Un examen approfondi de la sélection des matériaux

La sélection des matériaux est une méthode majeure de contrôle de la corrosion dans la conception technique. Il joue un rôle dans l'estimation efficace des coûts du projet, la planification de la construction et la sécurité des opérations.

Les concepts fondamentaux de la sélection des matériaux comprennent :

• 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 d'applications/utilisations spécifiques.
• Économie des matériaux : Cela concerne les coûts de possession, d'investissement, d'entretien et d'exploitation de divers matériaux.

Un aperçu des matériaux courants

Il existe de nombreux matériaux d'ingénierie dans l'industrie. Ici, nous allons examiner les propriétés de certains des plus courants.

Acier au carbone

L'acier au carbone fait référence à une famille de métaux à base de fer contenant 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 un large éventail d'applications, des composants structurels aux équipements haute pression.

Les aciers au carbone alliés avec des ajouts mineurs de chrome, de molybdène, de vanadium et de 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 des centrales électriques.

À des températures inférieures à zéro, les aciers au carbone ont moins de ténacité, donc du nickel est ajouté pour maintenir la ténacité. Avec des quantités de nickel plus élevées, la plage de températures plus basses augmente, en particulier pour les applications de gaz liquides afin d'éviter les ruptures 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. Il est bon marché et ne nécessite pas de traitement supplémentaire pour réduire la teneur en carbone. Cependant, il est cassant et sa soudabilité est limitée. Il est utilisé pour les pièces non critiques des pompes à eau et des 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 (SS)

L'acier inoxydable est un type d'acier contenant au moins 11 % de chrome, 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 énergétiques, chimiques et pétrochimiques. Il existe plusieurs types d'acier inoxydable, en fonction de la teneur en alliage et des microstructures.

Lire : Une introduction aux aciers inoxydables

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

Acier Inoxydable Martensitique
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 résistance élevée et de nombreux pipelines sont fabriqués à partir d'aciers inoxydables martensitiques. Leur grande dureté en fait une utilisation privilégiée contre l'érosion.

Acier Inoxydable Austénitique
Les aciers inoxydables austénitiques sont les aciers inoxydables les plus couramment utilisés dans l'industrie. Avec une teneur en nickel plus élevée, ils ont une bonne résistance à la corrosion et sont faciles à fabriquer. Il existe différentes nuances d'aciers inoxydables austénitiques parmi lesquelles choisir en fonction de la corrosivité de l'environnement. Certaines nuances moins alliées ont une faible résistance au chlorure SCC. Les aciers inoxydables austénitiques sont largement utilisés dans les applications cryogéniques.

Lire : 12 choses que vous devez savoir sur l'acier inoxydable austénitique

Acier inoxydable duplex
Les aciers inoxydables duplex ont des microstructures duales, ferritique et austénitique, aux propriétés combinées. Ils ont une résistance élevée et une très bonne résistance à la corrosion, en particulier contre le SCC assisté par chlorure, ce qui les rend parfaits pour une utilisation dans les applications offshore. Cependant, les aciers inoxydables duplex héritent de la plus faible résistance de la phase ferritique.

Acier inoxydable trempé par précipitation
Les aciers inoxydables trempés par précipitation ont une résistance et une ténacité élevées, 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 à haute performance.

Alliages

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

Alliages de nickel

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

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 basse température de fusion, l'application des alliages d'aluminium est limitée aux utilisations à basse température. En raison de leurs excellentes performances thermiques et de leur rétention de ductilité, les alliages d'aluminium sont utilisés dans des 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 résistance élevée à l'encrassement biologique, en particulier au microencrassement, et aux conditions de stagnation qui peuvent provoquer une corrosion localisée, ainsi qu'une corrosion liée à un débit excessif. Certains alliages de cuivre sont sensibles au SCC dans des environnements contenant de l'ammoniac.

Alliages de titane

Les alliages de titane ont un bon rapport résistance/poids et une résistance élevée à la corrosion dans des environnements à forte teneur en chlorure. Ils sont cependant coûteux et difficiles à fabriquer. Le titane non allié est couramment utilisé dans l'industrie et il est plus économique que les autres nuances de titane.

Lire : 5 choses à savoir et à comprendre sur la corrosion du titane

Céramique

En raison de leur nature fragile - et malgré leur grande résistance à la corrosion - les céramiques ne sont pas utilisées dans les équipements sous pression. La céramique est utilisée 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 de nitrures.

Polymères

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

Lire : La corrosion des matériaux polymères

Composites

Les composites sont une combinaison de deux matériaux ou plus pour obtenir les deux 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 béton. La fibre donne une résistance élevée et la matrice donne de la ténacité, répartissant uniformément les contraintes. La fibre de renforcement pourrait être constituée de verre, de métal, de carbone et d'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 composite couramment utilisée, facile à fabriquer et possédant 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 a tendance à être utilisé pour les tuyaux enroulables en raison de sa ductilité élevée.

Le béton armé d'acier est un matériau structurel essentiel, 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 prendre en compte lors de la sélection des matériaux

En général, les principaux facteurs pris en compte pour les matériaux incluent, mais sans s'y limiter :

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

Pour les applications porteuses, les propriétés mécaniques sont vérifiées pour assurer l'intégrité structurelle. Les propriétés mécaniques des matériaux d'ingénierie varient fortement en fonction des microstructures, de la composition chimique et des procédés de fabrication. Les variétés sont normalisées à l'échelle internationale ou locale par des organismes directeurs, tels que l'ASTM, l'ISO ou la JIS. Les propriétés mécaniques de base incluent, mais ne sont pas limitées à :

• Résistance à la traction
• Énergie d'impact
• Élongation
• Dureté
• Fatigue
• Résistance à la rupture
• Frapper
• Autres facteurs en fonction de l'application spécifique

Les propriétés sont généralement obtenues à partir d'essais destructifs d'échantillons provenant de processus de fabrication, et les résultats sont indiqués dans des certificats de matériaux. Des essais mécaniques spécialisés sont toutefois 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 en fonction de la nature de l'environnement, des matériaux sélectionnés et de l'application. Les matériaux doivent être sélectionnés correctement pour garantir la fiabilité et la sécurité de fonctionnement pendant toute la durée de vie de l'application.

La corrosion peut être induite par l'atmosphère, le sol, l'eau, les produits chimiques, le pétrole et le gaz et les micro-organismes, et par différents corrosifs provoquant différents types de corrosion. La sélection des matériaux dans le but d'atténuer la corrosion utilise généralement les éléments suivants :

• Schémas/graphiques de corrosion thermodynamique
• Modèles de corrosion
• Tableaux de compatibilité chimique
• Essais en laboratoire (polarisation potentiodynamique, immersion, spectroscopie d'impédance électrochimique, fissuration par corrosion sous contrainte)
• Recommandations des concédants de licence de technologie
• Commentaires opérationnels

Diagrammes/graphiques de corrosion thermodynamique

Les diagrammes/graphiques de corrosion sont basés sur la collecte de données à partir d'essais en laboratoire et/ou de performances sur le terrain. Les données collectées sont basées sur des paramètres étudiés lors d'essais en laboratoire ou sur le terrain.

Modèles de corrosion

Les modèles de corrosion sont utilisés pour prédire les taux de corrosion sur la base de formules empiriques. Les modèles sont exploités sous forme de logiciels propriétaires ou de feuilles excel avec saisie des paramètres d'entrée. Il existe des modèles pour le CO₂ la corrosion, la corrosion par l'oxygène et le taux de croissance des fissures. La précision des modèles peut varier, car tous les paramètres de corrosion ne peuvent pas être inclus dans les modèles, qui sont générés empiriquement à partir de données obtenues expérimentalement.

Tableaux de compatibilité chimique

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

Tests en laboratoire

Des essais en laboratoire sont effectués pour les cas pour lesquels des données analytiques sont nécessaires pour évaluer les performances des matériaux sélectionnés dans des conditions environnementales simulées. Les conditions environnementales, les configurations de laboratoire et les conditions expérimentales sont organisées dans un environnement de laboratoire standardisé pour garantir que les données obtenues représentent les paramètres utilisés pour une sélection efficace et appropriée des matériaux.

Recommandations des concédants de licence de technologie

Certaines technologies de traitement sont propriétaires et les accords de savoir-faire appartiennent aux donneurs de licence. Les matériaux sélectionnés par les concédants représentent souvent les exigences minimales à des fins de garantie.

Commentaires opérationnels

Les retours opérationnels d'expériences réelles sont précieux car ils offrent 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 la sélection de matériaux appropriés.

Évaluer le 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 en matériaux et en corrosion doivent sélectionner des matériaux qui satisfont aux considérations de budget et de coûts ainsi qu'aux performances. L'importance des CAPEX ne réside pas seulement dans les matériaux bruts sélectionnés, mais également dans les procédés de fabrication et les formes des produits. L'impact des OPEX réside dans la réparation et le remplacement des matériaux corrodés, ainsi que dans le contrôle de la corrosion, la surveillance de la corrosion et l'injection d'inhibiteurs de corrosion. L'utilisation de l'acier au carbone peut avoir un faible CAPEX, mais un OPEX élevé, et l'utilisation de l'acier inoxydable a un impact inverse.

La disponibilité des matériaux joue également un rôle crucial, en particulier en ce qui concerne le calendrier du projet. L'utilisation de matériaux exclusifs, par exemple, peut prendre plus de temps que d'habitude dans la livraison en raison de limitations liées aux fournisseurs, de faibles quantités ou de stocks qui pourraient nécessiter des commandes de quantité minimale, dans des situations qui pourraient augmenter les coûts.

Les matériaux difficiles à fabriquer peuvent avoir un impact significatif sur le calendrier du projet s'ils ne sont pas planifiés tôt, en particulier lorsqu'ils sont utilisés en grande quantité. Par exemple, les matériaux nécessitant un traitement thermique post-soudage (PWHT) peuvent nécessiter des milliers de soudures dans les installations pétrolières et gazières, ainsi que des milliers d'heures de travail pour répondre aux exigences du PWHT. Les matériaux difficiles à souder peuvent 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 susceptibilités aux défaillances et des méthodes de contrôle de la corrosion, ainsi qu'une coopération entre les différentes disciplines d'ingénierie.