Préserver & Protéger

Aug 31, 2023

Nous pensons souvent que les métaux sont des matériaux éternels, mais cette notion n'est pas toujours vraie. Des mesures doivent être prises pour protéger la surface métallique de la corrosion. Le coût direct des dommages dus à la corrosion aux États-Unis dépasse 280 milliards de dollars par an (selon ASM International). À partir du moment où une surface métallique est mise à nu et brillante dans le processus d'usinage, les facteurs thermodynamiques et cinétiques travailleront de manière persistante pour la détruire. L'eau et l'oxygène, bien qu'essentiels à la vie humaine, ne sont pas vos amis lorsqu'il s'agit de la corrosion du métal. Les acides, les caustiques et les solides en suspension seront également de la partie et danseront à la veille de la mort.

Des procédures de conservation et de stockage pour tout type d'équipement sont nécessaires pour protéger l'investissement. La politique, la discipline et la culture de l'entreprise nécessaires pour intégrer les procédures et stocker correctement les articles sont primordiales. Dans ma chronique de novembre 2016, j'ai décrit les étapes de conservation appropriées pour les pompes et les pièces de rechange entreposées. Pour des informations plus détaillées, veuillez consulter la colonne 2016 référencée et/ou les fabricants de pompes et de joints.

Notez d'abord la distinction selon laquelle la rouille est un type de corrosion, mais toutes les corrosions ne sont pas de la rouille. Il existe au moins 10 types de base de corrosion et au moins sept types de corrosion par piqûres qui attaquent les surfaces métalliques de la pompe. En général, la corrosion se divise en deux types distincts : généralisée et localisée. Les problèmes de corrosion généraux sont généralement faciles à comprendre et à corriger, mais les problèmes localisés peuvent s'avérer plus difficiles à diagnostiquer et à corriger.

La mesure la plus simple que vous puissiez prendre pour la protection externe de la pompe est de vous assurer qu'elle a été correctement peinte/enduite. La peinture ou d'autres systèmes de revêtements techniques constituent un système de protection relativement peu coûteux, mais efficace. Les surfaces peintes endommagées lors de l'expédition, de l'installation ou de l'entretien doivent être retouchées avant de mettre la pompe en service. Les imperfections du système de peinture ne s'amélioreront jamais d'elles-mêmes et entraîneront inévitablement des dommages dus à la corrosion. Il existe des peintures spéciales pour les applications à haute température ainsi que pour les environnements chimiques et marins dangereux. De nombreuses entreprises ne peignent pas les surfaces métalliques des équipements fabriqués à partir d'aciers alliés.

Gardez à l'esprit que l'élément attaquant peut entrer en contact avec la surface de la pompe de plusieurs façons, y compris la brume/le brouillard/la rosée/les vapeurs, les gouttes et les embruns. Comprenez que l'eau n'a pas à être présente sous forme visible ou de gouttelettes ; l'humidité peut fournir toute l'eau nécessaire à la corrosion.

Une décision initiale et critique consiste à déterminer quel matériau convient le mieux à l'application. Cela comprend à la fois les pièces en contact avec le fluide (roue, presse-étoupe et corps) et les composants restants. Gardez à l'esprit que même les pièces non mouillées seront soumises à un environnement difficile.

Il existe peu de cours d'enseignement sur le thème de la sélection appropriée des matériaux pour l'industrie, mais il existe plusieurs ouvrages de référence sur les matériaux. Je regrette que cette colonne ne soit pas le forum approprié pour développer le sujet en raison des détails spécifiques et uniques requis pour chacun dans la vaste matrice des applications possibles, sans parler de la responsabilité. J'offre des références à la fin de la colonne. D'autres sources d'informations pertinentes incluraient le fabricant de pompes et les réseaux formels d'autres utilisateurs de pompes avec des applications similaires et réussies telles que l'Institut hydraulique ou le Texas A&M Turbomachinery & Pump Symposium annuel. Le livre de données hydrauliques Cameron comprend des informations de base sur les matériaux. Le manuel de la pompe contient un chapitre entier consacré à ce sujet.

Même le meilleur manuel ne peut pas prendre la décision finale à votre place. Une pompe de choix de matériau "X" fonctionnera bien en pompant de l'eau de mer froide en service continu mais échouera rapidement en pompant de l'eau de mer chaude en service intermittent. Un autre matériau de pompe "Y" fonctionnera de manière satisfaisante en service acide pendant de nombreuses années, mais lorsque la vitesse du liquide est augmentée ou que le pourcentage de solution change même légèrement, la pompe tombera en panne en peu de temps. Certains aciers inoxydables austénitiques de la série 300 fonctionnent bien jusqu'à ce que des chlorures et des contraintes de matériau soient présents. D'autres matériaux fonctionnent très bien jusqu'à ce qu'ils soient soumis à une exposition aux rayonnements neutroniques, ce qui les fragilise. Sur les marchés du pétrole et du gaz, l'acier inoxydable résistera dans la plupart des applications jusqu'à ce que le niveau de H2S (le sulfure d'hydrogène est un gaz chalcogène-hydrure incolore qui sent les œufs pourris) atteigne un certain pourcentage.

Au-delà des problèmes d'application, il existe des raisons opérationnelles de défaillance matérielle, telles que le fonctionnement de la pompe à l'une des extrémités de la courbe ou avec une hauteur d'aspiration positive nette insuffisante. Enfin, il y a la rhéologie des classifications/applications des boues et les propriétés newtoniennes qui nécessiteraient un volume de livres et de nombreuses années d'expérience pour expliquer et prédire l'usure des matériaux.

Les entreprises expérimentées qui adoptent les meilleures pratiques de l'industrie auront un processus formel d'examen des matériaux où les conditions attendues sont bien définies et le choix du matériau est pris en compte et évalué.

La plupart des fabricants de pompes prévoient une tolérance de corrosion dans l'épaisseur du boîtier. Pour les pompes de l'American National Standards Institute (ANSI), la norme minimale est de trois millimètres (0,118 pouces).

La corrosion est généralement mesurée en micropouces ou micromètres par an ou en perte de poids avec des unités de grammes par mètre carré. Par exemple, le taux de corrosion de l'acier au carbone est généralement d'environ 20 micromètres par an dans un environnement rural extérieur loin de la pollution urbaine et industrielle, mais le taux augmente à plus de 100 micromètres par an près de l'océan en raison de l'atmosphère saline.

Ce qui suit est une liste des matériaux couramment utilisés dans la construction de pompes métalliques. J'ai choisi de rester avec les choix les plus omniprésents. Donc, nous allons sauter le Monel, le titane et le nickel aluminium bronze. Les pompes fabriquées avec des matériaux non métalliques/composites ne sont pas abordées dans cette colonne.

La fonte commencera à rouiller au moment où elle est exposée à l'air (oxygène) et à l'eau où le processus chimique forme de l'oxyde de fer. La mauvaise nouvelle est que la couche d'oxyde de fer produite forme une structure lâche semblable à un flocon et ne possède pas la capacité de générer une couche d'oxyde protectrice ou d'adhérer comme le font l'acier inoxydable ou l'aluminium. Pourtant, la fonte peut être utilisée dans de nombreuses applications générales et fonctionnera bien. La fonte est souvent une sélection de matériaux à faible coût basée sur la pleine connaissance qu'elle sera sacrifiée dans le processus.

Les boîtiers et les roues en bronze étaient les "aciers inoxydables" d'il y a longtemps, mais même aujourd'hui, ils restent viables dans de nombreuses applications, y compris l'eau, les faibles concentrations d'acides (moins de 5 %) à des températures inférieures à 68 F (20 C), certains solvants, la plupart des carburants et les hydrocarbures.

L'acier au carbone peut souvent être une étape supplémentaire par rapport à la fonte, en particulier lorsque vous recherchez une résistance supplémentaire, mais il a également une résistance à la corrosion limitée. Normalement, la question n'est pas de savoir si l'acier va se corroder, mais à quelle vitesse. La vitesse de corrosion est fonction de nombreux facteurs, mais les principaux sont la température et la présence d'eau et d'oxygène. C'est le manque de chrome dans l'acier au carbone qui empêche la couche d'oxydation formée lors du processus de corrosion d'être pleinement fonctionnelle.

Une exception unique est "l'acier patinable" où l'ajout de cuivre, de chrome, de nickel et d'autres éléments en petites quantités produira des réductions significatives du taux de corrosion. Par exemple, si vous n'êtes pas familier avec l'acier Cor-Ten d'US Steel, vous devriez prendre quelques minutes et vous renseigner sur le produit. Si vous vivez dans l'ouest de la Pennsylvanie, vous connaissez probablement déjà ce matériau. Le bâtiment US Steel à Pittsburgh est revêtu d'acier Cor-Ten. Les habitants ont donné au bâtiment le surnom affectueux de Rusty Nail.

Les aciers inoxydables de la série austénitique 300 (304, 316 et 317 sont les plus courants) offrent un excellent niveau global d'assurance contre la corrosion dans une multitude d'applications. L'acier inoxydable, par définition, doit contenir du chrome à plus de 10,5 %. Le chrome réagit avec l'oxygène pour former une couche protectrice mince mais solide. La combinaison de chrome et de nickel que l'on trouve dans l'acier inoxydable 304 et 316 offre une forte résistance à la chaleur, à l'abrasion et à la corrosion. Contrairement aux couches d'oxyde de fer, la couche d'oxyde de chrome ne s'écaille pas et adhère uniformément à l'acier. La couche protectrice peut échouer si la vitesse du liquide est trop élevée ou si des substances attaquantes sélectives sont présentes. Par exemple, les chlorures à certains niveaux et dans certaines applications attaqueront la couche de passivation inoxydable. De plus, une corrosion uniforme sur l'acier inoxydable se produit lorsqu'il est exposé à des acides forts. Les acides inorganiques sont généralement plus agressifs que les acides organiques. Les environnements alcalins chauds attaquent également les aciers inoxydables.

Les aciers duplex et super duplex sont des aciers hybrides combinant les caractéristiques de résistance à la corrosion des aciers inoxydables de la série 300 avec la résistance des aciers de la série 400 (austénitique avec martensitique). Si vous avez besoin à la fois de résistance à la corrosion et de ténacité (par exemple solides en suspension), un acier duplex comme le CD4MCu est souvent un choix judicieux.

L'alliage 20, également connu sous le nom de Carpenter 20 et Incoloy 20, est un alliage inoxydable austénitique qui présente une résistance élevée à la corrosion par l'acide sulfurique et d'autres liquides agressifs qui sont trop destructeurs pour les nuances austénitiques typiques. L'alliage 20 contient du nickel, du chrome, du cuivre et du molybdène similaires aux aciers de la série 300, mais un facteur clé est la présence de niobium qui empêche ou atténue la corrosion intergranulaire.

Hastelloy est disponible en différentes qualités et offre une résistance extrême à la corrosion. Certaines nuances de cet alliage offrent une excellente résistance au HCl (acide chlorhydrique) dans la plupart des plages de concentrations (pourcentage) et de températures. L'Hastelloy résiste également bien aux acides sulfurique, chlorure, hydrogène, acétique et phosphorique. Plusieurs grades d'Hastelloy, s'ils sont recuits en solution, peuvent fonctionner efficacement dans des environnements à haute teneur en sulfure d'hydrogène. Dans le processus de sélection, vous devez faire correspondre la meilleure qualité de matériau au produit que vous pompez.

Vos pompes sont constamment soumises à la corrosion tant à l'intérieur qu'à l'extérieur, qu'elles soient en fonctionnement ou non. Protégez votre investissement grâce à des choix de matériaux judicieux au début et bénéficiez d'années, voire de décennies de service fiable.

Une étape sage et pratique consiste à utiliser des matériaux en acier inoxydable ou en alliages supérieurs, le cas échéant. Cette décision se traduira par un important retour sur investissement.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique avec plus de 50 ans d'expérience dans les équipements rotatifs pour les applications industrielles et marines à travers le monde. Il est conseiller en ingénierie pour Summit Pump, Inc., membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de la Naval Submarine League. Elsey est également le directeur de MaDDog Pump Consulting LLC. Il peut être contacté à [email protected].