La barre en acier au carbone est-elle un matériau adapté aux composants des récipients sous pression ?

La résistance à la traction et la limite d’élasticité du matériau sont conformes à la norme ASME BPVC Section II Partie D.

En ce qui concerne les récipients sous pression, les barres en acier au carbone doivent respecter certaines exigences énoncées dans le Code ASME des chaudières et récipients sous pression, notamment la Section II, Partie D, qui décrit les propriétés mécaniques des éléments contenant de la pression. En ce qui concerne la limite d’élasticité, celle-ci doit être d’au moins 205 MPa, soit environ 30 000 psi. En revanche, la résistance à la traction est moins constante : elle peut varier entre 380 et 485 MPa, soit environ 55 000 à 70 000 psi, selon la nuance et la température de fonctionnement. La barre en acier au carbone ASTM A36 est expressément citée dans les normes pour les applications où la pression ne dépasse pas 300 psi. Ces barres sont conformes aux normes en vigueur et offrent également un bon rapport résistance/poids. Une autre propriété importante est l’allongement : s’il reste supérieur à 20 %, le matériau est suffisamment ductile pour résister aux surpressions sans rupture. Maintenir une dureté inférieure à 200 HB contribue également à éviter les ruptures fragiles liées à une perte de ductilité, ce qui constitue un enjeu de sécurité particulièrement important.

Résistance du Touchstone : Spécifications : Comparaison entre l’acier ASTM A516 de grade 70 et les exigences pour service à basse température

Compte tenu de la nature de l'acier au carbone et de sa température de transition ductile-fragile, en degrés, la ténacité aux chocs devient un critère essentiel. Prenons l'exemple de l'acier ASTM A516 classe 70, un matériau fréquemment utilisé pour les tôles de récipients soudés. L'acier A515 classe 70 doit uniquement présenter une énergie absorbée de 20 J lors de l'essai de résilience Charpy V à entaille, effectué à environ -30 degrés Celsius. Cette exigence est suffisante pour des applications d'eau glacée. Toutefois, elle s'avère insuffisante pour des applications impliquant des températures d'environ -45 degrés Celsius à -49 degrés Celsius. Curieusement, l'étude des données de la section VIII de l'ASME et des mécanismes de rupture révèle que l'acier au carbone présente une performance inférieure d'environ 40 à 50 % par rapport à l'acier inoxydable austénitique. Dans la pratique, cela signifie que les oléoducs arctiques et les installations de stockage de GNL exigent une performance minimale de 40 J. Dans ce cas, les ingénieurs n'ont généralement d'autre choix que d'utiliser des alliages de nickel conformes aux spécifications ASTM A352 LCB/LCC ou d'appliquer un traitement thermique particulier de détente des contraintes après construction. Ceci résulte du fait que les barres d'acier au carbone standard ne possèdent aucune capacité intrinsèque à cet égard.

Des récipients sous pression, de la fabrication et des nuances d'acier au carbone homologuées ASTM

Récipients sous pression en acier au carbone soudé : attaches et éléments de fixation fabriqués en acier A516-70

L'acier A516-70 possède toutes les propriétés requises, puisque sa limite élastique initiale est d'environ 260 MPa (38 ksi). Il présente une bonne soudabilité ainsi qu'une ténacité fiable dans l'épaisseur des soudures à des températures de service modérées, tout en présentant un taux de carbone adapté (inférieur à 0,27 %). Cela contribue à prévenir la formation de fissures dans la zone affectée thermiquement (ZAT). Toutefois, il convient de noter que la norme ASTM A516 couvre uniquement les tôles et non les barres. L'utilisation de barres en acier au carbone constituerait une non-conformité, sauf si une nuance de barre « équivalente » est explicitement spécifiée. En ce qui concerne les formes de barres destinées aux applications résistant à la pression, d'autres normes ASTM existent, qui définissent les exigences relatives aux propriétés mécaniques et à la composition chimique.

Quand éviter d'utiliser les barres ASTM A106 et A29 pour des applications structurelles et cylindriques

Bien que les tubes sans soudure ASTM A106 puissent s’avérer très efficaces pour les composants cylindriques à haute température présents dans les buses et produits similaires, la structure chimique médiocre et incohérente du produit, ainsi que l’absence d’essais de résistance aux chocs requis, signifient qu’il ne peut tout simplement pas remplacer les barres structurales dans les applications primaires de retenue de pression. Prenons, par exemple, l’acier de qualité A29 grade 1045. Cette qualité est destinée aux applications structurales classiques, mais elle ne comporte pas de limite inférieure définie pour la limite d’élasticité ; par conséquent, sa limite d’élasticité pourrait potentiellement être très faible dans la région ductile, ce qui entraînerait une défaillance structurelle au moment le plus critique. Ces deux spécifications font également défaut en matière de composition chimique, d’essais de résistance aux chocs et d’exigences en matière de tenue des registres, telles que stipulées dans la section VIII du Code ASME BPVC. Par conséquent, pour les composants non cylindriques de retenue de pression, il convient d’utiliser des barres en acier au carbone ASTM A696. Ces barres répondent à des exigences accrues en matière de composition chimique, possèdent une résistance aux chocs éprouvée, et leurs résultats d’essais démontrent qu’elles peuvent être façonnées en raccords adaptés aux besoins essentiels de notre monde.

Comportement à la corrosion et contraintes environnementales pour les barres en acier au carbone

Vulnérabilité à la fissuration par H₂S humide, à la piqûre par chlorures et stratégies d’atténuation

Les récipients sous pression contenant de l'hydrogène sulfuré humide (H₂S) et des chlorures sont extrêmement dommageables pour les barres en acier au carbone et provoquent une détérioration rapide du métal. En service, l'acier devient sensible à un phénomène appelé fissuration sous contrainte sulfureuse. Lors de cette fissuration, de l'hydrogène (H) est absorbé par le métal et la structure de l'acier. Ce problème est encore plus accentué lorsque la dureté de l'acier augmente (supérieure à 22 HRC sur l'échelle de dureté Rockwell). La présence de chlorures crée des piles électrochimiques (ou une corrosion localisée par piqûres) à la surface ainsi que des points de concentration de contraintes, ce qui accroît considérablement la vitesse de propagation des fissures. Pour cette raison, les ingénieurs doivent sélectionner des matériaux dont la dureté est inférieure à la valeur de 22 HRC prescrite par les normes NACE MR0175 et ISO 15156. Des revêtements protecteurs (par exemple, aluminium projeté thermiquement et époxy) doivent également être appliqués. Il convient également de prendre en compte les systèmes de protection cathodique. Les systèmes de contrôle conçus pour éliminer l'H₂S, abaisser le pH et utiliser des inhibiteurs de corrosion constituent autant de moyens de maîtriser l'environnement. D'un point de vue conception, l'élimination des « zones mortes » et des espaces dans lesquels l'eau peut s'accumuler est une pratique courante pour prévenir les défaillances dues à la corrosion.

Réduction de la teneur en carbone dans les barres en acier au carbone et son effet sur la soudabilité, la fabrication et le traitement thermique post-soudage

Comment la réduction du carbone et son impact sur la zone affectée thermiquement (ZAT) et les exigences en matière de traitement thermique post-soudage (TTPS) ?

Lors de l’intégration de l’acier au carbone avec d’autres éléments pour la construction de récipients sous pression, la teneur en carbone (C) est critique pour déterminer la facilité de soudage. Lorsque la teneur en C dépasse 0,25 %, le risque augmente que la zone affectée thermiquement (ZAT) développe des propriétés indésirables, rendant cette zone sensible à la fissuration à froid après soudage. Une teneur en carbone inférieure à 0,25 % est généralement favorable au soudage, car elle permet une meilleure stabilité de l’arc, une réduction des exigences de préchauffage et une plus grande souplesse en ce qui concerne la qualification des procédés de soudage. Conformément à la norme ASME BPVC Section VIII Division 1, si l’épaisseur de toute section est égale ou supérieure à 38 mm, il est obligatoire de réaliser un traitement thermique après soudage (TTAS). Ce traitement vise à éliminer les contraintes résiduelles induites par le procédé de soudage et à restaurer un niveau de ductilité nécessaire aux composants soumis à des charges cycliques ou aux composants destinés à fonctionner dans des conditions exigeant une haute intégrité. Le TTAS typique consiste à chauffer la pièce à une température cible comprise entre 600 et 700 °C pendant une heure par tranche de 25 mm d’épaisseur, et un préchauffage est requis avant le TTAS afin d’éviter tout choc thermique.

Suivre correctement ces étapes garantit que tout reste dimensionnellement stable et que la structure conserve sa fiabilité dans le temps, sans incidence majeure sur le taux de production.

Quelle est la limite élastique minimale des barres en acier au carbone utilisées pour les récipients sous pression ?

La limite élastique minimale requise est de 205 MPa ou 30 000 PSI.

Pourquoi l’acier au carbone ASTM A516 classe 70 est-il le matériau privilégié pour les pièces soudées de récipients en acier au carbone ?

En raison de son équilibre optimal de propriétés, notamment une limite élastique minimale d’environ 260 MPa, une bonne soudabilité et une bonne ténacité.

Quels sont les effets de la température sur la résistance au choc de l’acier au carbone ?

Les basses températures réduisent la résistance au choc de l’acier au carbone, ce qui le rend moins performant que les aciers inoxydables austénitiques.

Quelles sont les méthodes permettant de maîtriser la corrosion des barres en acier au carbone ?

Utilisation de matériaux dont la dureté est inférieure à 22 HRC, application de revêtements protecteurs, protection cathodique et maîtrise de l’environnement.

Quelle est l'importance de la teneur en carbone lors du soudage de barres en acier au carbone ?

Si la teneur en carbone reste inférieure à 0,25 %, cela favorisera un arc stable pendant le soudage, réduira la nécessité d’un préchauffage et rendra l’acier moins sensible aux fissures à froid.