et non celle des inhibiteurs. Utilisez le kit de test du fournisseur de liquide de refroidissement ou une méthode colorimétrique/de titrage pour déterminer la concentration en inhibiteurs. L'analyse ICP ou la chromatographie ionique permettent de quantifier les composants spécifiques des inhibiteurs et les tendances des ions métalliques, ce qui est utile pour l'établissement des valeurs de référence lors de la mise en service et la détection précoce de la corrosion.
Quelles sont les normes applicables aux essais de corrosion du liquide de refroidissement pour les plaques froides ?
Les normes ASTM D8040 et D1384 traitent du contrôle de la corrosion des fluides de refroidissement. La norme ASTM D4340 aborde la corrosion de l'aluminium en conditions de refroidissement. La norme ASTM G31 couvre les essais d'immersion. Les directives relatives aux fluides de refroidissement à base d'eau et de propylène glycol (PG) définissent les paramètres cibles et les protocoles de surveillance spécifiques aux circuits de plaques froides. Il convient de s'y référer lors de la qualification des fluides de refroidissement plutôt que de se fier uniquement aux valeurs des fiches techniques.
