Corrosion of copper alloys in natural seawater : effects of hydrodynamics and pH

par Maria Leonor Carvalho

Thèse de doctorat en Chimie Physique et Chimie Analytique

Sous la direction de Isabelle Frateur.

Le jury était composé de Pierangela Cristiani, Nadine Pebere, Judit Telegdi, Bernard Tribollet, Philippe Marcus.

  • Titre traduit

    Corrosion d'alliages de cuivre en eau de mer naturelle : effets de l'hydrodynamique et du pH


  • Résumé

    Cette thèse, réalisée en étroite collaboration avec le partenaire industriel RSE S.p.A (Italie), s’inscrit dans le cadre du projet européen BIOCOR ITN. Les alliages de cuivre habituellement utilisés dans les circuits de refroidissement de centrales électriques peuvent être affectés par la biocorrosion induite par la formation d’un biofilm. L’objectif de ce travail était d’étudier the comportement à la corrosion de l’alliage 70Cu-30Ni et d’un laiton contenant 2% d’aluminium en milieu marin, dans des conditions industrielles réelles (expériences sur le terrain) et en laboratoire. L’influence de différents paramètres, tels que la solution (eau de mer naturelle filtrée (FNSW) vs eau de mer artificielle (ASW)), la concentration en biomolécules (biomolécules naturellement présentes dans l’eau de mer vs une protéine modèle, l’albumine de sérum bovin (BSA)), l’hydrodynamique (conditions statiques, sous circulation et agitation, électrode à anneau tournant) et le pH (8,0 ; 6,0 et 3,7), a été évaluée. Sur le terrain, le comportement global à la corrosion et les traitements antifouling ont été suivis en utilisant des techniques électrochimiques (potentiel de corrosion Ecorr vs temps, LPR), gravimétriques (pertes de masse) et génétiques. En laboratoire, des mesures électrochimiques (Ecorr vs temps, courbes de polarisation, spectroscopie d’impédance électrochimique), réalisées pendant les toutes premières étapes de formation des couches d’oxydes (1 h d’immersion), ont été combinées à des analyses de surface par XPS et ToF-SIMS. A partir des expériences sur le terrain, l’analyse microbiologique et moléculaire des biofilms formés sur les deux alliages de cuivre dans l’eau de mer naturelle montre la présence des espèces bactériennes Marinobacter, Alteromonas et Pseudomonas. In the case of Al brass, the single experimental loop illustrates both anodic charge transfer and anodic mass transport. A partir des expériences en laboratoire, des modèles sont proposés pour analyser les données d’impédance obtenues à Ecorr. Dans le cas de 70Cu-30Ni, la boucle HF illustre principalement le transfert de charge anodique (diamètre égal à Rta) ; alors que la boucle BF est liée au transport de matière anodique et au blocage partiel de la surface par CuCl. Dans le cas du laiton, la seule boucle expérimentale illustre à la fois le transfert de charge anodique et le transport de matière anodique. Le comportement électrochimique et la composition chimique de surface de l’alliage 70Cu-30Ni sont similaires dans ASW et dans FNSW statiques, du fait de la faible concentration en biomolécules dans FNSW. En comparaison de l’alliage 70Cu-30Ni dans ASW statique sans biomolécules, pour lequel une couche duplex épaisse (couche externe de Cu2O redéposé et couche interne de nickel oxydé) est montrée, la présence de BSA conduit à une couche mixte d’oxydes de Cu et de Ni d’épaisseur plus faible ; les résultats montrent aussi un ralentissement de la réaction anodique et un faible effet d’inhibition de la corrosion en présence de BSA. Sous circulation et agitation, une couche mixte d’oxydes de Cu et de Ni, de très faible épaisseur, est obtenue. Pour les deux alliages dans FNSW, le courant de corrosion icorr estimé à partir de Rta est indépendant de la vitesse de rotation de l’électrode tournante, du fait de la compensation des effets du potentiel et du transport de matière. Pour 70Cu-30Ni dans FNSW statique, la réaction anodique est ralentie à pH acide (effet cinétique). Pour le laiton, un effet d’inhibition de la corrosion est montré à pH acide, et plus le pH est acide, plus la réaction anodique est lente. Pour 70Cu-30Ni, l’épaisseur de la couche d'oxyde augmente avec la diminution du pH, dans le cas du laiton il est indépendante du pH. La composition chimique de la couche d'oxyde semble avoir un effet sur la quantité de protéines adsorbées et l'épaisseur équivalente calculée de la couche organique est très faible (quelques Å pour 70Cu-30Ni et 1 Å pour laiton).


  • Résumé

    This thesis was carried out in the frame of the BIOCOR ITN European project, in close collaboration with the industrial partner RSE S.p.A. (Italy). Copper alloys commonly used in cooling systems of power plants may be affected by biocorrosion induced by biofilm formation. The main objective of this work was to study the corrosion behavior of 70Cu-30Ni alloy and aluminum brass in seawater environments, under real industrial conditions (field experiments) and in laboratory. The influence of different parameters, such as the solution (filtered natural seawater (FNSW) vs artificial seawater (ASW)), the concentration of biomolecules (biomolecules naturally present in seawater vs a model protein, the bovine serum albumin (BSA)), hydrodynamics (static conditions, under flow and stirring, rotating ring electrode (RRE)) and pH (8.0, 6.0 and 3.7), was evaluated. In field, the overall corrosion behavior and antifouling treatments were monitored using electrochemical (corrosion potential Ecorr vs time, LPR), gravimetric (weight losses) and genetic techniques. In lab, electrochemical measurements (Ecorr vs time, polarization curves, EIS), performed during the very first steps of oxide layers formation (1 h immersion time), were combined to surface analysis by XPS and ToF-SIMS. From field experiments, microbiological and molecular analysis of biofilms formed on both copper alloys in natural seawater indicates the presence of Marinobacter, Alteromonas and Pseudomonas bacterial species. From lab experiments, models are proposed to analyze impedance data obtained at Ecorr. In the case of 70Cu-30Ni, the HF loop illustrates mainly the anodic charge transfer (diameter equal to Rta); whereas the LF loop is related to the anodic mass transport and partial blocking effect by CuCl. In the case of Al brass, the single experimental loop illustrates both anodic charge transfer and anodic mass transport. Similar electrochemical behavior and surface chemical composition of 70Cu-30Ni alloy are obtained in static ASW and FNSW, due to the low biomolecule concentration in FNSW. Compared to 70Cu-30Ni in static ASW without biomolecules, for which a thick duplex oxide layer (outer redeposited Cu2O layer and inner oxidized nickel layer) is shown, the presence of BSA leads to a mixed Cu and Ni oxide layer with a lower thickness; the results also show a slow-down of the anodic reaction and a small corrosion inhibition effect in the presence of BSA. Under flow and stirring, a very thin mixed Cu and Ni oxide layer is obtained. For both alloys in FNSW, the corrosion current icorr estimated from Rta is independent of the rotation speed of the RRE, due to compensated potential and mass transport effects. For 70Cu-30Ni in static FNSW, the anodic reaction is slown down at acidic pH (kinetic effect). For Al brass, there is a corrosion inhibition effect at acidic pH, and the more acidic the pH, the slower the anodic reaction. In the case of 70Cu-30Ni alloy, the oxide layer thickness increases with decreasing pH, whereas for Al brass it is independent of the pH. The chemical composition of the oxide layer seems to have an effect on the amount of adsorbed proteins and the calculated organic layer equivalent thickness is very low (few Å for 70Cu-30Ni and 1 Å for Al brass).


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