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Comportement mécanique des alliages métalliques pour le stockage et le transport de l’hydrogène gazeux

Les impératifs environnementaux imposent de développer une économie fondée sur l’utilisation d’énergies décarbonées. Parmi les solutions étudiées, le recours à l’hydrogène produit à partir d’énergie « verte », en tant que vecteur d’énergie ou pour le stockage de l’énergie, est une voie en forte croissance dans le monde. À grande échelle, son transport et son stockage sous forme gazeuse font partie des options les plus économiques.

Cependant, il est connu que les matériaux métalliques peuvent être rendus « fragiles » en présence de ce gaz, cet effet pouvant se manifester de différentes façons en fonction de l’environnement, du matériau et de la sollicitation mécanique. À titre d’exemple, en température (vers 300 °C-500 °C) et sous pression d’hydrogène, la formation de bulles de méthane sous hautes pressions entraîne un endommagement connu sous le nom de HTHA (High Temperature Hydrogen Attack) . D’autre part, à température ambiante en milieu aqueux contenant du H₂S, l’hydrogène pénètre dans le métal et se recombine pour former des bulles d’hydrogène (« blisters ») à l’origine des baisses de propriétés mécaniques du composant. Ce phénomène est appelé « HIC » (Hydrogen Induced Cracking) . Les exemples précédents sont associés à des conditions rencontrées principalement dans le monde pétrolier. Dans cet article, nous traiterons spécifiquement de l’endommagement observé en présence d’hydrogène gazeux (typiquement de la pression atmosphérique à 1 000 bar), autour de la température ambiante, conditions associées à l’utilisation de l’hydrogène pour le développement des énergies décarbonées. On parle alors de « fragilisation par l’hydrogène » (FPH) qui se caractérise généralement par une chute de ductilité, une baisse de ténacité ou une accélération de la vitesse de propagation des fissures de fatigue. Même sous ces conditions restreintes, différents mécanismes de fragilisation peuvent être activés.

Le dimensionnement mécanique d’une infrastructure hydrogène de grande ampleur, impliquant réseaux de transport et de distribution mais aussi stockage de grandes quantités de gaz, nécessite une quantification précise des baisses de propriétés mécaniques ainsi qu’une meilleure connaissance des mécanismes de dégradation mis en jeu. En effet, s’il existe depuis de nombreuses années plusieurs milliers de km de canalisations pour le transport de H₂ aux États-Unis et dans le nord de l’Europe (BeNeLux et France), ces réseaux ont été développés pour des applications industrielles précises et pour des quantités de gaz relativement faibles, avec des marges de sécurité importantes et des intervalles de contrôles spécifiques. Le développement d’infrastructures hydrogène sûres, pour un coût raisonnable, soulève les enjeux principaux suivants en termes de matériaux : 1) compatibilité des installations existantes pour le gaz naturel à l’utilisation d’hydrogène ou de mélange de gaz contenant de l’hydrogène, 2) choix des matériaux pour de nouvelles infrastructures dédiées, 3) établissement de règles de dimensionnement mieux adaptées aux composants en présence d’hydrogène, permettant de réduire les coefficients de sécurité sans risque.

Dans ce contexte, l’objet de cet article est de présenter comment aborder la caractérisation du comportement mécanique des alliages métalliques en présence d’hydrogène gazeux, l’effet des paramètres principaux et les tendances générales entre différentes classes de matériaux.