Si l’hydrogène gagne rapidement en popularité en tant que carburant durable et vecteur d’énergie, cette substance polyvalente suscite également quelques inquiétudes. L’une d’elles est la fragilisation par l’hydrogène qui peut se produire dans les pipelines et les infrastructures en acier inoxydable austénitique.
Dans ce blog, nous nous concentrons sur la fragilisation par l’hydrogène. Nous vous expliquons en quoi consiste exactement ce phénomène, quels sont les risques encourus et comment réduire le risque de fragilité des infrastructures en acier inoxydable.
Définitions : fragilité et fragilisation par l’hydrogène
Avant d’approfondir les facteurs de risque, les dangers et les solutions, quelques définitions s’imposent :
Qu’est-ce que la fragilité ?
La fragilité peut être définie comme « la propriété de se rompre avec une élongation minimale ». Si une force importante est appliquée à un matériau fragile, celui-ci se brise ou se fissure. Le verre et les céramiques sont des exemples de matériaux très fragiles. Au moindre effort ou choc, ces matériaux se brisent instantanément.
Le contraire de la fragilité est la ductilité. Les matériaux ductiles finissent par présenter une déformation plastique en cas d’augmentation de la déformation ou du choc, ce qui n’entraîne pas de fracture immédiate.
Qu’est-ce que la fragilisation par l’hydrogène ?
La fragilisation par l’hydrogène est la fragilisation d’un matériau sous l’influence de l’hydrogène. Ce phénomène se produit en raison de la diffusion et de la dissolution de l’hydrogène dans la microstructure des canalisations ou des infrastructures métalliques. Associé aux contraintes mécaniques, l’hydrogène crée des fissures capillaires qui s’agrandissent progressivement avec le temps.
Le phénomène de fragilisation par l’hydrogène n’est pas nouveau. Dès 1875, Johnson a découvert des changements dans l’élasticité et la contrainte de rupture du fer après son immersion temporaire dans l’acide.
Les conclusions de Johnson ont conduit à d’autres recherches, qui ont montré que seuls les acides qui produisent de l’hydrogène détériorent les propriétés du fer par leur impact. Le lien avec l’hydrogène a donc été rapidement établi.
Facteurs de risque
Nous sommes 146 ans plus tard, et la recherche est toujours en cours. Cependant, nous connaissons désormais beaucoup mieux l’effet de la fragilisation par l’hydrogène et la vulnérabilité de l’acier inoxydable austénitique à ce phénomène. Nous savons maintenant que les facteurs de risque suivants augmentent le risque de fragilisation par l’hydrogène :
- Une augmentation de la pression d’hydrogène dans les lignes de transfert ou les applications.
- La formation de structures martensitiques et ferritiques dans les matériaux par déformation plastique.
- L’application des formes non stabilisées de l’acier inoxydable.
- Températures de fonctionnement comprises entre -173 °C (100 K) et 27 °C (300 K), comme le montre la figure ci-dessous.
Rapport d’étirement plastique à la rupture en fonction de la température d’essai
Pourquoi la fragilisation par l’hydrogène est-elle destructrice ?
Il y a une raison pour laquelle tant de recherches sont menées sur la fragilisation par l’hydrogène. De nombreuses industries dépendent de structures en acier, qui peuvent entrer en contact avec l’hydrogène en cours de fonctionnement ou de construction. Il s’agit notamment des structures pétrolières et gazières, des pièces en acier des éoliennes, des structures architecturales et, bien sûr, des infrastructures de stockage et de transport de l’hydrogène.
Lorsque l’hydrogène endommage la qualité de l’acier, ces structures doivent être remplacées ou réparées assez rapidement et, à terme, il y a un risque d’effondrement. Dans l’industrie pétrolière et gazière, il existe également un deuxième danger : les fuites. Lorsque de grandes quantités d’hydrogène quittent une infrastructure, il existe un risque d’incendie et d’explosion.
La formation de la fragilisation par l’hydrogène prend du temps. Il peut s’écouler des années avant qu’une infrastructure ne soit endommagée au point de s’effondrer. Cependant, lorsque ce moment arrive, les conséquences sont souvent graves. La lenteur relative du processus ne signifie pas que les mesures de sécurité appropriées pour prévenir la fragilisation par l’hydrogène ne sont pas essentielles.
Comment prévenir la fragilisation par l’hydrogène ?
Mais que peut-on faire pour réduire le risque de fragilisation par l’hydrogène ? À quoi les infrastructures d’hydrogène doivent-elles se conformer pour rester solides et exemptes de fissures le plus longtemps possible ?
Choix du matériau
Tout d’abord, il est essentiel de bien choisir les matériaux. Par exemple, l’augmentation du pourcentage de Ni et la diminution du pourcentage de C dans le matériau réduisent le risque de fragilisation par l’hydrogène. L’ajout de Ti aide également. Ces atomes occupent des emplacements critiques dans la structure cristalline de l’acier inoxydable austénitique. En d’autres termes, les éléments ajoutés stabilisent la microstructure souhaitée. Pour une utilisation sûre avec l’hydrogène, une teneur minimale en nickel de 10% est souvent maintenue.
La différence dans le rapport de déformation plastique de divers matériaux peut être observée dans la figure de G.R. Caskey présentée précédemment. Les types d’acier présentés dans cette figure montrent des réactions très différentes à diverses températures. Un matériau reste considérablement plus stable dans la plage de température critique que les autres.
Le type d’acier qui convient le mieux à un pipeline ou à une infrastructure spécifique varie considérablement. Par exemple, si une infrastructure est soumise à des changements de température réguliers, le choix du matériau est essentiel pour éviter la fragilisation par l’hydrogène. Une station-service est un exemple d’infrastructure où le changement de température est prépondérant.
Technique de soudage
Outre le choix de la meilleure nuance d’acier, la technique de soudage utilisée a également une incidence sur l’apparition ou non d’une fragilisation par l’hydrogène. En faisant un mauvais choix de matériau et d’alliage, une sensibilisation peut se produire. La sensibilisation est la formation de carbures aux limites cristallines du matériau pendant le soudage.
Heureusement, la sensibilisation peut être évitée en utilisant un acier inoxydable à faible pourcentage de carbone (<0,03%), comme l’acier inoxydable 316L ou 1.4404. L’ajout de Ti à l’alliage, comme dans l’acier inoxydable 316Ti ou 1.4571, est également une excellente méthode pour éviter ce problème.
Chez Demaco, nous sommes conscients, comme personne, des risques que comporte l’hydrogène. Nous suivons de près la recherche dans le domaine de la fragilisation par l’hydrogène et savons exactement quels matériaux conviennent ou non à diverses applications. C’est pourquoi nous pouvons garantir une qualité et une sécurité optimales.
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