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BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES
SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL
B.P. 6009 - 45060 Orléans Cedex (France) - Tél.: (38) 63.80.01
ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA CORROSION BACTÉRIENNE
par
D. LE MENN
Etudiant en Licence de Chimie-Biologie à la Faculté des Sciences
de l'Université de Bretagne Occidentale de Brest
(Stage effectué sous la responsabilité de O . G O Y E N E C H E )
-ë • [iL¡2 9. JAN. 19
Département géothermie et hydroénergie
B.P. 6009 - 45060 Orléans Cedex (France) - Tél.: (38) 63.80.01
Rapport du B . R . G . M .
83 SGN 783 GTHRapport de stage
Août 1982
Réalisation : Département Applications Graphiques
SOMMAIRE
Paqes
INTRODUCTION 1
I - HISTORIQUE DE LA DECOUVERTE AU BRGM DU PROBLEME DE LACORROSION BACTERIENNE SUR LES INSTALLATIONS GEOTHERMIQUESBASSE-TEMPERATURE 2
II - LES BACTERIES 3
II. 1 - ASPECT GENERAL 3
II. 1.1 - TAILLE ET MOBILITE 3
II. 1.2 - REPRODUCTION 5II. 1.3 - STRUCTURE DE LA MEMBRANE 5II.1.4 - ENVIRONNEMENT 5
II.2 - CAS D'ASSOCIATION BACTERIENNE 7
11.2.1 - EXEMPLE 711.2.2 - CAS DE L'EAU DU GISEMENT PETROLIER DE
COULOMMES 711.2.3 - RESISTANCE DES COLONIES AUX INHIBITEURS 8
III - BACTERIES SULFATQ-REDUCTRICE 9
111.1 - MORPHOLOGIE DE DESULFOVIBRIO sp 9111.2 - DESULFOVIBRIO DESULFURICANS : UN EXEMPLE DE
BACTERIE SULFATO-REDUCTRICE 9
111.2.1 - DESCRIPTION 9111.2.2 - MILIEU DE CULTURE 12
111.3 - TERRAIN DE PREDILECTION 12111.4 - PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES 13111.5 - METABOLISME DES BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES 15
111.5.1 - ACTION DES BACTERIES 15111.5.2 - ROLE DE LA MATIERE ORGANIQUE DANS LE
DEVELOPPEMENT DES BACTERIES 15111.5.3 - ROLE DES ENZYMES BACTERIENNES DANS LES
PROCESSUS DE REDUCTION DES SULFATES 20
111.6 - INHIBITION DE L'ACTIVITE DES BACTERIES SULFATO-
REDUCTRICES 20
IV - AUTRES TYPES DE BACTERIES 23
IV. 1 - LES FERROBACTERIES 23
IV. 2 - LES SULFOBACTERIES 23IV. 3 - AUTRES TYPES DE BACTERIES CORROSIVES 27
V - ETUDE DE LA CORROSION BACTERIENNE 27
V.l - CARACTERES EXTERIEURS DIFFERENCIANT LA CORROSIONBACTERIENNE DES AUTRES TYPES DE CORROSION : LESDEPOTS BACTERIENS 27
V.2 - SITUATION ACTUELLE DES RECHERCHES ENTREPRISES 27V.3 - MISE EN EVIDENCE DE LA CORROSION BACTERIENNE 29
V.3.1 - EXPERIENCE REALISEE PAR L'EQUIPE DE RECHERCHEDE R.G. BELL et CHOR KIANY LIM (Canada) 29
V.3.1.1 - Description de l'expérimentation 29V.3.1.2 - Conduite de l'expérimentation 29V.3.1.3 - Traitement des échantillons d'acier 30V.3.1.4 - Déroulement de la manipulation et
conclusions 30
Paaes
V. 3.2 - EXPERIENCE ENGAGEE PAR LE BRGM 31
V.4 - PROCESSUS D'ATTAQUE DES METAUX PAR LES BACTERIES 32
V.4.1 - ACTION DE TYPE CHIMIQUE 32
V. 4.2 - ACTION PAR DEPOT 34
V.4.3 - ACTION PAR DEPLACEMENT D'EQUILIBRE ELECTRO-
CHIMIQUE 34
V.5 - PARAMETRES MIS EN JEU DANS LES PROCESSUS DE
CORROSION BACTERIENNE 34
V.5.1 - L'ETAT DU MATERIAU 34
V. 5. 2 - INFLUENCE DU MILIEU 34
V.5.2.1 - Composition chimique 35
V. 5.2.2 - Température 35
V.5.2.3 - pH 35
V.5.2.4 - Conclusion 35
VI - APPROCHE DE L'ETUDE DU COUT DE LA CORROSION BACTERIENNE 36
VII - CONCLUSION 37
ANNEXE 1 - BACTERICIDES UTILISES INDUSTRIELLEMENT ET LEURSCARACTERISTIQUES .. 39
ANNEXE 2 - RECHERCHE DE LA MISE EN EVIDENCE DE L'IMPORTANCEDE LA CORROSION BACTERIENNE SUR ACIER DOUX (A.P.I-K55),42
BIBLIOGRAPHIE 44
- 1 -
INTRODUCTION
Des problèmes de corrosion se posent sur les puits géothermiques.
Les prélèvements établissent souvent la présence de bactéries des types
sulfato-réducteur ou ferro-bactérie.
Ce rapport se propose d'approcher la réalité bactérienne ; il peut
conduire à une meilleure compréhension de l'action des microorganismes dans
le but de mieux les combattre, ce qui pourrait augmenter la longévité des
installations géothermiques puisqu'en première approche, on estime à 40 % de
la corrosion totale la part de la corrosion bactérienne.
Il tente, sur la base d'une synthèse bibliographique, d'expliquer
le milieu et le mode de vie ainsi que le métabolisme des bactéries de la
corrosion et rend compte des diverses directions dans lesquelles la lutte
contre la corrosion bactérienne devrait être engagée.
- 2 -
CORROSION BACTERIENNE
1 - HISTORIQUE DE LA DECOUVERTE AU BRGM DU PROBLEME DE LA
CORROSION BACTERIENNE SUR LES INSTALLATIONS GEOTHERMIQUES
BASSE-TEMPERATURE
En 1977, une étude réalisée par M. LOPOUKHINE sur le site de Melun
l'Almont, à l'occasion d'un arrêt de production du puits, a donné les
résultats suivants :
- Présence de bactéries dans le puits de réinjection (la température
y est favorable). Ces bactéries semblent être de type
sulfato-réducteur. Leur métabolisme s'effectue par réduction des
sulfates en sulfure (ion S ) qui vont à leur tour s'associer à
l'hydrogène pour donner H2S et au fer pour donner FeS, le tout
s'effectuant en milieu anaérobie.
En 1979 et 1980, les études et analyses bactériologiques sont
reprises à l'occasion des nouvelles opérations géothermiques mais
l'efficacité en est réduite pour les raisons suivantes :
- les analyses sont effectuées sans structure susceptible d'aboutir
à l'établissement de synthèses ;
- les prélèvements sont réalisés de façon non systématique tantôt en
surface, tantôt en fond de puits ;
- les analyses sont confiées à divers laboratoires dont les
méthodologies, mal connues, sont difficilement comparables.
Ne pouvant nous appuyer sur des bases solides, de nombreuses
difficultés ont été rencontrées pour réaliser une synthèse comparative qui
reste, en tout état de cause, insuffisante.
En octobre 1980, il a été procédé à l'extraction du tubing de
production du puits géothermique n°4 de Creil pour remplacement de la pompe
immergée.
- 3 -
L'ensemble de cette colonne se révélait corrodé et des
perforations existaient dans la partie supérieure. La thèse de la corrosion
bactérienne a été avancée et partiellement confirmée par l'étude
(Cf. Rapport n°8l SGN 558 GTH).
Quand on parle de corrosion bactérienne, on pense surtout au cas
le plus souvent traité dans la littérature qui est celui des bactéries
sulfato-réductrices parmi lesquelles la plus connue est l'espèce
Desulfovibio. Il faut pourtant savoir que les bactéries de la corrosion sont
variées, on citera notamment :
- les Ferrobactéries,
- les sulfato-réductrices,
- les sulfo-bactéries,
- les bactéries oxydant l'hydrogène,
- les bactéries carbonato-réductrices.
Les dégâts occasionnés par les bactéries sur les réalisations
humaine sont parfois tout-à-fait spectaculaires. Nous reviendrons sur le
mode d'action de quelques types de bactéries en fin de rapport.
Il - LES BACTERIES
II.1 - ASPECT GENERAL
Ce sont des organismes dont on connaît mieux aujourd'hui les
caractéristiques. On sait en effet que ce sont des organismes
unicellulaires, généralement classés dans le règne végétal. Comme la plupart
des êtres vivants, les bactéries assimilent les aliments qui les entourent,
et en retirent, par oxydation, l'énergie nécessaire à leur métabolisme.
II.1.1 - TAILLE ET MOBILITE
Le diamètre des bactéries varie de 0,2 à 0,5 |J, leur longueur de 1
à 50 |J. La planche 1 ci-après, extraite des travaux de GATELLIER, présente
les différentes formes que peuvent adopter ces micro-organismes.
. 4_
staphyiococcusstreptococcus
coccbacillus fusobadenum corynebacleriunn
BACILLES
h-epcrema
VIBRIONS SPIRILLES
\
¿CTINOMYCETES
, 10 u
PLANCHE
GATELLIER
- 5 -
La vitesse de déplacement des bactéries peut atteindre 60 [j/s, ce
qui, ramené aux dimensions humaines, correspondrait à 50 km/h.
11.1.2 - REPRODUCTION
Les bactéries se multiplient le plus souvent par simple division
cellulaire et, lorsque les conditions sont favorables, cette multiplication
peut atteindre une vitesse extraordinaire. Il ne s'écoule pas alors plus de
30 minutes entre 2 divisions successives. Dans ces conditions, une bactérie
en engendre 4 au bout d'une heure, 16 au bout de deux heures, 256 au bout de
quatre heures... Lorsque ce rythme se maintient, on dépasse
100.000 milliards d'individus au bout de 24 heures.
11.1.3 - STRUCTURE DE LA MEMBRANE
On connaît la structure de la membrane plasmique de la bactérie
(certains antibiotiques comme les polymixines endommagent celle-ci en
agissant comme des détergents).
La paroi bactérienne représente 20 à 25 % du poids de la cellule,o o
son épaisseur varie entre 100 et 250 A (1A = 10 1 0 m). On distingue une
différence fondamentale entre les bactéries dites gram + et gram - du fait
de la présence chez les secondes de lipoprotéines en plus des composants
habituels.
Toutes les bactéries contiennent un muco-complexe responsable de
la rigidité de la paroi lui conférant un rôle mécanique dans le maintien de
la forme de la cellule bactérienne ; elle est ainsi capable de maintenir des
pressions internes jusqu'à 25 atm. On pourra voir qu'un moyen de lutte
pourrait consister en la dissolution de ce muco-complexe.
11.1.4 - ENVIRONNEMENT
Alors que la plupart des bactéries croissent à des températures
modérées (entre 20°C et 50°C), quelques espèces supportent des températures
voisines de 0°C et d'autres, des températures proches de 1'ebullition.
- 6 -
Alors que la plupart ont besoin d'oxygène, pour d'autres, au
contraire, telles que les bactéries anaérobies, l'oxygène est toxique.
Les bactéries présentent de plus, 2 caractères essentiels qui
sont :
- la capacité de s'adapter à des conditions non idéales,
- la capacité de vivre à l'état de dormance si les conditions sont
mauvaises.
Selon la source d'énergie utilisée par les bactéries, on
distingue :
- les bactéries phototrophes pour lesquelles l'énergie est fournie
par une réaction photochimique où le carbone est issu du gaz
carbonique selon le processus suivant :
C02 + 2H2S -» CH20 + H20 + S
- les bactéries chimiolitrophes
Ex. : Thiobacillus thio-oxydans qui oxyde le soufre en acide
sulfurique ;
- les bactéries chimio-organotrophes
Ex. : Desulfovibrio desulfuricans.
La réaction qui leur fournit l'énergie est une oxydo-réduction
portant sur un substrat organique.
Toute cellule a besoin de substances indispensables appelées
"metabolites essentiels". Les espèces bactériennes capables
d'effectuer leur synthèse à partir des éléments minéraux sont
appelées bactéries autotrophes. Il faut considérer comme
hétérotrophes les espèces bactériennes incapables de réaliser
seules la synthèse de tous leurs éléments de croissance.
- 7 -
II.2 - CAS D'ASSOCIATION BACTERIENNE
11.2.1 - EXEMPLE
Des équipes de recherche Américaines ont mis en évidence la
dégradation de pipe-lines entourés d'une bande continue de toile de jute, du
fait de la coexistence de bactéries qui décomposent en milieu anaérobie la
cellulose en sulfates et de bactéries qui réduisent les sulfates.
11.2.2 - CAS DE L'EAU DU GISEMENT PETROLIER DE COULOMMES (SEINE ET MARNE)
Analyse microbiologique qualitative de l'eau du gisement de
Coulommes :
. Thiobacillus
. Pseudomonas
. Desulfo vibrio desulfuricans
. Achromobacter
. Proteus
. Micrococcus
. Bacillus
. Clostridium
. Mycobacterium
. Nocardia
. Pénicillium
. Aspergillus.
La population moyenne est de 30.000 micro-organismes/ml dont
100 Desulfovibrio desulfuricans/ml. A l'occasion d'une injection
accidentelle d'un déparaffinant, on a pu constater que les Desulfovibrio et
Pseudomonas se sont développées au point d'atteindre le nombre total record
de 200 millions d'organismes/ml dont plus de la moitié de Desulfovibrio.
Ce développement spectaculaire est le résultat d'une association
entre les deux espèces. En effet, la souche purifiée de Desulfovibrio
desulfuricans (variété aestuari) isolée à partir de l'eau du gisement est
- B -
incapable d'utiliser le déparaffinant comme source de carbone ou
d'hydrogène ; par contre, on peut obtenir son développement, après un
certain temps de latence, si on ajoute au milieu de culture un culot lavé de
Pseudomonas.
C'est Pseudomonas qui attaque le produit déparaffinant alors que
Desulfovibrio desulfuricans n'utilise que les produits intermédiaires de
cette dégradation. Au total, la population est constituée d'un mélange de
Pseudomonas et de Desulfovibrio desulfuricans mais seuls ces derniers sont
des agents actifs de la corrosion.
Si la corrosion est due à Desulfovibrio-desulfuricans, elle peut
avoir été accélérée, sinon même indirectement déclenchée, par la présence
d'une flore associée vivant plus ou moins en symbiose.
II.2.3 - RESISTANCE DES COLONIES AUX INHIBITEURS
Le rôle des associations bactériennes peut-être plus important
encore dans la mesure où la présence d'autre microorganismes augmente la
résistance aux agents bactéricides :
CONCENTRATION EFFICACE POUR EMPECHER LA REDUCTION HETEROTROPHE DES SULFATES
COMPOSES A L ESSAI
Aminé en C42,
Acétate d'omine
Pentachlorophéncrte d'aminé
Diamine en C u
Adipate de diamine
Chlorhydrate de diamine
Dimethyl benzyl lauryl ammonium auatemoire
Diolkylméthyl benzyl ammonium quaternaire
A1 kyl dimethyl naphtyl ammonium quaternaire
bis (P-chlorophénoxy) méthane
AcétaTe de phényl mercure
Ch'oiu'e de méthoxy éthyl mercure
Formaldehyde
CHAMP DE CHAILLY 1' CHAMP DE COULOMMES :Culture pu'e
deDesuKovibno
(Dd 101)
10201020202010
2001010
3008020
_ _ .
eou deai sèment
60606050605060
1 Culture purede
De&u Hovibr 10(Dd 104)
¡ 10505020202050
500 ii 50060 II 3080
30020050
10300
eau degi semeni ,
20 :
6030808050
250500
2060
300300 ; 250
10 30
- 9 -
Si on observe les données du tableau ci-avant, on constate, bien
que la population comptée en Desulfovibrio desulfuvicans soit de très loin
la plus importante, que l'activité bactériostatique des produits testés est
toujours inférieure en présence de la population bactérienne globale.
Ill - BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES
III.1 - MORPHOLOGIE DE DESULFOVIBRIO sp.
(Cf. § v.3.1.1) et planche 2
Morphologiquement, la plupart des bactéries de l'espèce
Desulfovibrio sont courbes tandis que les individus de l'espèce
Desulfatomaculum sont généralement linéaires.
Elles se déplacent grâce à une flagelle et sont strictement
anaerobies ; elles sont non sporulantes, ce qui, avec le caractère
précédent, est très important.
On les rencontre isolées ou en courtes chaînettes présentant
l'apparence d'un spirille.
III. 2 - DESULFOVIBRIO DESULFURICANS : UN EXEMPLE DE
BACTERIE SULFATO-REDUCTRICE
III.2.1 - DESCRIPTION
C'est un bâtonnet légèrement incurvé de 0,5 à 1 |J de large sur 1 à
5 M de long (PLANCHE 3).
Au microscope, ces bactéries apparaissent noires par suite d'une
précipitation de sulfure de fer.
_ 10 _
(h)
Fig. 4. Phase contrast micrographs of sulphate-reducing bacteria, {u) DesulfovtbrtnRigas. A large species; the preparation shows two normal forms of characteristicallygranular appearance and one spinlloid pleomorphic form ( * 2050) (h) Dfsulfoio-maculum uveto.wdans grown with acetate and sulphate Left vegetative cells from aliquid medium. Right " cells from agar colon) wilh spores and areas reminiscent ofgas vacuoles ( x 2000) (courtesy of Dr F. Widdel and Professor N . Pfennig).
Cette photographie montre en (a) une vue d'une espèce debactérie sulfato-réductrice : Desulfovibrio gigas et en(b) Desulfotomaculum acetoxidans dans un milieu enrichiavec du sulphate et de l'acétate.
(extrait de J.R. Postgate)
PLANCHE 2
_ II-
Aspect morphologique desBactéries sulfato-réductrices
I ig. V Llecirun micrographs of sulphate-reducing bacteria. \¿i) Desulfovihno dvsut¡uncan\ -.irainmmulum ntgnticans (courtesy of Professor L. L.Campbell).
(a) Desulfovibriodesulfuricans apparait.on remarque la forme courbe des Desulfovibrio parrapport à la forme plus droite de Desulfotomaculumd'où un critère de différenciation. Le flagelle polaireapparait également.
PLAMCHE 3
- 12 -
III.2.2 - MILIEU DE CULTURE
Pour les cultiver, on utilise généralement le milieu B décrit par
POSTGATE J.R. dans son ouvrage "The sulphate reducing bacteria",
(1979/Cambridge university press) et dont la composition est la suivante
pour un litre d'eau distillée :
KH 2 P0 4
NH4C1
CaSO4
MgS047H20
Lactate de Sodium
Extrait de levure
Acide ascorbique
Acide thioglycolique
Fe S0 4 , 7H2O
pH
0,5 g
1,0 g
1,0 g
2,0 g
3,5 g
1,0 g
0,1 g
0,1 g
0,5 g
7,0-7,5.
. 3 - TERRAIN DE PREDILECTION
On rencontre ces bactéries dans des terrains de type argileux
finement structuré dans lesquels, en dehors des périodes sèches, le régime
est anaérobie des suites des phénomènes de gonflement.
Desulfovibrio sp. prolifère dans les sols désaérés, riches en
soufre et dont le pH est compris entre 5,5 et 8,5.
Par ailleurs, Desulfovibrio sp. prédomine dans les sols marécageux
ou les eaux de rivière ; on rencontre également l'espèce dans l'eau de mer
et la boue marine, donc en présence de sels.
Quelques bactéries sulfato-réductrices sont connues comme étant
capables de croissance en milieu fermenté exempt de sulfate (analogie avec
la croissance de levure sans oxygène). Elles jouent un rôle important dans
le cycle du soufre : SO4 réduit en S~.
III. 4 - PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES
Comme nous l'avons vu, les bactéries sulfato-réductrices sont
théoriquement strictement anaérobies, mais on en trouvera paradoxalement
dans les sols et les eaux les plus aérés. Elles assurent leur survie dans un
environnement riche en oxygène grâce à une coexistence avec des organismes
qui absorbent beaucoup d'oxygène ce qui recrée les conditions anaérobies
nécessaires.
a - Température et acidité du milieu
La recherche bibliographique des propriétés physicochimiques des
bactéries sulfato-réductrices conduit à observer des résultats différents
selon les auteurs :
- Les bactéries sulphato-réductrices observées par M. LOUPOUKHINE
(BRGM) sur le site de Melun sont thermophiles et leur température
optimale de développement est voisine de 40°C.
- D'après Robert-E. TATNALL ("Fundamentals of bacteria induced
corrosion", paru dans Material Performant), Desulfovibrio
desulfuricans prospère entre pH = 5 et pH = 9,5.
- Le professeur CHANTERAI!, pour sa part, fait état d'une température
optimale de croissance comprise, pour le genre Desulfovibrio,
entre 25° et 30°C, le pH optimum se trouvant entre 6 et 7,5.
- D'après POSGATE, Desulfuvibrio mésophile se développe à une
température maximale comprise entre 45 et 48°C ; elle supporte des
températures de 50°C mais est ensuite très instable et détruite
par une augmentation de 0,5°C.
Remarquons que sur le site d'Epernay (opération géothermique
réalisée en 1982), les analyses des prélèvements effectuées par le
laboratoire bactériologique du professeur RIVIERE a l'Institut National
Agronomique ont révélé la présence, en grande abondance, de bactéries
sulfato-réductrices à la température de production de 55°C.
- 14 -
Remarquons enfin que l'espèce Desulfotomaculum thermophile
présente un optimum thermique avoisinant 60°C et une température minimale de
développement de 35°C environ. D'autres espèces sulfato-réductrices ont été
isolées dans des milieux liquides de plus de 100°C.
b - Caractères divers
Parmi les diverses caractéristiques des espèces bactériennes
sulfato-réductrices, nous pouvons noter leur très grande résistance aux
concentrations en sel et à la pression (des espèces vivant à des pressions
de 1000 bars ont été isolées), ce qui permet d'expliquer que leur présence
dans les réservoirs captés dans le cadre d'opérations de Géothermie n'est
pas aberrante.
Le Desulfovibrio montre une mobilité sous le microscope alors que
Desulfotomaculum est immobile, ce qui offre un moyen simple de
différenciation.
c - Conclusion
De ces divers résultats, on note donc que les bactéries
sulfato-réductrices sont adaptées à grand nombre d'environnements naturels,
le plus commun étant cependant de type anaérobie ordinaire. Pourtant et
contradictoirement elles ont besoin d'un bas potentiel redox pour se
multiplier, ce qui restreint leur activité dans des milieux réducteurs.
Au cours de diverses observations réalisées, notamment au BRGM, on
a pu mettre en évidence le rôle important joué par la température dans les
processus de corrosion bactérienne. Ainsi, dans les puits de production
d'eau géothermique où la température est comprise entre 60°C et 70°C en
moyenne, on ne décèle que rarement de bactéries sulfato-réductrices ; par
contre, sur le même doublet (système isolé puits de production - puits
d'injection), au niveau du puits d'injection où la température est comprise
entre 35°C et 45°C, on observe généralement ces bactéries. Ces observations
qui tendraient à prouver que la température optimale de développement se
trouve aux alentours de 40°C devront être confirmées par l'expérience.
III. 5 - METABOLISME DES BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES
III.5.1 - ACTION DES BACTERIES
Comme l'illustre la planche n° 4 ci-après, extraite des travaux de
M. GATELLIER, les bactéries sulfato-réductrices réduisent les sulfates selon
la réaction suivante :
4S0¡~ + 32 H+ + 32e" •* 4S= + 15H20
L'hydrogène nécessaire à l'équilibre des charges de la réaction
peut provenir de la décomposition électrolytique de l'eau à la cathode,
c'est-à-dire au point de l'installation ou du tubage qui joue le rôle de
cathode du fait d'espèces métallurgiques caractéristiques. A l'anode, la
réaction suivante se produit :
4S •* 4Fe2 + 8e , libérant ainsi les ions ferreux qui vont réagir
avec les ions sulfures pour donner :
4S= + 4Fe++ •> 4FeS
Notons que cette réaction, dans laquelle la bactérie génère, du
fait de la création d'ion S , une véritable "pompe" à ions ferreux, induit,
à plus ou moins long terme le percement des installations. Il est à noter
que les effets que sont susceptibles de produire les bactéries
sulfato-réductrices dépendent de leur degré d'activité, lui-même dépendant
de la présence de matière organique dans le milieu ambiant et de
l'équipement enzymatique de la bactérie.
III.5.2 - ROLE DE LA MATIERE ORGANIQUE DANS LEDEVELOPPEMENT DES BACTERIES
La planche n°5, ci-jointe, extraite des travaux de GATELLIER,
présente assez bien l'importance de la matière organique dans les processus
de corrosion bactérienne en mesurant l'évolution des courbes de polarisation
de l'acier immergé dans un milieu biologique inoculé par une souche pure de
Desulfovibrio desulfuricans et contenant un accepteur organique
d'électrons : le lactate de Sodium.
>
m
mja
0
Iom
\ Fe (OH),, * H,0
3 Fe (04
Te (0H)? • S
C OH
i OH
^ 8H,0k
\
8H
k
h
k
\
^7//////A m*/, '' 7 7 / 7 O ;/ 7 7 / / 7 / O ;
en
^
FIG.I
/ /
/ /COURBES DE POLARISATIONs (culture chimbrganorrophe )
\
i
«
- iro'Halaprès 6 jcxjrs
i 10 H< 18 i
Poten Ke I(éledrode HÎ) FIG 2
--0.6
siêrile
E V O L U T I O N D U POTENTIEL D E L'ACIERD A N S U N MILIEU B I O L O G I Q U E Bvj PRE-SENCE DE DESUPÇMBRO DESULRJRONS
Í cullun? chimiorgandrophe)? 3 ?
REPRESENTATION SCHEMAHQUE DU œ U P L E DE OORROSONENTRE ANODES ET CATHODES LOCALE5 ^ ^ ^
en
- 18 -
Sur la figure 1 de la planche, on remarque que la dépolarisation
anodique passe par un maximum, au 6ème jour, pour diminuer ensuite
régulièrement jusqu'à se rapprocher, au bout de 18 jours, d'une courbe de
référence dite "initiale" obtenue sans inoculation de bactéries. Ces
observations ont permis d'expliciter le mécanisme suivant :
- Dès l'inoculation, les bactéries qui utilisent les matières
organiques (lactate) et les sulfates, libèrent de l'hydrogène
sulfuré qui, par action sur le métal, commence à former une
pellicule de sulfure de fer (dépôt).
- Ce processus se poursuit tant que le dépôt de sulfure n'a pas créé
de barrière de protection suffisante ce qui se produira aux
environs du 6ème jour. Au fur et à mesure de la formation de cei i
dépôt, la réaction anodique (Fe -» Fe + 2e-) se ralentit ce qui
explique l'évolution des courbes à partir du 6ème jour.
- Par la suite, les bactéries ayant proliféré dans ce milieu
favorable se sont fixées à la surface du fer recherchant
l'hydrogène disponible à la cathode, hydrogène devenu d'autant
plus nécessaire à leur métabolisme que le lactate de Sodium
commence à disparaître dans le milieu. Au 18ème jour, une analyse
chimique du milieu d'étude met en évidence la disparition complète
du lactate ; l'inhibition anodique est alors telle que la courbe
de polarisation anodique est voisine de la courbe de référence
initiale.
En complément à cette première expérience, il a été procédé à une
seconde manipulation dans les mêmes conditions que la première à ceci près
qu'il n'a pas été ajouté de matière organique (lactate de sodium)
susceptible de fournir l'hydrogène nécessaire à la réduction des sulfates.
La figure n°l de la planche 6 présente ces seconds résultats. Dans
ce cas, les seules bactéries actives dans le milieu sont celles qui sont au
contact du métal où se trouve la seule source d'hydrogène utilisable. Le
dépôt de sulfure de fer se formant alors au plus près des plages anodiques
joue très rapidement un rôle de barrière de corrosion en bloquant la
réaction anodique. Ce phénomène est matérialisé par la position de la courbe
de dépolarisation, au-delà de la courbe initiale, au bout de 6 jours.
om
m3) FIG.I
If-'
f
COURBES DE POLARISATION(culture chimiolithotrophe)
initialaprès 6 joursaprès 18 jours
Potentiel(electrode HJ
- 0 . 4
inoculation &
^v^^^—*"- 0 . 5
- 0 . 6
10i
essai
20i
FIG. 2
—
3^ temps/jours
c
• MPOLARI5ATDN CATHoCoUE í>FaEMEKíT
REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU COUPLE DE CORROSIONENTRE ANODES ET CATHODES LOCALES
- 20 -
III.5.3 - ROLE DES ENZYMES BACTERIENNES DANS LES PROCESSUSDE REDUCTION DES SULFATES (Etude de la planche 7extraite des travaux de GATELLIER).
Cette planche met en évidence le rôle de l'enzyme hydrogénase. Sur
la figure n°l, il y a absence presque complète de dépolarisation anodique ou
cathodique due à l'absence de l'enzyme hydrogénase.
III. € - INHIBITION DE L'ACTIVITE DES BACTERIES
SULFATO-REDUCTRICES
Les bactéries sulfato-réductrices, et particulièrement
Desulfovibrio sp. , peuvent montrer une exceptionnelle résistance aux
inhibiteurs et à de nombreux bactéricides.
A titre d'information, l'annexe n°l du rapport, présente
l'ensemble des bactéricides employés généralement ; ce tableau est issu des
travaux de POSGATE (USA).
Le tableau suivant, extrait des travaux de RUSESKA, ROBBINS,
COSTERTON et LASHEN, parus sous le titre "Biocide testing against corrosion
oil Field bacteria helps control plugging" dans Oil and Gas Journal,
présente une étude comparative de l'évolution des bactéries (comptées en
nombre d'organismes par unité de surface au microscope) en fonction du temps
et pour divers bactéricides :
Effects of biocide dosing on colonized sessile bacteria inRobbins Devices* .
Aerobic sessiles. eells.cn!5 Súrtate reducing sessiles. cells/cm'
£ £ , Biocide Dp°p"' T - D T = 2 0 day, V - 3 0 days T - 0 T = 20 days T = 30 day,
19 None (Control) 3 . 0 . 1 0 ' ¿ 3.0« 10' 87« 10' \\\\% V S M O » W i f ë1 t&otniazaione 15 9.4 x 10* <100 <100 \%\\% 9 5x10' 2 0 i 10*2 Isothiawione 3 0 > » . I i l í ; < •«> < J » , „ , S?.\% i
9.-5/11
lr 4 6 , 1 0 '3 Glutaralaenvoe , 50 8.5 x 10s ! <. 3.0 » 10* 2.04 Glutaiaidenxoe . 100 6 .8x10 ' . £ 3.0 x IO3 S 3.05 DBNPA ' I 34 £ 3.C x 10' ! 2 .2x10 ' 156 DBNPA ! 6E ir 3 . 0 x 1 0 ' l .BxlO' S 3.07 ADBAC ¡ 46 ¿ 1.0 x 10* S 3.0 x IO3 S 3.08 ADBAC ! 92 £ 3.0 x H P '. è 3.0 x 10' 2.29 A m m e ' 52 7.4 x 10; 1.9 x 10* 2.3
10 Amine • 104 4.9'x 10' 6.5 x 10 lj
10' 1.5 x 10* 4 L x 10* 4.5103 9 5 x 10' 2.Í x 10' 9.5 x 1C*10'- 4.5 x 10' 4.5 x 10* 9.5 x 10;10:- 7.5 x 10* 7.5 x 101 2.5 x 10'103 ; 2 5 x 1 0 ' 4.5 x 10s 9 . 5 x 1 0 '10' A.b x 10' 2.5 x 10' 2.5 « 10-10' 9 5 x 10" 11 x 10' 4.5 x 10'
4 5 x 1 0 " 4 . 5 x 1 0 ' 9_5 '""
•Co'ou.Jtc R i e s m s Dt. 'cei »e -e treated with daily 6 hr s.ugs ot tne rjisnses listed a&owe ano tne Killing of seis.ie and pian«:on.c eactena ir tnes«- «yve-r.««.ar aiseiseï. K.ü.nr » a s assessed a: the end of an 1 8 hr oil field water exrjosjre following tne 6 hr b.rxiae slug so that fresh piankiomc ûactcna r.d. seerreimroouced after D>ocide treatmeni T n e most successful treatments are in Dold face
CI>>m
m31
~0
r~
OXm-si
Uc O0)
Courbes de polarisationd'échantillons d'acier soumisen milieu biologique à la corro-sion de Dêsullovibrio o rien-tis (ne possédant pas unehydroger
--0,6 v
— • après 6 jours— a — initialement
densité de courant
il
- 0 4 v
Courbes d e polarisation d'échanNiions d'acier soumis en milieubiologique à b corrosion d e Désul-fbvibrb désulPuricans (possédantune hydrogenase)
C
\
-0,6v
\
FI G 2
densité de courant
- 22 -
Une simple lecture de ces résultats suffit à montrer combien le
problème est encore mal connu. En effet, si comparativement certains
bactéricides semblent plus efficaces que d'autres, aucun d'entre eux n'est
absolument satisfaisant, d'autant qu'il est démontré que, si une partie des
bactéries n'est pas tuée par un bactéricide, ces dernières deviennent très
rapidement résistantes à son action ; il y aura alors prolifération de
souches nouvelles qui ne pourront être détruites que par des doses plus
puissantes ou par d'autres bactéricides à rechercher.
Un exemple de l'action des bactéricides étudiés dans le tableau
précédent est présenté à titre d'illustration sur le diagramme suivant :
lo'à-
!
106H
105 H "
10'
103
102
0
Control
^ -
V1
2
(plank) ^ «•* ' • * '
^ ^ Control^ ^
D
Isothiazolone, 30 p p m
(sess)
(plank)
Isothiazolone, 30 p p m (sess)
i \
4 6Days
I
e
J
10
Isothiazolone
- 23 -
II s'agit de l'action de 1'Isothiazolone (à 30 ppm), dont la
molécule est présentée en marge du diagramme, sur deux souches (sessile et
planctonique) de bactéries sulfato-réductrices.
Les courbes de références, en pointillés sur le diagramme,
représentent l'évolution de ces deux souches de bactéries en dehors de la
présence de 1'Isothiazolone.
IV - AUTRES TYPES DE BACTERIES
IV. 1 - LES FERROBACTERIES
Les ferrobactéries transforment le fer présent dans leur
environnement aqueux en hydroxyde ferreux hydraté [Fe(OH)2]> ce processus
étant d'ailleurs similaire chez les bactéries qui utilisent le manganèse.
Ce type de bactéries peut-être à l'origine de corrosion par
piqûres puisque l'énergie nécessaire à leur métabolisme est obtenue par
oxydation d'ions ferreux (Fe ) en ions ferriques (Fe ), le fer provenant
alors directement des installations métalliques (canalisations etc..) ou du
fluide transporté.
Quelques aspects des formes prises par ces bactéries sont
présentés sur les planches 8.1 et 8.2 ci-après.
IV. 2 - LES SULFOBACTERIES
Ces espèces sont également très souvent signalées mais elles
semblent moins impliquées que les autres dans les phénomènes de corrosion.
Elles entraînent cependant des nuisances non négligeables telles que la
formation de boues à l'intérieur de tuyauteries ou encore la modification du
pH du milieu.
Quelques aspects des formes prises par ces bactéries sont
présentés sur la planche 9 ci-après.
- 24 -
FERRO-BACTERIES
Filnnirnls of C.rrru>l)irix.\fmrn
Ce filament montre une variationde taille et de forme des cellules.
V\
II.
A\J
Vw
1
SV \
V'
VT'iLinicnfs of S/iJitirmiihi* tia-
u
u
I .¡il>or:ilnr> ciiliurc of Ciillin
nrllti ft'rrtil'fnr'iï.
Montre des cellules dans les filamentset quelques unes libres.
Les fragments deGallionella apparaissentorange ou jaune aumicroscope.
M i \ ( n r c of fr:miiiciiH or stiillis
of (¡ntliinifllii /«Tnii'iii/'ti ¡mil inori::inic
PLANCHE 8.1
_25_
Ferro-bactéries
Gallionella ferriginea
Gallionella ferriginea
La colloration au ferrocyanure
laisse apparaître desplages plus sombres.
(extrait de J. Chantereau)
Gallionella major
PLANCHE 8_2
_ 26_
SULFO-BACTERIES
Ces bactéries
Plinlnsynllict'ic s u l f u r p u r p l eh ; H l c r i : r .
CeLLuLes de gauche : chromatiumokenii contenant des granules desoufre. A droite : ThiospiriLLumjenense avec flagelle polaire.
- métabolisent le soufre à partir decomposés réduits soufrés, et lerejettent dans le milieu ambiantou l'emmagasinent dans leur cellule
- ou oxydent le soufre ainsi que sescomposés avec formation de produitsacides ( HjSO^). Il se produit alorsune acidification corrosive avecmodification importante du pH dumi lieu.
Colorless fil:imi'nlons sulfur hac-Icria
A gauche : Beggiatoa alba contenantdes granules de soufre.
A droite : Portion d'une coloniede Phiodendron mucosum.
Colork-ss fiUinunloiis sulfur l>ac-
PLANCHE 9
- 27 -
IV. 3 - AUTRES TYPES DE BACTERIES CORROSIVES
II existe deux autres groupes bactériens dont le rôle, bien que
non nettement défini, est non négligeable dans la corrosion biologique. Il
s'agit :
- des bactéries oxydant l'hydrogène,
- des bactéries carbonato-réductrices.
V - ETUDE DE LA CORROSION BACTERIENNE
V. 1 - CARACTERES EXTERIEURS DIFFERENCIANT LA
CORROSION BACTERIENNE DES AUTRES TYPES
DE CORROSION : LES DEPOTS BACTERIENS
Toutes les bactéries de la corrosion provoquent un dépôt
caractéristique (petits tubercules sur l'acier, amas irréguliers...) de
chaque variété (cf. PLANCHE 10) :
- les bactéries sulfato réductrices -» dépôt noir de FeS
- Ferro bactéries -*• dépôts bruns
- Gallionella -»• dépôts rougeâtres
- Beggiatoa •* dépôts jaunes
Ainsi, une simple observation du métal corrodé pourra en première
approche, donner une idée sur le type de bactérie impliqué et éventuellement
le type d'inhibiteur à employer.
V. 2 - SITUATION ACTUELLE DES RECHERCHES ENTREPRISES
Les dépenses occasionnées par les dommages causés par les
bactéries justifient les recherches engagées pour mieux combattre et mieux
comprendre le problème.
Les solutions envisagées pour combattre la corrosion bactérienne
sont souvent radicalement différentes de celles envisagées pour les autres
types de corrosion, les inhibiteurs étant, pour l'heure, généralement peu
efficaces contre les attaques microbiennes ; des recherches sont encore
nécessaires dans ce domaine.
-28-
Corrosion
N° 1 : Coupe transversale d'une canalisation corrodée. Onremarquera les cratères de corrosion atteignant presquela face externe.
N° 2 : Même coupe après élimination de l'oxyde ferrique laissantapparaitre les perforations.
(Chantereau)
PLANCHE 10
- 29 -
V. 3 - MISE EN EVIDENCE DE LA CORROSION BACTERIENNE
V.3 .1 - EXPERIENCE REALISEE PAR L'EQUIPE DE RECHERCHE
DE R.G. BELL ET CHOR KIANY LIM (Canada)
V .3 .1 .1 - Description de l'expérimentation
L'étude est réalisée à partir de Desulfovibrio sp.
microscope, présente les aspects proposés par la figure 1 ci-après.
qui, au
Fig I Features of Desullovibiio desulfuricans adapted fromelectron micrograph pictures.1 and showing single flanellum (a) andspirellar and swollen forms (b)
Un groupe de chercheurs Canadiens s'est attaché à déterminer le
potentiel corrosif de 4 isolats tropicaux de Desulfovibrio desulfuricans
(espèce corrosive la plus connue) sur des échantillons d'acier doux et
d'acier inoxydable. Les résultats obtenus ont mis en lumière, de façon
indiscutable, l'action bactérienne.
Pour mettre en évidence ce phénomène, il a été procédé à
l'expérience suivante.
Notons que l'expérience avait aussi pour but de comparer
l'agressivité d'isolats marins et d'isolats d'eau douce ainsi que la
résistance comparative des aciers inoxydables et des aciers doux :
V.3.1.2 - Conduite de l'expérimentation
L'expérience a été conduite sur une durée de 56 jours, une
première observation étant effectuée au terme de 28 jours ; les échantillons
étaient placés dans un autoclave à 35°C.
Le milieu de culture choisi pour le développement des isolats est
le milieu de POSTGATE stérilisé à 121°C pendant 10 mn (pH ajusté à 7,3).
- 3D -
Les isolats sont nourris et périodiquement contrôlés afin de
s'assurer de la pureté du milieu.
V.3.1.3 - Traitement des échantillons d'acier
Ils sont frottés avec du papier émery, lavés à l'acétone puis
immergés dans une solution de HC1.2N pendant 30 minutes afin de détruire le
film protecteur du métal. Ils sont alors pesés et stérilisés par passage à
travers la flamme d'un bec benzen.
V.3.1.4 - Déroulement de la manipulation et
conclusions
Les échantillons ainsi préparés sont placés dans des bouteilles de
250 ml dans lesquelles on inocule 25 ml du milieu contenant les organismes à
tester. On ajoute ensuite le milieu de culture stérile jusqu'au remplissage
total des récipients qui seront alors hermétiquement bouchés.
Les résultats suivants ont été rapportés :
* influence de milieu de culture
- Perte de poids des échantillons d'acier doux :
. en isolât marin : 0,55 mg/cm2/jour,
. en isolât d'eau saumâtre : 0,23 mg/cm2/jour.
- Perte de poids des échantillons d'acier inoxydable :
. en isolât marin : 0,026 mg/cm2/jour,
. en isolât eau douce : 0,0014 mg/cm2/jour.
- 31 -
* influence de la composition de l'acier :
Corrosion of rniid SK-cl and stainless Mccl during a i»h-da\ period in D. Jesuljurunmcultures
Strain
Control IControl 2A 1A2BlB2ClC2DlD2
Control 1Control 2A 1A2BlB 2 • •ClC2DlD2 .
Weight loss(mg)
44.230.2 •
316.0304.0116.9
- 172.2334.4380.9181.6179.8
0.40.2
-
.8
.9
fo.0.6.5.1.
Mean weightloss (me)
Mild Mcel37.2
310.2
144.6
357.7
180.7
Stainless steel
0.3
1.9
1.0
lTo
1.2 '*
Meancorrosion
tmg c m " ' day*1)
0.0695
0.579
0.270
0.668
0.337 -
0.0006
0.0035
0.0018
0.0029
.0.0021
Set bacterialcorrosion
img c m ' : day"1]
0 0000
0.510
0.200
0.598
0.268
0.0000
0.0029
0.0012
0.0023
.0.0015
V.3.2 - EXPERIENCE ENGAGEE PAR LE BR6M ; (Cf. annexe 2)
Sur la base de cette expérience dont la méthodologie est simple,
le département Géothermie du BRGM a conçu une manipulation de courte durée
destinée à argumenter plus avant un programme de recherche sur le sujet.
Ces travaux, dont la démarche méthodologique est présentée en
annexe, sont réalisés en association avec l'équipe du Professeur RIVIERE à
l'Institut National Agronomique, d'une part, et avec le Centre de Recherche
de la Société Vallourec d'autre part, pour la fourniture d'échantillons
d'acier.
- 32 -
Grossièrement, cette manipulation consiste en une immersion de
témoins d'aciers soigneusement pesés dans des échantillons d'eau
géothermique contenant des bactéries. Il s'agit ensuite de contrôler
l'évolution de la colonie bactérienne en milieu de culture spécifique, sur
une période totale de 6 mois environ, ainsi que le développement d'attaques
éventuelles sur le métal (vitesse et forme).
En fin d'expérience, les échantillons seront à nouveau pesés dans
le but de mettre en évidence une perte de poids éventuelle.
Les résultats de cette expérience en cours feront l'objet d'un
rapport ultérieur.
Remarque à titre d'information :
La planche n°ll, ci-après, établie par GATELLIER, donne l'allure des courbes
de vitesse de corrosion de différentes souches de DESULFOVIBRIO.
V. 4 - PROCESSUS D'ATTAQUE DES METAUX PAR LES BACTERIES
L'attaque se fera suivant des mécanismes qu'il est possible de
classer en 3 catégories :
V.4.1 - ACTION DE TYPE CHIMIQUE
Cette action se manifeste par la production de substances
corrosives telles que le gaz carbonique, l'hydrogène sulfuré, l'acide
sulfurique, l'ammoniaque ou un acide organique. En exemple, on peut citer le
cas de canalisations détruites au voisinage de joints de scellement
constitués d'un mélange contenant suffisamment de soufre pour permettre le
développement d'une colonie de thiobacilles dont le métabolisme se traduit
par la formation d'acide sulfurique.
_33_
COEFFICIENT D'ABSORPTION D'HYDROGENEDE DIFFERENTES SOUCHES DE DESULFO/IBRIO
- O s ° 4 _ millilitre d'hydrogène/heure _._H* "milligramme de cellules
V)
'8.•8
12000
1500
Taux de corrosionobtenus avec diffé-rentes souchesde desulfovibrio
MICROORGANISMES -QîffceWesou repos)
Desulfovibrio desuIFuricansSOUCHE
Llanelly
Hildenborough
Tedding hon
America
Bengazi
340
240
140
30
12,5Desulfovibrio o r i e n UsSingapore
Sterile
12 lemps(mois)
0
GATELLIER
PLANCHE
- 34 -
V.4.2 - ACTION PAR DEPOT
Ce second mode d'action, qui ne se traduit par aucune production
directe de substances nettement corrosives, comme dans le cas précédent,
consiste en la création de dépôts qui sont à l'origine d'une corrosion par
aération différentielle.
V.4.3 - ACTION PAR DEPLACEMENT D'EQUILIBRE ELECTRO-CHIMIQUE
Pour illustrer ce troisième mode d'action, on peut citer les cas
de corrosion par les bactéries du Fer qui puisent leur énergie métabolique
dans l'oxydation des sels Ferreux en sels Ferriques selon la réaction
suivante :
2Fe2+ + 20H~ + nH20 + 02 •» Fe2O3 + (n+1) H20 + Qcal.
V. 5 - PARAMETRES MIS EN JEU DANS LES PROCESSUS DE
CORROSION BACTERIENNE
II convient de distinguer notamment 2 facteurs essentiels :
- l'état du matériau,
- l'influence du milieu.
V.5.1 - L'ETAT DU MATERIAU
C'est un point très important car la structure et les altérations
de la surface, si minimes soient-elles, de même que les traumatismes
présentés par le métal sont autant de facteurs qui permettent l'amorce du
processus de corrosion.
V.5.2 - INFLUENCE DU MILIEU
Le rôle du milieu est indirect par le fait qu'il favorise de
manière prépondérante la prolifération de bactéries et par voie de
conséquence, le pouvoir corrosif des colonies.
- 35 -
V.5.2.1 - Composition chimique
La composition chimique de l'eau a un rôle de premier ordre, sa
teneur en oxygène et en gaz carbonique entraînant la formation d'oxydes et
de carbonates, notamment aux points traumatisés. De plus, l'oxygène
favorisera le développement des micro-organismes aérobies, tandis que le gaz
carbonique servira de source de carbone aux bactéries autotrophes.
La présence d'ions minéraux : azote, phosphore, soufre, manganèse
apportera les oligo-éléments nécessaires à la croissance bactérienne.
V.5.2.2 - Température
La température optimale de développement des bactéries se situe en
général autour de 25°C à 30°C, cependant, certaines d'entre elles présentent
des formes de résistance qui supportent des températures bien plus basses ou
bien plus élevées. De plus, selon POSTGATE, l'optimum de température pour
Desulfovibrio sp. se situe aux alentours de 40°C ce qui semble être confirmé
par les différents résultats obtenus au BRGM, à partir d'analyses de fin de
sondage géothermique.
V.5.2.3 - £|H
Le pH, en fonction de sa valeur, peut avoir un rôle d'activation
ou d'inhibition du développement des bactéries. En général, le pH optimum
est voisin de 7 avec des exceptions cependant pour des germes, tels que
thiobacillus, qui se développent dans des milieux extrêmement acides
(pH ~ 1).
V.5.2.4 - Conclusion
On peut donc conclure de cette première analyse que différentes
conditions doivent être réunies pour qu'il y ait corrosion dans un milieu
aqueux. Notons encore que ces résultats peuvent être généralisés aux eaux
des boues dont le rôle est important dans les forages géothermiques ; il
peut en effet y avoir corrosion si la terre contient les éléments minéraux
nécessaires au développement des bactéries et si son degré d'humidité est
suffisant. Le pH le plus favorable y est compris entre 5,5 et 8,5.
- 36 -
VI - APPROCHE DE L'ETUDE DU COUT DE LA CORROSION BACTERIENNE
La corrosion souterraine du fer et de l'acier coûtait, il y a
25 ans, de 0,5 à 2.109 dollars par an aux Etats-Unis. Nous étions alors en
présence d'un véritable désastre financier engendré par les bactéries
suifato-réductrices.
L'incidence du coût de la corrosion bactérienne sur l'exploitation
d'un projet géothermique reste cependant très difficile à chiffrer dans son
ensemble malgré un surcroît actuel d'intérêt vis-à-vis de ces problèmes,
intérêt d'autant plus prononcé qu'il semblerait qu'une prolifération
bactérienne accélérée, due probablement à une pollution générale (eaux,
formations réservoirs etc..) plus importante, semble se dessiner.
Pour essayer d'établir quelques données chiffrées, on peut
prendre, en ce qui concerne les installations de surface, des durées de vie
moyenne de 5 ans pour l'ensemble des éléments corrodables. Dans chaque cas,
la corrosion bactérienne peut-être estimée, en première approche, à environ
40 % de la corrosion totale (ce taux très approximatif de 40 % est déduit
empiriquement des résultats obtenus au département géothermie du BRGM, il
doit être considérer comme un ordre de grandeur à préciser.
Une estimation sur une opération moyenne classique permet donc
d'aboutir aux résultats suivants :
Les coûts sont établis au 1/08/83.
- coût approximatif d'un réseau de production et de réinjection en acier
ordinaire (hors main d'oeuvre), y compris
la pompe de réinjection : 800 000 FHT
- coût approximatif des vannes
~ 5 vannes basse pression (production) : (5x12.000) = 60 000 FHT
"» 5 vannes moyenne pression (injection): (5x15.000) = 75 000 FHT
- coût approximatif d'une colonne de production
et de la pompe d'exhaure (hors maîtrise d'oeuvre) : 1 500.000 FHT
Coût total approximatif 2.435.000 FHT
•v 2.500.000 FHT
- 37 -
Soit en franc constant, par centrale et par an : 500.000 FHT.
Part annuelle de la corrosion bactérienne (40 % du total) pour une
centrale : 200.000 FHT.
Remarquons que ce coût, donné ici dans le souci de fixer les
idées, est de toute évidence sous-évalué dans la mesure où le calcul ne
tient pas compte :
1) du manque à gagner relatif à des arrêts d'exploitations qui pourraient
résulter d'incidents liés à la corrosion bactérienne ;
2) des coûts d'interventions éventuelles sur les installations de surface ou
sur les tubages et cuvelages des puits, en cas d'incidents graves, étant
entendu que ces derniers éléments de l'installation sont immuables et
actuellement difficilement contrôlables.
Notons cependant que ces éléments peuvent être considérés comme
pondérateurs d'une erreur éventuellement commise sur le taux de base retenu
pour la part de corrosion due aux bactéries.
Le coût annuel des dégâts pouvant être occasionnés par les
bactéries doit également être rapproché du coût moyen annuel d'exploitation
(P2+P3) d'une centrale géothermique, à savoir : "» 500.000 F.
La corrosion bactérienne représenterait donc 40 % environ de ces
coûts annuels d'exploitation.
VII - CONCLUSION
Les solutions à rechercher et à étudier en matière de corrosion
bactérienne peuvent être réparties en deux groupes fondamentaux :
1) Solution chimique de type produits bactéricides
L'utilisation de bactéricides peut présenter un certain nombre
d'inconvénients. Ils peuvent, par exemple, être à l'origine de
contaminations du réservoir géothermique exploité engendrant des
précipitations éventuelles de substances chimiques colmatantes.
- 38 -
De plus, leur efficacité, si on s'en tient aux différents
résultats proposés dans la littérature et dont certains ont été décrits
précédemment, est toute relative. Ainsi, en milieu fermé (donc non
réalimenté en bactéries), une population bactérienne de 2.102 organismes
chute à 1,5.102 organismes en présence d'isothiazolone concentré à 15 ppm ;
si la concentration est de 30 ppm, cette même population chute de 1,2.105
individus à 2.102 individus en vingt jours.
De plus, une fraction des bactéries pouvant résister aux
bactéricides employés, ne risque-t-on pas, à long terme, de devoir affronter
des organismes résistants à toute une série d'inhibiteurs et à des
concentrations prohibitives ?
2) Solutions par traitements physiques
. Traitement par rayonnement ultraviolet :
Comme tous les organismes vivants, les bactéries
sulfato-réductrices sont sensibles aux rayons U.V.. Ainsi, une période
d'irradiation d'une durée de 10 minutes à une longueur d'onde de l'ordre de
250 nm stérilise totalement le milieu.
. Traitement type "Bombe au Cobalt".
. Traitement aux ultra-sons.
Des recherches doivent être entreprises dans tous ces domaines
très peu étudiés à l'heure actuelle dans la littérature.
Il est à remarquer pour finir que l'efficacité réelle des diverses
solutions envisageables est fortement atténuée dans la mesure où toutes les
données métaboliques ainsi que les caractéristiques de développement (seuils
de température, de pH etc..) de ces bactéries ne sont pas déterminées avec
plus de certitude, ce qui est le cas, comme nous avons pu le constater au vu
des divergences entre les différents auteurs. C'est donc vraisemblablement
sous cet angle que le problème doit être préalablement abordé.
-39-
ANNEXE 1
BACTERICIDES UTILISES INDUSTRIELLEMENT ET LEURS CARACTERISTIQUES
Substances
Quaternaries. American Petroleum Inatitute quaternary. Arquao 16*50%. Arquad 16'5O%
. Arquad 2C' 50 %
. Arquao 2C' 50 %
. Arquaa S-2C5D %
. Arquee S-2C'S0 %Cetyltrimethylammanium bromideCetyltrimethylammonium bromide
aimethylbenzyllaurylammonium chlorideStearylcipolyglycolbenzylarrmonium cnlorideCetylDyriainium bromide
AntibioticsûhlortBtracycline
rhlaramnnenicol
DihyürostreptomycinErythromycinNeomycinPenicillinPenicillinPalymyxin 5Polymyxin EStreptomycinStreptomycinTetracycline
Acridinium dye 914Proflavine
Benzyl violûgen
Crystal violetMsthylene blue
Mercurialso - chioromercuriDhenolp - chloromercuritoluBneBthyl mercuric acetateEthyl mBrcurithiosalicylatB
Minimusinhibitory
concentration
(MIC) (Mg/»1)
>750.2510
5500.210110
5S1D
10D100
5SO11
140 units/ml. 101* units/ml> 10 3 units/ml
10100500> 10320
1010010505010
> 103
10
500> 103
1D3
250
Organisa
Impure
DnDv
DnDvDnDVDnDv
DdDdDd
DnDv
DnDv
ImpureImpure
DvDnDvDnDVDnDV
Impure
DvDnDvDnDv
Impure
DvDn
DdDdDdDd
Temperature
CO
375530
553D553D5530
372730
5530
553022-2522-2530553055305530
22-25
3055305530373055
3D3D303D
Coeaentary
Arquads are commercial quaternariesof uncertain structure producedby Armour Inc.
Resistance augmented Qy NaCl[Costello et ali97Ü)Tested as bactéricide over 15 minTested aa bactéricide over 15 minNo reducing agsnt
No reducing agentNo reducing agentNo reducing agentNo reducing agentNo reducing agent
No reducing agent
No reducing agent, paptone medium
_ 40_
Substances
Mercuric chlorideMercury naphthenatePhenyl mercuric acetate
Phenyl mercuri-a-hyäroxy quinolateMenaphthan
Metal IonsCapper sulphateCopper sulphateCopper sulphateCapper sulphateCopper 8-hydroxyquinolateCopper B-hydroxyquinolateZinc sulphate
Mitro compounds2-bromo-2-nitropropyl acetatem-dinitrobBnzeneNitrobenzene2-nitrD-'1-butanol2-nitro-2-ethyl-"!,3-propanedial
'Furacin'
Picric acidTrinitrotoluene
PhenolicsPhenol5-chloro-thymol
m-cresolOxine
8 naphtol
Octyl cresolPentachlorophenol
2-bromo-4-phenylphenal2-chloro-4-nitrophenolTannins
Miscellaneous'napheniae'
Sulphanilamide•SulfathiozolB'4-aminoquinaldinium decyl-acetate
Hininuninhibitory
concentration(MIC) (pg/Bl)
10"
250
100100
S-3020
5-503025025010"
100161550100
100100816
10*25100>103
500500>100>100
Saturated5502525
> 10*
500500> 10500
1100
Organisa
DdDdDd
DdDd
DnDdDvDdDnDvDd
DdImpureImpureDdDd
DnDV
ImpureImpure
DvDnDVDdDnDvDnDvDdDnDvDdDdDO
DnDvDvDvDn'Dv
TemperatureCC)
3D3030
3030
55303030553030
30--
3030
5530--
305530305530553030553030 >30 )30
553030305530
Coaneûtary
Eleven other phenyl mercuric saltswere rather less activeThe most active phenyl mercuri-salt4-nitro-5-hydroxymercuri-c-cresalanhydride
2,5 \ NaCl in medium
No reducing agent
Sewage samplasSewage samples
5-nitro-2~FuraldehyoesemicarbazoneSewage samplesSewage samples
No reducing agentB-hydroxyquinoline
Mo reducing agent
The most active of 62 substitutedphenols recorded by Saleh et al.(1984) (1)
A aulphonamid« drug
No reducing agentNo reducing agent
(1) Saleh et al . [1964] listed about 30 more miscellaneous substances of generally low inhibitory activity.
Substances
'Hibitane1
•Hibitane'Dequadin acótateDequadin acetate'2:4D'
*'2:4D'Panacide'•Panacide1
EDTAEDTAFormaldehydeGlutaraldehyde
Lauryl ammonium acBtateLauryl dimethylamine oxide
Minimuminhibitory
concentration(MIC) (Mg/ml)
0.111
100> 100> 100
0.515104
> 10u
60100100510
Organism
DnDvDnDvDnDvDnDvDnDvDdDnDvDdDd
Temperature(C)
553055305530553055303755303737
Commentary
Bis-p-chlorophenyldiguanido hexanediacetateD9camethylenebis-4-amino-quinaldinium acetate2.4-dichlorophenoxyacetic acid
2.2'-dihydroxy-5,5p
dichlorodiphenyl methaneEthylenediaminetetra-acetic acid
Tested as bactéricideTested as bactéricide
- 42 -
ANNEXE 2
RECHERCHE DE LA MISE EN EVIDENCE DE L'IMPORTANCE DE
LA CORROSION BACTERIENNE SUR ACIER DOUX (A.P.I.K55)
BUT DE LA MANIPULATION : mise en évidence de la corrosion bactérienne.
Afin d'éliminer tous les doutes concernant la réalité de la
corrosion bactérienne, le programme suivant a été mis au point par le BRGM.
MATERIEL UTILISE :
- 3 bocaux (1,5 1) que l'on stérilisera à 6 = 105°C environ.
- une glacière qui assurera le transport des échantillons d'eaux à
la température du lieu de prélèvement.
Io) Recherche à travers les analyses déjà faites d'un lieu où des problèmes
de corrosion dûs à la présence de bactéries se posent ; ex. : site de
Melun, site de Creil.
2°) Le laboratoire devra contrôler régulièrement les 6 échantillons d'eau
et être capable de dire s'il y a dans le milieu des bactéries du type
sulfato-réductrice, ferrobactéries. Dès apparition, on y mettra les
plaques de métal.
Si les échantillons ne récèlent aucune présence de ces bactéries de la
corrosion, le laboratoire effectuera une 2ème analyse à partir d'autres
échantillons d'un autre puits.
3°) Le laboratoire devra également être en mesure de stériliser les
échantillons de métal.
- 43-
4o) 3 échantillons seront étudiés maintenus à 35°C alors que les 3 autres
seront étudiés à 69°C ; on observera les effets de la corrosion
bactérienne sur les 6 échantillons. Le programme s'échelonnera à partir
du mercredi 18 août sur un mois et demi :
1ère observation au bout de 15 jours
2ème observation au bout de 30 jours
3ème observation au bout de 45 jours.
5°) A la fin de chacune de ces périodes, les plaques de métal seront
grattées et le laboratoire procédera à une analyse complète du produit
du bocal et des manifestations de corrosion sur la plaque de métal
elle-même.
6°) La pesée, après corrosion et grattage du produit de corrosion des
plaques de métal permettra d'évaluer la perte de poids due aux
bactéries. Ce dernier point sera confié à la société VALLOUREC.
- 44 -
LISTE BIBLIOGRAPHIQUE DES OUVRAGES CONSULTES
J. POSTGATE - Sulfate Reducing Bacteria.
CHANTERAU.
GATELLIER G. (IFP) - Les facteurs de la corrosion biochimique, paru dans les
cahiers du Centre d'enseignement de la lutte contre la corrosion.
Rapport de M. LOPOUKHINE (BRGM) (Melun l'Almont) n° 7.7 SGN 656 GTH.
MIDDLEDICH B.S. - Article intitulé : BIOCIDES paru dans : Environnemental
effects of offshore oil products.
KING R.A., MILLER J.D.A. - Article intitulé : Corrosion of Ferrous metals by
bacterially produced iron sulphides and its control by cathodic
protection. Paru dans Anti-corrosion Methods and Material.
ROBERT E. TATNALL - Article intitulé : Fundamentals of Bacteria induced
corrosion paru dans Material performant.
GREGORY KOBRIN - Article intitulé : Corrosion by Microbiological organisms
in Natural waters. Paru dans Material performant.
DUCAN J. CROMBIE, GWILYM, MOODY and JD RONALD THOMAS - Article intitulé :
corrosion of iron by sulphate reducing bacteria paru dans
Chemistry and Industry.
I. RUSESKA, J. ROBBINS, J.W. COSTERTON - Article intitulé : Bioeide testing
against corrosion causing oil-field bacteria helps control
plugging, paru dans Oil and Gas Journal.
R.G. BELL and CHRO KIANG-LIM - Department of Microbiology National
university of Singapore, article intitulé : corrosion of mild and
stainless steel by four tropical Desulfovibrio desulfuricans
strains, extrait du Journal Canadien de Microbiologie.