Quels sont les modes de défaillance courants des tuyaux en acier inoxydable martensitique pendant leur utilisation

Tubes en acier inoxydable martensitique est apprécié pour sa haute résistance et sa résistance modérée à la corrosion, ce qui le rend crucial dans des secteurs critiques tels que le traitement chimique du pétrole et du gaz et la production d'électricité. Cependant, dans des conditions de contraintes élevées et de milieux agressifs spécifiques, le MSS est très sensible à la fissuration induite par l'environnement, un mode de défaillance répandu et grave.

1. Fissuration sous contrainte de sulfure (SSC)

Le SSC représente le mécanisme de défaillance le plus destructeur pour les tubes MSS dans des conditions de « service acide » pétrolières et gazières où le sulfure d'hydrogène HS est présent.

• Mécanisme : Le sulfure d'hydrogène se décompose sur la surface métallique, produisant de l'hydrogène atomique qui s'infiltre dans l'acier. Les zones de haute résistance et de concentration de contraintes localisées de l'acier martensitique, telles que les zones écrouies ou les soudures, sont des sites privilégiés pour l'accumulation d'hydrogène. L'hydrogène piégé provoque une réduction locale de la plasticité et une fragilisation conduisant à une rupture soudaine sous des contraintes de traction bien inférieures à la limite d'élasticité du matériau.

• Zones à haut risque : Soudez des zones affectées par la chaleur (ZAT) à forte concentration de contraintes et des tubes avec des niveaux de dureté incontrôlés (dureté excessive).

• Tendances de l'industrie : En raison de l'augmentation des pressions partielles HS dans les environnements de puits profonds et ultra-profonds, l'industrie s'oriente vers des aciers martensitiques à très faible teneur en carbone et modifiés au nickel, combinés à des processus stricts de revenu à haute température pour minimiser la sensibilité au SSC.

2. Fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure (CISCC)

• Mécanisme : Les ions chlorure endommagent le film passif sur la surface de l'acier inoxydable, créant des sites de concentration des contraintes. Sous une contrainte de traction soutenue, des fissures s'initient et se propagent de manière transgranulaire ou intergranulaire, conduisant finalement à une rupture à travers la paroi.

• Applications typiques : Générateurs de vapeur dans les systèmes de traitement de saumure à haute concentration de centrales électriques et certains pipelines de produits chimiques à haute température et haute pression.

CATÉGORIE DEUX CHARGEMENT MÉCANIQUE ET DOMMAGES DE FATIGUE

Étant donné que les tubes MSS sont souvent utilisés dans les composants porteurs et dynamiques, leur défaillance est souvent directement liée à des contraintes cycliques ou à des charges mécaniques extrêmes.

1. Échec de fatigue

La fatigue est le mode de défaillance mécanique le plus courant pour les matériaux à haute résistance soumis à des charges cycliques telles que des fluctuations de pression de fluide ou des vibrations mécaniques.

• Mécanisme : Les fissures se déclenchent généralement au niveau de défauts de surface, de rayures sur la paroi interne, de piqûres de corrosion ou d'inclusions microscopiques. Des cycles de contraintes périodiques provoquent des dommages accumulés dans la zone plastique à l'extrémité de la fissure, ce qui entraîne une propagation lente des fissures jusqu'à ce que la section transversale restante ne puisse plus supporter la charge instantanée, ce qui entraîne une rupture fragile et soudaine.

• Zones à haut risque : aubes de turbine d'arbres de pompe où l'acier martensitique est utilisé pour les sections de racine et les sections à fortes vibrations dans les pipelines de transport longue distance.

• Défi technique : la résistance à la fatigue est très sensible à l'intégrité de la surface. Un polissage fin de la surface et le contrôle de la profondeur de la couche écrouie sont essentiels pour améliorer la durée de vie en fatigue du MSS.

2. Fragilisation par l'hydrogène (HE)

Étroitement lié au SSC, l'HE peut être induit par des processus de fabrication tels que la galvanoplastie ou le décapage ou par une protection cathodique inappropriée pendant le service, indépendamment de la présence de sulfures.

• Mécanisme : L'acier absorbe l'hydrogène atomique, ce qui entraîne une forte diminution de la ductilité, de la ténacité et de la résistance à la rupture. Même sans agents corrosifs externes, si une contrainte de traction est présente, les atomes d'hydrogène favoriseront la nucléation et la croissance des fissures.

CATÉGORIE TROIS STABILITÉ THERMIQUE ET DÉGRADATION MICROSTRUCTURELLE

Les performances de l'acier inoxydable martensitique dépendent en grande partie de sa microstructure trempée stable. Une exposition inappropriée à des températures peut entraîner une dégradation de la microstructure et une forte baisse des performances.

1. Fragilisation du tempérament

Certains éléments d'alliage tels que le phosphore, l'étain et l'antimoine peuvent se séparer le long des joints de grains lors d'un refroidissement lent ou d'une exposition prolongée dans la plage de 350 °C à 550 °C. Cela entraîne une perte substantielle de la résistance aux chocs de l'acier, entraînant une fragilisation par revenu.

• Conséquence : Même si la dureté ne change pas de manière significative, la résistance du matériau aux contraintes d'impact se détériore rapidement à basse température ou à des vitesses de déformation élevées, ce qui le rend très sensible à la rupture fragile.

• Mesures préventives : Utilisation d'une trempe à l'eau ou d'un refroidissement rapide dans la plage de température critique de fragilisation après revenu.

2. Fragilisation à 475 degrés C et précipitation en phase Sigma

Une exposition à long terme de l'acier inoxydable martensitique dans la plage de 400 °C à 500 °C peut conduire à la précipitation de phases riches en chrome, en particulier autour de 475 °C, provoquant le phénomène connu sous le nom de fragilisation à 475 °C. De plus, une exposition prolongée à des températures plus élevées telles que 600 °C à 900 °C peut provoquer la précipitation de la phase sigma dure et cassante.

• Impact : Ces deux phénomènes réduisent considérablement la plasticité et la ténacité du matériau tout en diminuant simultanément la résistance à la corrosion.

• Aperçu de l'application : La température de fonctionnement à long terme des tubes MSS doit être strictement limitée dans sa conception pour éviter ces plages de température sensibles.