EP0974678A1 - Procédé et acier pour la fabrication d'une enceinte chaudronnée, travaillant en présence d'hydrogène sulfuré - Google Patents

Procédé et acier pour la fabrication d'une enceinte chaudronnée, travaillant en présence d'hydrogène sulfuré Download PDF

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EP0974678A1
EP0974678A1 EP99401632A EP99401632A EP0974678A1 EP 0974678 A1 EP0974678 A1 EP 0974678A1 EP 99401632 A EP99401632 A EP 99401632A EP 99401632 A EP99401632 A EP 99401632A EP 0974678 A1 EP0974678 A1 EP 0974678A1
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steel
enclosure
less
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equal
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EP99401632A
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Pierre Bocquet
Philippe Mabelly
Philippe Bourges
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Industeel France SAS
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Creusot Loire SA
Creusot Loire Industrie SA
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of boilers intended to work under pressure under conditions of risk of cracking under stress caused by H 2 S.
  • boiled enclosures are used to treat gases having high H 2 S contents. These enclosures which work under pressure and contain flammable gases pose significant safety problems which are resolved by applying codified construction rules.
  • codified construction rules by different standards or building codes, in particular the NACE MR 0175-97 standard and the codes of the ASME code type.
  • H 2 S in particular in the presence of moisture, creates risks of rupture by stress corrosion, and the NACE standard defines conditions for partial pressure of H 2 S for which specific construction rules must be observed to guarantee the safety of the installations. These construction rules are also defined by the standard and are binding on builders.
  • the NACE MR 0175-97 standard requires that materials must give satisfactory results when tested for cracking in the presence of hydrogen defined by standard NACE TM 0177-90, and indicates very generally the materials and the conditions of implementation likely to give satisfaction.
  • For boilers it is theoretically possible to use carbon or low alloy steels, too both in the normalized state and in the quenched quenched state, provided that these contain less than 1% nickel and they have a hardness less than or equal to 22 HRC. Yes the enclosures or their components have been tensioned, the stress relieving must have been executed above 595 ° C. In addition, after assembly by welding of the components, the enclosures must be subjected to a post-welding heat treatment at a temperature above 620 ° C so as to obtain a hardness less than or equal to 22 HRC at all points.
  • pressure vessels working under the risk of cracking under stress caused by H 2 S are manufactured using carbon and manganese steels in the standardized state whose guaranteed tensile strength Rm does not exceed not 485 MPa. This results in significant wall thicknesses and therefore heavy weights for the equipment thus constructed. The high weight is an annoyance, especially for the equipment installed on marine platforms.
  • micro low carbon steels alloyed with vanadium or niobium obtained by controlled rolling. These steels achieve a guaranteed tensile strength level of around 550 MPa and a limit level guaranteed elasticity of around 450 MPa. On the one hand, these steels are not usable for making hot formed parts, on the other hand, they are only applicable only to thicknesses less than 40 mm.
  • suitable welding conditions must be chosen, characterized in particular by a minimum preheating temperature and a welding energy per unit of minimum length.
  • These welding conditions can be synthesized in the form of a cooling time between 800 ° C and 500 ° C of the weld bead or the area affected by the heat of welding (as defined in standard NF A 36- 000).
  • this cooling time must be greater than a critical value which they have called “trc 800/500” (which will be defined more fully below), and which is a function of the steel used and of the constraints imposed by the building codes. Welding is all the more difficult to perform with reliability as this value is high.
  • Tempered steels used in boilermaking have a trc 800/500 (critical cooling time between 800 ° C and 500 ° C) greater than 10 s, which is too important to allow these steels to be used in satisfactory conditions for manufacturing H 2 S resistant pressure vessels
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a means for manufacturing boilers, working in H 2 S medium, lighter than known speakers, while also being safe.
  • the chemical composition of the steel is such that Nb + V ⁇ 0.02%; preferably also, it is such that: 0.04% ⁇ C ⁇ 0.09% Cr ⁇ 0.6% 0.2% ⁇ Mo ⁇ 0.5%
  • the invention also relates to a boiler enclosure intended to work under pressure between - 40 ° C and 200 ° C under the conditions of risk of cracking under stress generated by H 2 S as defined by the standard NACE MR 0175-97.
  • the steel has a martensitic or martensito-bainitic tempered structure containing less than 10% ferrite, and preferably not containing ferrite, a tensile strength Rm greater than or equal to 550 MPa, a yield strength greater than or equal at 450 MPa, an elongation A% greater than 17%, and a resilience KCV at - 40 ° C greater than or equal to 40 Joules,
  • the hardness at all points of the surface of the enclosure is less than 248 HV.
  • the composition of the steel is such that Nb + V ⁇ 0.02%. It is also preferable that: 0.04% ⁇ C ⁇ 0.09% Cr ⁇ 0.6% 0.2% ⁇ Mo ⁇ 0.5%
  • the thickness of the walls of the sheet metal enclosure can be between 50 mm and 300 mm.
  • the chemical composition is such that Nb + V ⁇ 0.02%. It is also preferable that: 0.04% ⁇ C ⁇ 0.09% Cr ⁇ 0.6% 0.2% ⁇ Mo ⁇ 0.5%
  • the steel is chosen so that the critical cooling time trc 800/500 is less than 10 s.
  • the critical cooling time trc 800/500 is measured by a series B.O.P. (Bead On Plate) which consists of measuring the hardness under a bead on a 20 mm thick sample on which a weld bead was made by the submerged arc process, then a post-welding heat treatment consisting of holding at 620 ° C for 4 hours, this holding being preceded by a heating and followed by cooling both carried out at a speed less than 50 ° C / hour.
  • B.O.P. Bead On Plate
  • trc 800/500 we vary the energy of welding between 1 kJ / mm and 3 kJ / mm, which varies the cooling time tr 800/500 between 4s and 20s, then we draw the curve giving the hardness under bead as a function of the cooling time tr 800/500, and the time for determining cooling tr 800/500 for which the hardness under cord is 248 HV; this time is the critical cooling time trc 800/500.
  • the hardness under cord is measured according to French standard NF A 81-460.
  • the NACE standard refers to a lower hardness under cord at 22 HRC.
  • HRC hardness measurement is often difficult to perform, more than in principle, it makes a local average of the hardness. It is better and more easy to carry out a Vickers hardness measurement, and because of the relationship between hardness Vickers and Rockwell C hardness, ensuring Vickers hardness less than or equal at 248 HV, a Rockwell C hardness of less than 22 HRC is guaranteed.
  • the quenching is carried out after reheating above the AC 3 point of the steel by cooling with water, oil, blown air or air, depending on the thickness of the component.
  • the heat treatment includes at least one tempering after quenching and carried out at a temperature generally greater than 550 ° C., and preferably less than 680 ° C.
  • a tempering is carried out at a temperature above 680 ° C, it corresponds to an “intercritical” treatment. In this case, it can be necessary to control cooling as after quenching.
  • the “post-welding” treatment is an income produced at a temperature greater than or equal to 595 ° C, and preferably greater than 620 ° C, but less than 680 ° C.
  • the quenching treatment and income can be done before or after shaping, and income can be intended simply to facilitate shaping or on the contrary to impart to steel its final properties.
  • the final properties of the steel itself are imparted by the post-welding treatment, and the pre-tempering temperature is lower than the post-welding treatment temperature.
  • the post-welding treatment essentially serves to relax the enclosure and soften it areas affected by welding heat; the post-welding treatment must, then, be performed at a temperature below the tempering temperature.
  • the temperature T PS of post-welding treatment making it possible to obtain a hardness under a bead of less than 248 HV (or 22 HRC) depends, in part on the parameter tr 800/500, it follows that it is preferable to simultaneously determine the conditions welding and post-welding treatment, which can be done by a few BOP tests on samples.
  • steels having the following chemical compositions can be used: VS Yes Mn Or Cr Mo Cu V THIS AT 0.08 0.24 0.89 1.8 0.25 0.4 0.21 0.01 0.28 B 0.07 0.23 1.57 1.37 0.21 0.21 0.23 0.01 0.30 VS 0.06 0.23 1.72 1.77 0.11 0.21 0.24 0.01 0.31 D 0.06 0.23 1.32 1.6 0.26 0.25 0.2 0.01 0.28 E 0.06 0.16 0.9 1.87 0.25 0.4 0.21 0.01 0.25
  • These steels can be quenched and then returned to 665 ° C to obtain a returned martensito-bainitic structure, free of ferrite having a hardness of between 195 and 210 HV.
  • These steels have a critical cooling time trc 800/500 of less than 10 s, as shown by the following results, obtained using the method described above:
  • a steel having the following composition can be used: VS Yes Mn Or Cr Mo Cu Al S P Sn Ace Sb THIS 0.04 0.14 1.20 0.85 0.18 0.29 0.72 0.02 0.002 0.006 0.015 0.014 0.001 0.26
  • This steel has a critical cooling time trc 800/500 of less than 4 s.
  • the pressure vessel should have been built with 106 mm thick sheets. We thus obtained a gain of weight of 12%.
  • tempered steel which makes it possible to obtain on sheets approximately the same tensile characteristics as above, and which has the following chemical composition: VS Yes Mn Or Cr Mo Cu Al V S P Sn THIS 0.075 0.245 1.32 0.509 0.147 0.212 0.17 0.018 0.047 0.0007 0.0088 0.009 0.26
  • this steel has the drawback of having a very high critical cooling time trc 800/500, since for a cooling time of 10.4 s, the hardness under a bead is 262 HV after a post-welding treatment of 4h at 620 ° C, which does not meet the conditions imposed by the NACE standard.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40 °C et 200 °C en présence d'H2S dans les conditions définies par la norme NACE MR 0175-97 selon lequel : on fabrique des composants de l'enceinte en acier de composition chimique : 0,03 % <= C <= 0,15 % ; 0 % <= Si <= 0,5 % ; 0,4 % <= Mn <= 2,5 % ; 0,5 % <= Ni <= 3 % ; 0 % <= Cr <= 1 % ; 0 % <= Mo <= 0,5 % ; 0 % <= Al <= 0,07 % ; 0 % <= Ti <= 0,04 % ; 0 % <= B <= 0,004 % ; 0 % <= V <= 0,02 % ; 0 % <= Nb <= 0,05 % ; Cu <= 1 % ; S <= 0,015 % ; P <= 0,03 % ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 <= 0,35 ; trc 800/500 <= 10 s ; les composants étant trempés et revenus ; la structure est martensitique ou martensito-bainitique avec moins de 10 % de ferrite; la température de revenu est < 680°C. On effectue éventuellement un détensionnement à une température >= 595°C. On soude les composants dans des conditions telles que le temps de refroidissement tr entre 800 °C et 500 °C de la ZAC soit > 5 secondes, et on effectue un traitement thermique post-soudage entre 595°C et 680°C, l'acier étant tel que Rm >= 550 MPa, Re >= 450 MPa, A % >= 17 %, KCV >= 40 J à - 40°C, et la dureté en tous points de la surface de l'enceinte est <= 248 HV. Enceinte obtenue et acier.

Description

La présente invention est relative à la fabrication d'enceintes chaudronnées destinées à travailler sous pression dans des conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrée par l'H2S.
Dans l'industrie pétrochimique on utilise des enceintes chaudronnées pour traiter des gaz ayant de fortes teneurs en H2S. Ces enceintes qui travaillent sous pression et contiennent des gaz inflammables posent des problèmes de sûreté importants qui sont résolus en appliquant des règles de construction codifiées par différentes normes ou codes de construction, en particulier la norme NACE MR 0175-97 et les codes du type du code ASME. L'H2S, en particulier en présence d'humidité, engendre des risques de rupture par corrosion sous contrainte, et la norme NACE définit des conditions de pression partielle d'H2S pour lesquelles des règles particulières de constructions doivent être respectées pour garantir la sûreté des installations. Ces règles de construction sont également définies par la norme et s'imposent aux constructeurs.
D'une façon générale, la norme NACE MR 0175-97 impose que les matériaux doivent donner des résultats satisfaisants lorsqu'ils sont soumis à des essais de fissuration en présence d'hydrogène définis par la norme NACE TM 0177-90, et indique d'une façon très générale les matériaux et les conditions de mise en oeuvre susceptibles de donner satisfaction. Pour les enceintes chaudronnées, il est théoriquement possible d'utiliser des aciers au carbone ou faiblement alliés, aussi bien à l'état normalisé qu'à l'état trempé revenu, à condition que ceux-ci contiennent moins de 1 % de nickel et qu'ils aient une dureté inférieure ou égale à 22 HRC. Si les enceintes ou leurs composants ont été détensionnés, le détensionnement doit avoir été exécuté au dessus de 595 °C. De plus, après assemblage par soudage des composants, les enceintes doivent être soumises à un traitement thermique post-soudage à une température supérieure à 620 °C de façon à obtenir une dureté inférieure ou égale à 22 HRC en tous points.
En général, les enceintes sous pression travaillant dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrée par l'H2S sont fabriquées en utilisant des aciers au carbone et au manganèse à l'état normalisé dont la résistance à la traction garantie Rm ne dépasse pas 485 MPa. Il en résulte des épaisseurs de paroi importantes et donc des poids élevés pour les équipements ainsi construits. Le poids élevé est une gêne, notamment pour les équipements installés sur les plates-formes marines.
Afin d'augmenter les caractéristiques mécaniques garanties, il a été proposé d'utiliser les aciers au carbone et au manganèse à l'état trempé revenu. Mais ces aciers ne permettent pas de garantir une résistance à la traction supérieure à 500 MPa ni une limite d'élasticité supérieure à 400 MPa. De plus, ces caractéristiques ne peuvent être garanties que pour des épaisseurs ne dépassant pas environ 80 mm.
On peut également utiliser des aciers à bas carbone micro alliés au vanadium ou au niobium, obtenus par laminage contrôlé. Ces aciers permettent d'atteindre un niveau de résistance à la traction garanti d'environ 550 MPa et un niveau de limite d'élasticité garanti d'environ 450 MPa. Mais, d'une part ces aciers ne sont pas utilisables pour fabriquer des pièces formées à chaud, d'autre part, ils ne sont applicables qu'à des épaisseurs inférieures à 40 mm.
Certes, il existe bien des aciers faiblement alliés utilisés en chaudronnerie à l'état trempé-revenu qui permettent d'obtenir des caractéristiques mécaniques de calcul plus élevées, mais, ces aciers ne permettent pas de satisfaire aux conditions imposées par la norme NACE. De plus, ils demandent des précautions de soudage qu'il n'est pas toujours facile de respecter avec fiabilité sur les chantiers, notamment lorsqu'on effectue des opérations de réparation. L'utilisation de ces aciers pour le type d'application envisagé ici, engendrerait des risques de défauts dans les soudures, et, en conséquence, des risques d'incidents graves.
Plus précisément, pour fabriquer des enceintes chaudronnées sûres, on doit choisir des conditions de soudage adaptées, caractérisées notamment par une température de préchauffage minimale et une énergie de soudage par unité de longueur minimale. Ces conditions de soudage peuvent être synthétisées sous la forme d'un temps de refroidissement entre 800°C et 500°C du cordon de soudure ou de la zone affectée par la chaleur de soudage (comme cela est défini dans la norme NF A 36-000). Pour satisfaire au critère de dureté maximale de 22 HRC, les inventeurs ont constaté que ce temps de refroidissement doit être supérieur à une valeur critique qu'ils ont appelé « trc 800/500 » (qui sera défini de façon plus complète plus loin), et qui est fonction de l'acier utilisé et des contraintes imposées par les codes de construction. Le soudage est d'autant plus délicat à réaliser avec fiabilité que cette valeur est élevée. Les aciers trempés revenus utilisés en chaudronnerie ont un trc 800/500 (temps de refroidissement critique entre 800°C et 500°C) supérieur à 10 s, ce qui est trop important pour permettre d'utiliser ces aciers dans des conditions satisfaisantes pour fabriquer des enceintes sous pression résistant à l'H2S.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen pour fabriquer des enceintes chaudronnées travaillant en milieu H2S, plus légères que les enceintes connues, tout en étant aussi sûres.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200°C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrés par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97 selon lequel :
  • on fabrique des composants de l'enceinte chaudronnée en acier dont la composition chimique comprend, en poids :
       0,03 % ≤ C ≤ 0,15%
       0 % ≤ Si ≤ 0,5%
       0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
       0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
       0 % ≤ Cr ≤ 1%
       0 % ≤ Mo ≤ 0,5%
       0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
       0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
       avec, de préférence Al + Ti ≥ 0,01 %
       0 % ≤ B < 0,004%
       0 % ≤ V ≤ 0,02 %
       0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
          Cu ≤ 1 %
          S ≤ 0,015 %
          P ≤ 0,03 %
    le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35, et telle que le trc 800/500 soit inférieur à 10s, les composants étant trempés et revenus, après ou avant mise en forme, de façon à obtenir une structure martensitique ou martensito-bainitique revenue contenant moins de 10 % de ferrite, et de préférence ne contenant pas de ferrite, le revenu étant effectué à une température TR de préférence inférieure à 680°C,
    • après mise en forme des composants, on effectue éventuellement un détensionnement à une température supérieure ou égale à 595°C,
    • on soude les composants de l'enceinte chaudronnée avec une énergie de soudage et des conditions de préchauffage tels que le temps de refroidissement tr 800/500 entre 800°C et 500°C de la zone affectée par la chaleur de soudage soit supérieur ou égal à 5 secondes,
    • et on effectue un traitement thermique post-soudage à une température TPS supérieure à 595°C et inférieure à 680°C, et de préférence inférieure à 650°C, l'acier ayant alors une résistance à la traction supérieure ou égale à 550 MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 450 MPa, un allongement A % supérieur à 17 %, et une résilience KCV à - 40°C supérieure à 40 Joules, et la dureté en tous points de la surface de l'enceinte est inférieure à 248 HV.
De préférence, la composition chimique de l'acier est telle que Nb + V ≤ 0,02 % ; de préférence également, elle est telle que :
   0,04 % ≤ C ≤ 0,09 %
      Cr ≤ 0,6 %
   0,2 % < Mo < 0,5 %
L'invention concerne également une enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200°C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrée par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97 . Cette enceinte chaudronnée est constituée d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids :
   0,03 % ≤ C ≤ 0,15%
   0 % ≤ Si ≤ 0,5%
   0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
   0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
   0 % ≤ Cr ≤ 1%
   0 % ≤ Mo ≤ 0,5%
   0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
   0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
   avec, de préférence Al + Ti ≥ 0,01 %
   0 % ≤ B < 0,004 %
   0 % ≤ V ≤ 0,02%
   0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
      Cu ≤ 1 %
      S ≤ 0,015 %
      P ≤ 0,03 %
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 et telle que trc 800/500 soit inférieure à 10s. L'acier a une structure martensitique ou martensito-bainitique revenue contenant moins de 10 % de ferrite, et de préférence ne contenant pas de ferrite, une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 550 MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 450 MPa, un allongement A % supérieur à 17 %, et une résilience KCV à - 40°C supérieure ou égale à 40 Joules, De plus, la dureté en tous points de la surface de l'enceinte est inférieure à 248 HV.
De préférence, la composition de l'acier est telle que Nb + V ≤ 0,02 %. Il est également préférable que :
   0,04 % ≤ C ≤ 0,09 %
      Cr ≤ 0,6 %
   0,2 % ≤ Mo ≤ 0,5%
L'épaisseur des parois de l'enceinte chaudronnée peut être comprise entre 50 mm et 300 mm.
L'invention concerne, enfin, un acier pour la fabrication d'enceintes chaudronnées destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200°C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrés par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97, la composition chimique comprenant, en poids :
   0,03 % ≤ C ≤ 0,15 %
   0 % ≤ Si ≤ 0,5%
   0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
   0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
   0 % ≤ Cr ≤ 1 %
   0 % ≤ Mo ≤ 0,5 %
   0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
   0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
avec, de préférence Al + Ti ≥ 0,01 %
   0 % ≤ B ≤ 0,004 %
   0 % ≤ V ≤ 0,02 %
   0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
      Cu ≤ 1 %
      S ≤ 0,015 %
      P ≤ 0,03 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35, l'acier ayant un trc 800/500 inférieur à 10s.
De préférence, la composition chimique est telle que Nb + V ≤ 0,02 %. Il est également préférable que :
   0,04% ≤ C ≤ 0,09%
      Cr ≤ 0,6 %
   0,2 % ≤ Mo ≤ 0,5%
L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par des exemples.
Pour fabriquer une enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200°C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrée par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97, on utilise un acier dont la composition chimique comprend, en poids :
  • de 0,03 % à 0,15 % , et de préférence moins de 0,09 % de carbone pour obtenir une résistance à la traction suffisante tout en permettant d'obtenir une dureté sous cordon inférieure à 248 HV après traitement thermique après soudage,
  • de 0 % à 0,5 % de silicium pour désoxyder,
  • de 0,4 % à 2,5 % de manganèse pour obtenir une résistance à la traction suffisante tout en permettant l'adoucissement des zones affectées par la chaleur de soudage et en améliorant la résilience à basse température des structures bainitiques, lorsque le métal en contient,
  • de 0,5 % à 3 % de nickel pour améliorer la trempabilité, ce qui est nécessaire pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées pour de fortes épaisseurs, tout en permettant l'adoucissement des zones affectées par la chaleur de soudage et en améliorant la résilience à basse température des structures bainitiques, lorsque le métal en contient,
  • moins de 1 %, et de préférence, moins de 0,6 % de chrome, cet élément est favorable à l'obtention de bonnes caractéristiques mécaniques après revenu, mais rend difficile l'obtention d'une dureté sous cordon inférieure à 248 HV,
  • moins de 0,5 % de molybdène, pour les mêmes raisons que le chrome, mais, de préférence plus de 0,2 % pour faciliter l'obtention des caractéristiques mécaniques après un revenu important,
  • éventuellement, jusqu'à 0,02 % de vanadium et jusqu'à 0,05 % de niobium ; de préférence, la somme des teneurs en vanadium et niobium ne doit pas dépasser 0,02 % ; ces éléments permettent d'améliorer les caractéristiques mécaniques mais rendent difficile l'obtention d'une dureté sous cordon après traitement thermique après soudage inférieure à 248 HV,
  • moins de 1 % de cuivre ; cet élément est en général une impureté apportée par les matières premières ; il peut également être ajouté pour augmenter les caractéristiques mécaniques de traction par un effet de durcissement structural en présence de nickel ; mais, en trop grande quantité, il rend difficile le formage à chaud,
  • de 0 % à 0,07 % d'aluminium pour désoxyder et fixer l'azote toujours présent, au moins à titre de résidu de l'élaboration,
  • éventuellement jusqu'à 0,04 % de titane pour fixer l'azote,
  • de préférence, la somme des teneurs en aluminium et titane doit être supérieure à 0,01 %, notamment pour contrôler la taille du grain,
  • éventuellement jusqu'à 0,004 % de bore pour augmenter la trempabilité,
Le reste étant du fer et des impureté résultant de l'élaboration. Ces impuretés sont, notamment, le soufre et le phosphore dont les teneurs doivent, de préférence rester inférieures, respectivement, à 0,015 % pour améliorer la résistance à l'H2S, et à 0,03 % pour limiter la sensibilité de l'acier à la fragilité de revenu réversible.
Pour obtenir une bonne soudabilité, la composition chimique est telle que : CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 ≤ 0,35 (dans cette expression, C, Mn, etc représentent les teneurs en % des éléments correspondants)
De plus, l'acier est choisi pour que le temps de refroidissement critique trc 800/500 soit inférieur à 10s.
Le temps de refroidissement critique trc 800/500 est mesuré par une série d'essais B.O.P. (Bead On Plate) qui consistent à mesurer la dureté sous cordon sur un échantillon de 20 mm d'épaisseur sur lequel on a réalisé un cordon de soudure par le procédé à arc submergé, puis un traitement thermique post-soudage consistant en un maintien à 620°C pendant 4 heures, ce maintien étant précédé d'un chauffage et suivi par un refroidissement effectué tous les deux à une vitesse inférieure à 50°C/heure. Pour déterminer trc 800/500, on fait varier l'énergie de soudage entre 1 kJ/mm et 3 kJ/mm, ce qui fait varier le temps de refroidissement tr 800/500 entre 4s et 20s, puis on trace la courbe donnant la dureté sous cordon en fonction du temps de refroidissement tr 800/500, et on détermine le temps de refroidissement tr 800/500 pour lequel la dureté sous cordon est de 248 HV ; ce temps est le temps de refroidissement critique trc 800/500. La dureté sous cordon est mesurée selon la norme française NF A 81-460.
A noter que la norme NACE fait référence à une dureté sous cordon inférieure à 22 HRC. Mais, la mesure de dureté HRC est souvent difficile à réaliser, de plus de par son principe, elle fait une moyenne locale de la dureté. Il est préférable et plus facile de réaliser une mesure de dureté Vickers, et du fait de la relation entre dureté Vickers et dureté Rockwell C, en garantissant une dureté Vickers inférieure ou égale à 248 HV, on garantit une dureté Rockwell C inférieure à 22 HRC.
Avec cet acier coulé sous forme de brames ou de lingots, on fabrique des composants d'enceinte chaudronnée. Ces composants peuvent être des viroles obtenues soit par forgeage soit par envirolage de tôles ; ils peuvent être aussi des fonds en forme de calotte sphérique obtenus par forgeage ou par emboutissage de plaques circulaires. Ces composants dont les parois peuvent avoir une épaisseur comprise entre 50 mm et 300 mm, sont mis en forme à chaud ou à froid, soumis à un traitement thermique de trempe et revenu, puis assemblées par soudage. L'enceinte ainsi obtenue est enfin soumise à un traitement thermique « post-soudage ». L'ensemble du traitement thermique est ajusté pour que la structure de l'acier soit martensitique ou martensito-bainitique revenue, contenant moins de 10 % de ferrite, et de préférence ne contenant pas de ferrite, et pour que :
  • la résistance à la traction Rm de l'acier soit supérieure ou égale à 550 MPa,
  • la limite d'élasticité Re de l'acier soit supérieure ou égale à 450 MPa,
  • l'allongement A% de l'acier soit supérieur ou égal à 17 %,
  • la résilience KCV de l'acier, à - 40°C soit supérieure ou égale à 40 Joules (moyenne de 3 essais),
  • et la dureté en tous points de l'enceinte soit inférieure à 248 HV.
La trempe est effectuée après réchauffage au dessus du point AC3 de l'acier par refroidissement à l'eau, à l'huile, à l'air soufflé ou à l'air, selon l'épaisseur du composant.
Le traitement thermique comporte au mois un revenu effectué après la trempe et réalisé à une température en général supérieure à 550°C, et de préférence inférieure à 680°C. Lorsque le revenu est effectué à une température supérieure à 680°C, il correspond à un traitement « intercritique ». Dans ce cas, il peut être nécessaire de contrôler le refroidissement comme après une trempe.
Le traitement « post-soudage » est un revenu réalisé à une température supérieure ou égale à 595°C, et de préférence supérieure à 620°C, mais inférieure à 680°C.
Selon la nature des pièces et le mode de fabrication, le traitement de trempe et de revenu peut être fait avant ou après mise en forme, et le revenu peut être destiné simplement à faciliter la mise en forme ou au contraire à conférer à l'acier ses propriétés définitives. Dans le premier cas, les propriétés définitives de l'acier lui sont conférées par le traitement post-soudage, et la température de revenu préalable est inférieure à la température de traitement post-soudage. Dans le deuxième cas, le traitement post-soudage sert essentiellement à détensionner l'enceinte et à adoucir les zones affectées par la chaleur de soudage ; le traitement post-soudage doit, alors, être effectué à une température inférieure à la température de revenu.
Pour obtenir des soudures satisfaisantes, par exemple à l'aide du procédé SAW (Submerged Arc Welding : arc submergé sous flux en poudre) en utilisant des produits d'apport à basse teneur en hydrogène (< 5 ml/100gr), on effectue un préchauffage à une température inférieure à 125°C et on choisit une énergie de soudage comprise entre 1 kJ/mm et 5 kJ/mm, de telles sorte que dans la phase de refroidissement du cordon de soudure, le temps de refroidissement entre 800 °C et 500 °C, tr 800/500 soit supérieur ou égal à 5 s. Ces paramètres peuvent être déterminés en fonction de l'épaisseur de la paroi à souder et des conditions particulières de soudage, par exemple en utilisant la méthode définie dans la norme NF A 36.000.
La température TPS de traitement post-soudage permettant d'obtenir une dureté sous cordon inférieure à 248 HV (ou 22 HRC) dépend, en partie du paramètre tr 800/500, il en résulte qu'il est préférable de déterminer simultanément les conditions de soudage et de traitement post-soudage, ce qui peut être fait par quelques essais B.O.P. sur des échantillons.
A titre d'exemple, on peut utiliser des aciers ayant les compositions chimiques suivantes (en % en poids) :
C Si Mn Ni Cr Mo Cu V CET
A 0,08 0,24 0,89 1,8 0,25 0,4 0,21 0,01 0,28
B 0,07 0,23 1,57 1,37 0,21 0,21 0,23 0,01 0,30
C 0,06 0,23 1,72 1,77 0,11 0,21 0,24 0,01 0,31
D 0,06 0,23 1,32 1,6 0,26 0,25 0,2 0,01 0,28
E 0,06 0,16 0,9 1,87 0,25 0,4 0,21 0,01 0,25
Ces aciers peuvent être trempés puis revenus à 665 °C pour obtenir une structure martensito-bainitique revenue, exempte de ferrite ayant une dureté comprise entre 195 et 210 HV. Ces aciers ont un temps de refroidissement critique trc 800/500 inférieur à 10 s comme le montrent les résultats suivants, obtenus en utilisant la méthode décrite plus haut :
Figure 00110001
Ces résultats conduisent à des temps de refroidissement critique trc 800/500 de 8 s pour A, inférieurs à 4 s pour B et C, de 6 s pour D et de 5 s pour E. Les duretés obtenues sur le métal de base correspondent à une résistance à la traction comprise entre 580 et 640 MPa.
A titre d'exemple également, on peut utiliser un acier ayant la composition suivante :
C Si Mn Ni Cr Mo Cu Al S P Sn As Sb CET
0,04 0,14 1,20 0,85 0,18 0,29 0,72 0,02 0,002 0,006 0,015 0,014 0,001 0,26
Cet acier a un temps de refroidissement critique trc 800/500 inférieur à 4 s.
Avec cet acier on a fabriqué une enceinte sous pression constituée de tôles de 95 mm d'épaisseur trempées et revenues à 550°C, ayant une structure martensito-bainitique revenue exempte de ferrite, dont les caractéristiques mécaniques mesurées au quart-épaisseur dans le sens travers long étaient :
  • limite d'élasticité   Rp0,2 = 495 MPa
  • résistance   Rm = 555 MPa
  • allongement   A % = 29 %
  • striction   Z % = 79 %
  • résilience Charpy V (moyenne de trois essais):
       KCV à - 20°C > 286 J
       KCV à - 40°C > 263 J
Les tôles ont été soudées à l'arc submergé avec un fil du type E 9018 G avec chanfrein en X, en position 3 G, avec une énergie de soudage moyenne de 2,6 J/mm, une température de préchauffage de 75 °C et une température entre passes de 100°C. Après soudage, l'enceinte a été soumise à un traitement thermique de détente consistant en un chauffage à la vitesse de 50°C/h jusqu'à 610°C, puis un maintien à cette température pendant 6 heures, puis un refroidissement à la vitesse maximale de 50°C/h jusqu'à la température ambiante.
On mesuré les caractéristiques mécaniques obtenues dans les soudures et obtenu les résultats suivants :
  • traction en travers de la soudure à la température ambiante : Rm 584 MPa avec rupture dans le métal de base,
  • traction dans le métal déposé, sens long, à la température ambiante : Rp0,2 = 591 MPa; Rm = 667 MPa ; A = 24 % ;
  • résiliences Charpy V à - 40°C :
  • en métal déposé = 66 J
  • en ZAT = 257 J
  • dureté HV10 mesurées en travers de la soudure au quart-épaisseur :
  • métal de base = 181 à 192 HV
  • ZAT = 216 à 221 HV
  • métal déposé = 228 à 242 HV
Par ailleurs on a effectué sur ce métal des essais NACE selon la norme NACE TM 0177 qui ont donné des résultats satisfaisants.
Avec un acier selon l'art antérieur, l'enceinte sous pression aurait dû être construite avec des tôles de 106 mm d'épaisseur. On a ainsi obtenu un gain de poids de 12 %.
A titre de contre exemple, on connaít un acier trempé revenu permettant d'obtenir sur tôles a peu près les mêmes caractéristiques de traction que ci-dessus, et qui a la composition chimique suivante :
C Si Mn Ni Cr Mo Cu Al V S P Sn CET
0,075 0,245 1,32 0,509 0,147 0,212 0,17 0,018 0,047 0,0007 0,0088 0,009 0,26
Mais, cet acier présente l'inconvénient d'avoir un temps de refroidissement critique trc 800/500 très élevé, puisque pour un temps de refroidissement de 10,4 s, la dureté sous cordon est de 262 HV après un traitement post-soudage de 4h à 620°C, ce qui ne permet pas de satisfaire aux conditions imposées par la norme NACE.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d'une enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40 °C et 200 °C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrés par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97 caractérisé en ce que :
    on fabrique des composants de l'enceinte chaudronnée en acier dont la composition chimique comprend, en poids :
       0,03 % ≤ C ≤ 0,15%
       0 % ≤ Si ≤ 0,5%
       0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
       0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
       0 % ≤ Cr ≤ 1 %
       0 % ≤ Mo ≤ 0,5%
       0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
       0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
       0 % ≤ B < 0,004 %
       0 % ≤ V ≤ 0,02 %
       0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
          Cu ≤ 1 %
          S ≤ 0,015 %
          P ≤ 0,03 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 et telle que trc 800/500 soit inférieur à 10 s, les composants étant trempés et revenus, après ou avant mise en forme, de façon à obtenir une structure martensitique ou martensito-bainitique contenant moins de 10 % de ferrite,
    après mise en forme des composants, on effectue éventuellement un détensionnement à une température supérieure ou égale à 595°C,
    on soude les composants de l'enceinte chaudronnée avec une énergie de soudage et des conditions de préchauffage tels que le temps de refroidissement tr 800/500 entre 800 °C et 500 °C de la zone affectée par la chaleur soit supérieur ou égal à 5 secondes,
    et on effectue un traitement thermique post-soudage à une température TPS supérieure à 595°C et inférieure à 680°C, l'acier ayant alors une résistance à la traction supérieure ou égale à 550 MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 450 MPa, un allongement A % supérieur à 17 %, et une résilience KCV à - 40°C supérieure à 40 Joules, et la dureté en tous points de la surface de l'enceinte est inférieure à 248 HV.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que Nb + V ≤ 0,02 %
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que :
       0,04% ≤ C ≤ 0,09%
          Cr ≤ 0,6 %
       0,2 % ≤ Mo ≤ 0,5%
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que : Al + Ti ≥ 0,01 %.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la température TR de revenu est inférieure à 680 °C.
  6. Enceinte chaudronnée destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200 °C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrés par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97 caractérisé en ce que :
    elle est constituée d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids :
       0,03 % ≤ C ≤ 0,15%
       0 % ≤ Si ≤ 0,5%
       0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
       0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
       0% ≤ Cr ≤ 1 %
       0 % ≤ Mo ≤ 0,5%
       0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
       0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
       0 % ≤ B < 0,004 %
       0 % ≤ V ≤ 0,02 %
       0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
          Cu ≤ 1 %
          S ≤ 0,015 %
          P ≤ 0,03 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 et telle que tr 800/500 soit inférieur à 10 s,
    l'acier a une structure martensitique ou martensito-bainitique contenant moins de 10 % de ferrite,
    la résistance à la traction Rm de l'acier est supérieure ou égale à 550 MPa,
    la limite d'élasticité Re de l'acier est supérieure ou égale à 450 MPa,
    l'allongement A% de l'acier est supérieur ou égal à 17 %,
    la résilience KCV de l'acier, à - 40°C est supérieure ou égale à 40 Joules,
    et la dureté en tous points de la surface de l'enceinte est inférieure à 248 HV.
  7. Enceinte chaudronnée selon la revendication 6 caractérisée en ce que la composition de l'acier est telle que Nb + V ≤ 0,02 %.
  8. Enceinte chaudronnée selon la revendication 6 ou la revendication 7 caractérisée en ce que la composition de l'acier est telle que :
       0,04 % ≤ C ≤ 0,09 %
          Cr ≤ 0,6 %
       0,2 % ≤ Mo ≤ 0,5%
  9. Enceinte chaudronnée selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que la composition chimique de l'acier est telle que :
       Al + Ti ≥ 0,01 %.
  10. Enceinte chaudronnée selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisée en ce que son épaisseur de paroi est comprise entre 50 mm et 300 mm.
  11. Acier pour la fabrication d'enceintes chaudronnées destinée à travailler sous pression entre - 40°C et 200°C dans les conditions de risque de fissuration sous contrainte engendrés par l'H2S telles que définies par la norme NACE MR 0175-97 caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids :
       0,03 % ≤ C ≤ 0,15%
       0 % ≤ Si ≤ 0,5%
       0,4 % ≤ Mn ≤ 2,5 %
       0,5 % ≤ Ni ≤ 3 %
       0 % ≤ Cr ≤ 1 %
       0 % ≤ Mo ≤ 0,5%
       0 % ≤ Al ≤ 0,07 %
       0 % ≤ Ti ≤ 0,04 %
       0 % ≤ B < 0,004 %
       0 % ≤ V ≤ 0,02 %
       0 % ≤ Nb ≤ 0,05 %
          Cu ≤ 1 %
          S ≤ 0,015 %
          P ≤ 0,03 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant telle que CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35, l'acier ayant un trc 800/500 inférieur à 10 s.
  12. Acier selon la revendication 11 caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que Nb + V ≤ 0,02 %.
  13. Acier selon la revendication 11 ou la revendication 12 caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que :
       0,04 % ≤ C ≤ 0,09%
          Cr ≤ 0,6 %
       0,2 % ≤ Mo ≤ 0,5%
  14. Acier selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 caractérisé en ce que : Al + Ti ≥ 0,01%.
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