Tuyauteries de refroidissement par eau de mer pour les usines de GNL : pourquoi l’acier austénitique super inoxydable à 6 % de molybdène est parfois privilégié par rapport au duplex 2507

Tuyauteries de refroidissement par eau de mer pour les usines de GNL : pourquoi l’acier austénitique super inoxydable à 6 % de molybdène est parfois privilégié par rapport au duplex 2507

Lorsque vous concevez le système de refroidissement par eau de mer d'une usine de gaz naturel liquéfié (GNL) – qu'elle soit à charge de base (sur terre) ou flottante (GNL flottant) – le choix du matériau de la tuyauterie est critique. L'environnement est impitoyable : eau de mer chaude, chlorée et à haute vitesse, souvent accompagnée de périodes de stagnation, d'encrassement biologique et de nettoyages chimiques occasionnels.

Depuis des décennies, la mise à niveau par défaut depuis l’acier inoxydable 316L était l’acier super duplex 2507 (UNS S32750). Sa haute résistance, son indice PREN supérieur à 40 et sa résistance à la corrosion sous contrainte par les chlorures en ont fait la référence. Toutefois, ces dernières années, de nombreux projets de GNL — notamment au Moyen-Orient et en Asie du Sud-Est — ont opté pour les aciers inoxydables austénitiques superausténitiques à 6 % de molybdène (par exemple UNS S31254, S31266, S32654) pour les canalisations critiques de refroidissement à l’eau de mer. Pourquoi ?

Cet article explique la justification technique : la corrosion sous dépôt dans l’eau de mer chaude, la fiabilité de la fabrication et le coût global sur le cycle de vie. Nous comparerons directement les nuances 2507 et les aciers à 6 % Mo, et montrerons dans quels cas — et pourquoi — les aciers superausténitiques constituent le meilleur choix.

1. L’environnement de refroidissement à l’eau de mer dans les usines de GNL

Les usines de GNL utilisent d’énormes volumes d’eau de mer pour le refroidissement — condenseurs, inter-refroidisseurs et systèmes auxiliaires. Les conditions typiques sont les suivantes :

• Température de l’eau de mer : 25–40 °C (usines tropicales), parfois jusqu’à 45 °C près des points de rejet.

• Chloruration : Continue ou intermittente (0,1 à 0,5 ppm de chlore libre) afin de maîtriser le biofouling.

• Vélocité : 2 à 4 m/s dans les tuyaux ; jusqu’à 6 m/s aux refoulements des pompes.

• Stagnation : Arrêts périodiques (maintenance, arrêt tournant) – l’eau de mer stagnante se désoxygène et peut engendrer des conditions réductrices sous les dépôts.

• Débris et limon : Le sable, les coquillages et la croissance marine créent des fissures et des dépôts.

À ces températures élevées, la résistance à la corrosion localisée (piqûres et corrosion sous dépôt) requise est extrême. Même l’acier inoxydable super duplex 2507 (PREN ≈ 42) peut subir une attaque sous dépôt en présence de joints toriques très serrés ou de biofilms épais si la température dépasse 35–40 °C.

2. Super duplex 2507 : Atouts et limites

Points forts

• PREN élevé (40–43) à partir de 25 % de Cr, 7 % de Mo et 0,3 % de N.

• Haute résistance à l'écoulement (≥ 550 MPa) – permet des parois plus fines et des tubes plus légers.

• Bonne résistance à la corrosion sous contrainte par les chlorures – nettement supérieure à celle du 316L ou du 2205.

• Teneur en nickel réduite (~ 7 %) par rapport aux aciers austénitiques – moindre volatilité des prix.

Limitations en eau de mer tiède

• Température de corrosion sous dépôt – La température critique de corrosion sous dépôt (CCT) du 2507 en eau de mer est d’environ 35–45 °C (selon la teneur en chlorures et la géométrie du dépôt). Au-delà de cette température, une attaque localisée commence sous les joints, les brides ou les dépôts marins.

• Sensibilité de la phase ferritique – Le 2507 contient environ 40 à 50 % de ferrite. Dans l’eau de mer stagnante et désoxygénée (par exemple, pendant un arrêt), la phase ferritique peut subir une corrosion préférentielle (attaque sélective).

• Sensibilité au soudage – Nécessite un contrôle strict de l’apport de chaleur et, souvent, un recuit de solution post-soudage pour obtenir une résistance maximale à la corrosion. Les réparations sur site sont plus complexes.

• Risque de fragilisation par hydrogène – Sous protection cathodique (par exemple, si des échangeurs thermiques en alliage de cuivre sont présents dans le même circuit), le 2507 peut absorber de l’hydrogène.

Défaillance observée dans la pratique : Une usine de GNL au Qatar a signalé une corrosion sous joint dans les canalisations en 2507 destinées à l’eau de mer, équipées de joints en PTFE, après cinq ans de service. La température de l’eau de mer était de 38 °C, avec chlorination. La profondeur d’attaque atteignait 0,5 mm à certains endroits, nécessitant le remplacement des brides.

3. Superausténitiques à 6 % de molybdène : l’alternative

Les superausténitiques à 6 % de molybdène (par exemple, le 254 SMO® – UNS S31254, le 6Mo – S31266, l’AL‑6XN® – N08367 et le S32654 à teneur élevée en azote) sont entièrement austénitiques. Leur composition typique est la suivante :

Principaux avantages par rapport au 2507 :

• Température critique de corrosion sous dépôt plus élevée – Le S31254 égale ou dépasse légèrement le 2507 ; les alliages S31266 et S32654 sont nettement supérieurs (CCT > 50 °C).

• Structure entièrement austénitique – Absence de ferrite, donc pas d’attaque sélective des phases dans l’eau de mer stagnante.

• Pas de fragilisation à l’hydrogène – Absence de ferrite → pas de risque de HISC.

• Soudage plus tolérant – Risque moindre de formation de phases intermétalliques. Peut être soudé sur site sans recuit de solution post-soudage pour la plupart des applications.

• Meilleures performances à haute température – Conserve sa résistance mécanique et sa résistance à la corrosion jusqu’à 300 °C (sans incidence dans le cas de l’eau de mer, mais utile pour les effluents chauds en amont).

Inconvénients par rapport au 2507 :

• Résistance à la limite élastique inférieure (300–350 MPa contre 550 MPa) – nécessite des parois plus épaisses pour une même pression.

• Teneur en nickel plus élevée (18–24 %) – coût plus élevé, soumis aux fluctuations du prix du nickel.

• Plus lourd (pour une même classe de pression) – paroi plus épaisse = masse accrue, coût d’expédition plus élevé.

4. Pourquoi choisir un acier inoxydable à 6 % Mo plutôt que le 2507 ? Les facteurs décisifs

Facteur n° 1 : Eau de mer chaude (supérieure à 35 °C)

Pour les usines de liquéfaction de gaz naturel (LNG) situées dans le golfe Arabique, la mer Rouge ou l’Asie du Sud-Est, les températures d’admission d’eau de mer peuvent atteindre 35–40 °C, tandis que les températures de rejet peuvent être supérieures de 10 °C. À 40–45 °C, la température critique de corrosion sous contrainte (CCT) du 2507 se situe à la limite. De nombreux propriétaires ont constaté des cas de corrosion sous dépôt au niveau des brides, des vannes et des raccordements des puits thermiques. Les nuances à 6 % Mo, telles que les S31266 ou S32654, offrent une marge de sécurité nettement supérieure.

Une règle de base: Température d’eau de mer de conception > 35 °C → envisager sérieusement l’emploi d’un acier inoxydable à 6 % Mo. Température > 40 °C → l’emploi d’un acier inoxydable à 6 % Mo est fortement recommandé.

Facteur n° 2 : Stagnation fréquente (arrêts complets, faible débit)

Pendant les arrêts planifiés de l’usine, les canalisations d’eau de mer restent remplies d’eau stagnante et désaérée. Des bactéries et des micro-organismes réducteurs de sulfate peuvent alors proliférer, créant des conditions sulfidiques à pH bas. Sous ces conditions, la phase ferritique du 2507 peut subir une corrosion préférentielle (attaque ferritique). Les aciers austénitiques à 6 % Mo ne contiennent pas de phase ferritique et sont donc insensibles à ce type d’attaque sélective.

Conducteur n° 3 : Accès difficile au soudage et à la réparation

Pour les canalisations de grand diamètre (24 à 48 pouces) dans des supports tubulaires encombrés, le soudage sur site associé à un traitement thermique post-soudage est peu pratique. L’acier inoxydable duplex 2507 exige un contrôle rigoureux de l’apport de chaleur (température entre passes < 150 °C) et, idéalement, une recuite complète en solution après soudage afin d’optimiser sa résistance à la corrosion sous dépôt — ce qui est quasiment impossible sur site. Les aciers austénitiques superausténitiques à 6 % de molybdène peuvent être soudés avec une baguette d’apport compatible (par exemple ERNiCrMo‑3 ou ERNiCrMo‑10) et utilisés tels quels après soudage, avec seulement une légère réduction de la température critique de précipitation (CCT), généralement de 5 à 10 °C en dessous de la valeur nominale. Cette réduction laisse toutefois la CCT encore supérieure à celle du 2507 à l’état soudé.

Conducteur n° 4 : Résistance aux sous-produits de la chloration

La chloration continue ou intermittente produit de l’acide hypochloreux et d’autres agents oxydants. Le 2507, en raison de sa phase ferritique, peut subir une attaque préférentielle de cette phase en présence de fortes concentrations d’oxydants. Les aciers austénitiques à 6 % de molybdène sont plus stables.

Conducteur n° 5 : Fiabilité à long terme avec inspections réduites

Les usines de GNL sont conçues pour fonctionner pendant 25 à 40 ans avec un entretien minimal. Les défaillances dues à la corrosion sous dépôt sont coûteuses à réparer (arrêt, vidange, découpe des raccords). Le coût initial plus élevé des aciers contenant 6 % de molybdène est souvent justifié par l’évitement de remplacements de brides en milieu de vie.

5. Tableau comparatif direct : 2507 vs. 6 % Mo (S31266 comme représentant)

6. Quand choisir le 2507 (et réaliser des économies)

Malgré les avantages du 6 % Mo, le 2507 reste un bon choix – et la norme – pour de nombreux systèmes d’eau de mer. Choisissez le 2507 lorsque :

• La température de l’eau de mer est constamment inférieure à 30–32 °C (par exemple, mer du Nord, Canada atlantique, Tasmanie).

• Les canalisations sont principalement enterrées ou à l’ombre , évitant le réchauffage solaire.

• Le système fonctionne en continu (peu de périodes de stagnation).

• Les brides et les interstices sont minimisés – privilégier les joints soudés bout à bout sans joints toriques, partout où cela est possible.

• Les économies de poids sont critiques (par exemple, parties supérieures d’une unité FLNG, où des parois plus minces réduisent la quantité d’acier nécessaire pour la plateforme).

• Le budget est serré – le 2507 coûte environ 20 à 30 % moins cher par mètre installé que les aciers contenant 6 % de molybdène.

Exemple : Une usine de GNL en Norvège, dotée d’un prélèvement d’eau de mer à une température comprise entre 5 et 15 °C, peut utiliser en toute confiance l’acier 2507 sans craindre la corrosion sous dépôt.

7. Étude de cas : Usine de GNL au Moyen-Orient – Passage du 2507 à un acier contenant 6 % de molybdène

Une grande usine de GNL à charge de base à Ras Laffan, au Qatar, avait initialement spécifié l’acier inoxydable 2507 pour l’ensemble des canalisations de refroidissement par eau de mer. Après 8 ans d’exploitation, des inspections ont révélé :

• Une corrosion sous joint à brides à plusieurs endroits, avec des profondeurs de piqûres atteignant 1 mm.

• Une attaque sélective de la ferrite dans les zones mortes stagnantes (sections contournées), produisant un produit de corrosion poudreux.

• Deux petites fuites aux joints soudés où la teneur en ferrite dans la zone affectée thermiquement (ZAT) était élevée.

L’usine a décidé de remplacer les collecteurs de 36 pouces les plus critiques par des tuyauteries en acier inoxydable à 6 % de molybdène (S31266) lors d’un arrêt majeur. Après 5 années supplémentaires, aucune corrosion n’a été détectée sur les sections en acier à 6 % de molybdène, tandis que les sections restantes en 2507 continuaient de présenter une attaque lente. Tous les agrandissements ultérieurs ont été spécifiés avec de l’acier à 6 % de molybdène.

Analyse coûts : Le coût des tuyauteries à 6 % de molybdène était supérieur de 35 % par mètre à celui du 2507. Toutefois, les réparations évitées et la durée de vie prolongée (prévue à 40 ans contre 20 ans pour le 2507) se sont traduites par une économie de valeur actuelle nette de 8 millions de dollars sur la durée de vie de l’usine.

8. Lignes directrices pratiques pour le choix des canalisations d’eau de mer dans les usines de GNL

Utilisez ce diagramme décisionnel :

1. Déterminer la température maximale de l’eau de mer (à l’entrée + marge de 10 °C pour le rejet, plus chauffage solaire dans les supports de tuyauterie).

2. Si T_max < 32 °C : l’acier inoxydable 2507 est acceptable. Envisagez l’acier à 6 % Mo uniquement si les phénomènes de stagnation ou les arrêts fréquents sont sévères.

3. Si T_max se situe entre 32 et 38 °C : Les deux matériaux sont envisageables. Évaluez :

   • Le nombre de brides/fissures (plus il y a de fissures, plus l’acier à 6 % Mo est recommandé).

   • La fréquence de stagnation (stagnation fréquente → acier à 6 % Mo).

   • Contraintes de poids/d'espace (privilégier le 2507 pour les unités FLNG).

   • Capacité de soudage interne (privilégier les aciers à 6 % Mo pour les joints de chantier complexes).

4. Si T_max > 38 °C : l’emploi d’aciers à 6 % Mo est fortement recommandé. Pour des températures supérieures à 45 °C, utiliser des nuances haute performance telles que S31266 ou S32654.

5. Pour les unités FLNG (flottantes) : Le poids est critique. Le 2507, associé à une conception soignée (élimination des zones de piégeage, utilisation de raccords branchés soudés), est souvent retenu. Toutefois, dans les eaux chaudes (par exemple, unités FLNG au large de l’Afrique de l’Ouest), un acier à 6 % Mo peut encore être spécifié pour les sections critiques.

9. Considérations liées à la fabrication et aux coûts

Le soudage

• 2507:Nécessite un métal d’apport duplex (ER2594), une énergie de soudage ≤ 1,5 kJ/mm, une température entre passes < 150 °C, et souvent un recuit de solution post-soudage afin d’optimiser la résistance à la corrosion sous tension. De nombreux maîtres d’ouvrage acceptent l’état après soudage sans recuit, avec une réduction de 10 °C de la température critique de corrosion sous tension (CCT).

• aciers à 6 % Mo : Utiliser un métal d’apport ERNiCrMo‑3 (625) ou ERNiCrMo‑10 (C22). Aucun recuit post-soudage requis. La température entre passes peut atteindre 200 °C. Beaucoup plus tolérant.

Brides et raccords

• Pour le 2507, utiliser des brides à col soudé intégral avec gaz de protection afin d'éviter l'oxydation de la racine. Les joints doivent être en PTFE ou non conducteurs pour éviter la formation de crevasses.

• Pour les aciers à 6 % Mo, appliquer des pratiques similaires, mais avec un risque moindre.

Modélisation des coûts (exemple : tube de 30 pouces, pression de conception de 40 bar, longueur de 20 km)

Le molybdène à 6 % est environ 60 % plus coûteux initialement. Toutefois, s’il permet d’éviter même deux campagnes majeures de réparation sur une période de 30 ans (chacune entraînant des coûts de plusieurs dizaines de millions d’euros liés aux arrêts de production), la rentabilité s’inverse.

10. Résumé : Lequel choisir pour votre usine de GNL ?

Dernier mot

Le super duplex 2507 est un matériau excellent pour les canalisations d’eau de mer – résistant, anticorrosif et économique. Toutefois, il ne constitue pas une solution universelle. Dans l’eau de mer chaude supérieure à 35 °C, notamment en présence de joints borgnes, de stagnation ou de chloration, sa résistance à la corrosion localisée (notamment la corrosion sous dépôt) et à l’attaque sélective des phases devient limitée.

Les aciers inoxydables austénitiques superausténitiques contenant 6 % de molybdène offrent un niveau supérieur de résistance à la corrosion localisée, ne présentent aucun risque lié à la ferrite et sont plus tolérants lors de la fabrication. Pour les usines de GNL situées dans les régions tropicales, le coût initial supplémentaire est souvent amorti grâce à une durée de service plus longue et à des coûts de maintenance réduits.