Corrosion / sélection des matériaux

Ce Document de Mesures Techniques couvre la corrosion des matériaux et le choix des matériaux de construction. Il est fait référence aux codes de pratique et aux normes pertinents.

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La corrosion est la principale cause de panne d'usines et d'équipements dans les industries de transformation. Pour la plupart des applications, il est possible de sélectionner des matériaux de construction totalement résistants à l'attaque par les fluides du procédé, mais le coût d'une telle approche est souvent prohibitif. En pratique, il est courant de sélectionner des matériaux qui se corrodent lentement à une vitesse connue et d'en tenir compte lors de la spécification de l'épaisseur du matériau. Cependant, une proportion importante de défaillances par corrosion se produit en raison d'une certaine forme de corrosion localisée, ce qui entraîne une défaillance dans un temps beaucoup plus court que ce à quoi on pourrait s'attendre d'un gaspillage uniforme. De plus, il est important de tenir compte du fait que la corrosion atmosphérique externe entraîne de nombreux cas de perte de confinement et tend à être un problème plus important que la corrosion interne. Tous ces aspects du comportement corrosif doivent être pris en compte à la fois au moment de la conception de la centrale et pendant la durée de vie de la centrale.

L'exploitant doit démontrer que des procédures sont en place pour s'assurer que la corrosion et la sélection des matériaux de construction appropriés sont prises en compte au stade de la conception du procédé. De plus, l'exploitant doit démontrer qu'il a mis en place des programmes d'inspection et de maintenance appropriés afin d'empêcher la corrosion entraînant une perte de confinement de ses opérations de traitement. Ce faisant, les éléments suivants doivent être pris en compte :

La corrosion des composants métalliques se produit lorsque les métaux purs et leurs alliages forment des composés stables avec le fluide de traitement par réaction chimique ou processus électrochimiques entraînant un gaspillage de surface. Une corrosion appréciable peut être autorisée pour les réservoirs et la tuyauterie si elle est anticipée et autorisée dans l'épaisseur de conception, mais essentiellement aucune corrosion ne peut être autorisée dans les tamis à mailles fines, les plaques à orifice et autres éléments dans lesquels de petits changements de dimensions sont critiques. Les taux de corrosion peuvent être fortement affectés par les changements de température et bien qu'un matériau de construction puisse convenir à une température, il peut ne pas être approprié pour une utilisation à une température plus élevée avec le même fluide de procédé.

La corrosion des matériaux non métalliques est essentiellement un processus physicochimique qui se manifeste par un gonflement, une fissuration ou un ramollissement du matériau de construction. Dans de nombreux cas, les matériaux non métalliques s'avéreront intéressants d'un point de vue économique et de performance.

L'utilisation de diverses substances en tant qu'additifs pour traiter les flux pour inhiber la corrosion a été largement utilisée et est généralement la plus économiquement intéressante dans les systèmes de recirculation, mais elle s'est également avérée intéressante dans certains systèmes à passage unique tels que ceux rencontrés dans l'industrie pétrolière. Les inhibiteurs typiques utilisés pour empêcher la corrosion du fer ou de l'acier dans des solutions aqueuses sont les chromates, les phosphates et les silicates. Dans les solutions acides, les sulfures organiques et les amides sont efficaces.

Il existe de nombreuses formes de corrosion localisée qui peuvent entraîner une défaillance précoce de l'équipement. La prévention de la corrosion doit être abordée au stade de la conception mécanique et une conception appropriée pour minimiser la corrosion locale doit inclure un drainage libre et complet, minimiser les crevasses, l'absence de points morts dans la tuyauterie et la facilité de nettoyage et d'inspection. Certains des types de corrosion locale les plus courants sont brièvement abordés dans cette section.

La piqûre se produit souvent lorsque certaines impuretés telles que les chlorures sont présentes dans les flux de traitement et les eaux de refroidissement. Il s'agit d'une forme extrême de corrosion localisée. Une fois initiées, les fosses s'accélèrent généralement d'elles-mêmes et peuvent entraîner des défaillances rapides.

De nombreux métaux souffrent de fissuration par corrosion sous contrainte dans certaines conditions. Dans la tuyauterie, les défaillances les plus fréquentes dues à la fissuration par corrosion sous contrainte se produisent avec des aciers inoxydables austénitiques en contact avec des solutions contenant du chlorure. Même des traces de chlorures peuvent causer des problèmes à des températures supérieures à 60°C.

Une corrosion caverneuse peut se produire lorsque du liquide est emprisonné entre des surfaces métalliques bien ajustées ou entre une surface métallique et un matériau non métallique tel qu'un joint. Une attention aux détails au stade de la conception et de la fabrication doit être accordée à des domaines tels que l'assemblage pour éviter la corrosion caverneuse.

Une érosion localisée peut se produire là où l'orientation de l'équipement provoque une accélération des vitesses de fluide, comme dans les virages. Certains produits chimiques peuvent être manipulés dans des tuyauteries en acier au carbone car ils forment des revêtements protecteurs de composés ferriques dans les tuyauteries. Une conception soignée pour s'assurer que le revêtement n'est pas érodé est nécessaire.

La corrosion de la surface extérieure ou la rouille de la tuyauterie se produit par la formation d'oxydes de fer. La peinture selon une spécification appropriée prolongera considérablement la période jusqu'à l'apparition de la corrosion, mais la durabilité de la finition de la peinture dépend en grande partie de la qualité de la préparation de la surface. Une isolation mal installée peut fournir des conditions idéales pour la corrosion et doit être protégée contre les intempéries ou autrement contre l'humidité et les déversements pour éviter le contact du matériau humide sur les surfaces de l'équipement. L'application d'un revêtement imperméable tel que du bitume à l'extérieur de la tuyauterie est bénéfique dans certaines circonstances.

La protection cathodique est une méthode électrochimique de contrôle de la corrosion qui a trouvé une large application dans la protection des structures souterraines en acier au carbone telles que les pipelines et les réservoirs contre la corrosion du sol. La surface métallique de l'équipement de traitement est transformée en cathode dans un circuit électrolytique pour éviter le gaspillage de métal.

La protection anodique est moins couramment utilisée et repose sur un système de contrôle de potentiel externe pour maintenir le métal dans un état passif. Cette forme de protection contre la corrosion a trouvé une application pratique dans l'industrie de fabrication d'acide sulfurique.

Les taux de corrosion sont exprimés en pouces par an de perte de surface et sont utilisés pour fournir une tolérance de corrosion dans l'épaisseur de conception des équipements tels que les cuves et les tuyauteries. Les opérateurs utiliseront souvent des données basées sur l'expérience historique des opérations de l'usine pour les aider à déterminer les tolérances de corrosion appropriées. Alternativement, des diagrammes de corrosion sont largement disponibles qui donnent des taux de corrosion pour de nombreuses combinaisons de matériaux de construction et de fluides de processus et normalement une plage de valeurs sera fournie pour diverses températures de processus. Dans certains cas, en particulier lorsqu'il y a un mélange de produits chimiques présents, les données appropriées peuvent ne pas exister et des tests de corrosion peuvent être nécessaires afin de déterminer l'adéquation de l'équipement. Les opérateurs doivent être en mesure de démontrer l'utilisation des tolérances de corrosion dans les spécifications et la conception de l'équipement. Les sources de données utilisées doivent être traçables.

Alors que les aciers au carbone et inoxydables sont des matériaux de construction couramment utilisés, on utilise de plus en plus des équipements de traitement non métalliques et revêtus ou en plastique. La sélection du matériau de construction doit prendre en compte les pires conditions de processus susceptibles de se produire dans des conditions de perturbation prévisibles et doit être appliquée à tous les composants, y compris les vannes, les raccords de tuyauterie, les instruments et les jauges. Les écarts de composition (par exemple chlorures, humidité) et de température peuvent avoir un effet direct significatif sur la vitesse de corrosion. L'exploitant doit démontrer que des procédures sont en place pour s'assurer que les écarts potentiels dans les conditions de procédé telles que la température, la pression et la composition du fluide sont identifiés par des personnes compétentes et évalués en relation avec la sélection des matériaux de construction pour les systèmes de tuyauterie.

Une large gamme de plastiques sont disponibles pour être utilisés comme matériaux de construction et peuvent être utilisés dans des domaines tels que la manipulation de solutions de sels inorganiques où les métaux ne conviennent pas. L'utilisation de revêtements en plastique est répandue dans les équipements tels que les réservoirs, les tuyaux et les fûts. Cependant, leur utilisation est limitée à des températures modérées et ils sont généralement inadaptés à une utilisation dans des tâches abrasives. Certains des plastiques les plus couramment utilisés sont le PVC, le PTFE et le polypropylène.

Des verres spéciaux peuvent être collés à l'acier, fournissant une doublure imperméable. Les équipements doublés de verre ou d'époxy sont largement utilisés dans les tâches d'acide très corrosif. La doublure en verre peut être facilement endommagée et une attention particulière est requise. Il est peu probable que les revêtements minces de type peinture offrent une protection complète en raison de défauts et les revêtements de barrière les plus fiables sont ceux qui sont construits en plusieurs couches à une profondeur d'environ 3 mm.

Normalement, des tests sont effectués afin de déterminer l'adéquation d'un matériau de construction pour la manipulation d'un fluide de traitement. Cependant, les tests peuvent être utilisés à des fins différentes. Généralement, cela peut être pour justifier une fréquence d'inspection modifiée de l'équipement d'une usine existante.

Il existe une variété de méthodes de test disponibles. Généralement, des échantillons de test constitués de petites bandes ou de «coupons» du matériau d'intérêt sont exposés au fluide de traitement. La perte de poids de l'éprouvette sur une période de temps est mesurée afin de déterminer la vitesse de corrosion. Les essais peuvent être réalisés en usine, en laboratoire ou en plan pilote selon les situations.

Lorsque les essais en laboratoire sont effectués à l'aide de méthodes d'essai standard, il est difficile d'interpréter les résultats et de les traduire en performances de la centrale. Des précautions sont nécessaires pour s'assurer que le fluide d'essai est exactement le même que sur l'usine de traitement. Les divergences dans les conditions de test telles que les traces d'impuretés, les gaz dissous, la vitesse et la turbulence peuvent conduire à des résultats erronés.

L'équipement de traitement manipulant des matières dangereuses doit être inspecté à des fréquences régulières, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur. La corrosion localisée peut être imprévisible et des défauts de fabrication tels que de mauvaises soudures peuvent être présents. Les revêtements peuvent se déformer ou être endommagés. Typiquement, le revêtement de verre sur un réacteur chemisé peut subir un choc thermique ou une décharge statique peut se produire à travers le revêtement. La fréquence d'inspection peut être modifiée une fois qu'un historique d'inspection a été constitué et que l'état d'une pièce d'équipement peut être raisonnablement prévu. L'exploitant doit démontrer qu'il a mis en place des programmes d'inspection et d'entretien pour les équipements de traitement dangereux, y compris les systèmes retardés. Lorsque l'équipement est revêtu, des tests de continuité électrique pour les défauts de revêtement doivent être effectués, le cas échéant. Les systèmes de protection cathodique et anodique doivent être régulièrement contrôlés pour assurer une protection continue.

Lorsque le contrôle de la corrosion dépend de la concentration de contaminants ou d'humidité, l'opérateur doit démontrer que les procédures et les contrôles nécessaires sont en place pour maintenir une condition de fonctionnement sûre. De même, lorsque des inhibiteurs sont ajoutés ou que des systèmes tels que la protection cathodique sont utilisés, l'opérateur doit démontrer que ces systèmes sont inspectés et entretenus de manière adéquate pour assurer une protection continue du procédé.

Le débit de chlore liquide à travers la tuyauterie en acier au carbone est limité à 2 m/s pour éviter d'enlever le revêtement de chlorure ferrique sur la surface de la tuyauterie qui protège contre l'érosion/corrosion de l'acier au carbone. Le chlore gazeux humide corrode l'acier doux. Du PVDF (de préférence), de l'ébonite ou de l'acier revêtu de caoutchouc est utilisé pour cette tâche. Le chlore gazeux manipulé à des températures supérieures à 200°C dans de l'acier au carbone peut provoquer des incendies de chlore/acier. Le zinc peut être utilisé pour cette tâche, mais pour les basses températures (par exemple liquide), des aciers spéciaux au chlore sont nécessaires pour éviter la fragilisation. Le titane ne convient pas au chlore et doit être évité.

La susceptibilité des matériaux de construction à l'attaque par le brome dépend fortement des conditions de service, y compris la température, la pression et la teneur en humidité. Par conséquent, dans la mesure du possible, les matériaux sélectionnés pour l'utilisation du brome doivent être testés dans les conditions réelles d'utilisation.

Les réservoirs de stockage sont généralement construits en acier revêtu de plomb, de PVDF (et de certains autres fluoropolymères) ou de verre. Si le brome est « sec », alors le nickel ou des alliages tels que le Monel et l'Hastelloy peuvent être utilisés bien que tous soient susceptibles d'attaques sévères en présence de brome humide. Le titane ne convient pas au brome (humide ou sec) et doit être évité.

Le plomb est utilisé pour le revêtement des réservoirs de stockage en acier et moins fréquemment pour le revêtement des tuyaux, mais à des taux d'humidité élevés et/ou à des températures élevées, la couche protectrice de bromure de plomb qui se forme à la surface du métal est susceptible de se dégrader. Les revêtements non métalliques, y compris le verre et certains polymères fluorocarbonés, dont le PVDF et le PTFE, ont remplacé le plomb dans la plupart des applications. Les polymères traités à l'état fondu tels que le PVDF, le PFA et l'ETFE sont préférés au PTFE en raison de sa porosité inhérente.

Peu de métaux conviennent pour une utilisation en contact avec du brome « ​​humide » (teneur en humidité supérieure à 30 mg/kg). Le niobium, le tantale et les alliages de ces deux métaux conviennent mais leur coût élevé limite leur utilisation (par exemple, disques de rupture et composants d'instruments).

La protection contre la corrosion des récipients en acier doux se produit par la formation d'un revêtement de sulfate de fer. Toute condition entraînant une turbulence excessive peut entraîner l'élimination du revêtement et de la corrosion. Une corrosion accélérée peut également se produire aux interfaces air/acide en raison de la dilution interfaciale. De plus, l'influence de la température sur la vitesse de corrosion varie avec différentes forces d'acide et par conséquent, il est nécessaire de définir des températures de fonctionnement maximales. Le plomb chimique est parfois utilisé là où l'acier ne convient pas et le PVC ou les plastiques fluorocarbonés peuvent être utilisés dans certaines applications. Des aciers inoxydables spécialement développés ont remplacé les applications traditionnelles en fonte pour les applications à haute température.

Cet acide est très corrosif envers la plupart des métaux et alliages courants. Ceci est exacerbé en présence d'aération ou de contamination par des agents oxydants. Le cuivre est particulièrement sujet à ce problème. De plus, de nombreuses défaillances se produisent en raison de la présence d'impuretés mineures telles que le chlorure ferrique. Les plastiques et l'acier revêtu de caoutchouc sont largement utilisés pour les tuyauteries et les petits navires.

Les matériaux de construction pour l'ammoniac dépendent de la température de fonctionnement. Alors que l'acier doux peut être utilisé à température ambiante, des aciers spéciaux sont nécessaires à basse température pour éviter la fragilisation. Les impuretés présentes dans l'ammoniac liquide telles que l'air ou le dioxyde de carbone peuvent provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte de l'acier doux. L'ammoniac est très corrosif pour le cuivre et le zinc.

Le stockage en vrac de 70 % d'acide ou plus peut se faire dans des réservoirs en acier doux ou en PVDF. Le polyéthylène, le polypropylène et le PVDF sont couramment utilisés pour la construction des principaux composants. Le PTFE est souvent utilisé pour les petits composants tels que les joints. Le verre ou le GRP ne doivent jamais être utilisés.

Les matériaux adaptés au service d'oxygène liquide sont l'acier au nickel, les aciers inoxydables austénitiques et les alliages de cuivre ou d'aluminium. Les aciers au carbone et les plastiques sont cassants à basse température et ne doivent pas être utilisés en service d'oxygène liquide. Le PTFE est le mastic le plus utilisé.

A des températures inférieures à 120°C, l'acier au carbone peut être utilisé jusqu'à des pressions élevées. À des températures élevées et à des pressions importantes, l'hydrogène pénètre dans l'acier au carbone et réagit avec le carbone pour former du méthane. Il en résulte une perte de ductilité et une fissuration ou un cloquage de l'acier. Pour les applications à haute température, les alliages d'acier contenant du molybdène et de l'acier sont satisfaisants.

Davantage de ressources