Alliage 20 vs alliage 28 : sélection du bon superausténitique pour le service acide

Alliage 20est optimisé pour le service de l'acide sulfurique (en particulier<50°C concentrated H₂SO₄) and mixed-acid environments; Alloy 28 excels in phosphoric acid, sour gas (H₂S/CO₂/Cl⁻), and high-chloride environments. The choice depends on the dominant corrosive medium and operating temperature.

L'alliage 20 (UNS N08020) et l'alliage 28 (UNS N08028) sont des aciers inoxydables superausténitiques -nickel-fer-alliages de chrome avec des ajouts améliorés de chrome, de molybdène et de cuivre qui surpassent les qualités austénitiques standards dans les environnements acides agressifs. Leur principale différence réside dans l'accent mis sur la composition : l'alliage 20 donne la priorité à la stabilisation du cuivre (3 à 4 %) et du niobium pour la résistance à l'acide sulfurique, tandis que l'alliage 28 maximise le chrome (26 à 28 %) et le molybdène (3 à 4 %) pour une résistance supérieure aux piqûres et un service phosphorique/gaz acide.

Comprendre les aciers inoxydables superausténitiques

Les aciers inoxydables superausténitiques occupent un niveau supérieur aux nuances austénitiques standards (304, 316) en termes de teneur en alliage et de résistance à la corrosion. Ils sont définis par des valeurs PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) supérieures à 40, nettement supérieures aux valeurs ~25 de l'acier inoxydable 316. L'alliage 20 et l'alliage 28 appartiennent tous deux à cette classe, offrant une résistance aux acides agressifs, aux chlorures et à la fissuration par corrosion sous contrainte que les aciers inoxydables conventionnels ne peuvent pas offrir.

Alliage 20 : Spécialiste de l’acide sulfurique

L'alliage 20 (UNS N08020, également connu sous le nom de Carpenter 20Cb-3, NS143, 0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb) a été développé en 1963 spécifiquement pour résister à la corrosion par l'acide sulfurique dans le traitement chimique. Ses caractéristiques déterminantes sont l'ajout de cuivre (3 à 4 %) pour la résistance à l'acide sulfurique et de niobium (Nb supérieur ou égal à 8 × C) pour la résistance à la sensibilisation. Il reste le matériau de référence pour les environnements sulfuriques.

Alliage 28 : Champion de l’acide phosphorique et des gaz acides

L'alliage 28 (UNS N08028, également connu sous le nom de Sanicro 28, 1.4563, 00Cr27Ni31Mo3Cu) a été développé spécifiquement pour les échangeurs de chaleur d'acide phosphorique à procédé humide-. Sa teneur plus élevée en chrome (26 à 28 %) et en molybdène (3 à 4 %) offre une résistance exceptionnelle à l'acide phosphorique, aux environnements de gaz acide (H₂S/CO₂/Cl⁻) et aux milieux contenant des halogénures-. Sa teneur en carbone est limitée à moins ou égale à 0,03 % pour une résistance inhérente à la corrosion intergranulaire.

Composition chimique

L'alliage 20 contient une stabilisation plus élevée en cuivre (3 à 4 %) et en niobium (Nb supérieur ou égal à 8 × C), optimisé pour l'acide sulfurique. L'alliage 28 contient plus de chrome (26 à 28 % contre 19 à 21 %) et de molybdène (3,5 % contre 2,5 %), offrant un PREN supérieur (~ 36 contre ~ 28) et une meilleure résistance à la corrosion par piqûres/crevasse.

Calcul du PREN

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N (azote ~0,15 % dans les deux qualités) :

Alliage 20 PREN :20 + 3.3 × 2.5 + 16 × 0.15 = ~28.5

Alliage 28 PREN :27 + 3.3 × 3.5 + 16 × 0.15 = ~36.5

• Avantage de l'alliage 28 PREN : ~8 points de plus=résistance nettement meilleure aux piqûres et à la corrosion caverneuse.
• Seuil sectoriel : PREN > 40 pour le service eau de mer ; L'alliage 28 s'en rapproche avec sa note de 36,5.
• L'alliage 20 PREN 28,5 est nettement meilleur que le 316 (PREN ~ 25) mais bien en dessous de l'alliage 28.

Pourquoi les différences de composition sont importantes

• Cuivre (Cu) : Forme des complexes protecteurs avec l’acide sulfurique, ralentissant le taux de corrosion. Indispensable pour le service H₂SO₄.
• Niobium (Nb) : empêche la sensibilisation au carbure de chrome pendant le soudage et le service à-température élevée.
• Chrome (Cr) : principal facteur de stabilité du film passif ; plus élevée=meilleure résistance générale à la corrosion et à l'oxydation.
• Molybdène (Mo) : critique pour la résistance aux piqûres ; améliore considérablement la résistance au chlorure et à l'acide phosphorique.

Propriétés physiques et mécaniques

Les deux alliages présentent des microstructures entièrement austénitiques avec une excellente ductilité à température ambiante. L'alliage 20 a une résistance à la traction légèrement supérieure (supérieure ou égale à 550 MPa contre 500 MPa) en raison du renforcement du niobium, tandis que l'alliage 28 offre une ténacité cryogénique et une maniabilité à chaud supérieures. Ni l’un ni l’autre ne convient à une utilisation prolongée au-dessus de 450 degrés sans une évaluation minutieuse.

Froid-État de travail

• Alliage 28 écroui-écroui : résistance à la traction jusqu'à 896 MPa, limite d'élasticité jusqu'à 758 MPa, allongement réduit à ~15 %.
• Alliage 20 : Réagit également au travail à froid ; la résistance augmente considérablement avec une déformation modérée.
• Note d'application : Pour les canalisations à haute-pression nécessitant une résistance élevée, un alliage 28 ou un alliage 20 travaillé à froid-peut être spécifié.

Limites de température élevées

Résistance à la corrosion

L'alliage 20 est le choix préféré pour les environnements d'acide sulfurique, en particulier le H₂SO₄ concentré à des températures modérées. L'alliage 28 est supérieur en acide phosphorique, en gaz acide (H₂S/CO₂/Cl⁻) et en environnements riches en chlorure-. Ni l’un ni l’autre n’est recommandé pour le service à l’acide chlorhydrique (HCl).

Acide sulfurique (H₂SO₄)

• Mécanisme : Le cuivre dans l'alliage 20 forme des films passifs protecteurs de type Cu₂S- qui résistent plus efficacement aux attaques de l'acide sulfurique que les films de chrome-molybdène seuls.
• Limite de température : les deux alliages sont généralement limités à<50–60°C in sulfuric acid. Above this, expensive nickel alloys (Alloy 625, Alloy 825) are required.
• Avantage clé de l'alliage 20 : L'ajout de cuivre (3 à 4 %) améliore spécifiquement la résistance aux conditions acides réductrices comme l'acide sulfurique.

Acide phosphorique (H₃PO₄)

• L'alliage 28 a été spécialement développé pour la production d'acide phosphorique par voie humide, où les impuretés de fluorure et de chlorure provoquent une défaillance rapide des aciers inoxydables conventionnels.
• Recherche (Springer, 2024) : L'alliage 28 dans 52 % d'acide phosphorique P₂O₅ avec des agents oxydants a montré des taux de corrosion négatifs (gain de poids dû à la formation de film passif), confirmant une excellente passivité.
• Teneur en Mo (3,5 %) : critique pour résister à l'acide phosphorique contenant des impuretés F⁻/Cl⁻ qui attaquent de manière agressive les films passifs.

Environnements de gaz corrosifs et de champs pétrolifères (H₂S/CO₂/Cl⁻)

L'alliage 28 est nettement supérieur pour le service des gaz corrosifs en raison de sa teneur plus élevée en Cr et Mo fournissant un PREN ~ 36,5 par rapport à l'alliage 20 ~ 28,5. Dans les environnements H₂S/CO₂/Cl⁻, l'alliage 28 est le choix standard pour les OCTG (produits tubulaires pour champs pétrolifères) et les échangeurs de chaleur.

• Application de l'alliage 28 : tubes de production (OCTG) et échangeurs de chaleur dans les champs de pétrole et de gaz acides à haute teneur en H₂S/CO₂/Cl⁻.
• Mécanisme en alliage 28 : un Cr élevé forme un film Cr₂O₃ passif stable ; une teneur élevée en Mo forme une couche protectrice de MoO₂ résistante aux attaques de chlorure sous H₂S.
• NACE MR0175/ISO 15156 : les deux alliages peuvent être répertoriés pour un service acide, mais l'acceptation plus large de l'alliage 28 découle d'un PREN supérieur.

Corrosion par piqûres et fissures

Ce qu’aucun des deux alliages ne gère bien

• Acide chlorhydrique (HCl) : Ni l'alliage 20 ni l'alliage 28 ne sont recommandés pour le service HCl. Utilisez l'alliage B (N10001) ou l'alliage 400.
• High-Temperature (>450 degrés) Environnements oxydants : les deux alliages perdent leur résistance à la corrosion ; pensez à l'alliage 625 ou à l'alliage 800H.
• Aqua Regia (HNO₃ + HCl) : Aucune des deux qualités n'offre une résistance adéquate.

Soudabilité et fabrication

Les deux alliages sont facilement soudables à l’aide de procédés standard en acier inoxydable austénitique. L'alliage 20 nécessite une charge stabilisée au niobium- (ERNiCrMo-3) pour un service optimal à haute température, tandis que l'alliage 28 utilise une charge ERNiCrMo-3 ou ER316L. Aucun des deux ne nécessite de préchauffage.

Spécificités du soudage de l’alliage 20

• Électrodes AWS A5.14 ERNiCrMo-3 ou AWS A5.11 ENiCrMo-3 recommandées.
• Le niobium présent dans la charge stabilise le métal fondu contre la sensibilisation.
• Recuit de mise en solution après soudage : 900 à 1 150 degrés pendant 1 à 2 heures, trempe rapide à l'air ou à l'eau.
• La composition du métal soudé correspond au métal de base lors de l'utilisation d'un mastic approprié.

Détails du soudage de l'alliage 28

• ERNiCrMo-3 : préféré pour les soudures à haute-corrosion (environnements H₂S/Cl⁻).
• ER316L : Acceptable pour le service acide standard ; offre une résistance à la corrosion correspondante.
• Recuit de mise en solution : 1 100 degrés est optimal à la fois pour les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion (recherche-confirmée).
• L'ultra-faible teneur en carbone (inférieur ou égal à 0,03 %) signifie qu'il n'y a aucun risque de sensibilisation, même dans la zone affectée par la chaleur-(ZAT).

Coût et disponibilité sur le marché

L'alliage 28 est généralement 10 à 25 % plus cher que l'alliage 20 en raison de sa teneur plus élevée en chrome et en molybdène. Cependant, dans les applications d'acide phosphorique et de gaz corrosifs, la résistance supérieure à la corrosion de l'alliage 28 permet de réduire le coût total du cycle de vie grâce à une durée de vie prolongée de l'équipement et à une maintenance réduite.

Quand le coût plus élevé de l’alliage 28 est justifié

• Acide phosphorique avec impuretés fluorures/chlorures : l'alliage 20 subira une attaque accélérée ; L'alliage 28 dure beaucoup plus longtemps.
• Gaz acide avec un taux élevé de H₂S/CO₂/Cl⁻ : les défaillances des OCTG et des têtes de puits avec l'alliage 20 dépasseraient de loin les économies de coûts de matériaux.
• Service d'eau de mer : le PREN ~28,5 de l'alliage 20 est inadéquat ; L'alliage 28 (PREN ~36,5) offre un service fiable.

Résumé de comparaison de référence rapide

Conclusion

La décision entre l'alliage 20 et l'alliage 28 est fondamentalement motivée par le milieu corrosif dominant dans l'application. Tous deux sont des aciers inoxydables superausténitiques offrant une excellente résistance à la corrosion, mais leur composition différente les rend optimaux pour des environnements de service distincts :

Alliage 20(N08020, 0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb) est le spécialiste de l'acide sulfurique. Son ajout de 3 à 4 % de cuivre crée une résistance de film passive unique contre H₂SO₄ que l'alliage 28 ne peut égaler. Développé spécifiquement pour les applications de traitement chimique impliquant l'acide sulfurique, les acides mixtes et le nettoyage acide, l'alliage 20 reste la norme d'ingénierie pour le service H₂SO₄ en dessous de 50 degrés. Utilisez-le lorsque votre procédé est dominé par l'acide sulfurique-et que l'économie favorise un superausténitique contenant du cuivre-par rapport aux alliages à base de nickel-.

Alliage 28(N08028, 00Cr27Ni31Mo3Cu) est le champion de l’acide phosphorique et des gaz acides. Ses 26 à 28 % de chrome et 3,5 % de molybdène fournissent un PREN ~ 36,5, offrant une résistance à la corrosion par piqûres et fissures considérablement meilleure que l'alliage 20. Développé à l'origine pour résoudre les pannes des échangeurs de chaleur à acide phosphorique par voie humide, l'alliage 28 est depuis devenu la norme pour la production de pétrole et de gaz acides (H₂S/CO₂/Cl⁻), le service d'eau de mer et les systèmes FGD. Utilisez-le lorsque la menace est de l'acide phosphorique contaminé par des halogénures -, du gaz acide ou tout environnement où un PREN élevé et une résistance à la corrosion localisée déterminent la durée de vie de l'équipement.

Pour les ingénieurs d'approvisionnement : comparez-la principale menace de corrosion et la température de fonctionnement maximale avec les tableaux de comparaison ci-dessus. Pour les ingénieurs de procédés : confirmez que l'alliage sélectionné a été testé dans le profil spécifique de concentration d'acide, de température et d'impuretés de votre flux de procédé. En cas de doute, consultez les fiches techniques des alliages et les directives NACE/ASME BPVC pour connaître les conditions de service pertinentes.