THEME : Influence du traitement thermique à 1150°C DE …©moires/upload/MASTER-MEDOUNI-ILY… · thermique à 1150°C DE L’acier inoxydable duplex ... composition chimique après

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES ET METALLURGIE ENSMM-annaba-

Département science et génie des matériaux

Mémoire de fin d’études

MASTER: Ingénierie des Surfaces

Présenté(e) par : - Medouni Ilyes

Encadré(e) par : - Dr.BENJEDOU

Membres du jury : - Pr.RETIMA président

-Dr.BELHANI rapporteur

Juin 2017

THEME : Influence du traitement

thermique à 1150°C DE L’acier

inoxydable duplex A928-UNS S32205

SUR LE PHENOMENE DE CORROSION

ENSMM-ANNABA







Présenté(e) par : - Medouni Ilyes

Encadré(e) par : - Dr.BENJEDOU

Membres du jury : - Pr.RETIMA président

-Dr.BELHANI rapporteur

Juin 2017

THEME : Influence du traitement

thermique à 1150°C DE L’acier

inoxydable duplex A928-UNS S32205

SUR LE PHENOMENE DE CORROSION

ENSMM-ANNABA







Présenté(e) par : -

Encadré(e) par : -

Membres du jury : -

Juin 2015

THEME :

ENSMM-ANNABA

Table des matières Introduction générale .................................................................................................................................... 1

CHAPITERE I. Généralités et traitement thermique des aciers inoxydables duplex soudés ..................... 2

I.1 Généralités sur les aciers inoxydables .......................................................................................... 2

I.2 Les aciers inoxydables austéno-ferritiques (Duplex) ................................................................... 3

I.2.1 Généralités ................................................................................................................................ 3

I.3 Soudure des aciers inoxydables austéno-ferritiques (Duplex)...................................................... 4

I.4 Traitement thermique des aciers inoxydables .............................................................................. 5

I.4.1 Transformation structurales au-dessus de 1050 °C .................................................................. 5

CHAPITERE II. Généralité sur la corrosion ................................................................................................ 7

II.1 Introduction .................................................................................................................................. 7

II.2 Aciers inoxydables austéno-ferritiques ........................................................................................ 7

II.3 Les facteurs influant sur la corrosion ........................................................................................... 7

II.4 Types de corrosion ....................................................................................................................... 8

II.4.1 La corrosion sèche ................................................................................................................ 8

II.4.2 Corrosion humide ................................................................................................................. 8

II.5 Principales formes de la corrosion ............................................................................................... 8

II.5.1 Corrosion généralisée ........................................................................................................... 8

II.5.2 Corrosion galvanique............................................................................................................ 9

II.5.3 Corrosion par piqûres ........................................................................................................... 9

II.5.4 Corrosion par crevasses ...................................................................................................... 10

II.5.5 Corrosion intergranulaire .................................................................................................... 10

II.5.6 La corrosion sélective ......................................................................................................... 10

II.5.7 La corrosion sous contrainte ............................................................................................... 10

II.5.8 La corrosion-érosion ........................................................................................................... 10

II.6 Principaux risques de la corrosion des pipelines ........................................................................ 11

II.6.1 Protection cathodique ......................................................................................................... 11

II.6.2 Protection par inhibition ..................................................................................................... 11

II.6.3 Protection par revêtement ................................................................................................... 12

CHAPITERE III.Partie expérimentale ....................................................................................................... 13

III.1 Présentation de la nuance ........................................................................................................... 13

III.2 Composition chimique ............................................................................................................... 13

III.3 Le métal d’apport ....................................................................................................................... 13

III.4 Soudage des tubes ...................................................................................................................... 14

III.5 Traitements thermiques .............................................................................................................. 14

III.6 Préparation des électrodes de travail .......................................................................................... 14

III.7 Dispositif expérimental .............................................................................................................. 15

III.7.1 Electrolyte .......................................................................................................................... 15

III.7.2 Justification du choix de milieu .......................................................................................... 15

III.8 Techniques électrochimiques ..................................................................................................... 15

III.8.1 Suivi du potentiel en circuit ouvert..................................................................................... 15

III.9 Caractérisation par microscope optique ..................................................................................... 16

III.10 Caractérisation par microscope électronique à balayage ........................................................ 17

CHAPITERE IV. ....................................................................................................Résultats et interprétation

18

IV.1 Traitement de mise en solution 1150°C: Domaine d’équilibre des phases ................................ 18

IV.1.1 Introduction ........................................................................................................................ 18

IV.1.2 Observation métallographique ............................................................................................ 18

IV.1.3 Conclusion .......................................................................................................................... 19

IV.2 Test du potentiel électrochimique .............................................................................................. 20

IV.3 Les courbes de Tafel ................................................................................................................... 21

IV.4 Les paramètres enregistrés ......................................................................................................... 22

IV.5 Observation métallographique de la corrosion ........................................................................... 23

Conclusion générale ................................................................................................................................... 25

Liste des figures

Figure I-1:Coupe du diagramme ternaire fer-chrome-nickel, influence du nickel sur L’extension de la

boucle ɤ [1] ................................................................................................................................................... 2

Figure I-2:Microstructure d’un acier inoxydable duplex 2205 (α : ferrite / ɤ : Austénite). .......................... 3

Figure I-3: Evolution de la teneur en ferrite fonction de la composition de l’alliage et les températures

d’hypertrempe de 1050°C et 1150°C [6]. ..................................................................................................... 6

Figure II-1 : Les facteurs influant sur la corrosion ..................................................................................... 12

Figure III-1:Les électrodes de travail. ........................................................................................................ 14

Figure III-2:manipulation de mesures électrochimiques. ........................................................................... 15

Figure III-3:Les variations possibles des courbes E = f (t). ........................................................................ 16

Figure III-4:Microscope optique type Nikon eclipse LV100ND. .............................................................. 17

Figure III-5: microscope électronique à balayage utilisé dans le laboratoire de l'ENSMM ....................... 17

Figure IV-1:Micrographie de la zone fondue :a) après traitement thermique, b) avant traitement

thermique. ................................................................................................................................................... 18

Figure IV-2:Micrographie de la ZAT après traitement thermique. ............................................................ 19

Figure IV-3:Courbes E=f(t) de deux échantillons a)joint soudé, b) joint soudé après traitement thermique.

.................................................................................................................................................................... 20

Figure IV-4:courbes de Tafel. .................................................................................................................... 21

Figure IV-5:observation métallographique de la corrosion a)cordon de soudure de l’acier duplex ;b)

cordon de soudure après traitement thermique ........................................................................................... 23

Liste des tableaux :

Tableau II-1 Les facteurs influant sur la corrosion....................................................................................... 8

Tableau III-1:composition chimique selon la norme. ................................................................................. 13

Tableau III-2:composition chimique après analyse chimique. ................................................................... 13

Tableau III-3.composition chimique moyenne du métal d’apport. ............................................................ 13

Tableau IV-1:Les paramètres de corrosion ................................................................................................ 22

Introduction générale

1

Introduction générale

La corrosion est le phénomène suivant lequel les métaux ont tendance, sous l’action d’agents

atmosphériques ou de réactifs chimiques, à retourner à leur état original d’oxyde, carbonate, plus

stable par rapport au milieu considéré, et ainsi à subir une détérioration de leurs propriétés.

Le problème de la corrosion a pris de nos jours une importance considérable, étant donnée

l’utilisation de plus grande des métaux et alliages dans la vie moderne.

L’étude de la corrosion se situe à croisée de divers domaines :

Electrochimie, physique du solide, métallurgie, chimie, physique, thermodynamique… outre son

intérêt scientifique interdisciplinaire, elle répond à un enjeu industriel important.

Les pipe-lines ou bien les tubes de notre étude sont issus du projet pétrolier PP39 de l’entreprise

ENGTP, ces derniers sont fabriqués à partir de tôles laminées soudés par deux procèdes

successives TIG plus le semi-automatique (GTAW et FQAW). On tient à noter qu’on a étudié

l’acier inoxydable duplex (austéno-ferritique) dit A928-UNS S32205

Notre étude porte sur le comportement à la corrosion avant et après un traitement thermique de

trempe à 1150°C pour caractériser l’effet du traitement thermique sur la corrosion.

Notre travail est composé de quatre chapitres :

Un premier chapitre qui traite des généralités sur les aciers inoxydables (essentiellement

les duplex) et leurs traitements thermiques.

Un deuxième consacré à l’étude des phénomènes de corrosion

Le troisième présente les différents techniques expérimentales utilisées, pour avoir les

résultats qui nous mènerons a bien étudier le problème.

Le quatrième présente les résultats obtenus et leur interprétation.

Enfin le tout sera synthétisé dans une conclusion.

CHAPITRE I

Généralités et traitement thermique

des aciers inoxydables duplex soudés

Généralités et traitement thermique des aciers inoxydables duplex soudés

2

CHAPITERE I. Généralités et traitement thermique des aciers inoxydables

duplex soudés

I.1 Généralités sur les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables sont des alliages métalliques à base de fer-carbone à faible pourcentage

de carbone et contenant du chrome ainsi que d’autres éléments d’addition tels que le nickel, le

manganèse et le molybdène [1]. Leur résistance à la corrosion est due à une teneur en chrome

d’au moins 12%. Ces aciers permettent de répondre aux problèmes de corrosion sévère (industrie

chimique, eau de mer…) ainsi qu’à la corrosion douce lorsque toute contamination est interdite

(industrie agroalimentaire, pharmacie, industrie nucléaire…).

En fonction de la température, le fer cristallise suivant différentes variétés allotropiques. Ainsi, le

fer α, appelé ferrite dans les aciers, a une structure cubique centrée jusqu’à 910 °C, ensuite il se

transforme en fer ɤ (appelé austénite dans les aciers) dont la structure est cubique à faces centrées

et enfin, il retrouve une structure cubique centrée au-dessus de 1394 °C (fer δ). En ce qui

concerne les éléments d’addition, le chrome est considéré comme stabilisant de la ferrite

puisqu’il possède une structure cubique centré (élément alphagène) tandis que le nickel, dont la

structure est cubique à faces centrées, sera un stabilisant de l’austénite (élément gammagène). La

Figure I-1, qui est une coupe du diagramme ternaire Fe-Cr-Ni, montre le déplacement de la

boucle ɤ vers les teneurs élevées en chrome lorsqu’on augmente la teneur en nickel ce qui

confirme le caractère gammagène de ce dernier. [1]

Figure ‎I-1:Coupe du diagramme ternaire fer-chrome-nickel, influence du nickel sur

L’extension‎de‎la‎boucle‎ɤ [1]


3

I.2 Les aciers inoxydables austéno-ferritiques (Duplex)

I.2.1 Généralités

Les aciers inoxydables austéno-ferritiques, désignés aussi par le terme d’aciers duplex, sont des

aciers récents puisqu'ils n’apparaissaient qu’en 1930 et ne sont commercialisés en masse que

depuis les années 1970 en ne cessant pas d’évoluer [2].La structure biphasée des aciers

inoxydables austéno-ferritiques (duplex), formée d’austénite et de ferrite avec des proportions

égales (50%), combine favorablement les propriétés chimiques et mécaniques des aciers

austénitiques et ferritiques. Lors de la solidification, la phase ferritique apparaît d’abord et la

phase austénitique germe ensuite dans la ferrite. La structure finale se compose donc de grains

d’austénite dans une matrice ferritique comme le montre la (Figure I-2)

Figure ‎I-2:Microstructure‎d’un‎acier‎inoxydable‎duplex‎2205‎(α‎:‎ferrite‎/‎ɤ : Austénite).

Parmi les principales propriétés mécaniques des aciers inoxydables duplex, on peut noter une

limite d'élasticité élevée (entre 400 et 600 MPa) ainsi qu’une ductilité satisfaisante (15 à 25%).

La résistance à la rupture peut atteindre 850 MPa, pour des aciers duplex contenant 80% de

ferrite.

Dans la pratique, les aciers inoxydables duplex existent sous plusieurs formes, entre autres :

• Les aciers inoxydables duplex moulés.

• Les aciers inoxydables laminés.

Les aciers inoxydables moulés : Ils sont en général classés selon la dénomination américaine

« CFx », x représentant la teneur maximale en carbone multipliée par 100. Les nuances

contenant du molybdène se présentent sous la forme « CFxM ».


4

Dans ces aciers la proportion de ferrite est minoritaire : elle excède rarement 30%. Après

moulage, ils subissent un traitement thermique d’homogénéisation aux environs de 1100°C

pendant plusieurs heures, puis une trempe à l’eau [3].

Les aciers inoxydables duplex laminés : Le processus de fabrication de ces aciers suit les étapes

de moulage, écrouissage à chaud suivi d’une remise en solution et d’une trempe à l’eau.

I.3 Soudure des aciers inoxydables austéno-ferritiques (Duplex)

Contrairement aux aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques qui ne subissent pas de

transformation de phase lorsque la température varie [3], les aciers duplex se solidifient en ferrite

(phase δ) et subissent une transformation partielle en austénite au cours du refroidissement.

De ce fait, en plus de dépendre de l'équilibrage entre les éléments alphagènes et gammagènes, la

structure à l'état brut de soudage va aussi dépendre de l'histoire thermique de l'assemblage:

– les cycles thermiques rapides conduisent à une forte proportion de ferrite dans le joint soudé ce

qui a pour effet de détériorer les caractéristiques de résilience,

– les cycles thermiques lents favorisent la formation d'austénite au refroidissement ce qui

pourrait être considéré comme positif, mais ils provoquent aussi la précipitation de nitrures et la

formation de composés intermétalliques (phase σ ...) dont les effets sur la résilience et la

résistance à la corrosion sont extrêmement néfastes.

En règle générale, pour éviter ces phénomènes il faudra conserver l'énergie de soudage entre 8 et

18 KJ/cm et prendre soin de contrôler la température entre passes pour la maintenir en dessous

de 100 à 120 °C.

D'un point de vue chimique, les produits de soudage doivent être équilibrés de telle sorte que le

PREN du métal déposé (Cr + 3,3 Mo + 16 N) soit légèrement supérieur à celui exigé pour les

tôles afin de présenter une résistance à la corrosion par piqûre équivalente malgré les

ségrégations chimiques résultant du processus de solidification. Ils doivent aussi avoir une teneur

en éléments gammagènes (Ni en particulier) supérieure à celle des métaux de base de manière à

développer à l'état brut de soudage une structure mixte Austénite / Ferrite ne contenant pas plus

de 30 à 60 % de ferrite (une analyse identique à celle du métal de base conduirait à une structure

beaucoup plus riche en ferrite et de ce fait à des valeurs de résilience insuffisantes) [4].

Pour ce genre de matériau, la teneur en ferrite du métal fondu ne peut être évaluée à partir du

diagramme de Shaeffler. On pourra par contre en avoir une bonne idée en utilisant le diagramme

WRC 92 (Welding Research Council) qui prend mieux en compte l'influence des divers éléments

d'alliage que l'on rencontre dans ces aciers.


5

I.4 Traitement thermique des aciers inoxydables

La ferrite des aciers inoxydables austéno-ferritiques est sensible aux fragilisations à 475 °C ou de

type phase intermétallique (σ, χ, Laves, etc.).

Les plages de température d’utilisation interdites aux nuances ferritiques sont donc également

déconseillées en ce qui concerne les nuances austéno-ferritiques, même si la présence d’austénite

peut limiter la chute de résilience, surtout si l’austénite est majoritaire.

D’autre part, il faut éviter la formation de phase intermétallique, en particulier σ, lors du

chauffage, et surtout, du refroidissement liés à l’hypertrempe : on emploiera donc de préférence

une trempe à l’eau pour les pièces massives ou les fortes épaisseurs.

Un point qui mérite d’être signalé est que la teneur de la ferrite d’un acier austéno-ferritique en

éléments alphagènes (chrome, molybdène, silicium), qui aggravent la cinétique de fragilisation

de la ferrite, est supérieure à la teneur nominale de l’acier en ces éléments, car les éléments

alphagènes tendent à ségréger dans la ferrite. Ainsi, le rapport entre la teneur de la ferrite et la

teneur de l’austénite en l’élément considéré, appelé coefficient de partition, peut aller de 1,1 à

1,2 pour le chrome et le silicium, et de 1,3 à 1,8 pour le molybdène [5].

La ferrite des nuances austéno-ferritiques est donc généralement très riche en éléments

alphagènes et la plage d’existence des phases intermétalliques ira jusqu’à 950 °C en l’absence de

molybdène et 1050 °C en sa présence. La température d’hypertrempe devra être supérieure à 1

000 °C pour les nuances sans molybdène et 1 050 °C pour les nuances avec molybdène.

I.4.1 Transformation structurales au-dessus de 1050 °C

Suite aux opérations de soudage ou de coulée, les aciers inoxydables duplex se solidifient en

mode ferritique (ferrite δ), l’austénite se forme par une transformation ultérieure à l’état solide.

Cette transformation est réversible car une augmentation de la température au-dessus de 1050 °C

entraîne une augmentation de la quantité de ferrite dans l’acier. Par conséquent, la concentration

en ferrite des alliages austéno-ferritiques dépend de la température d’hypertrempe et augmente

avec cette dernière comme le montre la (figure I.3).

L’élévation des températures conduit à une réduction de la répartition des éléments entre les

deux phases ; le facteur K qui représente le rapport entre la quantité de l’élément dans la phase

ferritique et sa quantité dans la phase austénitique tend vers l’unité.

Dans ce cas, la ferrite devient plus riche en éléments interstitiels comme le carbone et l’azote.

Pour les teneurs en azote comprises entre 0.25 et 0.4%, les proportions de la ferrite et de

l’austénite sont relativement proches à 1250°C. Pour une teneur en cet élément inférieure à


6

0.2%, la proportion de ferrite peut atteindre 80 à 85%. Cette observation a une répercussion

importante sur la structure de la ZAT lors des opérations de soudage. Les grains peuvent devenir

équiaxes avec le prolongement du traitement à haute température, ou peuvent devenir aciculaires

avec la structure Widmenstätten lors d’un refroidissement intermédiaire.

Figure ‎I-3:‎Evolution‎de‎la‎teneur‎en‎ferrite‎fonction‎de‎la‎composition‎de‎l’alliage‎et‎les‎

températures‎d’hypertrempe‎de‎1050°C et 1150°C [6].

Chapitre II

Généralité sur la corrosion


7

CHAPITERE II. Généralité sur la corrosion

II.1 Introduction

Les métaux, à l’exception des métaux précieux tels que l’or et le platine, que l’on trouve à l’état

naturel sont toujours extraits de minerais ; les métaux ont donc toujours tendance à évoluer vers

un état stable, qui correspond à leur état d’origine, c’est-à-dire à leur forme oxydée.

La corrosion des métaux est essentiellement de nature électrochimique, elle intervient à

l’interface entre le métal et le milieu extérieur.

L’acier est un alliage de fer et de carbone. Contrairement à l’acier carbone, la présence d’un

minimum de 10,5% de chrome dans l’acier inoxydable lui confère des propriétés de résistance à

la corrosion. [7]

II.2 Aciers inoxydables austéno-ferritiques

Communément appelé "duplex", ce sont des aciers ayant des parties de chrome toujours

supérieur à 16% et d'autres éléments tels que le nickel, le molybdène, le manganèse et le

silicium. Ils ont une structure mixte de l'austénite et de ferrite.

Ils offrent une bien meilleure soudabilité à celle des aciers ferritiques. Au même temps ils ont

des caractéristiques de résistance à la corrosion sous tension supérieure à celle des aciers

austénitiques.

Ils sont également presque sans risque de corrosion intergranulaire. Ils ont une résistance à la

corrosion par pitting supérieur à celle des ferritiques et une résistance à la corrosion en milieu

fortement « acide » semblable à celle des aciers austénitiques.

Les caractéristiques mécaniques à température ambiante, sont supérieures à celles des ferritiques

et la résistance à la fatigue est plus élevée que les aciers austénitiques

Il en résulte l'intérêt qui est actuellement affiché à l'égard de ces aciers dans le cas d'application

dans le milieu marin, fortement sujets à la corrosion, et aussi dans le cas de traitement de

substances alimentaires salés. [8]

II.3 Les facteurs influant sur la corrosion

Les phénomènes de la corrosion dépendent d'un grand nombre de facteurs et ils peuvent être

classés en six groupes principaux dans le tableau suivant (Tableau II.1).


8

FORMES DE CORROSION FONCTION

Matériaux Milieu Conception Surface Condition

de service

Mise en

œuvre

Type de

matériau

Type de

milieu

Géométrie

des pièces

État de

surface

Période

d’arrêt

Soudage

Mode

d’élaboration

Composition Type

d’assemblage

Préparation

de surface

Fréquence

maintenance

Huile de

lubrification

Type de

traitement

T°, pH, O2,

agitation

Peinture

Tableau ‎II-1 Les facteurs influant sur la corrosion.

II.4 Types de corrosion

II.4.1 La corrosion sèche

Elle se produit toujours dans une atmosphère "agressive non conductrice d'électricité".

Ce milieu peut être constitué d'oxygène, d'air sec, de gaz sulfureux, de vapeurs nitreuses, etc...

II.4.2 Corrosion humide

Ce type de corrosion implique un milieu corrosif conducteur d’électricité (milieux aqueux, sels

fondus). Les principaux agents corrosifs dans ce cas sont les protons solvates, l’oxygène dissous,

les cations métalliques et les anions est les gaz dissous. Le milieu corrosif dans ce type de

corrosion transporte les oxydants vers la surface du métal et les produits de corrosion vers la

solution corrosive [9].

II.5 Principales formes de la corrosion

II.5.1 Corrosion généralisée

La corrosion généralisée correspond à une diminution uniforme d'épaisseur. Le taux de corrosion

permet de savoir si l'alliage peut être utilisée ou non. Le taux de corrosion d'un alliage est :

- excellent jusqu'à 0,05 mm/an.

- bon jusqu'à 0,5 mm/an.

- satisfaisant jusqu'à 1,25 mm/an.

- mauvais au-delà de 1,25 mm/an. [8]


9

Un taux de corrosion de 1 g.m-2.h-1 correspond à une diminution d'épaisseur de 1 mm par an

environ pour un métal ou alliage de densité 8,75 (densité moyenne des aciers inoxydables étudiés

ici : 8,00).

Dans la mer, les aciers inoxydables sont totalement insensibles à la corrosion générale, ce qui les

différencie des aciers ordinaires. En revanche, ils peuvent être éventuellement sensibles à deux

types de corrosion localisée (par piqûres et par crevasses).

II.5.2 Corrosion galvanique

L'une des caractéristiques fondamentales de l'eau de mer est la grande augmentation des effets

galvaniques qu'elle offre par rapport à l'eau douce. Le terme "corrosion galvanique" décrit à la

fois la corrosion croissante d'un métal et la corrosion décroissante d'un second métal

(protection cathodique) quand ils sont en contact métallique (électrique) dans un électrolyte (eau

de mer).

Cependant, la corrosion galvanique ne peut se produire seule, c'est-à-dire sans qu'il y ait une

action protectrice du second métal qui doit être plus noble. Les règles à observer sont les

suivantes:

- chaque fois qu'il est possible, n'utiliser qu'un seul métal pour construire un équipement

- s'il n'est pas possible d'utiliser un seul alliage, les alliages utilisés doivent être nobles et

protégés. Pour cela, il est important de s'assurer que les éléments essentiels sont plus cathodiques

dans l'échelle des potentiels galvaniques que les autres éléments constitutifs de la construction.

[10]

II.5.3 Corrosion par piqûres

C'est un phénomène pratiquement immédiat qui se déclenche en principe peu après l'immersion

du métal dans l'eau de mer.

Ce type de corrosion se développe initialement sur un germe de piqûre. La dissolution de ce

germe entraîne l'apparition d'une acidité locale, suffisante pour dé-passiver l'acier. Cette dé-

passivation entraîne localement une acidification par hydrolyse de sels de chrome par exemple,

entraînant l'auto entretien du phénomène. Le couplage entre une zone anodique microscopique

(le germe) et une zone cathodique de très grande dimension (la surface passive) entraîne une

dégradation très rapide localisée.

Les conditions de stabilité du germe sont liées à un paramètre électrochimique : le potentiel

métal/solution. La résistance à la corrosion par piqûre sera d'autant plus forte que le potentiel

sera plus élevé. Dans la pratique, on recherche une nuance d'acier dont le potentiel par piqûre

soit très supérieur au potentiel libre du métal dans le milieu considéré.


10

II.5.4 Corrosion par crevasses

La corrosion par crevasses ou corrosion caverneuse est contrairement à la corrosion par piqûres

est un phénomène différé qui nécessite un temps d'incubation relativement long. Elle apparaît

dans les interstices tels que les contacts métal-métal ou matière plastique, sous les dépôts, sous

les salissures marines.

Sa propagation est de même nature que celle de la corrosion par piqûre, mais son initiation

dépend de mécanismes totalement différents.

L'absence de renouvellement du liquide dans les cavernes entraîne une désoxygénation du milieu

local. Ce phénomène est suffisant dans le cas d'un acier ordinaire pour entraîner la corrosion

localisée par aération différentielle. Dans le cas d'un acier inoxydable, il faudra y associer un pH

local inférieur à une valeur critique dite "pH critique de dé-passivation" caractéristique de l'acier.

[8]

Dans la pratique, la corrosion caverneuse est plus difficile à satisfaire que la résistance à la

corrosion par piqûres.

II.5.5 Corrosion intergranulaire

La corrosion intergranulaire est due à la précipitation de carbures dans les joints de grain au

cours de chauffage entre 700 et 900 °C, causé par exemple par le soudage. La sensibilité à ce

type de corrosion est d'autant plus marquée que la teneur en carbone est forte, que la teneur en

chrome est plus faible. Cette sensibilité dépend aussi de la structure de l'acier, la structure

ferritique étant plus sensible que la structure austénitique.

Les teneurs en carbones suivantes permettent de s'affranchir de ce type de corrosion :

- aciers austénitiques : C < 0,03 %.

- aciers ferritiques : C < 0,02 %.

II.5.6 La corrosion sélective

Est l'oxydation d'un composant de l'alliage. Conduisant à la formation d'une structure métallique

poreuse [7, 12].

II.5.7 La corrosion sous contrainte

Est une fissuration du métal qui résulte de l’action commune d’une contrainte mécanique et

d’une réaction électrochimique [7, 12].

II.5.8 La corrosion-érosion

Peut-être considérer comme un cas particulier de corrosion généralisée accélérée par un

écoulement d'eau turbulent. Pour des vitesses de Circulation d’eau supérieure à 2m/s [13].


11

II.6 Principaux risques de la corrosion des pipelines

La corrosion est l’une des causes principales de la rupture de canalisations d’hydrocarbures.

Les principaux risques de corrosion des pipelines étaient très clairement identifiés par les

expériences antérieures. Les pertes économiques en matériel attribuées à la corrosion en général

sont très importantes. On distingue : Les effets directs qui concernent les dépenses dues à

détérioration du matériel et son remplacement. On estime que le remplacement d’une pipe coûte

10 à 20 M€. Les effets indirects qui sont :

a) Des pertes de productivité consécutives à l’arrêt des installations pour réparation. Ces pertes

sont variables, on estime qu’un mois d’arrêt de production serait de l’ordre de 3M€.

b) Des pertes de production (fuites dans les canalisations, émissions de gaz...).

c) Coût de l'entretien et du contrôle (mise en peinture, protection cathodique).

La lutte contre la corrosion des pipelines peut être envisagée de plusieurs manières, les

principales sont les suivantes :

II.6.1 Protection cathodique

Les phénomènes de corrosion galvanique et d'échelles de potentiels galvaniques sont à la base de

la Protection Cathodique (PC), un système dans lequel la structure à protéger devient la cathode.

Par exemple si l'on connecte dans l'eau de mer du cuivre et du fer, le fer se corrode ; si l'on

connecte un morceau de zinc dans le système, un courant passe du zinc au fer et au cuivre et

transforme le fer en cathode, c’est-à-dire le pôle qui ne corrode pas dans une cellule

électrochimique.

La protection cathodique utilisant des anodes sacrificielles (ou réactives) se fait couramment

pour la protection des structures en acier immergées. Lorsqu'il s'agit d'installations importantes,

comme par exemple les jetées en mer, on utilise souvent un système à « courant imposé ». Dans

un tel système, l'anode est inerte, par exemple du graphite ou du titane-platiné et la tension est

fournie par une alimentation en courant continu. [14]

II.6.2 Protection par inhibition

Les inhibiteurs de corrosion sont des produits chimiques qui, ajoutés à l’eau ou tout autre fluide

de process, réduisent la vitesse de corrosion. On les classe habituellement en : inhibiteurs

anodiques, cathodiques, filmant et absorbeurs d’oxygène, suivant leur mode d’action.

L’efficacité de la plupart des inhibiteurs de corrosion est considérablement influencée par les

caractéristiques chimiques de l’eau et les conditions physiques comme la température et la

vitesse d’écoulement.


12

II.6.3 Protection par revêtement

Tous les revêtements métalliques ou non métalliques, lorsqu'elle est appliquée à l'acier et autres

métaux, fournir une enveloppe de barrière de protection pour la prévention de la corrosion du

métal ou alliage sous-jacente. Revêtements non métalliques (peintures, laques, huiles et cires,

etc..) sont électriquement non conducteurs et relativement inertes. Lorsqu'elle est appliquée

uniformément, la protection est assurée tant que la surface du film n'est pas endommagée. À

l'opposé, les revêtements métalliques sont conducteurs et ont un rôle plus actif dans la prévention

et le contrôle de la corrosion. [15]

La série galvanique des métaux et des alliages indique le comportement à prévoir lorsque les

métaux différents sont en contact, y compris où les revêtements métalliques sont appliqués à

d'autres surfaces métalliques et où elles doivent être utilisées dans les applications où la surface

est mouillée. Par exemple, ou en acier est protégée par des revêtements sont intrinsèquement

plus la corrosion résistants (plus noble) la protection est maintenue aussi longtemps que

l'enveloppe de revêtement est complet. Aux points de dégâts de surface, trous d'épingle et la

porosité peut s'attendre à une attaque locale accélérée sur le métal sous-jacent, comme pour les

revêtements de nickel/chrome sur les composants acier. [16 ,17]

Figure ‎II-1 : Les facteurs influant sur la corrosion

CHAPITRE III

Partie expérimentale


13

CHAPITERE III. Partie expérimentale

III.1 Présentation de la nuance

Le matériau utilisé dans notre étude est un acier inoxydable austéno-ferritique ; plus connu sous

le nom d’acier duplex. Sa désignation selon la norme américaine ASTM internationale est A928-

UNS S32205. Les échantillons ont été découpés d’un tube soudé PP39 (Projet pétrolier n° 39

procuré par l’ENGTP) de 50.8 cm de diamètre et de 20.62 mm d’épaisseur. Cette nuance est la

plus utilisée dans l’industrie pétrolière avec l’acier super duplex d’où notre choix de celle-ci dans

le but de comparer les deux nuances.

III.2 Composition chimique

Selon la norme ASTM A751 la teneur des éléments qui compose l’acier duplex de notre étude

est donné dans le tableau suivant :

Elément C Cr Ni Si Mn Mo P S N

%

masse

˂0.030 22.0 -

23.0

4.5-

6.5

˂1.00 ˂2.00 3.00-

3.5

˂0.030 ˂0.02 0.14-

0.20

Tableau ‎III-1:composition chimique selon la norme.

Après analyse chimique effectuée par l’entreprise RIVIT SPA, les résultats obtenus, indiqués

dans le tableau suivant, sont conformes aux teneurs citées précédemment.

Elément C Cr Ni Si Mn Mo P S N Cu

%

masse

0.024 22.315 4.836 0.587 1.386 3.062 0.025 0.002 0.175 0.10

Tableau ‎III-2:composition chimique après analyse chimique.

III.3 Le‎métal‎d’apport

Comme la technique de soudage ; qui sera expliquée dans le titre suivant, s’exécute en deux

parties il y a donc deux métaux d’apport. Leurs noms sont, selon la norme AWS (American

Welding Soceity), ER2209 pour le procédé GTAW et E2209T0-1/4 pour le procédé FCAW.

La composition du métal d’apport doit être la plus proche possible de celle du métal de base afin

d’assurer une constance des propriétés entre le métal de base et le joint soudé. Leurs

compositions sont introduites dans le tableau ci-dessous :

Elément C Mn Si Cr Ni S P Mo Cu N

%masse 0.03max 0.5 -

0.2

0.9max 21.5-

23.5

7.5-

9.5

0.03max 0.03max 2.5-

3.5

0.75max 0.08-

0.2

Tableau ‎III-3.composition‎chimique‎moyenne‎du‎métal‎d’apport.


14

III.4 Soudage des tubes

Deux procédés de soudage ont été utilisés pour la réalisation de la soudure. Le 1er est réalisé

avec le procédé TIG (Tungsten Inhert Gas) GQAW en utilisant un métal d’apport de même

nuance, le deuxième, en utilisant le procédé de soudage à l’arc avec fil fourré (FCAW).

III.5 Traitements thermiques

Des échantillons prélevés sur le cordon de soudure ont subi des traitements thermiques dans

l’intervalle de température compris entre 1050 et 1150°C .La durée de maintien à haute

température est fixée à 60 minutes suivie d’une trempe à l’eau à 20 °C.

III.6 Préparation des électrodes de travail

Pour assurer le contact électrique entre l’interface métal/solution et la chaine de mesure, un fil

est soudé au centre de la pièce métallique.

L’ensemble est enrobé d’une résine thermodurcissable, de manière à ne laisser exposer à

l’électrolyte que la section droite des échantillons, de 1 cm 2 . Afin d’obtenir des résultats fiables

et reproductibles, l’électrode de travail subit, avant chaque essai, un prétraitement, qui consiste

en un polissage de la surface de l’électrode qui est réalisé à l’aide d’une polisseuse sous jet

d’eau, en utilisant du papier abrasif de granulométrie de plus en plus fine (160,400, 800 et 1200).

Après le polissage, l’électrode subit un rinçage à l’eau distillée. L’échantillon est alors fixé sur le

couvercle de la cellule puis immergé rapidement dans l’électrolyte.

Figure ‎III-1:Les électrodes de travail.


15

III.7 Dispositif expérimental

Les expériences électrochimiques ont été effectuées dans une cellule de forme cylindrique

thermo-statée, en verre, à double paroi de capacité de 250 ml. La cellule est équipée

d’un montage conventionnel à trois électrodes il s’agit de : l’électrode de travail ; la contre-

électrode étant une grille de platine placée vis-à-vis de l’électrode de travail ; l’électrode de

référence qui est une électrode au calomel saturé (ECS) dont l’extrémité est placée près de

l’électrode de travail pour minimiser l’influence de la chute ohmique.

III.7.1 Electrolyte

Notre étude est réalisée en milieu acide sulfurique H2SO4, de normalité : N=0,4N

III.7.2 Justification du choix de milieu

Les aciers inoxydable en générale ont une bonne résistance à la corrosion donc on a choisi ce

milieu qui est agressif afin d’étudié le comportement à la corrosion des aciers inox soudé.

Figure ‎III-2:manipulation de mesures électrochimiques.

III.8 Techniques électrochimiques

III.8.1 Suivi du potentiel en circuit ouvert

Egalement désigné par potentiel d’abandon ou potentiel libre, il s’agit de la grandeur nécessaire à

mesurer. Cette technique simple apporte des informations préliminaires sur la nature des

processus en cours, à l’interface métal/électrolyte (corrosion, passivation …).

Le suivi du potentiel d'abandon ou d'équilibre est effectué en fonction du temps d'immersion

(E=f(t)) des échantillons dans les solutions d'étude pour une durée de deux heures. La valeur

notée est celle qui correspond à l'équilibre. Avant de se stabiliser et d’atteindre une valeur fixe, le


16

potentiel de corrosion d'un matériau plongé dans une solution subit en fonction du temps,

différentes variations relatives aux phénomènes inter-faciaux qui peuvent avoir lieu.

Ces variations peuvent être aussi dues à la formation de composés insolubles ou au dégagement

de gaz. Les différentes variations possibles des courbes E = f (t) sont données par la (figure

III.3).

Figure ‎III-3:Les variations possibles des courbes E = f (t).

La courbe (a) montrant l'augmentation du potentiel avec le temps, traduit la formation d'une

couche de composés insolubles qui protège le métal, c'est une passivation. La courbe (b) relative

à un potentiel décroissant, correspond à une attaque corrosive du métal. La courbe (c) indique

une passivation instable suivie d'une attaque et la courbe (d) une attaque suivie d'une passivation.

III.9 Caractérisation par microscope optique

Nous avons utilisé un microscope optique type Nikon éclipse LV100ND muni d’une caméra

numérique avec logiciel "NIS Element D 4.10" situé dans l’enceinte du laboratoire de l’ESMM

Annaba. Cette observation nous a pris d’identifier les microstructures des différentes régions du

joint soudé : zone fondue, zone de liaison, zone affectée thermiquement ainsi que du métal de

base.


17

Figure ‎III-4:Microscope optique type Nikon eclipse LV100ND.

III.10 Caractérisation par microscope électronique à balayage

Nous avons effectués des observations par MEB de deux échantillons d’acier inoxydables duplex

-le premier : dans le cordon de soudure.

-le deuxième aussi au cordon de soudure mais après traitement thermique

III.10.1.1 Principe

Un faisceau très fin d’électrons, monocinétique, balais la surface d’un échantillon ou se

produisent des interactions détectés par un capteur qui contrôle la brillance d’un oscilloscope

cathodique dont le balayage est synchronisé avec celui du faisceau d’électrons ; on peut ainsi

comparer le MEB à un système de télévision en circuit fermé. L’échantillon doit être conducteur

afin de permettre l’accumulation des charges.

Figure ‎III-5: microscope électronique à balayage utilisé dans le laboratoire de l'ENSMM

CHAPITERE IV

Résultats et interprétation


18

CHAPITERE IV. Résultats et interprétation

IV.1 Traitement‎de‎mise‎en‎solution‎1150°C:‎Domaine‎d’équilibre‎des‎phases

IV.1.1 Introduction

Le contrôle de l'équilibre de ferrite/austénite en soudures des aciers inoxydables duplex n'est pas

aussi simple que dans le métal de base. Les analyses de la microstructure des joints soudés ont

démontré que la proportion de chaque phase est fonction de la composition, de la température

maximale, et de la vitesse de refroidissement depuis la température maximale. Dans la zone

fondue, la microstructure peut être commandée en équilibrant les effets de la composition du

métal d’apport et de la vitesse de refroidissement du joint soudé. Dans la zone adjacente (zone

affectée thermiquement ZAT), l’équilibre ferrite/austénite est commandé principalement par la

vitesse de refroidissement.

Par conséquent, l'équilibre ferrite/austénite dans la ZAT et la zone fondue des soudures des

aciers inoxydables duplex peut changer de manière significative. Cette variation compromet

souvent le comportement des aciers inoxydables duplex soudés dans des conditions de service.

La commande améliorée des microstructures de la ZAT et de la zone fondue des soudures en

aciers inoxydables duplex dépend d'une meilleure compréhension des transformations de phase

qui influencent l'équilibre ferrite/austénite.

IV.1.2 Observation métallographique

Inclusion métallique

a) b)

Figure ‎IV-1:Micrographie de la zone fondue :a) après traitement thermique, b) avant

traitement thermique.


19

Figure ‎IV-2:Micrographie de la ZAT après traitement thermique.

Les figures ( 1 et 2) montrent les structures de la ZAT et la ZF de la soudure traitée à 1150°C

pendant 01 heure. On constate clairement que toute trace de précipités a disparu, et qu’on est en

présence de la structure bi phasique austéno-ferritique de l’acier inoxydable duplex 2205, par

contre en remarque un taux élevé de précipités des deux zones avant traitement thermique.

A cette température il est difficile de distinguer la différence de structures dans la ZAT, entre la

zone surchauffée et la zone partiellement recuite, en raison de la coalescence de la taille des

grains.

La micrographie de l’échantillon traité à 1200°C, (figure 2) montre une augmentation importante

de la taille du grain ferritique par rapport au grain austénitique.

On constate aussi, un changement de la morphologie des deux phases, la ferrite et l’austénite,

vers une structure à forme cellulaire.

IV.1.3 Conclusion

Les effets des gradients de température et des modes de refroidissement au cours d’une opération

du soudage de l’acier inoxydable duplex 2205 se traduisent par une modification notable de

l’équilibre des phases ferrite –> austénite. Ainsi, il est remarqué que dans la zone du cordon de

soudure où le métal a subi une surchauffe, l’équilibre ferrite - austénite est nettement en faveur

de la ferrite.

Les traitements appliqués aux températures supérieures à 1000 °C déplacent l’équilibre ferrite -

austénite en faveur de la phase ferritique. En effet, l’augmentation du taux de ferrite en fonction

de la température maximale de traitement est sensiblement linaire. Les taux de ferrite les plus

élevés sont enregistrés au niveau de la zone affectée thermiquement (ZAT), quel que soit le

traitement de mise en solution. Car la ZAT est une région qui a déjà subi un phénomène de

ferritisation suite aux cycles thermiques de soudage


20

IV.2 Test du potentiel électrochimique

Dans cette partie de travail, on va exposer les résultats de test du potentiel électrochimique.

La figure II-3 représente les courbes E=f(t) de deux échantillons :

• Le premier est un cordon de soudure d’un acier duplex.

• Le deuxième a subi un traitement thermique à 1150°C pendant 60 mn.

(a

(b

Figure ‎IV-3:Courbes E=f(t) de deux échantillons a)joint soudé, b) joint soudé après

traitement thermique.


21

IV.3 Les courbes de Tafel

La figure suivante représente les courbes de Tafel sont tracées à partir le logiciel origine

Figure ‎IV-4:courbes de Tafel.


22

IV.4 Les paramètres enregistrés

Les valeurs représentées au tableau (Tableau III.1) sont des valeurs calculées à partir des courbes

de TAFEL avec le logiciel EC-Lab.

Echantillon

Ecorr (mV)

Icorr (µ)

Vcorr (mmpy)

Joint soudé

Aciers Duplex

-355,161 0,983 0,011546

Joint soudé acier

duplex après

traitement

thermique

-298,450

0,526

4,903.10-3

Tableau ‎IV-1:Les paramètres de corrosion

Où :

E corr : le potentiel de corrosion en millivolt.

I corr : le courant de corrosion microampère.

V corr : la vitesse de corrosion millimètre par an.

Discussion :

D’après le tableau on peut affirmer qu’un traitement thermique à 1150°C augmente la résistance

a la corrosion ,on peut clairement voir que la vitesse de corrosion du joint soudé de l’acier

duplex est plus grande que celle du joint soudé qui a subi un traitement thermique à 1150°C, ce

traitement stabilise l’austénite résiduelle mais il permet aussi la disparition de toute trace de

précipité (source de corrosion intra-granulaire), ce qui favorise une stabilité et une homogénéité

des deux phase (austénitique et ferritique). Le traitement de qualité typique est un traitement

d’hypertrempe. Il vise l’obtention d’un mélange d’austénite et de ferrite sans phase

intermétallique et sans précipitation, source de corrosion intergranulaire.


23

IV.5 Observation métallographique de la corrosion

a)

b)

Figure ‎IV-5:observation‎métallographique‎de‎la‎corrosion‎a)cordon‎de‎soudure‎de‎l’acier‎

duplex ;b) cordon de soudure après traitement thermique

Discussion :

L’observation métallographique nous a permis de confirmer les résultats obtenus par (les courbes

de Tafel et les courbes de potentiels), en effet on remarque que la surface exposée du cordon de

soudure avant traitement thermique a subi une corrosion plus agressive que celle du joint soudé

après traitement thermique.


24

Conclusion générale


25

Conclusion générale

L’objectif de l’étude décrite dans ce manuscrit est de montrer l’influence du traitement

thermique sur la microstructure et la corrosion.

L’acier utilisé dans notre étude est l’acier inoxydable duplex A928-UNS S32205 selon la norme

ASTM.

Afin de compléter l’étude faite déjà sur l’acier en question, nous avons jugé qu’une recherche sur

la corrosion serait un point de plus pour l’entreprise nationale des grand travaux pétroliers, ce

travail va permettre aussi l’enrichissement de la base de comparaison déjà établi.

L’étude en question est très importante vu que la corrosion est l’une des causes principales de la

rupture de canalisations d’hydrocarbures.

Les principaux risques de corrosion des pipelines étaient très clairement identifiés, les pertes

économiques en matériel attribuées à la corrosion en général sont très importantes.

On remarque que la surface exposée du cordon de soudure avant traitement thermique a subi une

corrosion plus agressive que celle du joint soudé après traitement thermique.

Donc on a conclus que Le traitement de qualité typique est un traitement d’hypertrempe a

1200°C. Il vise l’obtention d’un mélange d’austénite et de ferrite sans phase intermétallique et

sans précipitation, source de corrosion intergranulaire.

Références bibliographiques :

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TiziOuzou,(2009).

[17] J.Talbot, Métallurgie générale, édition Masson, Paris, (1969).

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