fr.wedoany.com Rapport : Des experts de l’Université technique d’État de Novossibirsk (НГТУ НЭТИ), en collaboration avec l’Institut de physique nucléaire Boudker de la branche sibérienne de l’Académie des sciences de Russie (ИЯФ СО РАН), ont réussi à doubler la résistance à l’usure de l’acier inoxydable au chrome-nickel (communément appelé « acier inoxydable »). Ce matériau n’est pas seulement utilisé pour fabriquer les ustensiles de cuisine et les couverts bien connus, mais aussi diverses pièces d’équipement dans l’industrie pétrolière. Pour les travailleurs du pétrole, l’acier inoxydable est prisé pour sa haute résistance à la corrosion, ce qui est particulièrement important dans les environnements souterrains. Si l’on pouvait encore améliorer sa résistance à l’érosion hydraulique (c’est-à-dire sa capacité à résister à l’impact de particules solides transportées par un fluide), il serait encore plus adapté à ce secteur.
Les scientifiques de Novossibirsk ont utilisé l’accélérateur industriel ELV-8 de l’Institut de physique nucléaire pour appliquer, par la technique de rechargement par faisceau d’électrons, un revêtement à base d’un mélange de poudres de bore et de fer sur la surface de l’acier inoxydable. Ensuite, des tests de résistance à l’érosion hydraulique effectués à l’Institut de dynamique des fluides Lavrentiev de la branche sibérienne de l’Académie des sciences de Russie (ИГиЛ СО РАН) ont montré que la résistance à l’usure et à la corrosion de cet acier inoxydable amélioré était deux fois supérieure à celle de l’acier inoxydable ordinaire. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue « Métallurgie » et font partie d’un vaste projet visant à obtenir un acier inoxydable haute performance adapté à des conditions de fonctionnement extrêmes.
Evdokia Bouchouïeva, professeure associée du département de science des matériaux pour la construction mécanique de l’Université technique d’État de Novossibirsk et docteure en sciences techniques, a commenté : « Les experts de l’industrie pétrolière utilisent des pièces d’équipement en acier inoxydable austénitique au chrome-nickel, car ce matériau possède plusieurs propriétés importantes. Tout d’abord, il résiste à la corrosion, ce qui est très important car les équipements de traitement du pétrole souterrains se trouvent dans un environnement chimiquement agressif, par exemple sous l’influence des eaux souterraines, des solutions électrolytiques ou des gaz associés. Une autre propriété importante de l’acier inoxydable est sa bonne aptitude à l’usinage. Les pièces de ce type d’équipement ont souvent des formes complexes, le matériau de fabrication doit donc être plastique. Troisièmement, et c’est tout aussi important, l’acier inoxydable est relativement bon marché. »
Malgré ses nombreux avantages, l’acier inoxydable présente un inconvénient : une faible résistance à l’usure. La résistance à l’usure est la capacité d’un matériau à résister à la destruction et à l’usure de sa couche superficielle dans des conditions de frottement. Il existe plusieurs formes d’usure, mais pour l’industrie pétrolière, il s’agit généralement de l’usure abrasive.
Bouchouïeva a ajouté : « L’acier inoxydable a une plasticité suffisante, il est donc difficile de résister à l’impact d’un flux d’eau contenant des particules abrasives solides. L’abrasif agit comme d’innombrables couteaux qui pénètrent dans la surface. Des rayures, des éraflures et des fissures apparaissent d’abord, et comme le matériau est simultanément soumis à un environnement corrosif, la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable diminue également considérablement. En fin de compte, la durée de fonctionnement de ces équipements passe de plusieurs milliers d’heures, comme elle le devrait, à seulement quelques centaines d’heures. Par conséquent, la tâche à laquelle sont confrontés l’industrie – et par conséquent la science – est de prolonger la durée de vie des équipements d’extraction pétrolière. »
L’une des méthodes pour rendre l’acier inoxydable classique plus résistant à l’usure consiste à renforcer sa couche superficielle. Les experts de l’Université technique d’État de Novossibirsk ont choisi un matériau à base de borures de chrome et de fer comme couche de renforcement, et l’ont préparée par rechargement par faisceau d’électrons sur l’accélérateur industriel ELV-8 de l’Institut de physique nucléaire. Cet accélérateur a le statut d’installation scientifique unique (banc d’essai ELV-6) et est inscrit au registre national des infrastructures de recherche de la Fédération de Russie.
Mikhaïl Gorkovski, chercheur principal à l’Institut de physique nucléaire, a expliqué : « L’accélérateur industriel produit un puissant faisceau continu d’électrons, que nous utilisons pour traiter la surface du matériau (dans ce cas, l’acier inoxydable) ainsi que la poudre de modification placée à sa surface. Par rapport à d’autres méthodes de renforcement (comme la projection plasma, le rechargement laser ou le rechargement à l’arc), notre méthode présente une série d’avantages. Nous pouvons former sur le matériau une couche superficielle plus épaisse qu’avec le rechargement laser, sans pores, et sans le problème de faible adhérence au substrat caractéristique de la projection plasma. Le rechargement laser produit une épaisseur ne dépassant pas quelques dizaines de micromètres, alors que nous pouvons obtenir un revêtement de plusieurs millimètres d’épaisseur, sans pores. Il est également important que nous assurions une liaison métallurgique du revêtement, c’est-à-dire que la résistance de la liaison entre la couche déposée et le substrat n’est pas inférieure à la résistance du métal de base lui-même. Dans des conditions de fonctionnement sévères, même si le revêtement lui-même est très résistant, il est inutile s’il se détache facilement du substrat. L’accélérateur industriel est très productif : la vitesse de traitement moyenne du matériau est de 2 mètres carrés par heure, ce qui est un bon indicateur. Il faut également noter que nous travaillons dans l’atmosphère ambiante, et non sous vide. Les méthodes qui nécessitent un traitement en chambre à vide sont technologiquement plus complexes et plus longues. La puissance de notre source d’électrons est d’un à deux ordres de grandeur supérieure à celle d’un laser. De plus, le coefficient d’absorption du faisceau d’électrons par notre matériau est de 90 %, c’est-à-dire que presque toute l’énergie du faisceau est convertie en chaleur à l’intérieur du matériau, alors que le taux d’absorption du laser n’est que de 10 %. »
Après avoir obtenu des échantillons d’acier inoxydable à couche superficielle renforcée, les experts ont mené une série d’expériences simulant les conditions de fonctionnement extrêmes des équipements d’extraction pétrolière.
Bouchouïeva a commenté : « Comme nous nous adressons à l’industrie de l’extraction pétrolière, l’un des tests était un test d’usure par érosion hydraulique, que nous avons effectué sur les équipements de l’Institut de dynamique des fluides. Nous avons projeté un puissant jet d’eau (contenant des particules d’oxyde d’aluminium, c’est-à-dire du sable avec de l’air) sur les échantillons, en créant délibérément des conditions aussi extrêmes que possible. Les résultats ont été plutôt bons : l’usure par érosion hydraulique de l’acier inoxydable renforcé était deux fois inférieure à celle de l’acier inoxydable ordinaire. Un autre résultat concerne la résistance à la corrosion. Nous avons testé le revêtement dans un environnement corrosif, simulant les conditions d’exposition à des solutions d’urgence. Lorsqu’un blocage se produit dans les équipements d’extraction pétrolière (par exemple, lorsque des roches empêchent le mécanisme de tourner), on utilise des solutions contenant des acides fortement corrosifs comme l’acide fluorhydrique, l’acide sulfurique, l’acide chlorhydrique ou l’acide nitrique. Ce mélange très puissant dissout rapidement les roches, mais peut également corroder le matériau de l’équipement. À cet égard, la résistance à la corrosion de notre échantillon était également deux fois supérieure à celle de l’acier inoxydable ordinaire. »
Les experts soulignent que les résultats obtenus font partie d’un vaste travail de développement de revêtements renforcés.
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