Sélection Stratégique des Matériaux : Protéger la Conception, les Coûts et la Longévité

La sélection des matériaux est une méthode majeure de contrôle de la corrosion dans la conception d'ingénierie. Elle joue un rôle dans l'estimation efficace des coûts de projet, la planification de la construction et les opérations sûres.

Les concepts fondamentaux de la sélection des matériaux englobent :

• Types de Matériaux : Cela couvre la large gamme de matériaux disponibles qui peuvent être sélectionnés.
• Propriétés des Matériaux : Cela concerne l'examen des propriétés mécaniques, physiques et de résistance à la corrosion qui répondent aux exigences pour des applications/utilisations spécifiques.
• Économie des Matériaux : Cela concerne les coûts de possession, capital, maintenance et exploitation pour divers matériaux.

Vue d'Ensemble des Matériaux Courants

Il y a de nombreux matériaux d'ingénierie dans l'industrie. Ici, nous examinerons les propriétés de certains des plus courants.

Aciers au Carbone

L'acier au carbone fait référence à une famille de métaux à base de fer avec moins de 2 % de carbone. Les aciers au carbone sont les matériaux les plus utilisés grâce à leur facilité de fabrication, leur faible coût, leur disponibilité et leur haute résistance. Les aciers au carbone sont utilisés dans une large gamme d'applications, des composants structurels aux équipements à haute pression.

Les aciers au carbone alliés avec des ajouts mineurs de chrome, molybdène, vanadium et niobium sont considérés comme des aciers faiblement alliés. Les éléments d'alliage forment des carbures dans la microstructure, augmentant la résistance et la fiabilité des matériaux à haute température, comme dans les chaudières de centrales électriques.

À des températures sous zéro, les aciers au carbone ont moins de ténacité, donc le nickel est ajouté pour maintenir la ténacité. Avec des quantités plus élevées de nickel, la plage pour les températures plus basses augmente, surtout pour les applications de gaz liquéfiés pour prévenir les fractures fragiles dans les équipements de gaz naturel liquéfié (GNL) et de gaz de pétrole liquéfié (GPL).

Fonte

La fonte est un métal à base de fer, avec plus de 2 % de carbone. Elle est bon marché et n'a pas besoin de traitement supplémentaire pour réduire la teneur en carbone. Cependant, elle est cassante et a une soudabilité limitée. Elle est utilisée pour des pièces non critiques dans les pompes à eau et les tuyaux, et a une résistance à la corrosion similaire à celle des aciers au carbone. La fonte grise et la fonte nodulaire/ductile sont les types de fonte les plus courants.

Acier Inoxydable (AI)

L'acier inoxydable est un type d'acier avec du chrome d'au moins 11 %, en combinaison avec du nickel, du molybdène et de l'azote. Les aciers inoxydables sont utilisés de manière fiable dans des environnements corrosifs dans une variété d'industries de l'énergie, chimiques et pétrochimiques. Il existe plusieurs types d'acier inoxydable, selon les teneurs en alliage et les microstructures.

Lire : Introduction aux Aciers Inoxydables

Aciers Inoxydables Ferritiques
Les aciers inoxydables ferritiques sont les types les plus économiques et ont une teneur en nickel très faible. Ils sont sensibles à la sensibilisation et difficiles à souder, et sont donc utilisés pour des composants non soudés. Malgré leur résistance à la corrosion modérée, les aciers inoxydables ferritiques sont résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) assistée par les chlorures.

Aciers Inoxydables Martensitiques
Les aciers inoxydables martensitiques ont une faible teneur en nickel, avec une gamme d'utilisations similaire à celle des aciers inoxydables ferritiques. Ils ont une haute résistance et il y a de nombreux pipelines fabriqués à partir d'aciers inoxydables martensitiques. Leur dureté élevée les rend préférés pour l'utilisation contre l'érosion.

Aciers Inoxydables Austénitiques
Les aciers inoxydables austénitiques sont les aciers inoxydables les plus couramment utilisés dans l'industrie. Avec un nickel plus élevé, ils ont une bonne résistance à la corrosion et sont facilement fabriqués. Il existe différents grades d'aciers inoxydables austénitiques à sélectionner selon la corrosivité de l'environnement. Certains grades faiblement alliés ont une faible résistance au SCC aux chlorures. Les aciers inoxydables austénitiques sont largement utilisés dans les applications cryogéniques.

Lire : 12 Choses à Savoir sur l'Acier Inoxydable Austénitique

Aciers Inoxydables Duplex
Les aciers inoxydables duplex ont des microstructures doubles, ferritique et austénitique, avec des propriétés combinées. Ils ont une haute résistance et une très bonne résistance à la corrosion, surtout contre le SCC assisté par les chlorures, les rendant bons pour une utilisation dans les applications offshore. Cependant, les aciers inoxydables duplex héritent de la résistance inférieure de la phase ferritique.

Aciers Inoxydables Durcis par Précipitation
Les aciers inoxydables durcis par précipitation ont une haute résistance et ténacité, à partir de microstructures austénitiques, semi-austénitiques ou martensitiques, selon le traitement thermique. Bien qu'ils aient une bonne soudabilité, leurs applications sont limitées, comme pour les ressorts haute performance.

Alliages

Un alliage combine différents métaux, permettant différentes propriétés. Voici quelques-uns des alliages les plus courants et leurs caractéristiques clés.

Alliages de Nickel

Les alliages de nickel ont une résistance à la corrosion exceptionnelle, mais ils sont chers en raison de leur haute teneur en nickel, qui est généralement ajoutée en combinaison avec d'autres éléments d'alliage comme le molybdène. Il existe de nombreux types d'alliages de nickel qui sont désignés par nom de marque, tels que Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Ces noms concernent des brevets expirés, mais l'héritage du nom demeure. Les alliages de nickel sont résistants au SCC assisté par les chlorures et au SCC assisté par les sulfures.

Webinaire : La Résistance à la Corrosion des Alliages de Nickel

Alliages d'Aluminium

Les alliages d'aluminium ont un bon rapport résistance/poids et une bonne résistance à la corrosion. Ils sont, cependant, sensibles à la corrosion galvanique lorsqu'ils sont en contact avec des métaux à base de fer. Comme l'aluminium a une température de fusion basse, l'application des alliages d'aluminium est limitée aux utilisations à basse température. En raison de leur excellente performance thermique et rétention de ductilité, les alliages d'aluminium sont utilisés dans les applications cryogéniques, telles que les échangeurs de chaleur dans l'industrie du GNL.

Alliages de Cuivre

Les alliages de cuivre sont couramment utilisés dans les environnements d'eau de mer et les échangeurs de chaleur. Ils ont une haute résistance au biofouling, surtout au microfouling, et aux conditions stagnantes qui peuvent causer une corrosion localisée, ainsi qu'à la corrosion liée à un écoulement excessif. Certains alliages de cuivre sont sensibles au SCC dans les environnements contenant de l'ammoniac.

Alliages de Titane

Les alliages de titane ont un bon rapport résistance/poids et une haute résistance à la corrosion dans les environnements à haute teneur en chlorures. Ils sont, cependant, chers et difficiles à fabriquer. Le titane non allié est couramment utilisé dans l'industrie et il est plus économique que les autres grades de titane.

Lire : 5 Choses à Savoir et Comprendre sur la Corrosion du Titane

Céramiques

En raison de leur nature fragile — et malgré leur haute résistance à la corrosion — les céramiques ne sont pas utilisées dans les équipements sous pression. Les céramiques sont utilisées dans les équipements et pièces à haute température, tels que les réfractaires, et pour la protection contre l'usure. Les céramiques pour réfractaires sont généralement composées d'une combinaison d'oxydes d'aluminium, de magnésium et de silicium. Pour la résistance à l'usure, les céramiques sont composées de carbures ou nitrures.

Polymères

Les polymères sont utilisés comme thermoplastiques, thermodurcissables et élastomères. La plupart des polymères sont très résistants à la corrosion, même plus que de nombreux alliages résistants à la corrosion. Les polymères ont cependant une faible résistance, de bas points de fusion et une résistance UV limitée. Dans les applications corrosives à haute pression, les polymères peuvent être utilisés comme revêtements résistants à la corrosion sur des surfaces métalliques. HDPE, PVC et PTFE sont des exemples de thermoplastiques, mais malgré leur appartenance au même groupe, ils ont des propriétés et applications différentes. Les thermodurcissables ne sont généralement pas utilisés comme matériaux solides, mais plutôt comme revêtements ou dans une matrice de composite. Les élastomères ont des propriétés mécaniques uniques et sont utilisés pour les composants d'étanchéité dans de nombreuses applications sous pression.

Lire : La Corrosion des Matériaux Polymères

Composites

Les composites sont une combinaison de deux ou plusieurs matériaux pour atteindre les propriétés des deux et donc des caractéristiques optimales pour une certaine application. Les composites les plus courants dans l'industrie combinent des fibres de verre renforcées dans une matrice polymère, et de l'acier renforcé dans une matrice de béton. La fibre donne une haute résistance et la matrice donne de la ténacité, répartissant la contrainte uniformément. La fibre de renforcement pourrait être faite de verre, métal, carbone et autres polymères tels que l'aramide. Le verre E est une fibre couramment utilisée, et il existe d'autres types de verres adaptés à différentes applications, tels que le verre C pour la résistance chimique ou le verre R pour la résistance à la fatigue. Le polymère thermodurcissable est une matrice de composite couramment utilisée qui est facile à fabriquer et a de bonnes propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion. Le polymère thermoplastique n'est pas aussi couramment utilisé que le polymère thermodurcissable, et il tend à être utilisé pour des tuyaux enroulables pour sa haute ductilité.

Le béton armé d'acier est un matériau structurel vital, et la corrosion de l'acier se produit dans des environnements corrosifs tels que ceux de l'eau de mer et des eaux usées. Les revêtements, la protection cathodique et l'utilisation d'aciers inoxydables sont utilisés pour atténuer la corrosion.

Facteurs à Considérer en Matière de Sélection des Matériaux

En général, les facteurs majeurs considérés pour les matériaux incluent, mais ne sont pas limités à :

• Propriétés mécaniques
• Propriétés de corrosion
• Coût total de possession
• Disponibilité
• Facilité de fabrication

Pour les applications portantes, les propriétés mécaniques sont vérifiées pour assurer l'intégrité structurelle. Les propriétés mécaniques des matériaux d'ingénierie varient fortement, selon les microstructures, la composition chimique et les processus de fabrication. Les variétés sont standardisées internationalement ou localement par des organismes directeurs, tels que ASTM, ISO ou JIS. Les propriétés mécaniques de base incluent, mais ne sont pas limitées à :

• Résistance à la traction
• Énergie d'impact
• Allongement
• Dureté
• Fatigue
• Tenacité à la rupture
• Fluage
• Autres facteurs selon l'application spécifique

Les propriétés sont couramment obtenues à partir de tests destructifs d'échantillons des processus de fabrication, et les résultats sont énoncés dans les certificats de matériaux. Les tests mécaniques spécialisés, cependant, sont effectués au préalable pour éviter les litiges entre acheteurs et fabricants.

Les matériaux se dégradent avec le temps par des réactions induites par l'environnement appelées corrosion. La corrosivité environnementale varie selon la nature de l'environnement, les matériaux sélectionnés et l'application. Les matériaux doivent être correctement sélectionnés pour assurer la fiabilité et le fonctionnement sûr pendant la durée de vie de l'application.

La corrosion pourrait être induite par l'atmosphère, le sol, l'eau, les produits chimiques, le pétrole et le gaz, et les micro-organismes, et par différents corrodants causant différents types de corrosion. La sélection des matériaux dans le but d'atténuer la corrosion utilise généralement ce qui suit :

• Diagrammes/graphiques thermodynamiques de corrosion
• Modèles de corrosion
• Tableaux de compatibilité chimique
• Tests en laboratoire (polarisation potentiodynamique, immersion, spectroscopie d'impédance électrochimique, fissuration par corrosion sous contrainte)
• Recommandations des concédants de technologie
• Retour d'expérience opérationnel

Diagrammes/Graphiques Thermodynamiques de Corrosion

Les diagrammes/graphiques de corrosion sont basés sur la collecte de données à partir de tests en laboratoire et/ou de performances sur le terrain. Les données collectées sont basées sur les paramètres étudiés dans les tests en laboratoire ou sur le terrain.

Modèles de Corrosion

Les modèles de corrosion sont utilisés pour prédire les taux de corrosion basés sur des formules empiriques. Les modèles sont utilisés sous forme de programmes logiciels propriétaires ou dans des feuilles Excel avec des paramètres d'entrée saisis. Il existe des modèles pour la corrosion au CO₂, la corrosion à l'oxygène et le taux de croissance de fissure. La précision des modèles peut varier, car tous les paramètres de corrosion ne peuvent pas être compris dans les modèles, qui sont générés empiriquement à partir de données obtenues expérimentalement.

Tableaux de Compatibilité Chimique

Les tableaux de compatibilité chimique ou graphiques sont des outils qualitatifs utilisés pour déterminer la compatibilité entre les conditions environnementales et les matériaux sélectionnés pour une application. Pour certaines situations, des investigations et tests supplémentaires sont requis pour mieux déterminer la compatibilité d'un matériau sélectionné.

Tests en Laboratoire

Les tests en laboratoire sont effectués pour les cas pour lesquels des données analytiques sont nécessaires pour évaluer la performance des matériaux sélectionnés dans des conditions environnementales simulées. Les conditions environnementales, les configurations de laboratoire et les conditions expérimentales sont arrangées dans un environnement de laboratoire standardisé pour assurer que les données obtenues représentent les paramètres utilisés pour une sélection de matériaux efficace et appropriée.

Recommandations des Concédants de Technologie

Certaines technologies de traitement sont propriétaires, et les arrangements de savoir-faire sont détenus par les concédants. Les matériaux sélectionnés par les concédants représentent souvent les exigences minimales pour des fins de garantie.

Retour d'Expérience Opérationnel

Le retour d'expérience opérationnel basé sur des expériences réelles est précieux car il offre des données de terrain en temps réel. La collecte de données historiques (changements de paramètres opérationnels, certificats de matériaux, Spécification de Procédure de Soudage (WPS)/Enregistrements de Qualification de Procédure (PQR), rapports d'inspection, rapports d'analyse de défaillance, etc.) est cruciale pour garantir une sélection de matériaux appropriée.

Évaluation du Coût des Décisions de Sélection des Matériaux

Le coût est une considération majeure pour la sélection des matériaux, et l'équilibre entre les dépenses d'investissement (CAPEX) et les dépenses d'exploitation (OPEX) est crucial. Les ingénieurs matériaux et corrosion devraient sélectionner des matériaux qui satisfont les considérations de budget et de coûts ainsi que la performance. La signification du CAPEX réside non seulement dans les matériaux en vrac sélectionnés, mais aussi dans les processus de fabrication et les formes de produits. L'impact de l'OPEX réside dans la réparation et le remplacement des matériaux corrodés, et le contrôle de la corrosion, la surveillance de la corrosion et l'injection d'inhibiteurs de corrosion. L'utilisation d'acier au carbone pourrait être de faible CAPEX, mais de haut OPEX, et l'utilisation d'acier inoxydable impacte chacun dans le sens inverse.

La disponibilité des matériaux joue aussi un rôle crucial, surtout concernant le calendrier du projet. L'utilisation de matériaux propriétaires, par exemple, pourrait prendre plus de temps que d'habitude en livraison en raison de limitations liées aux fournisseurs, de faibles quantités, ou de stocks qui pourraient exiger des commandes de quantité minimale, dans des situations qui pourraient augmenter le coût.

Les matériaux difficiles à fabriquer pourraient impacter significativement le calendrier du projet s'ils ne sont pas planifiés tôt, surtout lorsqu'ils sont utilisés en grandes quantités. Par exemple, les matériaux qui nécessitent un traitement thermique post-soudage (PWHT) pourraient nécessiter des milliers de soudures dans les installations pétrolières et gazières, ainsi que des milliers d'heures-hommes pour accommoder les exigences PWHT. Les matériaux difficiles à souder pourraient ralentir les vitesses de soudage et augmenter les taux de réparation.

Conclusion

La sélection des matériaux implique des procédures complexes, qui nécessitent une compréhension des sensibilités aux défaillances et des méthodes de contrôle de la corrosion, ainsi qu'une coopération entre les différentes disciplines d'ingénierie.