Prévention de la fissuration par corrosion sous contrainte en service de l'acier inoxydable 316L exposé au H₂S

La fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) est un phénomène de fissuration résultant de l'action combinée d'une contrainte de traction et d'un environnement corrosif. Dans les cas les plus graves, elle peut entraîner la rupture soudaine d'alliages métalliques normalement ductiles, notamment à température élevée. (Pour une introduction à ce sujet, consultez l'article « Quelles sont les causes de la corrosion sous contrainte dans les pipelines ? ».)

Un incident de fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) sur une canalisation

En juillet 2011, une fuite a été signalée sur un tuyau de 2 pouces de diamètre raccordé à une soupape de sécurité d'une usine de compression. Deux fuites supplémentaires sur des conduites similaires ont été rapportées au cours des deux jours suivants. La ligne rouge de la figure 1 indique l'emplacement des fuites sur deux tuyaux de torche situés en amont de la soupape de sécurité sur des trains de compression adjacents.

Figure 1. Schéma de procédé indiquant la zone de rupture.

Chaque rupture se situait au niveau d'un soudure tube-coude dans une section horizontale. La fuite était localisée sur la partie supérieure du tube, dans la zone affectée thermiquement (ZAT) du soudage. Toutes les sections défaillantes ont été déposées pour analyse approfondie.

Enquête sur l'incident de fissuration par corrosion sous contrainte

Des dépôts noirs ont été découverts dans la moitié inférieure du tube, indiquant une accumulation de liquide en ce point. L'examen microscopique a révélé la présence de fissures sur la surface externe du tube, notamment une fissure capillaire de 13 mm. Après nettoyage à l'acide nitrique pour éliminer les produits de corrosion, les fissures sont devenues visibles à l'œil nu.

Les macrophotographies montrent que la piqûre et la fissuration se produisent principalement dans le métal d'apport et le métal de base. La FCC présente une morphologie caractéristique de fissuration intergranulaire avec quelques ramifications (figure 2).

Figure 2. Microphotographie de fissuration par corrosion sous contrainte montrant des ramifications.
Source : Laboratoire d'ingénierie de la corrosion de la NASA.

La cause racine de la rupture

La concentration en sulfure d'hydrogène (H₂S) dans le gaz de détente à la décharge du compresseur était d'environ 11 % mol. (pression partielle de 5,5 bar). Le gaz était également saturé en eau avec une teneur en chlorures de 260 à 900 ppm. La température normale de service est de 52 °C (126 °F), juste en dessous de la limite ISO 15156 pour les aciers inoxydables austénitiques en présence de chlorures. Les températures ambiantes estivales élevées et l'encrassement des ailettes des échangeurs ont aggravé cet environnement déjà sévère. La procédure de maintenance standard prévoyait d'arrêter le refroidisseur, de laver les ailettes à l'eau, puis de le redémarrer avec une capacité de refroidissement améliorée. Toutefois, lors de cette opération, une élévation temporaire de température se produit lorsque le refroidisseur est à l'arrêt.

Comprendre NACE MR0175 et ISO 15156

NACE MR0175 et ISO 15156 sont les normes de référence pour les matériaux destinés aux environnements contenant du H₂S dans la production pétrolière et gazière. Elles définissent des seuils de concentration en H₂S au-dessus desquels des précautions contre la fissuration environnementale sont jugées nécessaires. Dans leur première publication (2003), la limite pour l'acier inoxydable AISI 316L était fixée à 60 °C (140 °F) maximum lorsque la teneur en chlorures dépasse 50 ppm.

Suite à des essais en laboratoire, des chercheurs ont soutenu que les limites pour les aciers inoxydables austénitiques pouvaient être étendues à des environnements plus sévères que les restrictions initiales de l'ISO 15156. En 2007, les restrictions pour les nuances AISI 316 ont été mises à jour et officiellement entérinées dans la version 2009 de la norme.

Les défaillances rapportées dans l'industrie se sont produites dans des environnements considérés comme sensibles selon les restrictions actuelles de l'ISO 15156, mais qui seraient classés comme non sensibles selon les assouplissements proposés plus récemment. La majorité des ruptures signalées sont survenues après 4 mois et jusqu'à 3,5 ans de service dans différentes installations.

Plusieurs défaillances rapportées sont représentées et identifiées sur la figure 3. Les trois zones colorées correspondent aux limitations imposées par l'ISO 15156 dans sa version originale (couleur 1), telle que modifiée en 2007 et 2009 (couleur 2), et aux assouplissements supplémentaires proposés récemment (couleur 3). Notez qu'un certain nombre de ruptures se sont produites dans la zone jaune, qui est permise selon les essais en laboratoire. Cela indique un écart entre les résultats de laboratoire et l'expérience industrielle.

Figure X. Représentation des défaillances industrielles pour AISI 316/316L avec une teneur maximale en chlorures de 1000 mg/L.

La première explication possible de cet écart est que les essais en laboratoire sont réalisés en milieu liquide, alors que les ruptures signalées se sont produites en phase vapeur. Les vapeurs humides favorisent l'accumulation de chlorures par effet d'évaporation et de condensation. Les solides prélevés sur la surface interne du composant défaillant lors de l'incident susmentionné contenaient une concentration en chlorures supérieure à celle du liquide.

Un second facteur peut être la contrainte résiduelle qui varie d'un soudage à l'autre. Les résultats d'essais peuvent varier considérablement pour des éprouvettes soudées selon les paramètres de soudage. (Lecture connexe : Causes et prévention de la corrosion sur les joints soudés.)

Troisièmement, la fissuration par corrosion sous contrainte des matériaux austénitiques nécessite une période d'incubation significative. La durée d'exposition en essai peut être un facteur déterminant et difficile à reproduire dans un essai accéléré typiquement conduit en laboratoire.

Enfin, l'état de surface du joint soudé, notamment la présence de bleuissement thermique et de zone affectée thermiquement, peut influencer la résistance à la corrosion du métal. Le bleuissement thermique consiste en divers oxydes selon le métal de base et l'historique thermique du joint. Différentes formes d'oxydes présentent des résistances à la corrosion différentes.

Prévention de la fissuration par corrosion sous contrainte

Les contraintes résiduelles générées lors du soudage peuvent être éliminées par un traitement de détente, couramment utilisé pour les aciers au carbone. Cependant, pour les aciers inoxydables austénitiques, la valeur seuil de contrainte résiduelle est très faible en environnement chloruré. Par conséquent, le recuit ou le traitement thermique post-soudage est moins efficace pour ces aciers en présence de chlorures.

Un travail mécanique ou un traitement de surface peut être effectué pour introduire des contraintes résiduelles de compression qui contrebalancent les contraintes de traction issues du soudage. Des traitements comme le grenaillage ou le sablage génèrent une contrainte de compression en surface et sont bénéfiques pour contrôler la FCC.

L'influence de la composition d'alliage sur la fissuration par corrosion sous contrainte

La résistance à la FCC chlorurée dépend du type d'acier inoxydable utilisé. Les nuances austénitiques sont plus sujettes à la FCC, et leur résistance dépend de leur teneur en nickel.

Les nuances austénitiques avec une teneur en nickel de 8 à 10 % en poids (ex. 304/304L et 316/316L) sont plus vulnérables à ce type d'attaque. Les nuances à haute teneur en nickel et en molybdène, telles que l'alliage 20, le 904L et les nuances super-austénitiques à 6 % de molybdène, offrent une résistance supérieure à la FCC.

Les nuances ferritiques d'acier inoxydable, comme les types 430 et 444, sont également très résistantes à la FCC chlorurée.

Outre les essais en laboratoire, l'expérience industrielle réelle est un facteur important pour déterminer les normes, les restrictions des codes et l'approbation des matériaux pour des conditions environnementales spécifiques. Les points clés à prendre en compte sont les différences entre environnements vapeur et liquide, le rôle de la contrainte résiduelle, la durée d'essai et l'état de surface du soudage. Avec ces considérations, l'ISO 15156 peut améliorer la sécurité industrielle en évitant des incidents similaires à celui décrit dans cet article.