Meilleures pratiques pour prévenir les ruptures fragiles dans les tuyaux, les brides et les raccords en acier au carbone

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Note de l'éditeur : cet article fait suite à "Causes et remèdes aux défaillances des composants de bobine ductile" et "ASME examine les exigences de test pour les tuyaux, les raccords et les brides".

Les alliages traditionnels jouent un rôle standard dans la fabrication des métaux, qu'il s'agisse d'aciers inoxydables pour dispositifs médicaux ou de produits marins ; toutes les générations d'aciers hautes performances développés au cours des deux dernières décennies pour l'industrie automobile ; ou des métaux tels que l'aluminium et le titane, qui ont des rapports résistance/poids élevés et une résistance élevée à la corrosion, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications aérospatiales, de raffinage et de traitement chimique.

Il en va de même pour certains alliages d'acier au carbone, en particulier ceux qui contiennent des quantités spécifiques de carbone et de manganèse. Certains d'entre eux, selon les quantités d'éléments d'alliage, sont bien adaptés à la fabrication de brides, de raccords et de tuyaux pour les usines de traitement chimique et les raffineries. Tous ont une caractéristique en commun : les matériaux utilisés dans ces applications doivent être suffisamment ductiles pour résister à la rupture fragile et à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC).

Les organismes de normalisation tels que l'American Society of Manufacturing Engineers (ASME) et ASTM Intl. (anciennement connu sous le nom de American Society of Testing and Materials) fournissent des conseils à ce sujet. Deux codes industriels pertinents - ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVD) Section VIII, Division 1 et ASME B31.3, Process Piping - considèrent que les aciers au carbone (tout matériau ferreux contenant 0,29 % à 0,54 % de carbone et 0,60 % à 1,65 % de manganèse) sont suffisamment ductiles pour être utilisés dans des climats chauds, des zones douces et des zones dans lesquelles la température descend jusqu'à -20 degrés F. conduit à un examen plus approfondi concernant les quantités et les rapports de divers éléments de microalliage utilisés dans la fabrication de ces brides, raccords et tuyaux.

Jusqu'à récemment, ni l'ASME ni l'ASTM n'exigeaient des tests d'impact pour confirmer le comportement ductile de nombreux articles en acier au carbone utilisés à des températures aussi basses que -20 degrés F. Les décisions d'exempter certains produits étaient basées sur les propriétés historiques des matériaux. Par exemple, les produits en acier au carbone tels que les brides A105, les raccords A234-WPB et les tuyaux en acier au carbone A106 de classe B avec une épaisseur de paroi de ½ po (25 mm) ou moins, lorsqu'ils sont utilisés à une température minimale de conception du métal (MDMT) de -20 degrés F, ont été exemptés des essais d'impact en raison de leur rôle traditionnel dans de telles applications.

Cependant, l'acceptation historique et les applications traditionnelles ne tiennent pas nécessairement éternellement. Certains matériaux qui relèvent de la courbe B de la révision 2017 de l'ASME VIII-1, UCS-66 (voir la figure 1), ont un historique documenté récent de défaillances dues à une rupture fragile à des températures supérieures à -20 degrés F, et dans de nombreux cas à des températures chaudes. Par conséquent, ils sont considérés comme présentant un risque de rupture fragile à température ambiante, principalement lors du démarrage, de l'arrêt, des essais hydrostatiques et de la dépressurisation rapide (autoréfrigération).

La pratique d'ajouts volontaires d'éléments traces lors de la fabrication des aciers moyennement carbonés, qui contiennent de 0,18 % à 0,23 % de carbone, vise éventuellement à réduire la température et le temps de traitement thermique. Utilisée au cours des dernières décennies, cette technique a eu une conséquence imprévue : fissuration fragile des brides de grade A105, des raccords A234-WPB et des tuyaux en acier au carbone A106-B. Ce phénomène est connu pour se produire à des températures ambiantes.

Ce problème devient aigu lorsque des matériaux sujets au SCC sont déployés dans certaines conditions de service. Selon le MR0103 de la National Association of Corrosion Engineers (NACE), une conception, un traitement (découpage, pliage, soudage), une installation ou une manipulation inappropriés peuvent rendre les matériaux résistants sensibles au SCC. Les concentrations de contraintes dans les encoches locales, telles que les piqûres de corrosion, rendent les soudures vulnérables au SCC. Les contraintes de traction résiduelles du soudage sont également connues pour initier la fissuration sans contraintes externes. Les soudures qui n'ont pas été relâchées et les composants qui ont été travaillés à froid sont particulièrement vulnérables. Le non-respect des exigences de traitement thermique, mécaniques ou chimiques des spécifications ne peut être vérifié que par un examen métallurgique. Les imperfections sur les surfaces usinées des brides soudées ne peuvent être détectées que par une évaluation volumétrique non destructive.

L'UE a reconnu ce problème et exige des tests d'impact au MDMT concerné. L'ASME a reconnu ce problème dans l'édition 2019 de la spécification ASME BPVC VIII-I lorsqu'elle a réaffecté ces aciers au carbone à la courbe A des courbes d'exemption de test d'impact présentées dans l'illustration UCS-66.

Dans la version 2019, les matériaux de la courbe A (évalués pour un MDMT de 18 degrés F) incluent les éléments suivants :

FIGURE 1. Ce graphique, qui se rapproche de la norme ASME UCS-66 et apparaît ici à des fins d'illustration uniquement, montre quatre fonctions de température pour les essais d'impact. Si un alliage est répertorié comme appartenant à la courbe C, son épaisseur est de 3,5 pouces et le MDMT est de 60, il est au-dessus de la courbe et n'a pas besoin d'un test d'impact. Si un article similaire a un MDMT de 40, il est en dessous de la courbe et nécessite un test d'impact.

Ces aciers peuvent être réintégrés à la courbe B (-20 degrés F MDMT) grâce à un traitement supplémentaire tel que la normalisation et la trempe, répertoriés dans les notes de l'illustration UCS-66.

Dans la publication 2019 de l'ASME BPVC VIII-I, illustration UCS-66, les matériaux de la courbe B (évalués pour un MDMT de -20 degrés F) incluent les éléments suivants :

Par conséquent, si les essais d'impact ne sont pas possibles, le fabricant doit utiliser une chimie plus restrictive que la chimie autorisée par les limites de contrôle répertoriées dans les spécifications ASTM/ASME des matériaux individuels pour éviter les ruptures fragiles et le SCC (voir Figure 2).

Les notes suivantes fournissent des informations supplémentaires :

Sans ces précautions, les composants sous pression en acier au carbone sont susceptibles d'être vulnérables à la rupture fragile pendant les essais hydrauliques ou pendant le fonctionnement, même lorsqu'ils sont utilisés à ou en dessous de 60 degrés F.

Étant donné que la composition chimique de l'acier s'est avérée être la principale cause des défaillances SCC, l'incorporation de ces meilleures pratiques contribuera grandement à réduire ce mode de défaillance, et probablement à l'éliminer, dans les circuits de tuyauterie comme décrit dans ASME B31.3, B31.1, B31.12 et des spécifications similaires.

FIGURE 2. Pour prévenir la fissuration par corrosion sous contrainte dans l'acier au carbone, les meilleures pratiques incluent l'utilisation de ces limites de contrôle pour la chimie de l'acier.