Comportement en milieu salin de nouveaux échangeurs de chaleur en aciers inoxydables

Behaviour of new stainless steel heat exchangers in saline environments

• Auteur / Autrice : Mickaël Bolmont
• Direction : Michel Vilasi, Stéphane Mathieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Bonasso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Vilasi, Gilles Bonnet, Ingrid Proriol Serre, Léo Portebois, Ioana Popa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bonnet, Ingrid Proriol Serre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse électrochimique

Microstructure (physique)

Joints brasés

Corrosion

Acier inoxydable

Matériaux

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Échangeur de chaleur

Aciers inoxydables

Brasure

Corrosion

Électrochimique

Relation microstructure-propriétés

Heat exchangers

Stainless steels

Metal braze

Corrosion

Electrochemistry

Microstructure-properties relationship

Résumé

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreux secteurs car ils représentent des composants indispensables au déroulement de procédés industriels. Les divers projets de développement d’échangeurs innovants passent nécessairement par une étude matériau permettant de fixer la nuance d’alliage, le design et le procédé de conception optimum. C’est dans ce cadre que la présente étude « matériau » s’est déroulée à travers un projet institutionnel porté par Five’s Cryogénics et soutenu par la région Grand Est. L’étude physico-chimique visait à évaluer la résistance à la corrosion aqueuse en milieux chlorurés de nouveaux échangeurs construits en aciers inoxydables et assemblés par un procédé de brasage. L’objectif était d’acquérir la meilleure connaissance possible des processus élémentaires de corrosion qui pourraient affecter les dispositifs envisagés. L’objectif de la première étape de ce travail était de caractériser la microstructure des aciers et de la brasure avant et après traitement thermique (TH). Les résultats obtenus ont permis d’atteindre les objectifs visés et d’établir les évolutions structurales en surface et à cœur suite au TH mis en œuvre. Ils ont notamment montré que l’acier 316LTi est moins sujet au grossissement granulaire en température que le 316L. De plus, ils ont souligné la persistance de controverses au sujet de la stabilité de certaines phases intermétalliques (Cr6Ni16Si7) qui nuisent à l’établissement de modèles thermodynamiques fiables. L’objectif de la deuxième étape était de concentrer les investigations sur la réactivité chimique en milieux aqueux chlorurés des différentes phases intermétalliques identifiées au cours de l’étude microstructurale. Les mesures électrochimiques ont permis de caractériser leur résistance à la corrosion et conduit aux résultats suivants : i) les deux aciers présentent des vitesses de « corrosion généralisée » du même ordre de grandeur mais ce processus de corrosion n’est pas « impactant », ii) ils sont sensibles à la corrosion par piqûres, iii) ils sont passivables et la couche passive produite à haute température est particulièrement protectrice, iv) les phases constitutives de la brasure (avant TH) et du cordon brasé (post TH) sont cathodiques par rapport aux deux aciers et v) peuvent les protéger en jouant le rôle d’anodes solubles. L’objectif de la dernière étape était d’évaluer le comportement de différents assemblages suite à des immersions de plusieurs milliers d’heures.

Heat exchangers are used in many sectors because they represent essential components for the development of industrial processes. Researches focusing on the development of innovative exchangers necessarily require a metallurgical study to determine the optimal alloy composition and design process. It is within this framework that the present study took place through an institutional project financially supported by Five's Cryogénics and the "Grand Est" region. The physicochemical study was undertaken to evaluate the resistance to aqueous corrosion in chloride media of new exchangers made of stainless steel of high purity and assembled by a brazing process performed at 1200°C. The objective was to acquire the best knowledge as possible of the fundamental corrosion processes that could affect the devices envisaged for specific service conditions. The objective of the first step was to characterize the microstructure of steels and brazing alloy before and after heat treatment (TH). The obtained results led to the determination of the microstructural transformation during heat treatment (HT). In particular, they showed that 316LTi steel is less subject to granular coarsening than 316L stainless steel. In addition, they evidenced the existence of Cr6Ni16Si7 remains controversial and that hinder the establishment of reliable thermodynamic models. The objective of the second step was to concentrate the investigations on the chemical reactivity in chlorinated aqueous media of the different intermetallic phases identified during the microstructural study. The electrochemical measurements have made it possible to characterize their resistance to corrosion and led to the following major results: i) the two stainless steels are susceptible to pitting corrosion and 316LTi substrate show higher performance that 316L alloy at 25 ° C but both exhibit identical performance at 60 ° C, ii) they are passivable and the passive layer produced at high temperature is particularly protective, iii ) the constitutive phases of the brazing alloy (before TH) and those appearing after heat treatment (post TH) are cathodic compared to both stainless steels and iv) they can protect them by playing the role of soluble anodes. The objective of the last step was to evaluate the behavior of different assemblies through immersion tests of several thousand hours. The obtained re.sults clearly show that after 2000 hours the tested devices are resistant to corrosion provided.