Corrosion par gaz acide de l'Incoloy 825 : résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure en service H2S

Incoloy 825(UNS N08825, W.Nr. 2.4858) est un alliage de titane-nickel-fer-chrome stabilisé avec du molybdène et du cuivre, et c'est l'un des alliages résistants à la corrosion-(CRA) les plus largement spécifiés pour la production de gaz acide (H₂S). Sa teneur en nickel de 38 à 46 % le place bien au-dessus de la plage de susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure (CSCC), et il est qualifié selon la norme NACE MR0175/ISO 15156-3 pour un service acide résistant à la fissuration à une dureté maximale de 35 HRC.

Cet article répond aux questions les plus posées par les ingénieurs et les équipes d'approvisionnement : qu'est-ce qui entraîne la SCC du chlorure dans les puits acides, pourquoi l'Incoloy 825 y résiste, comment il se compare au 316L, au 904L, à l'alliage 625 et au C-276, où se situent ses limites pratiques et comment le sélectionner, le souder et le vérifier pour le service H₂S. Chaque déclaration quantitative est traçable aux normes et aux sources des fabricants répertoriées dans la section Références.

Incoloy 825 en un coup d'œil

Le tableau ci-dessous condense les réponses que cet article développe en détail. Il est formaté de manière à ce que chaque ligne puisse être extraite et citée indépendamment.

Qu'est-ce que l'Incoloy 825 et pourquoi est-il spécifié pour le service de gaz acide ?

L'Incoloy 825 (UNS N08825) est un alliage de titane-nickel-fer-chrome stabilisé contenant du molybdène et du cuivre, conçu pour résister à l'attaque combinée des acides réducteurs, des milieux oxydants, des chlorures chauds et du H₂S. Il s'agit du cheval de bataille CRA de la production de gaz corrosifs, car une seule qualité offre une résistance au chlorure SCC, une résistance à la fissuration sous contrainte par sulfure (SSC), une résistance aux piqûres et une soudabilité à un coût bien inférieur aux alliages de nickel de qualité supérieure tels que l'alliage 625 ou C-276.

L'Incoloy 825 appartient à la famille Ni-Fe-Cr plutôt qu'à la famille Ni-Cr-Mo, c'est exactement pourquoi il est économique : le fer représente au moins 22 % de la matrice. Chaque ajout délibéré a un travail de corrosion spécifique, comme résumé dans le tableau 2.

Tableau 2. Composition nominale et fonction de corrosion de l'Incoloy 825 (UNS N08825).

L'alliage est fourni dans un état recuit en solution- sous forme de tube (ASTM B423), de plaque/feuille/bande (B424), de barre (B425), de tube de condenseur (B163) et de pièces forgées (B564). Parce que la microstructure est entièrement austénitique et stable, l'Incoloy 825 conserve une bonne ténacité et reste facile à souder, c'est pourquoi il apparaît dans presque toutes les comparaisons de résistance à la corrosion-pour le pétrole et le gaz, le traitement chimique et le contrôle de la pollution.

Qu'est-ce que la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure et pourquoi détruit-elle l'acier inoxydable dans les puits acides ?

La fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure (CSCC) est un mode de défaillance soudain et fragile, semblable à une fissure-de l'acier inoxydable austénitique, qui nécessite trois conditions simultanées : - contrainte de traction, ions chlorure et une température supérieure à environ 60 degrés (140 degrés F) - et peut fracturer un composant à des contraintes bien inférieures à la limite d'élasticité, souvent sans corrosion générale visible.

CSCC a besoin des trois conditions à la fois. (1) Contrainte de traction - appliquée par pression ou poids mort, ou contrainte résiduelle laissée par le soudage, le formage ou le travail à froid. (2) Ions chlorure - présents dans la saumure produite, les fluides de complétion et la plupart des flux de traitement. (3) La fissuration à la température - s'accélère au-dessus d'environ 60 degrés. Retirez l'un des trois et le mécanisme s'arrête.

La séquence est bien comprise. Le film passif se décompose localement au niveau d'un élément générateur de contraintes tel qu'un pied de soudure, une éraflure ou une fosse préexistante. Les ions chlorure migrent dans la brèche et l'hydrolyse des cations métalliques acidifie la cellule obstruée, faisant baisser le pH local. La dissolution anodique se produit au sommet de la fissure tandis que le métal environnant agit comme cathode, et la contrainte de traction se concentre au sommet et entraîne une fissure transgranulaire à travers le réseau austénitique. Étant donné que la fissure se développe sans amincissement significatif des parois, la rupture peut être soudaine et catastrophique.

Les puits de gaz corrosif constituent une tempête parfaite pour le CSCC : l’eau produite est de la saumure de chlorure chaude ; H₂S et CO₂ acidifient cette saumure ; et les températures en tête de puits et en fond de puits se situent généralement entre 60 et 150 degrés. La variable matérielle de contrôle est la teneur en nickel. Comme le montre le concept de courbe de Copson-dans la figure 1, la sensibilité au chlorure SCC culmine dans la plage de 8 à 12 % de nickel - exactement là où se situe la famille des aciers inoxydables 304/316 - et diminue fortement une fois que le nickel dépasse environ 20 à 30 %. Cette relation unique explique pourquoi le 316L se fissure en service de chlorure chaud, alors que les alliages à teneur supérieure en -nickel ne le font pas.

Figure 1. Schéma de susceptibilité au chlorure - SCC par rapport à la teneur en nickel (concept de courbe de Copson-). Pas à l'échelle ; relation qualitative. L'Incoloy 825 (38 à 46 % Ni) se situe bien au-delà de la plage de fissuration.

L'Incoloy 825 est-il résistant à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure ?

Oui. Avec 38 à 46 % de nickel, l'Incoloy 825 se situe bien au-dessus de la plage de sensibilité au chlorure SCC et est largement considéré comme étant efficacement immunisé contre le chlorure SCC dans le service pratique H₂S ; lors du test d'ébullition du chlorure de magnésium (ASTM G36), il reste exempt de fissures-là où le 316L échoue en quelques heures.

Trois mécanismes fonctionnent ensemble. Premièrement, l'effet nickel : l'augmentation du nickel augmente l'énergie de faille d'empilement-de l'austénite, de sorte que les dislocations-glissent facilement et que la déformation plastique se propage uniformément au lieu de former des bandes de glissement persistantes qui rompent le film passif et nucléent des fissures. Le consensus de l'industrie et de la recherche place le large seuil de résistance autour de 20 à 30 % de Ni ; à 38-46 % de Ni, l'Incoloy 825 présente une grande marge de sécurité au-dessus.

Deuxièmement, l'effet molybdène : avec PREN ≈ 31, l'Incoloy 825 supprime bien mieux l'initiation des piqûres que le 316L (PREN ≈ 25). Les piqûres sont les concentrateurs de contraintes qui transforment un environnement chloré en un événement de SCC, de sorte que la résistance aux piqûres et la résistance au SCC sont indissociables dans la pratique. Troisièmement, la stabilisation du titane empêche la précipitation du carbure de chrome-aux joints de grains dans la zone affectée par la chaleur de la soudure-, de sorte que l'alliage évite la microstructure sensibilisée qui crée un chemin SCC intergranulaire dans l'état tel que-soudé.

Une mise en garde honnête : aucun alliage n’est absolument à l’abri. Dans le test extrêmement sévère du chlorure de magnésium en ébullition - dans un environnement de laboratoire intentionnellement agressif bien plus dur que le service sur site -, même l'Incoloy 825 peut se fissurer après une exposition prolongée. Les ingénieurs se comparent donc à l'environnement de service réel plutôt que de s'appuyer sur un seul test en laboratoire.

Comment l'Incoloy 825 résiste-t-il à la fissuration sous contrainte par les sulfures et à l'attaque H₂S ?

L'Incoloy 825 est qualifié pour le service acide dans la NACE MR0175/ISO 15156-3 en tant que CRA de type 4c résistant à la fissuration-, et à une dureté inférieure ou égale à 35 HRC, il résiste à la fissuration sous contrainte de sulfure (SSC) et à la fissuration induite par l'hydrogène-(HIC) ; la classification de type 4c ne comporte aucune restriction de pression partielle supérieure H₂S inférieure à environ 132 degrés (270 degrés F).

La fissuration sous contrainte des sulfures est un phénomène de fragilisation par l'hydrogène. En service acide, H₂S « empoisonne » la recombinaison de l'hydrogène atomique sur la surface de l'acier, de sorte que l'hydrogène atomique se diffuse dans le métal et fragilise les microstructures dures ou contenant des phases sensibles à l'hydrogène- telles que la martensite et la bainite. L'Incoloy 825 évite le problème de par sa conception : le réseau FCC entièrement austénitique à haute teneur en nickel-est stable, ne contient aucun produit de transformation sensible à l'hydrogène-et tolère bien mieux l'hydrogène absorbé que les structures ferritiques ou martensitiques.

NACE MR0175/ISO 15156 (édition actuelle ISO 15156-3:2020) est la norme régissant les matériaux dans la production de pétrole et de gaz contenant du H₂S-. L'Incoloy 825 est classé comme alliage de type 4c dans les tableaux CRA approuvés de la partie 3 (par exemple, le tableau A.14 dans les éditions actuelles). Les conditions de qualification sont : les formes de produits fabriquées selon les spécifications applicables, l'état de recuit en solution- et la dureté maximale de 35 HRC (certaines formes de produits à haute résistance-travaillées à froid- comportent des limites inférieures, par exemple 33 HRC). Pour la classification de type 4c, il n'y a pas de restriction de pression partielle H₂S en dessous de 270 degrés F (≈132 degrés), et l'alliage reste qualifié jusqu'à 200 psi H₂S à 350 degrés F (≈177 degrés).

La norme régit la fissuration et non toutes les formes de corrosion. Les ingénieurs doivent toujours évaluer l'environnement complet - in-pH, concentration de chlorure, température, pénétration de soufre élémentaire et d'oxygène -, car la corrosion générale et les piqûres sont gérées par la chimie des matériaux et le contrôle du processus, et non par la seule liste SSC.

Comment l'Incoloy 825 se compare-t-il au 316L, au 904L, à l'alliage 625 et au C-276 ?

Pour les gaz corrosifs modérés avec des chlorures chauds, l'Incoloy 825 est le point idéal en termes de coût-performance : il surpasse de loin le 316L et le 904L en termes de résistance au chlorure SCC et de qualification de service acide-à un niveau de prix similaire, tandis que l'alliage 625 et C-276 ne sont justifiés que lorsque la température, les chlorures ou la gravité H₂S dépassent l'enveloppe pratique du 825.

Le tableau 3 compare les cinq candidats ingénieurs qui pèsent le plus souvent pour le service acide et chlorure.

Tableau 3. Comparaison des alliages de services sour-(valeurs nominales ; les niveaux de coûts sont indicatifs et dépendent du marché-).

La lecture du tableau commence par nickel. À 10–14 % de Ni, le 316L se situe à l'intérieur de la pire partie de la courbe de Copson, c'est pourquoi le service de chlorure chaud le fissure - son enveloppe ISO 15156-3 est étroite (solution-recuit uniquement, environ 22 HRC de dureté maximale, faibles limites de chlorure et de température). 904L élève le nickel à 23–28 % et améliore la résistance au SCC, mais il reste un acier inoxydable en dessous le seuil de résistance large et porte le même type de restriction de dureté.

L'Incoloy 825 à 38–46 % de Ni est le premier niveau de la famille avec une grande marge au-dessus de la plage de fissuration, et c'est la seule des trois nuances riches en fer-qualifiée de type 4c CRA avec un plafond de dureté de 35 HRC. L'alliage 625 (PREN ≈ 52, température critique de piqûre supérieure à 80 degrés dans 1M NaCl selon ASTM G150) et le C-276 (PREN ≈ 69) offrent une résistance aux piqûres et aux crevasses considérablement plus élevée à un coût considérablement plus élevé ; ils gagnent leur prix lorsque l'enveloppe de 825 est dépassée. Notez que le PREN de l'Incoloy 825 de ≈ 31 est proche de celui du 904L -. Son avantage est la résistance SCC et SSC et la qualification de service acide, et non le nombre de piqûres.

Figure 2. Teneur en nickel et résistance aux piqûres (PREN) des alliages candidats à service acide (valeurs de composition nominale ; PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N).

Où l'Incoloy 825 est-il utilisé dans les services riches en gaz acide et en chlorure ?

L'Incoloy 825 est spécifié partout où H₂S rencontre de la saumure de chlorure chaude : tubes et tubages de fond de puits de gaz acide, conduites d'écoulement et systèmes de collecte, têtes de puits et équipements de surface, conduites d'injection d'-eau produite et de produits chimiques-, échangeurs de chaleur - et il convient également aux usines chimiques traitant des acides sulfurique, phosphorique et mixtes.

Le tableau 4 résume les principaux domaines d'application et les travaux de corrosion que chacun exige.

Tableau 4. Applications représentatives de l'Incoloy 825 dans un service riche en gaz acide et en chlorure-.

Quelles sont les limites pratiques de l’Incoloy 825 en service H₂S ?

En tant que règle de sélection pratique, l'Incoloy 825 convient au service acide avec une pression partielle de H₂S inférieure à environ 0,1 MPa (15 psi), une température inférieure à environ 150 degrés et un chlorure inférieur à environ 20 000 ppm ; au-delà de cette enveloppe - ou lorsque le pH descend en dessous de ~ 3,5, une pénétration d'oxygène se produit ou des conditions HPHT s'appliquent - les ingénieurs passent à l'alliage 625, C-276 ou à des qualités d'alliage supérieures équivalentes.

La classification ISO 15156-3 Type 4c définit la limite de fissuration ; l'enveloppe pratique ci-dessus reflète les directives de déploiement industrielles largement utilisées pour l'Incoloy 825 dans les puits acides et constitue un point de départ et non un substitut à une évaluation spécifique au projet.

Les limites existent pour des raisons physiques. PREN ≈ 31 coiffe la résistance aux piqûres et aux crevasses à température élevée, et les piqûres sont le précurseur du chlorure SCC. À mesure que la température augmente, le film passif devient moins protecteur et les chlorures deviennent plus agressifs ; à mesure que la pression partielle de H₂S et la concentration de chlorure augmentent ensemble, le risque de transition de piqûre-à-fissure et de corrosion générale (y compris les dépôts de soufre) augmente. Des éléments tels que la pénétration d’oxygène ou un pH inférieur à ~3,5 réduisent encore davantage la fenêtre de sécurité. Ce sont précisément les situations dans lesquelles le molybdène plus élevé de l’alliage 625 ou C-276 gagne son surcoût.

Les déclencheurs de mise à niveau typiques de l'Incoloy 825 vers l'Alloy 625 ou le C-276 incluent :

• Température -Température de fonctionnement soutenue au-dessus de ~ 150 degrés.
• Chlorures -Concentration de chlorure supérieure à ~20 000 ppm combinée à une température élevée.
• Gravité H₂S -Pression partielle H₂S supérieure à ~0,1 MPa (15 psi) avec de l'eau libre.
• pH-pH in-inférieur à ~ 3,5 ou phase condensée à faible-pH.
• Conditions oxydantes -Pénétration d’oxygène ou systèmes aérés qui brisent la passivité.
• Service extrême -Puits HPHT, dépôts de-soufre élémentaire ou cycles d'arrêt/démarrage-répétés-.

Comment l'Incoloy 825 doit-il être soudé et fabriqué pour un service acide ?

L'Incoloy 825 se soude facilement par des procédés conventionnels utilisant des charges de nickel sur-alliées - généralement de l'alliage 82 (ERNiCr-3) ou de l'alliage 625 (ERNiCrMo-3). Étant donné que l'alliage est stabilisé au titane-, le recuit de solution après soudage n'est généralement pas nécessaire pour restaurer la résistance à la corrosion ; les contrôles critiques pour le service acide sont la dureté du métal soudé et HAZ (inférieure ou égale à 35 HRC), la propreté des surfaces et les procédures de soudage qualifiées.

La stabilisation du titane est le fait métallurgique clé. Le titane se combine préférentiellement avec le carbone, de sorte que le chrome reste en solution solide dans la zone affectée par la chaleur de la soudure et que la précipitation du carbure de chrome (sensibilisation) est supprimée à l'état brut de soudure. L'Incoloy 825 évite donc la corrosion intergranulaire et le chemin SCC qui affectent les qualités inoxydables non stabilisées après le soudage, et le traitement thermique après-soudage n'est généralement ni requis ni recommandé pour ces qualités austénitiques stabilisées.

La sélection des charges suit la pratique standard de l'ARC : correspondant à l'alliage 82 (ERNiCr-3) pour la plupart des applications, ou à l'alliage sur-allié 625 (ERNiCrMo-3) où une marge de corrosion maximale est souhaitée. La pratique des alliages de nickel - s'applique sur - surfaces propres et à faible teneur en soufre ; apport de chaleur et température entre passes contrôlés ; et éviter strictement la contamination de l'acier au carbone provenant de l'outillage ou du meulage.

Pour la qualification de service-acide, le même plafond de dureté qui s'applique au métal de base s'applique au métal soudé et à la zone affectée par la chaleur-. Les études de dureté (selon ASTM E10/E18) constituent une étape d'acceptation standard, et les projets critiques les complètent par des tests SSC selon NACE TM0177 et une qualification par piqûre selon ASTM G48. Le prélèvement ou la passivation après fabrication complète la préparation de la surface.

Comment choisir entre l'Incoloy 825 et d'autres alliages résistants à la corrosion- ?

Choisissez l'Incoloy 825 lorsque l'environnement couple H₂S avec des chlorures à des températures et pressions modérées ; limiter le 316L et le 904L à des conditions douces et faibles en chlorure ; et passer à l'alliage 625 ou C-276 lorsque la température, les chlorures ou la sévérité du H₂S dépassent l'enveloppe de 825.

Un processus de sélection discipliné comprend cinq étapes.

Étape 1 -Définissez l'environnement de service : pressions partielles de H₂S et de CO₂, température, pH in situ, concentration de chlorure, soufre élémentaire, pénétration d'oxygène, coupure d'eau et conditions de perturbation.

Étape 2 -Vérifiez la norme : confirmez que le candidat est répertorié dans la dernière édition de la NACE MR0175/ISO 15156-3 pour le service exact, y compris les limites de dureté pour la forme du produit et les soudures.

Étape 3 -Classez les risques de défaillance : chlorure SCC (teneur en nickel par rapport à la courbe de Copson), SSC/HIC (dureté et microstructure) et corrosion par piqûres/fissures (PREN et température critique de piqûre).

Étape 4 -Comparez les aspects économiques sur la durée de vie de l'actif : coût des matériaux, fabrication, consommables de soudage, inspection et durée de vie prévue. L'Incoloy 825 est généralement le choix de valeur pour un service acide modéré ; duplex ou 904L uniquement lorsque les chlorures et H₂S sont doux ; Alliage 625 ou C-276 uniquement pour des conditions sévères.

Étape 5 -Validez avec des données : tests de corrosion tels que NACE TM0177 (SSC), ASTM G48 (piqûres) et ASTM G36 (SCC), soutenus par un ingénieur en corrosion qualifié avant l'approvisionnement final.