Corrosion
La corrosion est un facteur déterminant dans le choix du matériau pour toute installation industrielle ou machine, car le matériau choisi doit résister aux différents types de corrosion auxquels il sera exposé. Cet article se concentre sur les divers types de corrosion et leurs effets sur les métaux.
La corrosion est la dégradation d'un matériau due à son interaction avec l'environnement. C'est le processus par lequel les atomes métalliques quittent le métal ou forment des composés en présence d'eau et de gaz. Tous les métaux et alliages sont sujets à la corrosion. Même les métaux nobles, comme l'or, peuvent être attaqués dans certains environnements.
La corrosion des métaux est un processus naturel. La plupart des métaux ne sont pas thermodynamiquement stables sous leur forme métallique; ils tendent à corroder et à revenir aux formes plus stables que l'on trouve normalement dans les minerais, comme les oxydes. Bien que cette corrosion ne puisse être éliminée, elle peut être contrôlée.
Corrosion Générale
La corrosion générale impliquant l'eau et l'acier résulte généralement d'une réaction chimique où la surface de l'acier s'oxyde, formant de l'oxyde de fer (rouille). La plupart des composants dans les installations industrielles sont fabriqués à partir d'une forme de fer ou d'acier (un alliage à base de fer), donc la corrosion générale est d'une grande importance.
Quelques méthodes standard associées à la sélection des matériaux qui protègent contre la corrosion générale incluent :
- L'utilisation de matériaux résistants à la corrosion tels que l'acier inoxydable, le nickel, le chrome et les alliages de molybdène. Note : Gardez à l'esprit que la corrosion est de nature électrochimique, et la résistance à la corrosion des aciers inoxydables résulte de films d'oxyde de surface qui interfèrent avec le processus électrochimique.
- L'utilisation de revêtements protecteurs tels que les peintures et les époxydes.
- L'application de revêtements ou de doublures métalliques et non métalliques sur la surface, qui protègent contre la corrosion, mais permettent au matériau de conserver sa résistance structurelle (par exemple, un réservoir sous pression en acier au carbone avec un revêtement en acier inoxydable comme doublure).
Corrosion Galvanique
La corrosion galvanique se produit lorsque deux métaux dissemblables avec des potentiels électriques différents sont en contact électrique l'un avec l'autre dans un électrolyte. Une différence de potentiel électrique existe entre les différents métaux et sert de force motrice pour le courant électrique à travers le corrodant ou l'électrolyte; ce courant entraîne la corrosion de l'un des métaux. Plus la différence de potentiel est grande, plus la probabilité de corrosion galvanique est élevée. La corrosion galvanique ne provoque la détérioration que de l'un des métaux. Le métal moins résistant, plus actif, devient le site de corrosion anodique (négatif). Le métal plus fort, plus noble, est cathodique (positif) et protégé. S'il n'y avait pas de contact électrique, les deux métaux seraient attaqués uniformément par le milieu corrosif et cela s'appellerait alors corrosion générale.
Des tableaux de différence de potentiel électrique ont été créés qui classent les métaux séquentiellement du plus actif, ou le moins noble, au passif, ou le plus noble.
La corrosion galvanique est d'une préoccupation particulière dans la conception et la sélection des matériaux. La sélection des matériaux est importante car différents métaux peuvent entrer en contact les uns avec les autres et former des cellules galvaniques. La conception est importante pour minimiser les conditions de flux différentes et les zones résultantes d'accumulation de corrosion.
Dans certains cas, la corrosion galvanique peut être utile. Par exemple, si des morceaux de zinc sont attachés au fond d'un réservoir d'eau en acier, le zinc deviendra l'anode et il corrodera. L'acier dans le réservoir devient la cathode et ne sera pas affecté par la corrosion. Cette technique est connue sous le nom de protection cathodique. Le métal à protéger est forcé de devenir une cathode, et il corrodera à un rythme beaucoup plus lent que l'autre métal, qui est utilisé comme anode sacrificielle.
Corrosion Localisée
La corrosion localisée est définie comme l'élimination sélective du métal par corrosion à de petites zones ou zones sur une surface métallique en contact avec un environnement corrosif, généralement un liquide. Elle se produit généralement lorsque de petits sites locaux sont attaqués à un rythme beaucoup plus élevé que le reste de la surface d'origine. La corrosion localisée se produit lorsque la corrosion fonctionne avec d'autres processus destructeurs tels que le stress, la fatigue, l'érosion, et d'autres formes d'attaque chimique. Les mécanismes de corrosion localisée peuvent causer plus de dommages que l'un de ces processus destructeurs individuellement. Il existe de nombreux types de corrosion localisée. La piqûre, la fissuration par corrosion sous contrainte, la corrosion par contrainte au chlorure, la corrosion par contrainte caustique, la corrosion par contrainte du côté primaire, le bosselage des tubes d'échangeurs de chaleur, le gaspillage, et l'attaque intergranulaire, pour n'en nommer que quelques-uns.
Fissuration par Corrosion Sous Contrainte
Un des problèmes métallurgiques les plus graves et qui est une préoccupation majeure dans l'industrie de la production d'énergie est la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). La SCC est un type d'attaque intergranulaire qui se produit aux joints de grains sous contrainte de traction. Elle a tendance à se propager lorsque le stress ouvre des fissures qui sont sujettes à la corrosion, qui sont ensuite corrodées davantage, affaiblissant le métal par une fissuration supplémentaire. Les fissures peuvent suivre des chemins intergranulaires ou transgranulaires, et il y a souvent une tendance au ramification des fissures.
Les fissures se forment et se propagent approximativement à angle droit par rapport à la direction des contraintes de traction à des niveaux de contrainte bien inférieurs à ceux nécessaires pour fracturer le matériau en l'absence de l'environnement corrosif. À mesure que la fissuration pénètre plus profondément dans le matériau, elle réduit finalement la section transversale de support du matériau au point de défaillance structurelle par surcharge.
Les contraintes qui causent la fissuration proviennent du travail à froid résiduel, du soudage, du meulage, du traitement thermique ou des contraintes appliquées pendant le service; la contrainte appliquée doit être de traction (par opposition à la compression).
La SCC se produit dans les métaux exposés à un environnement où, si la contrainte n'était pas présente ou était à des niveaux beaucoup plus bas, il n'y aurait pas de dommage. Si la structure, soumise aux mêmes contraintes, était dans un environnement différent (non corrosif pour ce matériau), il n'y aurait pas de défaillance. Des exemples de SCC dans l'industrie de la production d'énergie sont les fissures dans les systèmes de tuyauterie en acier inoxydable et les tiges de vannes en acier inoxydable.
Les moyens les plus efficaces de prévenir la SCC sont :
- Conception appropriée.
- Réduction du stress.
- Élimination des espèces environnementales critiques telles que les hydroxydes, les chlorures, et l'oxygène.
- Éviter les zones stagnantes et les crevasses dans les échangeurs de chaleur où les chlorures et les hydroxydes pourraient se concentrer.
Les aciers faiblement alliés sont moins sensibles à la SCC que les aciers fortement alliés, mais ils sont sujets à la SCC dans l'eau contenant des ions chlorure. Les alliages à base de nickel, cependant, ne sont pas affectés par les ions chlorure ou hydroxyde.
Un exemple d'alliage à base de nickel résistant à la fissuration par corrosion sous contrainte est l'Inconel. L'Inconel est composé de 72% de nickel, 14-17% de chrome, 6-10% de fer, et de petites quantités de manganèse, de carbone et de cuivre.
Corrosion par Contrainte au Chlorure
La corrosion par contrainte au chlorure est un type de corrosion intergranulaire et se produit dans les aciers inoxydables austénitiques sous contrainte de traction en présence d'oxygène, d'ions chlorure, et de haute température.
On pense qu'elle commence par des dépôts de carbure de chrome le long des joints de grains qui laissent le métal ouvert à la corrosion. Cette forme de corrosion est contrôlée en maintenant une faible teneur en ions chlorure et en oxygène dans l'environnement et en utilisant des aciers à faible teneur en carbone.
Corrosion par Contrainte Caustique
Malgré la qualification extensive de l'Inconel pour des applications spécifiques, un certain nombre de problèmes de corrosion sont survenus avec les tubes en Inconel. Une résistance améliorée à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique peut être donnée à l'Inconel en le traitant thermiquement à 620°C à 705°C, selon la température de traitement de solution préalable, mais d'autres problèmes qui ont été observés avec l'Inconel incluent le gaspillage, le bosselage des tubes, la piqûre et l'attaque intergranulaire.
Résumé
Les informations importantes de cette section sont résumées ci-dessous :
Résumé de la Corrosion
- La corrosion est la détérioration naturelle d'un métal dans laquelle les atomes métalliques quittent le métal ou forment des composés en présence d'eau ou de gaz. La corrosion générale peut être minimisée par l'utilisation de matériaux résistants à la corrosion et l'ajout de revêtements et de doublures protecteurs.
- La corrosion galvanique se produit lorsque des métaux dissemblables existent à des potentiels électriques différents en présence d'un électrolyte. La corrosion galvanique peut être réduite par une conception et une sélection de matériaux soigneuses, et l'utilisation d'anodes sacrificielles.
- La corrosion localisée peut être particulièrement dommageable en présence d'autres forces destructrices telles que le stress, la fatigue, et d'autres formes d'attaque chimique.
- La fissuration par corrosion sous contrainte se produit aux joints de grains sous contrainte de traction. Elle se propage lorsque le stress ouvre des fissures qui sont sujettes à la corrosion, affaiblissant finalement le métal jusqu'à la défaillance. Les moyens efficaces de réduire la SCC sont 1) une conception appropriée, 2) la réduction du stress, 3) l'élimination des agents corrosifs, et 4) l'évitement des zones de concentration d'ions chlorure et hydroxyde.
- La corrosion par contrainte au chlorure se produit dans les aciers inoxydables austénitiques sous contrainte de traction en présence d'oxygène, d'ions chlorure, et de haute température. Elle est contrôlée par l'élimination de l'oxygène et des ions chlorure dans l'environnement et l'utilisation d'aciers à faible teneur en carbone.
- Les problèmes survenant avec l'utilisation de l'Inconel incluent la fissuration par corrosion sous contrainte caustique, le gaspillage, le bosselage des tubes, la piqûre et l'attaque intergranulaire. La résistance de l'Inconel à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique peut être améliorée par traitement thermique.