Compréhension des cinétiques de corrosion de matériaux métalliques en milieu chlorure après un sinistre incendie : application au zinc, au cuivre et aux alliages AA5754 et 304L
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Halogenated plastics, such as PVC (polyvinyl chloride), are commonly used in industries thanks to their superior fire-retardant characteristics, low cost, and ease of manufacture. However, they are involved in most cable fires and their decomposition produces chloride acid smoke which induces metallic corrosion to electrical and electronic equipment present in the perimeter of the disaster. After a fire takes place, an equipment restoration company performs an empiric evaluation of the damages deciding whether the damaged equipment needs to be replaced. In the latter case, restoration of electronic and electrical equipment typically guarantees a cost savings of 80-85 percent over its replacement.This research thesis aims at studying the corrosion kinetics on several metallic materials after a fire disaster, in particular by focusing on the detrimental effects of chlorides, in order to suggest a more effective restoration plan. Even though chloride corrosion in the marine environment has been widely investigated, direct transposition of results to post-fire conditions is not possible since in this particular scenario the chloride source is finite. Four materials commonly used in industrial equipment have been considered: zinc, mainly used as a protective coating for steel; stainless steel and aluminum-based alloys, used as structural materials; and copper, mainly used in electronics equipment.In order to reproduce the conditions of exposure of these materials to anatmosphere resulting from a fire disaster, an ad hoc experimental setup has been designed on the basis of two main steps: 1) a simulation of the chloride deposit in a dedicated home-made smoke chamber, and 2) an artificial aging (up to three months) in a climatic chamber. In order to study the corrosion mechanism for each material, the impact on the corrosion process of different parameters such as chloride concentration, relative humidity, and temperature has been exhaustively studied. The modeling of the corrosion kinetics experimentally determined (as a function of the parameters described above) can then be achieved. The data extracted from those models will finally allow optimizing the restoration protocols.Uniform corrosion has been observed on zinc and copper after exposure to a chloride environment. The corrosion products observed are similar to those reported in the literature for the initial stages of marine atmosphere exposure and their evolution during the aging period has been characterized. Corrosion kinetics can be fitted by considering a decreasing exponential function reaching a stationary state after 90 aging days. For both materials, corrosion rates are more sensitive to temperature and chloride concentration rather than to relative humidity.Pitting corrosion manifested both for AA5754 and 304L alloys exposed to chloride environment. Morphology, dimensions, and density of the pits are highly influenced by chloride concentration while relative humidity and temperature seem to have a less significant impact. Pits formation indeed occurs in the early stages of aging. However, the entire consumption of the chlorides (due to finite amounts of anions) logically causes the ending of the corrosion process.
Abstract FR:
Les plastiques halogénés tels que le PVC (polychlorure de vinyle) sont couramment utilisés dans le milieu industriel en raison de leurs caractéristiques ignifuges, de leur faible coût et de leur facilité de fabrication. Ils sont, cependant, impliqués dans la plupart des incendies de câbles et leur décomposition produit une fumée acide chlorée qui induit une corrosion métallique des équipements électriques et électroniques présents dans le périmètre de la catastrophe. Après un incendie, une entreprise de restauration d'équipements procède à une évaluation empirique des dommages pour décider si les équipements endommagés doivent être remplacés ou non. Dans ce dernier cas, la restauration des équipements électroniques et électriques garantit généralement une économie de 80 à 85 % par rapport à leur remplacement.Ces travaux de recherche visent à étudier les cinétiques de corrosion de plusieurs matériaux métalliques après un incendie, en se concentrant notamment sur les effets néfastes des chlorures, afin de proposer un plan de restauration adapté. Si la corrosion de matériaux par des chlorures en milieu marin a été largement étudiée, la transposition directe des résultats aux conditions post-incendie n'est pas possible dans ce scenario spécifique, la source de chlorures étant finie. Quatre matériaux couramment utilisés dans les équipements industriels ont été étudiés : le zinc, principalement utilisé comme revêtement protecteur de l'acier ; l'acier inoxydable et les alliages à base d'aluminium, utilisés comme matériaux de structure ; et le cuivre, principalement utilisé dans les équipements électroniques.Afin de reproduire les conditions d'une exposition de ces matériaux à une atmosphère résultant d'un incendie, un dispositif expérimental ad hoc a été conçu sur la base de deux étapes principales : (i) une simulation du dépôt de chlorures dans une chambre de fumée dédiée, et (ii) un vieillissement artificiel (pouvant aller jusqu’à 3 mois) dans une chambre climatique. Afin d'étudier le mécanisme de corrosion pour chaque matériau, l'impact sur le processus de corrosion de différents paramètres tels que la concentration en chlorures, l'humidité relative et la température a été étudié de manière exhaustive. Les modélisations (tenant compte des paramètres décrits ci-dessus) des cinétiques de corrosion déterminées expérimentalement peuvent alors être réalisées. Les données issues de ces modélisations permettront à terme l'optimisation des protocoles de restauration.Une corrosion de type uniforme a été observée sur le zinc et le cuivre après exposition à l'environnement chlorure. Les produits de corrosion observés sont similaires à ceux rapportés dans la littérature pour les premiers stades d'exposition aux atmosphères marines et leur évolution au cours de la période de vieillissement a été caractérisée. La cinétique de la corrosion peut être ajustée en considérant une fonction exponentielle décroissante qui atteint un état stationnaire après 90 jours de vieillissement. Pour les deux matériaux, les taux de corrosion sont plus sensibles à la température et à la concentration en chlorures qu'à l'humidité relative.La corrosion par piqûre se manifeste à la fois pour les alliages AA5754 et 304L exposés à l'environnement riche en chlore. La morphologie, les dimensions et la densité des piqûres sont fortement influencées par la concentration initiale de chlorures, tandis que l'humidité relative et la température semblent avoir un impact moins important. La formation de piqûres se produisant aux premiers stades du vieillissement, la consommation totale des chlorures (en raison de quantités limitées d'anions) entraîne la fin du processus de corrosion.