Corrosion – Détérioration par réaction chimique

Introduction et définition

La corrosion est la dégradation irréversible d’un matériau—le plus souvent un métal—due à des interactions chimiques ou électrochimiques avec son environnement. Ce processus est principalement une réaction interfaciale, où des atomes ou ions sont transférés entre un matériau (comme un métal, un polymère ou une céramique) et son environnement, entraînant la transformation ou la consommation du matériau. Bien que la corrosion soit souvent associée à la rouille du fer, elle affecte un large éventail de matériaux, y compris les non-métaux. Les conséquences sont significatives : défaillances structurelles, risques de sécurité et pertes économiques estimées à 2,5–3 trillions de dollars par an dans le monde. La gestion moderne de la corrosion inclut la modélisation prédictive, la surveillance et l’analyse du cycle de vie pour atténuer les risques et optimiser le choix des matériaux et la maintenance.

Concepts et termes clés

• Corrosion chimique : Détérioration par réaction chimique directe, souvent avec des acides ou des oxydants, sans conductivité électrique. Par exemple, l’acide sulfurique réagissant avec l’acier forme du sulfate de fer et de l’hydrogène.
• Corrosion électrochimique : Le type le plus courant pour les métaux, impliquant des réactions d’oxydo-réduction en présence d’un électrolyte (comme l’eau contenant des sels dissous). Elle comprend des zones anodiques (perte de métal) et cathodiques (protection).
• Oxydation : Perte d’électrons des atomes métalliques, formant des ions qui peuvent se combiner à l’oxygène pour produire de la rouille ou d’autres oxydes.
• Réduction : Gain d’électrons, généralement à la cathode. L’oxygène ou les ions hydrogène de l’électrolyte sont souvent réduits.
• Anode : Site de l’oxydation et de la perte de matériau—la corrosion a toujours lieu ici.
• Cathode : Site de la réduction ; protégée de la corrosion dans les cellules électrochimiques.
• Film passif : Couche mince et stable d’oxyde qui se forme sur les métaux comme l’acier inoxydable et l’aluminium, protégeant contre la corrosion supplémentaire. Une altération ou une attaque chimique de ce film peut initier une corrosion localisée.

Ces concepts de base sont essentiels pour comprendre comment la corrosion se produit et comment elle peut être gérée ou évitée.

Classification des types de corrosion

La corrosion peut prendre de nombreuses formes :

Corrosion uniforme

Affecte l’ensemble de la surface exposée à un taux à peu près identique. Courante sur l’acier non protégé exposé à l’air et à l’humidité, elle est prévisible et souvent gérée en ajoutant de l’épaisseur (“marge de corrosion”).

Corrosion par piqûres

Très localisée, formant de petites cavités profondes à la surface. Souvent initiée par la rupture du film passif en milieu riche en chlorures (ex : eau salée). Particulièrement dangereuse car difficile à détecter et pouvant entraîner une défaillance avec peu de perte de matière globale.

Corrosion par crevasse

Se produit dans les espaces confinés (sous les joints, rondelles ou recouvrements) où un fluide stagnant crée des conditions locales agressives. Elle peut progresser rapidement et est difficile à détecter, posant des risques dans les assemblages et les jonctions.

Corrosion galvanique (bimétallique)

Se produit lorsque deux métaux différents sont électriquement connectés dans un électrolyte. Le métal le moins noble (anodique) se corrode préférentiellement. La sévérité dépend de la différence de potentiel, de la conductivité de l’électrolyte et du rapport des surfaces.

Corrosion intergranulaire

Cible les joints de grains dans les métaux, souvent due à la ségrégation ou à l’appauvrissement en éléments protecteurs (comme le chrome dans l’acier inoxydable). Peut entraîner une rupture catastrophique sans dommage visible en surface.

Lixiviation sélective (désalliage)

Enlève l’élément le plus réactif d’un alliage (ex : le zinc du laiton), laissant une structure poreuse et affaiblie.

Corrosion par érosion

Accélérée par une action mécanique (écoulement, impact de particules) qui enlève les films protecteurs et expose le métal frais à l’attaque chimique. Courante dans les pompes, tuyaux et en milieux marins.

Fissuration par corrosion sous contrainte (SCC)

Fissuration causée par la combinaison de contraintes de traction et d’un environnement corrosif spécifique. Peut causer des ruptures rapides et catastrophiques sans avertissement.

Fragilisation par l’hydrogène

Absorption et diffusion d’hydrogène atomique dans les métaux, notamment les aciers à haute résistance, entraînant une rupture soudaine et fragile.

Exfoliation et corrosion interfaciale

L’exfoliation est une forme grave de corrosion intergranulaire, provoquant le soulèvement et le délaminage de couches de matériau, souvent observée dans les produits laminés ou extrudés comme les composants aéronautiques.

Mécanismes et science

La corrosion implique des réactions d’oxydo-réduction à l’interface matériau-environnement :

• Réaction anodique (oxydation) :
  M → Mⁿ⁺ + ne⁻
  (Le métal perd des électrons et devient un ion.)

• Réaction cathodique (réduction) :

  • Réduction de l’oxygène : O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
  • Réduction des ions hydrogène : 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Les électrons libérés à l’anode circulent vers la cathode, où a lieu la réduction. Les électrolytes (eau contenant des ions dissous) permettent la conduction ionique et ferment le circuit.

Les films passifs (fines couches d’oxyde) sur les métaux comme l’acier inoxydable et l’aluminium peuvent réduire drastiquement les taux de corrosion. Cependant, s’ils sont endommagés ou exposés à des ions agressifs (comme les chlorures), une corrosion localisée peut démarrer.

Les facteurs environnementaux tels que le pH, la température, l’oxygène, la teneur en chlorures et l’écoulement du fluide influencent tous les taux et mécanismes de corrosion.

Corrosion d’origine microbiologique (MIC) : Certaines bactéries accélèrent la corrosion en modifiant la chimie locale, notamment dans les pipelines et les environnements marins.

Stratégies de prévention et d’atténuation

Une prévention efficace de la corrosion repose sur plusieurs approches :

• Choix des matériaux : Utiliser des alliages résistants à la corrosion (acier inoxydable, titane, alliages à haute teneur en nickel, PRV, céramiques) adaptés à l’environnement.
• Alliage : Ajouter des éléments comme le chrome et le molybdène pour améliorer la résistance.
• Revêtements protecteurs : Appliquer des revêtements organiques (peinture, époxy), métalliques (zinc, nickel), ou de conversion (chromate, phosphate) pour créer des barrières physiques.
• Protection cathodique : Faire de la structure la cathode d’un circuit électrochimique.
  • Systèmes à anode sacrificielle : Attacher un métal plus réactif pour qu’il se corrode à la place.
  • Systèmes à courant imposé : Utiliser une source d’alimentation externe et des anodes inertes.
• Inhibiteurs de corrosion : Produits chimiques ajoutés à l’environnement pour réduire la corrosion en formant des films ou en modifiant les réactions.
• Contrôle de l’environnement : Éliminer l’humidité, contrôler le pH, traiter l’eau ou utiliser des gaz inertes.
• Conception : Éviter les crevasses, les angles vifs et le contact entre métaux dissemblables ; assurer le drainage et l’accès à l’inspection.
• Inspection et surveillance : Utiliser des méthodes visuelles, ultrasoniques, radiographiques ou électrochimiques pour détecter précocement la corrosion.

Une combinaison de ces stratégies est souvent utilisée pour maximiser la durée de vie et minimiser les coûts.

Exemples pratiques et cas d’utilisation

Construction et infrastructure

Les ponts et bâtiments sont exposés à l’humidité, aux polluants et aux sels, qui accélèrent la corrosion. Les aciers patinables, les armatures galvanisées et les revêtements robustes sont des solutions courantes. Dans le béton armé, la corrosion des armatures (souvent due à la pénétration des chlorures) provoque fissuration et éclatement. Les solutions incluent les armatures revêtues d’époxy ou en acier inoxydable et les adjuvants inhibiteurs de corrosion.

Équipements industriels

Les pipelines, réservoirs et appareils de procédé sont exposés à la corrosion interne et externe (ex : eau, acides, micro-organismes). Les mesures de protection incluent la protection cathodique, les revêtements et les inhibiteurs de corrosion. Pour les produits chimiques agressifs, des revêtements (caoutchouc, verre, polymères) sont également utilisés.

Transport

Les avions, trains et automobiles sont confrontés à la corrosion due à l’humidité, aux produits de déglaçage et aux polluants. L’industrie aéronautique utilise l’aluminium, le titane et les composites, mais doit gérer la corrosion galvanique aux jonctions. Les automobiles utilisent l’acier galvanisé et des revêtements avancés, notamment dans les régions utilisant du sel de déneigement.

Applications marines

Les navires, plates-formes offshore et infrastructures portuaires sont exposés à l’eau de mer, à l’oxygène et à l’activité biologique. La corrosion est gérée par des anodes sacrificielles, des systèmes à courant imposé, des matériaux à haute teneur en alliage et des systèmes de peinture robustes. Le PRV de qualité marine est utilisé pour les ponts et superstructures pour son immunité à la corrosion.

Tours de refroidissement et agriculture

Les panneaux en PRV sont courants dans les bâtiments et les tours de refroidissement pour leur résistance chimique à l’ammoniac et aux acides, leur longue durée de vie et leur facilité d’entretien, surpassant les panneaux métalliques dans les environnements agressifs.

Glossaire de la corrosion et des termes associés

Anode :
Site de l’oxydation dans une cellule électrochimique—là où la perte de métal (corrosion) se produit.

Cathode :
Site de la réduction—protégé de la corrosion dans le processus électrochimique.

Marge de corrosion :
Épaisseur de matériau supplémentaire prévue pour être perdue à une corrosion uniforme prévisible durant la vie de la structure.

Dommages de corrosion :
Détérioration physique, perte de propriétés mécaniques ou de fonction due à la corrosion (inclut amincissement, piqûres, fissures).

Inhibiteur de corrosion :
Additif chimique qui réduit le taux de corrosion en formant un film protecteur ou en modifiant l’environnement.

Matériau résistant à la corrosion :
Matériau présentant des taux de corrosion significativement réduits grâce à sa composition ou à un film passif stable.

Désalliage :
Élimination sélective d’un élément d’un alliage (ex : zinc du laiton), laissant une structure poreuse.

Cellule électrochimique :
Système où la corrosion se produit via des réactions d’oxydation et de réduction simultanées, avec circulation d’électrons entre anode et cathode.

Série galvanique :
Classement des métaux/alliages selon leur potentiel de corrosion dans un environnement donné—utile pour prédire la corrosion galvanique.

Passivation :
Formation d’un film stable et protecteur (généralement d’oxyde) à la surface d’un métal, réduisant les taux de corrosion.

Piqûres :
Corrosion localisée et sévère créant de petits trous profonds dans le matériau.

Fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) :
Fissuration causée par des contraintes de traction dans un environnement corrosif spécifique, entraînant une rupture soudaine et fragile.

Corrosion uniforme :
Perte de matériau régulière sur une surface ; forme la plus prévisible de corrosion.

Conclusion

La corrosion est un processus complexe et multifactoriel qui touche presque tous les secteurs industriels et infrastructures. Comprendre ses mécanismes, ses types et ses stratégies de prévention est essentiel pour les ingénieurs et gestionnaires d’actifs. Grâce à une conception réfléchie, un choix judicieux des matériaux, des systèmes de protection et une surveillance régulière, les risques et les coûts liés à la corrosion peuvent être considérablement réduits, améliorant la sécurité et la durabilité à long terme.