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.