Effet des interstices sur la corrosion des assemblages à brides boulonnées des éoliennes en mer

Sommaire

Les assemblages à brides boulonnées sont parmi les composants essentiels des mâts d’éoliennes en mer; leur fonction étant de relier différentes sections de la structure. Dans cette étude, nous examinons les effets de la taille des interstices entre les brides (largeur et profondeur des espaces entre les brides) en acier inoxydable (SS) sur leur comportement en milieu corrosif. Pour ce faire, nous avons utilisé une solution d’eau salée à 50 °C et des joints d’étanchéité pour créer des interstices entre les surfaces de contact des brides. Un dispositif sur mesure a servi à simuler les conditions réelles, soit les contraintes sur les joints et l’écoulement des fluides. D’après nos résultats, quand la largeur de l’interstice passe de 1,58 mm à 6,35 mm, la vitesse de corrosion augmente de façon importante, passant de 0,09 mm par an à 1,03 mm par an. De plus, l’apparition d’une corrosion caverneuse passe de 0,23 heure à plus de 3 heures. Lorsque la profondeur de la fissure est ramenée de 7,49 mm à 0 mm, le taux de corrosion général chute considérablement; les plus petites profondeurs ne présentant presque aucune trace de corrosion caverneuse. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets de la taille des interstices sur la corrosion dans les assemblages à brides boulonnés et nous permettent d’améliorer la conception et l’entretien des structures d’éoliennes en mer.

Mots clés : éolienne en mer ; joints à brides boulonnés ; corrosion caverneuse ; taille de l’interstice.

Corrosion des assemblages à brides boulonnées des éoliennes en mer

Les éoliennes en mer sont des machines puissantes qui exploitent l’énergie du vent pour produire de l’électricité. Ces éoliennes se composent de trois parties principales : 1) le mât, 2) le transformeur, et 3) la base [1]. Les sections du mat sont reliées par un assemblage du type  à brides boulonnées. Ce joint comprend deux plaques métalliques (brides) serrées l’une contre l’autre par des boulons, souvent séparées par un joint d’étanchéité pour une protection accrue [2].

Bien que cette conception fonctionne généralement bien, l’environnement marin hostile pose un sérieux problème de corrosion à la structure de l’éolienne. La combinaison de vent fort et d’eau de mer crée des conditions qui usent le métal, entraînant fatigue et fissures au fil du temps [3]. C’est particulièrement vrai pour les boulons utilisés dans ces assemblages, lesquels ont fait l’objet d’études approfondies [4]. Par contre, la corrosion qui se produit à l’interface entre les brides est un domaine qui a été moins étudié.

Dans la plupart des cas, des interstices et des fissures se forment entre les brides et le joint. Ces petits espaces retiennent l’eau et autres éléments corrosifs, ce qui entraîne ce que l’on appelle la corrosion caverneuse. Détecter ce type de corrosion avant qu’elle ne cause des dommages représente un défi de taille, mais c’est primordial, car négliger cet aspect peut entraîner des réparations coûteuses, voire une défaillance structurelle [5].

Dans cette étude, nous cherchons à comprendre comment la conception des assemblages influe sur la corrosion. Nous avons mis au point un dispositif qui permet d’étudier les effets de la taille des interstices entre les brides sur leur corrosion, afin de trouver des solutions pour augmenter la durée de vie des éoliennes.

Mécanisme de la corrosion caverneuse

Dans les environnements en eau salée, les composants en acier inoxydable, comme les joints à brides, peuvent être sujets à la corrosion caverneuse. Ce type de corrosion se produit lorsque l’oxygène se répartit de manière inégale entre des espaces étroits (ou lieux de stagnation) et l’eau environnante (figure 1a). Dans ces petites zones stagnantes, les ions chlorure (Cl^-) de l’eau réagissent avec les ions métalliques, entraînant un processus chimique qui rend l’environnement plus acide. Cette acidité affaiblit le revêtement protecteur du métal, ce qui favorise la corrosion (figure 1b).

Effets de la largeur et de la profondeur des interstices

Nous avons constaté que les interstices plus minces réduisent la circulation des fluides, créant ainsi des conditions parfaites pour l’apparition et la propagation de la corrosion, comme le montre la figure 2. En revanche, les interstices plus larges laissent passer plus de liquide; ce qui peut freiner la corrosion, mais causer d’autres dommages au revêtement protecteur du métal, comme des piqûres plus profondes sur la surface du métal.

Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que des interstices plus larges ralentissent la corrosion caverneuse, mais peuvent aussi augmenter la corrosion générale, ce qui affaiblirait également la structure. La corrosion présente un risque plus immédiat pour l’intégrité des structures, comme les assemblages à brides boulonnées. Nous recommandons, par conséquent, d’éliminer la zone stagnante en utilisant des joints pleine face où d’utiliser des joints plus épais afin de minimiser l’apparition de ce type de corrosion cachée et localisée.

La corrosion est influencée par la profondeur de l’interstice (espace) entre la bride et le joint dans les assemblages à brides. Cette profondeur joue un rôle important dans la circulation des fluides et de l’oxygène à l’intérieur et à l’extérieur de cet espace. Lorsque l’espace confiné est grand, l’oxygène est consommé plus rapidement, accélérant le processus de corrosion. Cette action entraîne une dégradation plus rapide du revêtement protecteur dans la crevasse de corrosion. En revanche, lorsque les fissures sont moins profondes ou inexistantes, les fluides circulent mieux, évitant ainsi l’accumulation d’acides susceptibles d’endommager le revêtement à la surface du métal. Notre étude démontre qu’un gradient de teneur en oxygène plus élevé (plus faible dans la crevasse et plus élevée dans le volume de solution) entraîne la formation de régions anodiques et cathodiques distinctes et favorise la corrosion galvanique.

Morphologie de la corrosion

Lorsque des brides en acier inoxydable sont exposées à des environnements corrosifs, le développement de la corrosion, soit la morphologie, peut varier en fonction de facteurs comme la contrainte ou le type de joint utilisé. Dans notre étude, nous avons examiné une bride en acier inoxydable après 12 heures de test, en accordant une attention particulière à la propagation de la corrosion dans les crevasses entre la bride et le joint.

La corrosion la plus grave s’est produite près du joint, comme le montre la carte des couleurs (figure 3a). Ce phénomène est dû à la baisse de la teneur en oxygène à l’intérieur de la fissure; ce qui permet aux ions chlorure (Cl^-) de réagir et de rendre l’environnement acide. Cette acidité détruit le revêtement protecteur de la surface du métal, entraînant la corrosion caverneuse.

En raison de la contrainte appliquée par le joint (15 MPa), la solution corrosive a subi une résistance à l’infiltration dans l’interstice. Par conséquent, la corrosion s’est d’abord propagée vers le bas, puis progressivement sous le joint. Dans ces conditions acides, les joints de grains du métal sont devenus plus sensibles à la corrosion (figure 3c).

Les schémas de corrosion diffèrent si la zone est exposée à la solution ou cachée sous le joint. Sur la zone exposée (figure 3b), une ligne nette sépare les zones corrodées et non corrodées, sans fissures visibles. En revanche, sous le joint (figure 3 d), nous avons trouvé de nombreuses fissures, probablement dues à la concentration de contrainte exercée dans cette zone. Ces fissures ont aggravé la corrosion au fil du temps, comme le montre plus en détail la figure 3e.

Le profil de la zone corrodée (figure 3f) a confirmé que la corrosion la plus profonde se produisait près du joint et diminuait progressivement en s’éloignant. Par rapport à d’autres études sur la corrosion caverneuse, les niveaux de contrainte plus élevés dans notre étude ont probablement contribué à la fissuration, car d’autres recherches ont généralement rapporté des piqûres sans fissuration.

Conclusion

Dans cette étude, nous avons exploré les effets de la taille des interstices (largeur et profondeur) sur la corrosion des brides en acier inoxydable. Ces brides sont couramment utilisées dans les assemblages à brides boulonnées, comme ceux que l’on trouve dans les éoliennes et les pipelines. Des tests électrochimiques et d’analyses de surface nous ont permis de simuler des conditions réelles, notamment la contrainte exercée sur le joint, l’écoulement de fluide et la forme de la fissure entre le joint et la bride.

Nos principales conclusions :

• La taille de l’interstice influe sur la corrosion caverneuse et la corrosion par piqûres sur la surface de la bride.
• Plus la largeur de l’interstice augmente, plus le taux de corrosion sur la surface de la bride augmente. Par ailleurs, réduire la profondeur des fissures permet de diminuer la vitesse de corrosion générale sur les surfaces des brides.
• La corrosion caverneuse commence à l’interface bride-joint et se propage sous le joint. Il est intéressant de noter que le temps nécessaire à l’amorce de cette corrosion augmente avec l’élargissement de l’interstice. Aucune corrosion n’a été observée sur les échantillons où cette dernière est complètement éliminée par la présence d’un joint pleine face.

Ces résultats montrent l’importance de maîtriser la taille des interstices dans les assemblages à brides boulonnés pour prévenir la corrosion et prolonger la durée de vie des composants.

Références

[1] W. Weijtjens, A. Stang, C. Devriendt, P. Schaumann, Bolted ring flanges in offshore-wind support structures-in-situ validation of load-transfer behaviour, (2020). https://doi.org/10.1016/j.jcsr....

[2] N.R. Nelson, S. Prasad, A.S. Sekhar, Structural integrity and sealing behaviour of bolted flange joint: A state of art review, International Journal of Pressure Vessels and Piping 204 (2023) 104975. https://doi.org/10.1016/j.ijpv....

[3] M.B. Lachowicz, M.M. Lachowicz, Influence of Corrosion on Fatigue of the Fastening Bolts, Materials 2021, Vol. 14, Page 1485 14 (2021) 1485. https://doi.org/10.3390/MA1406....

[4] J. Zhang, J. Heng, Y. Dong, C. Baniotopoulos, Q. Yang, Coupling multi-physics models to corrosion fatigue prognosis of high-strength bolts in floating offshore wind turbine towers, Eng Struct 301 (2024) 117309. https://doi.org/10.1016/j.engs....

[5] S. Bond, A. Lattimer, P. Welsford, Flange face corrosion in seawater and hydrocarbon environments related to gasket material selection, Corrosion and Prevention 2018 (2018). https://www.engineeringvillage....

[6] S. Hakimian, A.-H. Bouzid, L.A. Hof, Effect of gap size on flange face corrosion, Materials and Corrosion (2024). https://doi.org/10.1002/MACO.2....