Etude du chargement en hydrogène dans les aciers

Etude du chargement en hydrogène dans les aciers

Le but de ce chapitre est d’étudier le chargement en hydrogène dans le fer pur en solution aqueuse saturée par différentes teneurs en H2S et éventuellement polluée en continu par des traces d’oxygène à pression et température ambiantes. L’objectif principal est d’étudier l’effet de l’oxygène sur l’absorption de l’hydrogène dans l’acier en milieu H2S, phénomène préalable à la fragilisation par l’hydrogène. La première partie de ce chapitre est consacrée à une étude bibliographique brève du chargement en hydrogène des aciers, dans le contexte de la production du pétrole et du gaz. Dans cette partie les mécanismes de chargement en hydrogène sont décrits, ainsi que les différents paramètres susceptibles d’affecter ce phénomène, y compris une pollution en continu par des traces d’oxygène. La seconde partie de ce chapitre concerne l’étude expérimentale. La perméation électrochimique s’est imposée comme méthode de choix pour l’étude du flux d’hydrogène au travers de la membrane métallique. 1.1 Introduction L’interaction entre les matériaux métalliques et les environnements pétroliers riches en gaz acides (H2S et CO2) est bien souvent la cause de la détérioration de ceux-ci. La fragilisation par l’hydrogène est une des causes de ruptures souvent brutales des matériaux en service dans de tels environnements. Elle est liée au chargement en hydrogène dans l’acier. En effet, en milieu acide, les protons sont réduits à la surface de l’acier lors du processus de corrosion, et produisent de l’hydrogène qui peut s’introduire dans l’acier. Cette réaction de chargement est largement facilitée en présence de H2S. L’absorption et la diffusion de l’hydrogène dans l’acier conduisent à une interaction entre ce dernier et la microstructure de l’acier et peuvent induire une dégradation des propriétés mécaniques de l’acier, parfois jusqu’à ruptures. Il existe dans la littérature de nombreux documents de synthèse qui décrivent le chargement en hydrogène dans les aciers [5,117,118]. Dans la première partie de ce chapitre consacrée à l’étude bibliographique du chargement en hydrogène dans les aciers, nous allons nous contenter de décrire l’essentiel des éléments utiles pour l’analyse de nos résultats expérimentaux.

Mécanisme de chargement de l’hydrogène dans l’acier Lors

du processus de corrosion des aciers en milieu acide, les réactions électrochimiques principales sont la dissolution anodique du fer et la réduction du proton. La réduction du proton telle que présentée au chapitre 3 n’est qu’une approche simplifiée du phénomène réel se déroulant à la surface de l’acier qui peut comprendre plusieurs étapes élémentaires. La première étape, de nature électrochimique, consiste en la réduction du proton en un atome d’hydrogène adsorbé (Hads) à la surface de l’acier. Il s’agit de la réaction de Volmer (réaction (83)). Cet atome d’hydrogène adsorbé, qui se présente en fait très probablement sous une forme de complexe adsorbé, éventuellement sulfuré, peut ensuite subir plusieurs réactions. Il peut par exemple se combiner avec un hydrogène adsorbé voisin et dégager du dihydrogène selon la réaction de Tafel, purement chimique (réaction (84)). Mais cet hydrogène adsorbé peut aussi interagir avec un proton en solution suivant la réaction (réaction (85)) pour former également du dihydrogène (réaction d’Heyrovsky). Ces deux réactions donnent lieu à la formation de dihydrogène en surface de l’acier, qui est d’abord présent à l’état dissous dans le milieu liquide, puis très rapidement sous forme gazeuse en raison de la faible solubilité de l’hydrogène dans l’eau. Néanmoins, une autre voie est possible pour l’hydrogène, cette fois vers le métal (réaction (86)) : c’est le phénomène de chargement.

1.3 Effet du H2S sur le chargement en hydrogène dans l’acier De nombreux auteurs ont étudié les effets de la présence de certaines espèces hydrogénantes en solution, et ont constaté une augmentation significative du chargement en hydrogène dans les métaux en présence de ces composés [81,119,123–125]. Par exemple, les études de Zakroczymski sur l’effet du phosphore, de l’arsenic, de l’antimoine, du sélénium et du tellurium [124] ; celles de Bockris sur l’effet des ions cyanure et iodure [119]; les travaux de Berkowitz et Horowitz ; et aussi de Le Boucher pour les effets du H2S [81,123]. Le H2S fait donc partie de ces espèces favorisant significativement le chargement en hydrogène dans les aciers [95,121,122,126–131]. Trois grandes théories existent dans la littérature sur le chargement en hydrogène dans les aciers et sur l’effet du H2S. Une première théorie selon laquelle l’H2S empoisonnerait la surface de l’acier en limitant la réaction de recombinaison