Études d'érosion électrochimique et par impact de sable sec sur l'acier au carbone

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 16583 (2015) Citer cet article

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Cette étude a étudié l'érosion sèche et aqueuse de l'acier doux en utilisant des techniques d'impact électrochimique et de sable sec. Dans les expériences d'impact de sable sec, l'acier doux a été érodé avec des particules de sable de 45 μm et 150 μm. La microscopie électronique à balayage (SEM), la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et des techniques de micro-dureté ont été utilisées pour élaborer la morphologie de surface des échantillons érodés. Les résultats ont révélé un changement significatif dans la morphologie des échantillons érodés. Une analyse approfondie a montré que même si l'érosion du métal due à des particules plus grosses était significativement plus élevée, les fines endommageaient également considérablement la surface du métal. Les dommages de surface ont été sensiblement réduits avec la diminution de l'angle d'impact des particules accélérées. Les dommages maximaux ont été observés à un angle d'impact de 90°. La dureté des échantillons traités avec du sable de 45 μm et 150 μm est restée dans la plage de 88,34 à 102,31 VHN et de 87,7 à 97,55 VHN, respectivement. Dans les expériences électrochimiques, une sonde à trois électrodes a été ajoutée au processus de traitement des métaux. Les mesures de résistance de polarisation linéaire (LPR) ont été effectuées dans des suspensions contenant 5 % (en poids) de particules de sable. Le LPR des échantillons traités avec des boues de sable de 45 μm et 150 μm a été calculé à environ 949 Ω.cm2 et 809 Ω.cm2, respectivement.

L'érosion est généralement définie comme la perte de matière de la surface métallique impactée par un fluide en écoulement qui transporte de minuscules particules solides avec une séquence d'actions mécaniques1,2. La relation entre les différentes définitions de l'érosion se réfère en fait à l'érosion des métaux par divers mécanismes d'endommagement. Il existe de nombreux cas où des accidents de fuite se produisent en raison de l'érosion des métaux causée par le sable grossier et les fines dans les industries pétrolières et gazières2,3. Certains cas entraînent la mort en raison d'une fuite de gaz naturel hautement pressurisé des conduites de production, ce qui peut provoquer des explosions, comme illustré à la Fig. 1.

Rupture causée par l'érosion par impact de sable de l'acier doux.

Le pétrole et le gaz extraits du puits sont inévitablement pollués par du sable et d'autres particules solides. Les débris indésirables sont la principale source d'un certain nombre de problèmes d'assurance des flux dans l'industrie pétrolière et gazière. L'endommagement des raccords et des canalisations est également la conséquence de l'érosion due à l'impact du sable. Si l'érosion n'est pas correctement prévue, surveillée et contrôlée, elle peut entraver l'ensemble du processus de production. Dans certains cas, cela peut entraîner l'arrêt du processus pendant une période prolongée. Par conséquent, il est important de comprendre et de prévoir l'érosion due à l'impact du sable pour une protection adéquate des pipelines et des équipements contre ses dangers potentiels3.

Le processus d'érosion est en outre classé en érosion par essai et érosion aqueuse. Cette étude porte à la fois sur les processus d'érosion sèche et aqueuse. L'érosion aqueuse implique l'élimination du matériau soit par effondrement des bulles, soit par impact de particules liquides/solides. Dans le cas présent, l'érosion de l'acier doux dans un environnement d'impact de boue de sable à 5 % en poids et de sable sec a été réalisée avec deux tailles de particules. Il est important de mentionner que l'érosion est généralement à son extrême en présence de sable dans le fluide. L'érosion en suspension ou aqueuse est également un problème majeur dans les hydro-turbines et autres machines à fluide où les particules solides érodantes entraînées dans le fluide empiètent sur la surface métallique pour provoquer sa dégradation3,4.

Une réaction électrochimique détériore la surface du matériau par érosion et corrosion tandis que la force mécanique des particules solides endommage la surface par érosion. Dans un milieu aqueux ou une bouillie, la vitesse de la réaction électrochimique du matériau passif est relativement inférieure au débit du courant transportant les particules solides5. Les fluides en circulation peuvent détériorer totalement ou partiellement les couches passives. Cependant, l'érosion de surface dépend essentiellement de la vitesse des particules solides, de l'angle d'impact, de la résistance mécanique et de la netteté des particules impliquées dans le processus. La rupture des films passifs provoque la dépassivation de surface, par conséquent la vitesse de la réaction électrochimique augmente en raison de la repassivation et de la dissolution métallique. Cependant, des périodes d'impact très courtes et des déformations très localisées peuvent conduire à un phénomène d'impact compliqué3,4,5.

Cet article traite de l'érosion sèche et aqueuse de l'acier doux à l'aide de bombardements de sable et de techniques électrochimiques. La motivation pour mener ce travail était principalement et l'intérêt de quantifier l'effet de la taille des particules de sable sur l'érosion de l'acier doux en utilisant deux techniques différentes. Il a été rarement vu dans les rapports antérieurs que les chercheurs utilisaient les deux techniques en même temps pour l'étude de l'érosion par impact du sable dans les lignes de production. Le travail donné était un effort pour combler le vide existant dans la recherche. Les tests électrochimiques ont été effectués à l'aide d'un mécanisme d'érosion en pot à boue, tandis que les tests d'érosion à sec ont été effectués en accélérant et en bombardant les particules de sable sur les échantillons d'acier dans une chambre sèche. L'objectif des travaux était d'étudier comment le sable érode les conduites d'écoulement. Plusieurs paramètres peuvent affecter l'érosion de la surface métallique, tels que la vitesse de l'air, le débit de sable, l'angle d'impact, le % en poids de sable dans le coulis et la distance entre la surface cible et la buse. Ici, l'effet de la taille des particules de sable, de l'angle d'impact, du % en poids et de la distance de la buse sur l'érosion de l'acier doux a été étudié par des mesures SEM, EDX, LPR et des tests de micro-dureté.

La méthode de tamisage à sec a été utilisée pour classer la taille des particules de sable. Ces analyses ont été effectuées en utilisant un ensemble de tamis avec une taille de tamis progressivement décroissante. Le schéma de la disposition des tamis utilisés pour le tamisage du sable sec est illustré à la Fig. 2. Le sable séché a été passé à travers un ensemble empilé de tamis des tailles de maille suivantes : 1,18 mm, 600 μm, 425 μm, 300 μm, 212 μm, 150 μm, 63 μm et 45 μm. L'échantillon de formation a été placé sur le dessus de la série de mailles et il a été infiltré à travers les écrans jusqu'à ce qu'il fasse face à l'écran avec des ouvertures plus petites que la taille des grains. Des vibrations mécaniques ont été appliquées pour aider les grains de sable à s'infiltrer à travers et sur les divers tamis à mailles. Cette méthode a été utilisée pour obtenir des échantillons de sable grossier et fin avec une taille moyenne de 45 μm et 150 μm, respectivement.

Schéma de la disposition des tamis utilisés pour le tamisage du sable sec.

Le type de sable était le grès, qui est une roche sédimentaire clastique de particules de la taille du sable. Il a été utilisé comme agent d'érosion pour l'érosion des conduites d'écoulement. Les plaques d'acier doux de 5 mm d'épaisseur ont été bombardées avec des particules de sable grossières et fines. Ces plaques représentaient la surface intérieure de la chaîne de production. La composition chimique de l'acier au carbone S45C était de 0,42% à 0,48% de carbone, de 0,15% à 0,35% de silicium, de 0,6% à 0,9% de manganes, de 0,030% de phosphore maximum et de 0,035% de soufre maximum. Le schéma de la configuration expérimentale pour l'érosion par impact de sable sec est illustré à la Fig. 3. Un banc d'essai d'impact de sable sec a été conçu et fabriqué pour mener les expériences dans l'air à température ambiante (24 ° C) et à pression atmosphérique (1 atm). conditions. La section de test de la plate-forme était une boîte en acrylique transparent. Les échantillons d'acier doux ont été montés à la sortie de la buse conçue conformément à la directive ASTM. Le mélange air-sable a été accéléré à travers une buse jusqu'à une vitesse requise. Le souffleur d'air était capable de fournir de l'air à un débit maximum de 120 m3/h. La vitesse du flux d'air a été fixée à 20 m/s et des plaques d'acier ont été bombardées de sable à des angles d'impact de 30°, 45°, 60°, 75° et 90°. Le débit de sable a été fixé à 1 kg/h tout au long de l'expérimentation en cours. La distance entre la plaque d'acier et la buse a été fixée à 10 cm. La morphologie de surface et la composition des échantillons non traités et traités au sable sec ont été élaborées à l'aide de SEM, EDX et Vicker Hardness Number (VHN).

Schéma du banc d'essai d'érosion construit en interne.

Les essais électrochimiques d'érosion-corrosion par impact de sable de l'acier doux ont été réalisés à l'aide d'un mécanisme d'érosion en pot de boue. Une technique DC basée sur des mesures de résistance de polarisation a été utilisée pour évaluer l'endommagement de la surface de l'acier doux dans les mélanges d'eau du robinet et de sable avec 1 % en poids de chlorure de sodium (NaCl). La teneur en sable dans le coulis a été fixée à 5 % en poids. La technique de mesure LPR était une configuration expérimentale typique composée d'une cellule à trois électrodes. La voie de mesure de la résistance de polarisation est résumée à la Fig. 4. Les mesures LPR ont été utilisées pour obtenir des résultats d'érosion-corrosion in situ. Un système à trois électrodes a été formé par un spécimen comme électrode de travail, une contre-électrode et une électrode de référence et le potentiostat relié à un ordinateur pour la capture de données. L'électrode échantillon a été polarisée et le courant correspondant passant entre la contre-électrode et l'électrode de travail a été enregistré.

Récapitulatif du tracé des mesures électrochimiques possibles.

La polarisation de l'échantillon était contrôlée par le potentiostat fournissant des électrons à l'électrode de travail ou à la contre-électrode. La neutralité électrique des électrodes et des électrolytes a été maintenue grâce à la réponse des ions à la polarisation des électrodes. Les espèces actives électrochimiques ont également été déplacées vers le compteur et ont réagi avec les électrons fournis par le potentiostat. Ici, la polarisation CC de l'échantillon était basée sur un changement du potentiel de l'électrode de travail et la mesure des courants respectifs produits en fonction du potentiel. Les courbes de polarisation correspondantes ont été obtenues dans la gamme de potentiel de -20 à +20 mV avec une vitesse de balayage de 1 mV/min. À l'aide de ces données, des mesures LPR ont été effectuées sur de l'acier doux dans des boues de particules de sable de 45 μm et de 150 μm. Semblables aux tests d'érosion par impact de sable sec, les expériences électrochimiques ont également été menées pendant une période de temps fixe de 1 heure.

Au fil des ans, on pensait que les fines de l'ordre de 50 à 75 μm n'érodaient pas de manière significative le métal en raison de la taille des particules plus petites et du faible impact sur la surface cible. Cependant, il a été observé que les particules fines peuvent s'échapper à travers la plupart des écrans de sable, ce qui les rend presque inévitables dans la production de pétrole et de gaz. Ces fines peuvent gravement endommager les installations là où le sable grossier ne peut pas atteindre dans des situations normales4,5. Les preuves de l'industrie pétrolière et gazière ont prouvé que le sable est l'une des principales causes de l'érosion des pipelines. Dans le travail donné, l'érosion par le sable sec et aqueux de l'acier doux a été étudiée pour une meilleure compréhension de l'érosion par le sable dans les lignes de production.

Les particules de sable érodées ont été collectées dans la ville de Bandar Seri Iskandar située dans l'État de Perak en Malaisie péninsulaire. La composition des échantillons de sable a été mesurée par analyse EDX. La figure 5 montre le balayage EDX et le spectre d'un échantillon de sable rugueux, qui a été affiné pour la classification des tailles de grains. L'analyse EDX a confirmé la présence d'aluminium, de silicium, de phosphore ainsi que de carbone dans l'échantillon de sable érodant. L'existence d'azote, d'oxygène et de fluor dans l'échantillon a été supposée due à l'air ambiant6,7.

Scan EDX et spectre du sable de la mine.

Les études d'érosion abrasive sur l'acier doux réalisées à l'aide de la méthode d'impact de sable sec dans des conditions de température ambiante et de pression atmosphérique sont rapportées dans les figures 6 et 7. Il s'agissait plus probablement d'un phénomène physique que d'un processus chimique. La figure 6 montre les spectres EDX de coupons d'acier doux non traités et traités utilisés comme spécimen de métal dans ces expériences. La figure 6a révèle que l'échantillon non traité n'était composé que de carbone, de fer et d'azote. La figure 6b montre le spectre EDX de la plaque métallique après l'expérience d'érosion. La composition de la plaque érodée a été considérablement modifiée dans ces investigations. Il révèle que certaines des particules érodantes ont été diffusées dans la surface métallique lors de l'impact du sable. La composition métallique post-traitement a été changée en carbone, silicium, ferum, aluminium et phosphore. On a vu que l'érosion par impact de sable modifie également la composition des échantillons métalliques8,9,10.

EDX de l'acier doux (6a) non traité et (6b) traité.

Images SEM de l'acier doux érodé avec (7a) des particules de 150 μm à un angle d'impact de 90°, (7b) des particules de 45 μm à un angle d'impact de 90°, (7c) des particules de 150 μm à un angle d'impact de 45° et (7d) des particules de 45 μm à un angle d'impact de 45°.

Les études antérieures ont rapporté que la taille des particules influence de manière significative l'érosion de la surface métallique en déterminant le nombre de particules impactant la surface solide7,8,9,10. Les particules inférieures à 10 microns sont transportées avec le milieu liquide et heurtent rarement la paroi, cependant, les particules plus grosses sont susceptibles de se déplacer en ligne droite et de rebondir sur les parois. Les particules plus grosses avec des tailles supérieures à 1 mm se déplacent lentement et se déposent normalement hors du fluide, donc n'endommagent pas significativement la surface. Il existe également peu de preuves que les particules aux arêtes vives causent plus de dommages que celles aux formes arrondies9,10,11. Cependant, il serait difficile de conclure sur l'effet de la variabilité de la finesse et de la dureté du sable sur le taux d'érosion dans différents puits de production et champs9,10. En raison des surfaces tranchantes, les particules de sable utilisées dans les travaux donnés peuvent être plus mortelles pour les conduites de production.

Des micrographies SEM d'échantillons d'acier doux bombardés pendant 1 heure avec des particules de sable de 45 μm et 150 μm à différents angles d'impact sont présentées à la Fig. 7. Les échantillons non traités étaient des coupons polis et presque exempts de rayures et de rugosités, comme le montre l'encadré de la Fig. 6a. Après des expériences d'érosion, les régions ciblées des échantillons ont été transformées en cercles sombres révélant la rugosité de surface élevée. Le degré de rugosité de surface dépendait fortement de la taille des particules et de l'angle d'impact. Une forte relation a été trouvée entre la taille des particules et la taille des cicatrices de dommages sur la surface métallique9,10. Le sable grossier a érodé le métal plus négativement que les particules fines.

Il a été remarqué que l'efficacité des collisions diminue avec la diminution de la taille des particules10,11,12. Quantitativement, la diminution de l'efficacité des collisions et par conséquent l'érosion peuvent être attribuées à la plus faible inertie des particules plus petites qui ne sont pas contraintes de suivre l'air se déplaçant autour d'un corps sur son chemin. Par conséquent, les particules plus grosses auront une inertie et une impulsion plus élevées pour impacter la surface métallique en provoquant une érosion importante. Cependant, les résultats présentés prouvent que les particules fines peuvent également provoquer une érosion significative de la surface métallique même si la masse des fines est plus petite par rapport au sable grossier. Ainsi, les dommages de surface dus aux particules fines peuvent être considérablement plus élevés dans les zones où le sable grossier ne peut pas atteindre dans des situations normales.

Les images SEM de la Fig. 7 révèlent également l'effet de l'angle d'impact sur les dommages de surface. L'érosion du métal la plus élevée a été observée à l'angle d'impact de 90°, qui a été progressivement réduit en diminuant l'angle d'impact à 30° par pas de 15°. A 90°, les particules accélérées ne présentaient aucun glissement angulaire et communiquaient un maximum d'énergie à la surface métallique. Cependant, à des angles d'impact plus petits, les particules de sable présentaient un glissement angulaire dû au chemin tangentiel créé par la surface métallique inclinée. La force d'impact des particules a été divisée en composantes axiale et radiale. Ici, seule la composante axiale contribuait au transfert d'énergie des particules de sable à la surface métallique. En conséquence, l'impact du sable a été réduit et par conséquent l'érosion de surface.

La micro-dureté des échantillons d'acier traité en fonction de l'angle d'impact est rapportée à la Fig. 8. La dureté de l'acier doux a montré une tendance à la hausse avec l'angle d'impact. La dureté globale des échantillons traités avec des échantillons de sable de 150 μm et 45 μm a été trouvée dans la plage de 87,7 à 97,55 VHN et de 88,34 à 102,31 VHN, respectivement. Il révèle que la dureté et la densité des particules de sable impactant la surface métallique étaient suffisamment élevées pour induire une déformation plastique et une évolution des microstructures à la surface de l'échantillon. La dureté accrue des échantillons traités avec 45 μm montre que l'impact des plus petites particules sur la surface formait des grains fins, des sites de martre et des contraintes résiduelles qui augmentaient par la suite la micro-dureté du sous-sol13.

Micro-dureté des échantillons d'acier érodés à différents angles d'impact.

En plus de l'érosion par sable sec, l'érosion aqueuse de l'acier doux a également été étudiée à l'aide d'une technique électrochimique. La surveillance LPR est une technique électrochimique efficace, qui est utilisée pour évaluer l'érosion-corrosion des métaux. Il s'agit de surveiller une relation entre le courant dû aux électrons et le potentiel électrochimique. Les courbes LPR correspondantes sont utilisées pour mesurer les vitesses de corrosion. Dans cette relation, la résistance de polarisation varie en raison inverse de la vitesse de corrosion. Dans cette étude, une sonde à trois électrodes a été ajoutée au processus d'érosion de l'acier doux. Les électrodes étaient électriquement isolées les unes des autres et de la ligne de traitement3. Un petit potentiel (de l'ordre de 20 mV) a été appliqué entre les électrodes sans affecter le processus de corrosion. Le courant correspondant a été surveillé et mesuré. Le LPR, qui est le rapport du potentiel appliqué et du courant entre les électrodes, a été mesuré pour des échantillons d'acier doux dans des suspensions contenant 5 % en poids de particules de sable de 45 μm et 150 μm.

La figure 9 montre les courbes LPR de l'acier doux corrodé dans des coulis de particules de sable de 45 μm et 150 μm. Le comportement de polarisation de l'acier doux dans des boues de sable de 45 μm et 150 μm était d'environ 0,29 et 0,34 mm/an, respectivement. Ces résultats ont prédit des dommages de surface élevés dus à des particules plus grosses, ce qui était attendu dans ces expériences. La corrosion des échantillons d'acier doux a été expliquée en termes de résistance de polarisation (Ω.cm2) des courbes de densité courant-potentiel. Ici, la résistance de polarisation des échantillons a été calculée à l'aide de l'équation3,14 :

Courbes de polarisation de l'acier doux traité avec des boues de sable de 45 μm et 150 μm.

À partir de cette équation, la résistance de polarisation des échantillons dans des boues de sable de 45 μm et 150 μm a été calculée à environ 949 Ω.cm2 et 809 Ω.cm2, respectivement. Une diminution du LPR des échantillons suggère généralement une diminution de la résistance de polarisation en présence de particules plus grosses dans la suspension. Cette tendance révèle que le métal souffrirait de taux de corrosion plus élevés dans les fluides transportant les plus grosses particules solides. La tendance observée de la résistance de polarisation peut être clarifiée en termes de stabilité de la couche de produit de corrosion formée à l'extérieur. Le LPR restera plus ou moins constant, si la couche de produit est stable et n'est pas séparable de la surface métallique. Cependant, la valeur LPR fluctuera si la couche de produit n'est pas stable. Dans ce cas, la couche se forme et se détache à nouveau de la surface métallique14.

Cette étude conclut que la densité et la netteté des particules de sable, utilisées dans cette étude, étaient suffisamment élevées pour induire la déformation et l'évolution des microstructures à la surface de l'acier. Les conduites d'écoulement subiront des taux de corrosion plus élevés en présence de particules mécaniquement plus dures et plus grosses dans le courant de fluide par rapport aux particules relativement plus molles et plus petites. L'érosion aqueuse globale de l'acier doux due à la réaction électrochimique reste relativement inférieure au débit du courant transportant les particules solides.

Le flux de transport de sable peut détériorer totalement ou partiellement la surface métallique en fonction de la vitesse, de l'angle d'impact, de la résistance mécanique et de la netteté des particules solides impliquées dans le processus d'érosion. Par conséquent, en l'absence d'un système de surveillance précis ou d'un modèle prédictif, la surveillance de routine de l'épaisseur de la conduite d'écoulement serait nécessaire pour avertir des dommages causés par l'érosion ou de la perte imminente des confinements. Les coupons sacrificiels peuvent également être utilisés à cette fin.

Bien que l'érosion anticipée du métal due aux particules plus grosses soit plus élevée, les particules fines peuvent également endommager considérablement la surface métallique. La dureté des échantillons traités avec des particules plus petites a été trouvée en accord étroit avec ceux traités avec des particules plus grosses. Cependant, cet accord peut se terminer avec l'augmentation du temps d'exposition en révélant des dommages de surface élevés dus à des particules plus grosses. Néanmoins, les dommages de surface peuvent être sensiblement réduits en modifiant l'angle d'impact des particules érodantes avec la surface métallique15,16,17.

Comment citer cet article : Naz, MY et al. Études électrochimiques et d'érosion par impact de sable sec sur l'acier au carbone. Sci. Rep. 5, 16583; doi : 10.1038/srep16583 (2015).

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Ce projet de recherche est financé par le Short Term Internal Research Funding (STIRF) de l'Universiti Teknologi PETRONAS, Malaisie. Les auteurs tiennent également à remercier le ministère de l'Enseignement supérieur de Malaisie pour avoir fourni certaines des installations de recherche dans le cadre du programme de subventions de recherche à long terme (LRGS) n° 15-8200-137-4-3.

Département de génie mécanique, Université de technologie PETRONAS, Bandar Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaisie

MON Naz & SA Sulaiman

Département de génie pétrolier, Université de technologie PETRONAS, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaisie

NI Ismaïl

Département des sciences fondamentales et appliquées, Université de technologie PETRONAS, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaisie

S. Shukrallah

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MYN a mené des expériences sur du sable sec et a écrit le texte principal du manuscrit. NII a conçu et fabriqué le banc d'essai utilisé dans l'étude en question. Elle a également obtenu la subvention de recherche pour ce projet et paiera les frais de publication à partir de la subvention approuvée en son nom. Ce projet a été réalisé sous la supervision de SAS. Il a créé la mise en page des procédures expérimentales impliquées et a accordé l'autorisation d'utiliser certaines des installations de recherche de Fluid Flow Lab. SS a mené les expériences électrochimiques et préparé les figures 8 et 9. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit avant de le soumettre aux «rapports scientifiques».

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Naz, M., Ismail, N., Sulaiman, S. et al. Études électrochimiques et d'érosion par impact de sable sec sur l'acier au carbone. Sci Rep 5, 16583 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16583

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Reçu : 10 août 2015

Accepté : 16 octobre 2015

Publié: 12 novembre 2015

DOI : https://doi.org/10.1038/srep16583

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