Corrosion par piqûres et corrosion caverneuse
Comment reconnaître et prévenir la corrosion par piqûres et la corrosion caverneuse
Buddy Damm, chargé de recherche senior chez Swagelok
La corrosion – c’est-à-dire la dégradation des matériaux industriels par réaction chimique avec le milieu environnant – est un problème qui coûte extrêmement cher. Le coût global de la corrosion est estimé à environ 2500 milliards de dollars par an1. Dans les installations pétrolières et gazières exploitées en mer ou sur le littoral en particulier, les dommages causés par une corrosion non contrôlée sont une cause majeure de pertes de profits. Selon une étude réalisée par l’Association nationale des ingénieurs spécialisés en corrosion (NACE), ces pertes se chiffrent à 1,373 milliard de dollars chaque année. Plus précisément, la NACE répartit ces coûts de la manière suivante : 589 millions de dollars pour les dégâts causés aux pipelines et installations de surface ; 463 millions de dollars pour les tubes de fond de puits ; 320 millions de dollars supplémentaires en dépenses d’investissement liées à la corrosion2.
Il y a toutefois un point positif : il est possible d’atténuer ou de prévenir les phénomènes de corrosion courants en prenant des mesures relativement simples avant qu’ils ne causent des dommages majeurs et coûteux aux systèmes fluides des installations pétrolières et gazières.
Prendre des mesures préventives nécessite cependant de savoir repérer et différencier divers types de corrosion pour pouvoir mettre en œuvre des solutions appropriées. La corrosion par piqûres et la corrosion caverneuse font partie des types de corrosion que l’on rencontre le plus souvent dans l’industrie pétrolière et gazière – et qui coûtent le plus cher. En gardant cela à l’esprit, nous allons maintenant expliquer l’origine du phénomène de corrosion, la différence entre corrosion par piqûres et corrosion caverneuse, ainsi que les mesures que vous pouvez prendre pour protéger vos actifs de production de défaillances liées à la corrosion.
Qu’est-ce que la corrosion et quelles sont les causes de la corrosion de l’acier inoxydable ?
Fondamentalement, la corrosion est un ensemble de réactions électrochimiques qui associe une oxydation (perte d’électrons) au niveau d’une anode et une réduction (gain d’électrons) au niveau d’une cathode. Presque tous les métaux utilisés dans le monde sont sujets à la corrosion dans certaines circonstances. Par exemple, lorsque le fer présent dans un tube en acier s’oxyde, chaque atome de fer perd deux électrons et se dissout dans l’eau sous forme d’un ion positif Fe++. Au même moment, les électrons du fer oxydé participent à une réaction de réduction faisant intervenir de l’oxygène (O2) dissout dans l’eau (H2O) pour former des ions hydroxyde négatifs (OH-). Cela crée de la rouille, un sous-produit courant de la corrosion de l’acier au carbone. Il existe toutefois de nombreux autres types de corrosion. Or, à chaque type de corrosion est associé un risque particulier qui doit être évalué de manière à choisir le matériau le mieux adapté à votre application.
Des systèmes de tubes métalliques sont souvent utilisés pour l’instrumentation analytique, l’instrumentation de process, les conduites hydrauliques, les applications de régulation et les réseaux de distribution. De nombreux composants utilisés dans les installations pétrolières et gazières sont fabriqués dans un acier inoxydable contenant plus de 10 % de chrome. Le chrome favorise la formation d’une couche d’oxyde qui protège le métal de la corrosion. La corrosion des aciers inoxydables survient toutefois lorsque les conditions ambiantes ou une action mécanique provoquent une dégradation de cette couche protectrice. Si cette couche ne parvient pas à se reformer dans une solution donnée, la corrosion peut alors se propager rapidement.
Des mesures peuvent être prises pour éviter la corrosion de l’acier inoxydable dans les installations pétrolières et gazières, en particulier les installations offshore. Ces mesures nécessitent d’avoir une connaissance élémentaire des différents types de corrosion et des facteurs qui en sont à l’origine. Savoir où rechercher les signes d’une corrosion permet de limiter les risques sur des plates-formes pétrolières et dans des raffineries avec des économies de temps et d’argent substantielles à la clé.
Qu’est-ce que la corrosion par piqûres, qu’est-ce que la corrosion caverneuse et comment les reconnaître ?
En fonction de la composition des matériaux de fabrication utilisés, de l’environnement d’exploitation et des fluides des process, plusieurs types de corrosion peuvent causer de gros dégâts sur des installations pétrolières et gazières. Cela étant, deux formes de corrosion localisée de l’acier inoxydable sont plus courantes que les autres : la corrosion par piqûres et la corrosion caverneuse.
Chimie des alliages et résistance aux attaques localisées
La corrosion par piqûres et la corrosion caverneuse se produisent lorsque le milieu environnant provoque une rupture du film de passivation riche en oxyde de chrome qui recouvre la surface d’un acier inoxydable. En mer comme sur le littoral, ce film de passivation est dégradé par les ions chlorure (Cl-) présents dans l’eau de mer et dans l’air marin. Les éléments ajoutés aux alliages pour renforcer le film de passivation sont le chrome (Cr), le molybdène (Mo), le tungstène (W) et l’azote (N). On utilise souvent le PREN (un indice de résistance à la corrosion par piqûres) pour quantifier la résistance relative du film de passivation d’un alliage aux ions Cl-.
PREN = %Cr + 3,3 x (%Mo + %W) + 16 x %N
Qu’est-ce que la corrosion par piqûres ?
S’il est possible de repérer visuellement le point d’entrée d’une piqûre, il se peut toutefois que celle-ci se répande bien au-delà de ce point sous la surface du métal. Si rien n’est fait, ces piqûres peuvent devenir suffisamment profondes pour perforer entièrement la paroi d’un tube. Cela peut provoquer des fuites qui ont un coût, entraîner des risques pour l’environnement et la sécurité, et nécessiter de coûteuses interventions de maintenance imprévues. La corrosion par piqûres peut également faciliter l’apparition et le développement de fissures dans des composants soumis à des efforts de tension. Une forte concentration en ions chlorure (Cl-) – créée notamment par l’évaporation de gouttelettes d’eau salée déposées sur une surface – favorise la corrosion par piqûres. Le phénomène de corrosion est plus rapide sous un climat tropical chaud et humide que sous un climat plus tempéré et plus sec.
Lorsque l’on examine un tube en acier inoxydable pour y trouver les signes d’une corrosion par piqûres, on recherchera des dépôts brun rougeâtre d’oxyde de fer ainsi que la présence éventuelle de cavités qui auront pu se former sur la surface du métal. On portera une attention particulière aux surfaces sur lesquelles de l’eau riche en ions Cl- (p. ex. de l’eau de mer) est susceptible de s’accumuler et de s’évaporer, ainsi qu’aux surfaces orientées vers le bas sur lesquelles des gouttelettes suspendues s’évaporent. Lorsque l’eau s’évapore, la concentration en Cl- augmente dans l’eau restante, ce qui la rend encore plus corrosive.
Qu’est-ce que la corrosion caverneuse ?
Dans un système fluide, des anfractuosités sont généralement présentes entre les tubes et les supports ou les colliers qui les soutiennent, entre deux tronçons de tube adjacents ou sous la boue ou les dépôts qui ont pu s’accumuler sur des surfaces. Pratiquement inévitables, ces anfractuosités, lorsqu’elles sont étroites, constituent l’un des principaux dangers pour l’intégrité des aciers inoxydables. Dans des installations offshore ou côtières, la corrosion caverneuse se produit souvent lorsque de l’eau de mer se diffuse dans une anfractuosité où elle crée un milieu chimiquement agressif dont les ions responsables de la corrosion peuvent difficilement s’extraire. Par conséquent, le milieu ambiant dans l’anfractuosité devient de plus en plus corrosif à mesure que la réaction électrochimique se poursuit. Dans cette situation, c’est toute la surface à l’intérieur de l’anfractuosité qui peut se corroder à un rythme rapide.
Souvent, la corrosion caverneuse ne peut être observée que lorsque l’on démonte le collier qui tient un tube. Il est important de se souvenir que, par rapport à la corrosion par piqûres, la corrosion caverneuse peut se produire à des températures plus basses. Cela est dû au milieu ambiant toujours plus corrosif qui se développe dans les anfractuosités au fur et à mesure que la réaction de corrosion suit son cours (par exemple, au niveau d’un collier de serrage).
Comment empêcher la corrosion par piqûres et la corrosion caverneuse ?
Former son personnel aux bases de la physique des matériaux et adopter de bonnes pratiques de prévention permettra de limiter la corrosion dans de nombreuses situations.
Tout d’abord, réfléchissez au choix des matériaux pour les applications de tuyauterie, depuis les tubes eux-mêmes jusqu’aux supports et colliers de serrage. Un alliage avec un PREN élevé résistera mieux à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse. Les tests effectués en laboratoire – selon la norme ASTM G48 – pour déterminer la température critique de piqûration (TCP) et la température critique de corrosion caverneuse (TCC) constituent un outil précieux pour comparer des matériaux qui seront utilisés dans des milieux corrosifs. Le test TCP permet de déterminer la température à laquelle les piqûres commencent à apparaître sur un matériau dans une solution corrosive particulière. De la même façon, le test TCC permet de déterminer la température à laquelle la corrosion caverneuse commence à apparaître sur un échantillon comportant une anfractuosité aux caractéristiques définies exposé à une solution corrosive. Plus le PREN est élevé, plus les TCP et TCC augmentent.
TCP et TCC mesurées selon la norme ASTM G48 dans une solution de chlorure ferrique (chlorure de fer III) à 10 %
Indice de résistance à la corrosion par piqûres (PREN), températures d’apparition de la corrosion par piqûres (TCP) et de la corrosion caverneuse (TCC)
Les matériaux qui ont une TCP et une TCC élevées sont généralement plus indiqués pour une utilisation dans des environnements corrosifs similaires par rapport à des matériaux dont la TCP et la TCC sont plus basses. Par exemple, on constate sur la figure ci-dessus que la TCP de l’acier inoxydable 304L est la plus basse – parmi les matériaux testés – alors que les alliages 6Mo et 2507 font partie des aciers inoxydables aux TCP et TCC les plus élevées. Cela montre que ces deux alliages sont plus résistants à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse que les aciers inoxydables 304L et 316L dans des solutions contenant des ions chlorure. Il est important de garder à l’esprit que ces tests sont utiles pour comparer et choisir des matériaux, mais qu’ils ne permettent pas de prédire à quel moment surviendra une défaillance du matériau en situation réelle. Les alliages de nickel comme les alliages 625, C22 et C276 offrent la plus grande résistance à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse.
Les tubes en acier inoxydable 316L (UNS S31603) conviennent à de nombreuses installations, tant qu’ils restent propres et que la température n’est pas trop élevée. La corrosion des tubes en acier inoxydable 316L se rencontrera davantage dans les climats chauds, en particulier dans les endroits où des dépôts de sel se forment facilement, ainsi que dans les installations où la rouille provenant de poutres et de planchers en acier au carbone s’accumule sur des surfaces en acier inoxydable. Cependant, parce qu’il contient du molybdène, l’acier inoxydable 316L sera plus performant que l’acier inoxydable 304L (UNS S30403) dans ces environnements corrosifs.
Pour les situations dans lesquelles les caractéristiques de l’acier 316L sont insuffisantes pour répondre aux exigences de durée de vie de l’application, on optera pour des tubes fabriqués dans des aciers inoxydables super austénitiques (p. ex. les alliages 6Mo ou 6HN, UNS N08367) ou super duplex (p. ex. l’alliage 2507, UNS S32750), dont la résistance à la corrosion est considérablement améliorée. Par ailleurs, avec une limite d’élasticité et une résistance à la traction supérieures, les aciers inoxydables super austénitiques et super duplex facilitent également la construction de systèmes conçus pour supporter une pression de service admissible maximale (PSAM) élevée. Vous pourrez éviter des erreurs coûteuses en demandant conseil à votre fournisseur de tubes et de raccords pour choisir des produits et des matériaux adaptés.
En plus de bien choisir les matériaux, il convient d’adopter de bonnes pratiques pour prévenir la corrosion et limiter autant que possible le nombre d’endroits où la corrosion caverneuse est susceptible d’apparaître. Une façon de limiter la corrosion caverneuse dans un système consiste à éviter de placer directement les tubes contre une paroi ou l’un contre l’autre. Lorsque l’on observe une corrosion caverneuse sur des tubes en acier inoxydable 316L, on peut alors les remplacer par des tubes fabriqués dans un métal plus résistant à la corrosion comme l’alliage 6Mo, tout en conservant l’acier inoxydable 316L moins coûteux pour les raccords.
Vous désirez en savoir plus ? Certains programmes de formation permettront à votre équipe d’acquérir des connaissances encore plus approfondies qui bénéficieront à la fois aux nouvelles recrues et aux professionnels confirmés. Vous pouvez en outre explorer le Point de repère Swagelok pour en apprendre davantage sur la prévention de la corrosion et sur d’autres moyens de maintenir en permanence le fonctionnement de vos actifs de production à un niveau optimal.
1NACE.
2AMPP.
À propos de l’auteur
Buddy Damm a intégré Swagelok en 2023. En tant que chargé de recherche senior en métallurgie, son travail consiste à améliorer des produits existants, à développer de nouveaux produits et à sélectionner des matériaux optimisés pour divers environnements industriels. Diplômé de l’Université technologique du Michigan et de l’École des mines du Colorado, et fort de 30 ans d’expérience dans des secteurs comme le pétrole et le gaz, l’aérospatiale ou les énergies propres, il apporte une connaissance approfondie des phénomènes de corrosion, de fatigue et de fracture des métaux ainsi qu’une expertise en ingénierie des matériaux.
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