Analyse de la résistance à la corrosion des tuyaux en acier inoxydable et en acier

Qu'est-ce que la corrosion?
La corrosion est un processus électrochimique dans lequel un métal réagit avec son environnement, et la dégradation qui en résulte déclenche une perte de propriétés du matériau telles que la résistance mécanique, l'apparence et l'imperméabilité aux liquides et aux gaz. La cause de la corrosion est la différence d'énergie entre le métal et son minerai naturel. Il faut de l'énergie pour extraire n'importe quel métal du minerai. Cet «excès d'énergie» entraîne la corrosion car le métal va essayer de revenir à son état naturel. Électrochimiquement parlant, la corrosion est la libération d'électrons. Le processus de libération des électrons est appelé une réaction d'oxydation ou une réaction anodique. Cependant, ces électrons doivent être consommés quelque part, donc une réaction de réduction ou une réaction cathodique doit se produire.

Les métaux facilement oxydés, tels que le magnésium, sont appelés métaux non précieux (actifs), tandis que les métaux les plus résistants à la corrosion, tels que l'or et le platine, sont appelés métaux précieux (inertes). Entre les deux, nous trouvons la plupart des métaux à des fins d'ingénierie, tels que le fer et le cuivre.

Acier inoxydable et passivation
L'acier inoxydable n'est pas un métal précieux comme l'or ou le platine, par sa nature. La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable provient d'une fine couche invisible et insoluble d'oxydes et d'hydroxydes de chrome et de fer, communément appelée film passif.
Même si le film passif n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, il peut isoler efficacement le métal ci-dessous de l'environnement environnant, ralentissant efficacement la réaction électrochimique qui provoque la corrosion, et le taux de corrosion est beaucoup plus faible que celui sans film passif. D'autres métaux (tels que le chrome, l'aluminium et le titane) présentent également une passivation, et l'acier inoxydable tire parti de la capacité du chrome à passiver.
Dans un environnement contenant suffisamment d'oxydants, le film passif à la surface de l'acier inoxydable se formera spontanément. De plus, si le métal sous le film passif est exposé en raison de dommages mécaniques (tels que des rayures), il se re-passivera spontanément. La teneur en oxygène dans l'air et la plupart des solutions aqueuses est suffisante pour former et maintenir le film passif en acier inoxydable. Si le film passif peut être retenu efficacement, l'acier inoxydable peut être utilisé presque de façon permanente.

Corrosion uniforme
Une corrosion uniforme se produit dans un environnement où le film passif est instable et la surface métallique non protégée est réduite plus ou moins uniformément. La corrosion uniforme de l'acier inoxydable est la plus courante dans les solutions acides ou alcalines chaudes. En outre, les sels fondus de chlorures et de fluorures peuvent également provoquer une corrosion uniforme.
Dans un environnement où la température et la composition chimique sont constantes, la corrosion uniforme devrait se produire à un taux raisonnablement constant. La vitesse de corrosion peut être déterminée en mesurant la perte de poids par unité de temps sur une certaine surface. Ceci est généralement exprimé comme une perte d'épaisseur au fil du temps, telle que mm/an. Par définition, l'acier inoxydable est généralement considéré comme résistant à la corrosion uniforme dans un environnement particulier si le taux de corrosion ne dépasse pas 0,1mm/an.

Corrosion par piqûres et crevasse
La corrosion uniforme provoque une destruction généralisée du film passif, mais la corrosion par piqûres et par crevasse est causée par une destruction localisée du film passif. Dans des situations réelles, la rupture par corrosion de l'acier inoxydable est généralement le résultat d'une corrosion localisée plutôt que d'une corrosion uniforme. Dans ce cas, des couples galvaniques sont formés localement sur la surface de l'acier inoxydable, ce qui provoque une propagation rapide de la corrosion. Par rapport à la corrosion uniforme, la perte de poids de la corrosion localisée peut être faible et le taux de corrosion en tant qu'indicateur de la gravité de la corrosion n'est pas lié à la corrosion localisée. En revanche, la corrosion par piqûres et par crevasse est considérée comme une situation ou, et une fois que la corrosion localisée commence, elle pénètre rapidement dans le matériau et doit être évitée.
Dans les environnements contenant des ions halogènes, tels que les chlorures, l'acier inoxydable est particulièrement sensible à la corrosion par piqûres et crevasses. Par conséquent, les environnements présentant un risque de corrosion localisée comprennent les liquides contenant de grandes quantités de chlorures, tels que l'eau de mer et diverses solutions industrielles.
La corrosion par crevasse se produit dans les crevasses et autres espaces confinés, ainsi que sous les dépôts formés pendant l'utilisation. Dans les environnements aqueux, les réactions chimiques naturelles à la surface de l'acier inoxydable consomment de l'oxygène. Dans la solution stagnante à l'intérieur de la crevasse, l'apport de nouveaux oxydants est limité. La composition de la solution à l'intérieur de la crevasse devient progressivement différente de celle de la solution environnante. Cette différence de composition augmente le risque de corrosion lors de la formation d'une cellule de concentration.

L'environnement de plus en plus corrosif finit par décomposer le film passif à l'intérieur de la crevasse, et la petite zone de surface métallique exposée agira comme une anode pour la plus grande zone passive autour de la crevasse.
Comme pour tout type de corrosion, le risque de corrosion par piqûres et par crevasse dépend de facteurs environnementaux et de la résistance à la corrosion de l'alliage. Des concentrations élevées de chlorure, de faibles valeurs de pH et des températures élevées augmentent tous les risques de corrosion par piqûres et crevasses. D'autres halogénures, tels que les bromures et les iodures, peuvent également provoquer des piqûres et une corrosion par crevasse.

Craquage par corrosion sous contrainte
La fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) est un mode de rupture fragile causé par les effets combinés du stress mécanique et d'un environnement corrosif. Dans les environnements où les piqûres, les crevasses ou la corrosion uniforme ne sont pas attendues, cela peut entraîner une perte rapide de la résistance mécanique et peut entraîner une défaillance catastrophique par fissuration, ce qui en fait une forme cachée de corrosion. Pour que la fissuration par corrosion sous contrainte se produise, trois exigences doivent être satisfaites:
• Matériau sensible
• Environnement dans lequel le matériau est sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte
• Contrainte de traction suffisante
Si l'un de ces trois facteurs est supprimé, la fissuration par corrosion sous contrainte ne se produira pas. Comme pour la corrosion par piqûres et crevasses, les causes les plus courantes de corrosion sous contrainte dans l'acier inoxydable sont les solutions contenant du chlorure et les températures élevées. Le risque de fissuration par corrosion sous contrainte augmente avec l'augmentation des concentrations de chlorure, l'augmentation des températures et la diminution du pH. La corrosion sous contrainte dans l'acier inoxydable apparaît généralement sous la forme de petites fissures ramifiées.

Les défaillances causées par la fissuration par corrosion sous contrainte se produisent souvent soudainement et sans avertissement en raison de la propagation rapide des fissures. Dans les cas les plus graves, la défaillance d'un composant peut survenir en quelques jours, voire quelques heures.

Fatigue de corrosion
Lorsqu'un matériau est soumis à une charge cyclique, il est capable de tomber à des charges bien inférieures à la contrainte de traction ultime du matériau. Si le matériau est simultanément exposé à un environnement corrosif, une défaillance peut survenir après un temps plus court, même à des charges plus faibles. Ceci est causé par un type de corrosion appelée fatigue de corrosion, qui est similaire à la fissuration par corrosion sous contrainte et conduit à une rupture fragile. Cependant, les fissures causées par la fatigue de la corrosion ont moins de ramification. La fatigue due à la corrosion se produit généralement dans des environnements à température ambiante et dans des solutions neutres.

Corrosion intergranulaire
La corrosion intergranulaire fait référence à un type de corrosion locale dans laquelle les limites des grains et les parties adjacentes du matériau sont préférentiellement corrodées, tandis que les grains eux-mêmes ne sont pas corrodés ou corrodés très légèrement, voir la figure 7 En acier inoxydable, la précipitation de carbures de chrome ou de phases intermétalliques peut provoquer une corrosion intergranulaire. En raison de la teneur élevée en carbone de l'acier inoxydable dans le passé (0, 05-0, 15%), cette corrosion est potentiellement dangereuse. L'utilisation de l'AOD (four de raffinage de l'oxygène d'argon) dans le processus de production de l'acier inoxydable moderne a réduit la teneur en carbone, ainsi la corrosion intergranulaire est rarement un problème aujourd'hui.

Corrosion galvanique
La corrosion galvanique est la corrosion électrochimique causée par deux métaux différents en contact l'un avec l'autre dans un électrolyte. Habituellement, le métal le plus actif (anode) sera plus sévèrement corrodé, tandis que le métal inerte (cathode) est protégé. Cette corrosion galvanique est généralement plus susceptible de se produire près de la jonction des deux métaux.
Tant que les aciers inoxydables restent dans leur état passif, ils seront plus nobles que d'autres matériaux métalliques dans la plupart des environnements et seront donc la cathode dans la plupart des couples galvaniques. D'autre part, le couplage résistif avec l'acier inoxydable peut augmenter le taux de corrosion des métaux non précieux tels que l'acier à haute teneur en carbone, l'acier galvanisé, le cuivre et le laiton. La corrosion galvanique entre différentes nuances d'acier inoxydable n'est généralement pas un problème, à condition que chaque acier inoxydable soit passivé dans l'environnement spécifique.