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PROCESSUS DE CORROSION DE L’ACIER
Il existe deux types de corrosion : la corrosion chimique, la corrosion électrochimique.
Corrosion chimique : Elle est due à l’action de l’oxygène de l’air en présence d’eau. Le gaz carbonique et l’anhydride sulfureux, présents dans l’air et dans les gaz d’échappement favorisent les réactions. La couche d’oxyde n’étant pas protectrice, le processus de corrosion continue tant qu’il y a présence d’oxygène et d’humidité.
Corrosion électrochimique : Il se forme en surface une infinité de micropiles entre les impuretés du métal ou entre les zones hétérogènes ; en présence d’un électrolyte (figure 01). La corrosion électrochimique est appelée aussi corrosion humide, elle se produit lorsqu‟il y a hétérogénéité soit dans le métal ou l‟alliage métallique soit dans le milieu. Il y a formation d‟une pile avec passage d‟un courant [2].
Anode = électrode ou se produit la réaction d‟oxydation (dissolution du métal), ou le courant passe du métal vers la solution.
Cathode = électrode ou se produit la réaction de réduction (déposition a la surface du métal), ou le courant passe de la solution vers le métal. Les réactions électrochimiques sont des réactions d’oxydoréduction avec transfert d‟électrons. Toute réaction d‟oxydoréduction se compose de deux réactions :
Une réaction d’oxydation M → Mz+ + ze- = réaction anodique, pole (-), avec perte d‟électrons
Une réaction de réduction Ox + ze- → Red = réaction cathodique, pole (+), avec gain d‟électrons La part de la corrosion électrochimique semble beaucoup plus importante que celle de la corrosion purement chimique.
CORROSION GENERALISEE OU UNIFORME
La corrosion uniforme ou généralisée se manifeste avec la même vitesse en tous les points du métal entrainant une diminution ou augmentation régulière de l‟épaisseur ou simplement un changement de coloration (ternissement) (photo 01). La vitesse de corrosion peut être déterminée de façon relativement simple (perte de poids, d‟épaisseur, ..) et permet d‟accéder directement à la durée de vie de la pièce concernée (tableau 01). La vitesse de corrosion est en général exprimée en termes de perte de masse par unité de surface et par unité de temps ou par l‟épaisseur de métal corrodé en fonction du temps.
Prévention de la corrosion généralisée [2]:
Isoler le métal du milieu ambiant par un traitement de surface approprié (revêtement métallique, organique ou céramique par exemple) ;
Placer artificiellement le métal dans son domaine d‟immunité (par protection cathodique) ;
Réduire la corrosivité du milieu ambiant en utilisant, par exemple des inhibiteurs de corrosion) ;
Prévoir des surépaisseurs selon les vitesses de corrosion ;
Changer de matériau
FACTEURS ASSOCIES A DES PARTICULES EROSIVES
Le moyen et le mécanisme d’érosion peuvent se modifier en fonction des caractéristiques des particules. Les caractéristiques peuvent rester identiques à celles d’origine, ou changent en fonction des conditions du fonctionnement. La connaissance des caractéristiques des particules est très importante pour estimer, réduire et prévenir l’érosion. Certaines des caractéristiques et leurs effets sont discutés ici.
TAILLE DES PARTICULES La taille des particules peut être caractérisée essentiellement en deux paramètres principaux :
La masse et la longueur. Pour une vitesse donnée, l’énergie cinétique des particules est directement proportionnelle à la masse. La masse des particules sphériques est proportionnelle au (Diamètre ).
Sheldon et Finnie (en 1966) [10] : Ils ont observé une transition du mode ductile de l’érosion au mode fragile, quand la taille des particules change de s‟accroitre (Stachowiak et Batchelor, 1993) [11]. Pour l‟essai expérimental, utilisant de petites et de grandes particules, l’érosion maximale change d‟un angle d’impact de 30 ° à 80 °. Les particules de petite taille sont plus coupées, et les particules les plus grandes causent une déformation élastique et une fatigue du matériau. Avec le changement du mode de l’érosion, les changements sont dramatiques (figure 10).
L’érosion dépend de la dureté dans le cas des petites particules.
Pour les grosses particules, elle dépend de la ténacité du matériau.
Bahadur et Badruddin (1990) [12] ont discuté plusieurs approches pour la caractérisation des particules, figure 11. Certains paramètres sont utilisés :
Longueur maximale de la séparation L : Longueur d’une ligne droite entre deux points, figure 11 (a) ;
En considérant le plan de la stabilité maximale : La longueur, la largeur et l’épaisseur, figure 11 (a) ;
Diamètre d’un cercle équivalent à une zone projective da ou bien équivalent à un périmètre projectif dp, figure 11 (b) ;
Diamètre d‟une sphère équivalente à une surface ds ou à un volume dv (appelé aussi diamètre nominal), figure 11 (c) ;
Ouverture d’un tamis A ou une ouverture ronde équivalente (diamètre de tamis).
Rapport d‟allongement L / W et rapport W / T.
Ces rapports sont harmoniques pour des objets réguliers (cas d‟une sphère). L’inverse du rapport d’allongement est appelé « Rapport d‟aspect « .
Le rapport entre le carré du périmètre et la superficie d’une particule (P2/A) fournit aussi une mesure quantitative de la déviation de la forme irrégulière des particules de celle d‟une géométrie connue.
FORME DES PARTICULES La forme des particules est aussi l’un des facteurs importants qui contrôlent l’érosion, mais les études sont limitées à la relation entre l’érosion et la forme des particules. A côté de cette érosion, la forme des particules érosives est intéressante en raison de son influence sur la force de cisaillement, sur la densité, sur la perméabilité, sur la compressibilité et sur la capacité de transport des sédiments (Drolon, 2000) [13]. Généralement, la forme des particules est décrite qualitativement comme un cercle, un triangle ou un demi-cercle basée sur l’observation visuelle. Les formes de base trouvées dans la nature sont généralement uniforme, mais à cause de plusieurs raisons, les réelles formes des particules sont aigues et complexes, et ne peuvent être décrites en termes mathématiques simples. La forme des particules est un bon indicateur du processus d’érosion, exemple les formes irrégulières, avec un profile aigu, augmentent l’érosion, tandis que les particules rondes avec des bords émoussés le retardent. La plupart des modèles d’érosion ont intégré l’effet de la forme, ainsi la quantification du paramètre de forme est indispensable pour estimer l’érosion par des particules solides.
Dans quelques approches suggérées par Bahadur et Badruddin (1990) [12], Le facteur de rondeur (Perimètre )2/ 4π Superficie ) et d’autres paramètres statistiques sont utilisés pour décrire la forme des particules. La forme des particules peut également être définie en termes d‟«Angle de divergence», angle entre la face des particules et la normale à la surface du matériau cible (Winter et Hutchings, 1975) [14].
Drolon et al. (2000) [13] Ils ont utilisé la technique de description de la rugosité multi-échelle, basée sur la transformation harmonique des petites ondes pendant l’analyse des particules du sédiment. Stachowiak (2000) [15] a décrit les angularités des particules et étudié leur relation avec l‟érosion (figure 12). Les paramètres utilisés sont basés sur la représentions des particules en forme de triangles, directement lié à l‟érosité des particules.
Chen et Li (2003) [36] : Ils ont simulé l’érosion en utilisant un modèle informatique (modèle dynamique micro-échelle). Ils ont étudié le changement d’érosion, en prenant trois formes principales de particules : Triangle, carré et cercle, figure 12. Pour un seul impact, une particule triangulaire cause une perte de masse plus forte que pour une particule circulaire ou carré.
• Impact par une particule
• Impact par 50 particules
DURETE : La forme et la dureté des particules se complètent mutuellement.
Si une particule est dure mais relativement émoussée, elle ne cause aucune érosion sévère.
Les particules dures ont une tendance à avoir un profile aigu ;
en revanche, les particules molles s‟arrondissent même avec un impact léger.
Si les particules sont plus dures que le matériau cible, une érosion sévère se produit.
Si les particules sont plus douces, l’érosion se produit uniquement lorsque le matériau cible à une faible résistance à la rupture.
Le rapport de la dureté d‟une particule et celle d‟un matériau cible est très influant sur l’érosion. En général, la dureté des minéraux est représentée en terme relatif d‟échelle de la dureté de Mohs [17], entre 1 pour la poudre et 10 pour le diamant. La dureté d‟un couteau dans l’échelle de Mohs est de 5,5 et celle d‟une aiguille en acier est de 6,5.
SEDIMENTS Les sédiments fluviaux sont sous forme d’argile, de limon, de sable et de gravier avec une gravité spécifique d’environ 2,6. Les particules du sédiment ont beaucoup moins de vitesse que le fluide, alors que les particules en suspension emportées par le fluide sont appelées „„charges suspendues‟‟, et elles ont plus ou moins de vitesse que le fluide. Les sédiments transportés par le fluide sont des mélanges de différentes tailles des particules, (tableau 07). En plus des propriétés des particules, le mécanisme de leur transport a aussi un rôle dans des modèles d’érosion. Le mouvement de ces particules influe essentiellement sur les caractéristiques des particules (densité, forme, taille) et sur les caractéristiques de fluide (vitesse, turbulence, viscosité). La stabilisation des particules de sédiment est influencée par l‟équilibre de plusieurs forces, (figure 13). La rapidité du naufrage dépend de la masse des particules et de la viscosité du fluide.
Les turbulences dans le flux détachent des particules sédimentaires,
tandis que la vitesse de transport déplace des particules dans le sens d’écoulement.
De même, le fluide s’écoule autour de la particule et exerce une force tirée dans le sens de l’écoulement. L‟air dissout ou des bulles d’air peuvent aussi empêcher les particules de se sédentariser. Lorsque le système du flux est en rotation (y compris les rotations globales), ou les particules se déplacent le long d‟un chemin courbe, la force centrifuge et la force de Coriolis sont de pertinentes forces déstabilisatrices.
MODIFICATION DE LA MICROSTRUCTURE
Le grenaillage agit sur la microstructure des couches superficielles. En effet, l‟écrouissage provoqué modifie la densité des dislocations ou peut même générer de nouvelles microstructures : apparition de martensite d‟écrouissage α‟ dans le cas des aciers inoxydables métastables ou de nano-structures (Lu [22], Ni [23]). Des mesures de profils de micro-dureté ou d‟élargissement des pics de diffraction confirment ce fait, en comparant les états traités et non traités. Ceci dit, il est nécessaire de rappeler que le grenaillage peut également adoucir la microstructure par l‟annihilation des structures de dislocation (cas des aciers très durs).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : REVUE DE LITTERATURE ET DOCUMENTATION
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LA CORROSION DE L’ACIER
I.1.LES DIFFERENTES FORMES DE CORROSION METALLIQUE LOCALISEE
I.1.1. PROCESSUS DE CORROSION DE L’ACIER
I.1.2. PRINCIPALES FORMES DE CORROSION ET LEURS PROTECTIONS
I.1.2.1. CORROSION GENERALISEE OU UNIFORME
I.1.2.2. CORROSION LOCALISEE
I.2.LES PIPELINES ET L’ACIER API 5L
I.2.1.LES PIPELINES
I.2.2. PROCEDE DE FABRICATION DES TUBES DE PIPELINES
I.2.2.1.LES TUBES SOUDES SOUS FORME SPIRALE
I.2.2.2. LES TUBES SOUDES SOUS FORME LONGITUDINALE
I.2.2.3.LES TUBES SANS SOUDURE
I.3.LES ACIERS API 5L
I.3.1.FACTEURS METALLURGIQUES – PROPRIETES DES TUBES
CHAPITRE II : CORROSION DE L’ACIER PAR DES PARTICULES CONTAMINANTES : SABLE
II.I.CARACTERISATION DES PARTICULES SOLIDES (SABLE)
II.I.1.FACTEURS ASSOCIES A DES PARTICULES EROSIVES
II.I.1.1.TAILLE DES PARTICULES
II.I.1.2. FORME DES PARTICULES
II.I.1.3.DURETE
II.1.1.4.SEDIMENTS
II.2.EFFET D’EROSION SUR LE COMPORTEMENT DU MATERIAU
II.2.1.FACTEURS ASSOCIES AU MATERIAU CIBLE
II.2.1.2.RESISTANCE DE L’ACIER A L’EROSION
II.2.1.2.INFLUENCE DES DEFAUTS SUR LE PROCESSUS D’EROSION
II.2.1.3.EFFET SUR L’ETAT DE SURFACE
II.2.1.4.MODIFICATION DE LA MICROSTRUCTURE
II.2.2.5.CONTRAINTES RESIDUELLES
III.3.FACTEURS INFLUENÇANT LA CORROSION PAR DES PARTICULES SOLIDES : CAS DU SABLE
III.3.1.FACTEURS ASSOCIES AUX CONDITIONS D’EXPLOITATION
III.3.1.1.TEMPS D’EXPOSITION
II.3.1.2.ANGLE D’IMPACT
PARTIE II : METHODE ET ESSAIS EXPERIMENTAUX PAR SABLAGE
III.1.MECANISME DE L’EROSION PAR DES PARTICULES SOLIDES
III.1.1. EROSION ABRASIVE (COUPE)
III.1.2. FATIGUE DE SURFACE
III.1.3. DEFORMATION PLASTIQUE
III.1.4. RUPTURE FRAGILE
III.2. MATERIAU : CARACTERISTIQUE DE L’ENDOMMAGEMENT PAR SABLAGE
III.2.1. CAS DE L’ACIER API 5L X52
III.2.2. MESURE DE LA TAILLE DU GRAIN DE L’ACIER
III.3. ENDOMMAGEMENT PAR SABLAGE (ESSAI DE SABLAGE)
III.3.1. CHOIX DE LA MACHINE
III.3.2. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA MACHINE DE SABLAGE : BLASTER 2700
III.3.3. CARACTERISTIQUES DU SABLE UTILISE : CORINDON AL2O3
III.3.3.1. DEFINITION
III.3.3.3. PROPRIETES DU CORINDON
III.3.4. MESURE DE LA VITESSE DES PARTICULES DU CORINDON
III.3.5 MESURE DE LA VITESSE DE CORROSION
III.4. INFLUENCE D’EROSION PAR SABLAGE SUR LA STRUCTURE DU MATERIAU
III.4.1. PERTE DE MASSE ET CALCUL DU VOLUME ERODE
III.4.1.1. MANIPULATION ET RESULTATS
III.4.1.2. DISCUSSION
CHAPITRE IV : EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES DE L’ACIER API 5L X52 SOUS SOLLICITATIONS STATIQUE, DYNAMIQUE ET FATIGUE
IV.1.ESSAIS STATIQUES : INFLUENCE DU SABLAGE SUR LA LOI DE COMPORTEMENT DE L’ACIER API 5L X52
IV.1.1.REALISATION D’ESSAIS
IV.1.2.RESULTATS
IV.1.3.DISCUSSIONS
IV.2. ESSAIS CHARPY : INFLUENCE DU SABLAGE SUR LA
TENACITE DE L’ACIER API 5L X52
IV.2.1.PRINCIPE DE L’ESSAI CHARPY
IV.2.2.MANIPULATION ET DEROULEMENT DES ESSAIS
IV.2.2.1.EPROUVETTES
IV.2.3.REALISATION DE L’ESSAI
IV.2.4.CALCUL DE LA TENACITE UTILISANT LE CRITERE ENERGETIQUE
IV.3.ESSAIS DE FATIGUE : INFLUENCE DU SABLAGE SUR LA DUREE DE VIE DE L’ACIER API 5L X52
IV.3.1.MANIPULATION ET DEROULEMENT DES ESSAIS
IV.3.1.1.EPROUVETTES
IV.3.1.2.CONDITIONS DES ESSAIS
IV.4.RESULTATS ET DUSCISSION
PARTIE III : SIMULATION MULTIPHYSIQUE 3D DE LA CORROSION D’UN TUYAU A 90°
CHAPITRE V : METHODE DES ELEMENTS FINIS (MEF)
V.1.PRINCIPE DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS
V.1.1.DISCRETISATION DU DOMAINE D’ETUDE EN ELEMENTS FINIS
V.1.2. ÉLEMENT FINIS TETRAEDRE « ENVELOPPE EN1964 »
V.2. LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES ET FORMULATIONS D’ELEMENTS FINIS STABILISES
V.2.1.DISCRETISATION SPATIALE EN DEUX DIMENSIONS
CHAPITRE VI : SIMULATION SOUS COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a
VI.1.DEFINITION DU MODELE ET CONDITION AUX LIMITES
VI.2.CONSIDERATION DU MODELE
VI.3.LOGICIEL DE SIMULATION : COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a
VI.4.SIMULATION SOUS COMSOL
VI.4.3.1. DEFINITION DU MATERIAU
VI.4.3.2. DEFINITION DES CONTRAINTES AUX LIMITES
VI.4.3.3.DEFINITIONS DU CHARGEMENT EXTERIEUR
VI.5.VISUALISATION DES RESULTATS
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE
ANNEXES
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