WO2006092516A1 - Procede de revetement d'un equipement ou element de canalisation vehiculant de l'oxygene gazeux - Google Patents

Procede de revetement d'un equipement ou element de canalisation vehiculant de l'oxygene gazeux Download PDF

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coating
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steel
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Emmanuel Fano
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a thick film coating method applicable to gaseous oxygen pipeline equipment.
  • Equipment and accessories for gaseous oxygen pipelines such as valves, valves, check valves, filters, tubes, flanges or the like, are currently and traditionally made of materials of alloyed steel type, low alloyed or unalloyed.
  • the high-grade nickel and / or copper alloys of the Monel or cupro-nickel type are much more rarely used because of their very high cost and certain implementation difficulties that are peculiar to them.
  • the parts constituting the envelope under pressure that is to say mainly the body, the cap, the flanges or the like, of each equipment of a gaseous oxygen line are generally composed of one or more homogeneous mono materials. -métalliques.
  • US-A-6,089,828 teaches the realization on a gas turbine element of a wear resistant coating formed of an aluminum alloy and bronze.
  • JP-A-57070306 and US-A-2,300,400 disclose coatings formed from nickel / chromium alloys.
  • EP-A-825272 relates to the thermal projection of a coating of copper, lead and bronze.
  • J P-A-2001323361 proposes coatings based on nickel / aluminum alloy.
  • the problem that arises is then to propose an equipment or an element of such equipment intended to be arranged on a pipe carrying oxygen under pressure not having the aforementioned risks and disadvantages of the equipment of the prior art.
  • the solution of the invention is then a method of manufacturing a piece of equipment or a piece of equipment made of steel or a steel alloy, capable of being put in contact with oxygen under pressure during its use, in which a thermal projection coating of a projection material is carried out on at least a portion of the surface of said element or equipment so as to obtain at least one coating layer on said surface of a thickness less than or equal to at 5 mm, characterized in that the projection material is selected from nickel and nickel and copper alloys.
  • At least one protective layer formed of nickel or a nickel / copper alloy, is deposited on the surface of the equipment or the piece of steel equipment or a steel alloy, which surface is capable of being contacted with oxygen under pressure during use, so as to protect this surface with one or more protective layers and thus avoid the aforementioned problems.
  • the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics: a coating with a thickness of 0.1 mm to 5 mm is produced.
  • said element or equipment is made of steel, cast iron or stainless steel.
  • said element or equipment comprises an internal cavity or passage, and in that said coating is operated on at least a part of the internal wall of said cavity or of said internal passage.
  • the projection material is nickel or alloy consisting mainly of nickel and copper, and may further include some additional alloying elements such as chromium or cobalt.
  • the projection material is pure nickel or a nickel / copper (Ni / Cu) alloy comprising up to 60% by weight of copper, the balance being nickel.
  • the coating is made by plasma thermal projection, that is to say, by a method of "blown plasma” type, APS (for Air Plasma Spray in English) or HVOF (for High Velocity Oxy Fuel).
  • the coating is made by blown plasma using a gas chosen from argon, hydrogen, helium and nitrogen as a carrier gas.
  • an additional protective layer of a second completely oxidized material preferably of the ceramic type. Indeed, it takes three elements to generate a combustion, namely an oxidizer, a fuel and energy. Therefore, it may be necessary in critical places to add a second layer of oxide that will create a thermal barrier and reduce friction or abrasion heating (energy), which will improve safety.
  • said element or equipment, new or existing is chosen from valve bodies, parts of revolution, or any other gaseous oxygen channeling equipment.
  • the invention also relates to a piece of equipment or an item of equipment, for example a simple piece of piping, such as a flange, a straight section, a stitching, an elbow, a tee or a reduction, intended to be put into place.
  • contact with oxygen under pressure during use comprising a body made of steel or steel alloy, characterized in that it comprises at least one coating layer made of a material chosen from nickel and alloys of nickel and copper, on at least a portion of the surface of said body, said coating layer having a thickness less than or equal to 5 mm.
  • the invention also relates to a method for conveying oxygen under pressure using at least one oxygen line in which oxygen is conveyed under pressure, characterized in that an equipment or element of equipment, for example a pipe element, according to the invention or obtained by the manufacturing method according to the invention is arranged on said pipe and is contacted with oxygen under pressure flowing in said pipe.
  • an equipment or element of equipment for example a pipe element, according to the invention or obtained by the manufacturing method according to the invention is arranged on said pipe and is contacted with oxygen under pressure flowing in said pipe.
  • the invention consists in improving the safety of equipment made of steel or steel alloy intended to be used in contact with oxygen by coating in one or more layers, typically from 1 to 5 mm, by projection. thermal a nickel or nickel / copper type exemption material and / or oxides, on the inner or outer walls subjected to the oxygen pressure of any equipment or piece of equipment, in particular piping, intended for the oxygen service.
  • the mechanical interfaces of the equipment are coated, whether new or used equipment or equipment that needs to be improved.
  • the material or equipment thus treated can be used in oxygen service under the following conditions:
  • the oxygen content of the equipment in use may be less than or equal to 100%
  • the service pressure of the equipment in service can be at most 50.10 6 Pa (500 bara), but typically less than 25.10 6 Pa (250 bara), and
  • the equipment operating temperature is between -40 ° C and + 200 ° C.
  • the material or equipment thus treated presents the same conditions of safety and reliability as the same material made of massive exemption material.
  • FIGURE represents a gate valve 1 with a gate-type integral passage 10 with a control rod 10 (here in the closed position), which is usually used on the oxygen pipe 2 of which the security has been improved by the present invention.
  • a nickel coating has been operated on the inner surface 4, 5, 6 of the valve 1, that is to say on the surface 4, 5, 6 coming directly into contact with the oxygen 3 during use of the valve 1 and on the mechanical connection interfaces to be coated 7, 8, 9.
  • This nickel coating was operated on the aforementioned "blown plasma” type thermal spray deposition method. It should be noted that this coating also makes it possible to repair possible pores of the base material.
  • valve coating As mentioned above, the present invention is not limited to valve coating but applies to any element or equipment used to convey oxygen under high pressure.

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Abstract

Procédé de fabrication d'un équipement ou d'un élément d'un équipement en acier ou en un alliage d'acier, susceptible d'être mis en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation, dans lequel on réalise un revêtement par projection thermique d'un matériau de projection choisi parmi le nickel ou les alliages de cuivre et de nickel sur au moins une partie de la surface dudit élément ou équipement de manière à obtenir au moins une couche de revêtement sur ladite surface d'une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.

Description

Procédé de revêtement d'un équipement ou élément de canalisation véhiculant de l'oxygène gazeux
La présente invention concerne un procédé de revêtement en couche épaisse applicable aux équipements de canalisations d'oxygène gazeux.
Les équipements et accessoires de canalisations d'oxygène gazeux, tels que les vannes, robinets, clapets anti-retour, filtres, tubes, brides ou similaires, sont actuellement et traditionnellement fabriqués en matériaux de type aciers alliés, faiblement alliés ou non alliés.
Les matériaux le plus couramment utilisés sont des aciers dit 'au carbone' ou des aciers inoxydables.
Ces matériaux entrent dans la composition des pièces massives de ces équipements, tel par exemple le corps ou l'enveloppe d'un tel équipement ou d'autres pièces qui le constituent.
Les alliages à haute teneur de nickel et/ou de cuivre de type Monel ou cupro-nickel sont beaucoup plus rarement employés du fait de leur coût très élevé et de certaines difficultés de mise en œuvre qui leur sont propres.
Les pièces constituant l'enveloppe sous pression, c'est-à-dire principalement le corps, le chapeau, les brides ou similaires, de chaque équipement d'une canalisation d'oxygène gazeux sont généralement composées d'un ou plusieurs matériaux homogènes mono-métalliques.
Or, les aciers au carbone ou inoxydables qui entrent dans la composition de ces pièces massives présentent l'inconvénient majeur, en termes de sécurité d'utilisation, de leur aptitude à entretenir et propager la combustion en présence d'oxygène et en fonction de la pression. La notion de pression d'exemption est une valeur de référence au sens du CGA 4.4 et IGC 13/02 et se situe pour un acier entre 0,2.10» Pa et 2,6.106 Pa (= 2 et 26 barg = 29 à 375 psig) selon la nuance et l'épaisseur. A l'inverse, le nickel, le cuivre et les alliages à très haute teneur en nickel ou en cuivre, c'est-à-dire contenant typiquement au moins 60 % en poids de nickel ou de cuivre, ont une pression d'exemption de l'ordre de 200 bar, voire supérieure dans certains cas selon la composition du matériau, et ont la propriété de ne pas entretenir ni propager la combustion. De ce fait, actuellement, pour éviter ou minimiser les risques, il est habituel dans le domaine industriel, pour les équipements en acier agencés sur les canalisations d'oxygène, de limiter la pression maximale de service à un niveau inférieur à la pression d'exemption, ou à implanter les équipements derrière des barrières ou autres moyens de protection pour le personnel et l'installation environnante, ou d'utiliser les matériaux d'exemption adaptés susmentionnés.
Cependant, ces solutions sont loin d'être satisfaisantes car, dans le premier cas, l'utilisation d'acier peut conduire à un incident de type 'coup de feu', même à l'intérieur d'une enceinte de protection, et engendrer des dégâts importants et, dans le deuxième cas, l'utilisation de matériaux différents de l'acier engendre des coûts de fabrication beaucoup plus élevés et souvent complique la fabrication même des équipements car la mise en œuvre de ces matériaux est plus difficile que celle des aciers .
On connaît, en outre, les documents suivants qui décrivent la réalisation de divers revêtements :
- US-A-6,089,828 enseigne la réalisation sur un élément de turbine à gaz d'un revêtement résistant à l'usure formé d'un alliage d'aluminium et de bronze.
- JP-A-57070306 et US-A-2,300,400 décrivent des revêtements formés d'alliages de type nickel/chrome.
- EP-A-825272 porte sur la réalisation par projection thermique d'un revêtement de cuivre, de plomb et de bronze. - J P-A-2001323361 propose des revêtements à base d'alliage nickel/aluminium.
Toutefois, ces solutions ne permettent pas de résoudre les problèmes susmentionnés. Le problème qui se pose est alors de proposer un équipement ou un élément d'un tel équipement destiné à être agencé sur une canalisation véhiculant de l'oxygène sous pression ne présentant pas les risques et inconvénients susmentionnés des équipements de l'art antérieur. La solution de l'invention est alors un procédé de fabrication d'un équipement ou d'un élément d'un équipement en acier ou en un alliage d'acier, susceptible d'être mis en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation, dans lequel on réalise un revêtement par projection thermique d'un matériau de projection sur au moins une partie de la surface dudit élément ou équipement de manière à obtenir au moins une couche de revêtement sur ladite surface d'une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm, caractérisé en ce que le matériau de projection est choisi parmi le nickel et les alliages de nickel et de cuivre.
Autrement dit, selon le procédé de l'invention, on dépose au moins une couche de protection, formée de nickel ou d'un alliage nickel/cuivre, sur la surface de l'équipement ou de l'élément d'équipement en acier ou en un alliage d'acier, laquelle surface est susceptible d'être mise en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation, de manière à protéger cette surface grâce à une ou plusieurs couches protectrices et à éviter ainsi les problèmes susmentionnés.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on réalise un revêtement d'une épaisseur de 0,1 mm à 5 mm.
- ledit élément ou équipement est en acier, en fonte ou en acier inoxydable.
- ledit élément ou équipement comporte une cavité ou passage interne, et en ce que ledit revêtement est opéré sur au moins une partie de la paroi interne de ladite cavité ou dudit passage interne. - le matériau de projection est du nickel ou alliage constitué majoritairement de nickel et de cuivre, et pouvant comprendre en outre certains éléments d'alliage additionnels comme le chrome ou le cobalt.
- le matériau de projection est du nickel pur ou un alliage nickel/cuivre (Ni/Cu) comprenant jusqu'à 60% en poids de cuivre, le reste étant du nickel. - le revêtement est réalisé par plasma projection thermique , c'est-à-dire par un procédé de type « plasma soufflé », APS (pour Air Plasma Spray en anglais) ou HVOF (pour High Velocity Oxy Fuel).
- le revêtement est réalisé par plasma soufflé en utilisant un gaz choisi parmi l'argon, l'hydrogène, l'hélium, l'azote en tant que gaz vecteur.
- réalise un revêtement d'une couche de protection additionnelle d'un second matériau totalement oxydé, de préférence de type céramique. En effet, il faut trois éléments pour engendrer une combustion, à savoir un comburant, un combustible et de l'énergie. Dès lors, il peut être nécessaire dans les endroits critiques d'ajouter une deuxième couche d'oxyde qui créera une barrière thermique et réduira réchauffement par friction ou abrasion (énergie), ce qui améliorera alors la sécurité.
- ledit élément ou équipement, neuf ou existant, est choisi parmi les corps de vannes, les pièces de révolution, ou tout autre équipement de canalisation d'oxygène gazeux.
L'invention concerne aussi un équipement ou élément d'équipement, par exemple un simple élément de tuyauterie, telle une bride, un tronçon droit, un piquage, un coude, un té, une réduction...., destiné à être mis en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation comprenant un corps en acier ou en alliage d'acier, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de revêtement en un matériau choisi parmi le nickel et les alliages de nickel et de cuivre, sur au moins une partie de la surface dudit corps, ladite couche de revêtement ayant une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.
Par ailleurs, l'invention porte aussi sur un procédé pour acheminer de l'oxygène sous pression mettant en œuvre au moins une canalisation d'oxygène dans laquelle est véhiculé l'oxygène sous pression, caractérisé en ce qu'un équipement ou élément d'équipement, par exemple un élément de tuyauterie, selon l'invention ou obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention est aménagé sur ladite canalisation et est mis en contact avec de l'oxygène sous pression circulant dans ladite canalisation.
Autrement dit, l'invention consiste à améliorer la sécurité des équipements en acier ou alliage d'acier destinés à être utilisés au contact de l'oxygène en procédant à un revêtement en une ou plusieurs couches, typiquement de 1 à 5 mm, par projection thermique d'un matériau d'exemption de type nickel ou nickel/cuivre et/ou d'oxydes, sur les parois intérieures ou extérieures soumises à la pression de l'oxygène de tout équipement ou élément d'équipement, notamment de tuyauterie, destiné au service oxygène.
De préférence, on revêt les interfaces mécaniques de l'équipement, que ce soit un équipement ou matériel neuf ou un usagé qu'il convient d'améliorer.
A l'issu du revêtement selon l'invention, le matériel ou équipement ainsi traité peut être utilisé en service oxygène dans les conditions suivantes :
- la teneur en oxygène du matériel en service peut être inférieure ou égale à 100%,
- la pression de service du matériel en service peut être au maximum de 50.106 Pa (500 bara), mais typiquement de moins de 25.106 Pa (250 bara), et
- la température de service du matériel se situe entre -4O0C et +2000C.
Le matériel ou équipement ainsi traité présente donc les mêmes conditions de sécurité et de fiabilité que le même matériel réalisé en matériau d'exemption massif.
Un exemple de réalisation de l'invention est donné sur la Figure annexée qui représente une vanne 1 à passage intégral de type 'gâte' avec tige de commande 10 (ici en position fermée), usuellement utilisée sur les canalisation 2 d'oxygène dont la sécurité a été améliorée grâce à la présente invention.
Plus précisément, un revêtement de nickel a été opéré sur la surface interne 4, 5, 6 de la vanne 1, c'est-à-dire sur la surface 4, 5, 6 venant directement au contact de l'oxygène 3 durant l'utilisation de la vanne 1 et sur les interfaces de liaisons mécaniques à revêtir 7, 8, 9.
Ce revêtement de nickel a été opéré sur le procédé de dépôt par projection thermique de type « plasma soufflé » susmentionné. Il est à remarquer que ce revêtement permet aussi de réparer des porosités éventuelles du matériau de base.
Comme susmentionné, la présente invention n'est pas limitée au revêtement de vanne mais s'applique à tout élément ou équipement servant à véhiculer de l'oxygène sous haute pression.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d'un équipement ou d'un élément d'un équipement en acier ou en un alliage d'acier, susceptible d'être mis en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation, dans lequel on réalise un revêtement par projection thermique d'un matériau de projection sur au moins une partie de la surface dudit élément ou équipement de manière à obtenir au moins une couche de revêtement sur ladite surface d'une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm, caractérisé en ce que le matériau de projection est choisi parmi le nickel et les alliages de nickel et de cuivre.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on réalise un revêtement d'une épaisseur de 0,1 mm à 5 mm.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément ou équipement est en acier, en fonte ou en acier inoxydable.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément ou équipement comporte une cavité ou passage interne, et en ce que ledit revêtement est opéré sur au moins une partie de la paroi interne de ladite cavité ou dudit passage interne.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau de projection est du nickel ou un alliage nickel/cuivre comprenant jusqu'à 60% en poids de cuivre, le reste étant du nickel.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le revêtement est réalisé par plasma soufflé, APS ou HVOF.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le revêtement est réalisé par plasma soufflé en utilisant un gaz choisi parmi l'argon, l'hydrogène, l'hélium et l'azote en tant que gaz vecteur.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise un revêtement d'une couche de protection additionnelle d'un second matériau totalement oxydé, de préférence une couche additionnelle de céramique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit élément ou équipement est choisi parmi les corps de vannes et les pièces de révolution ou tout autre équipement, y compris des éléments de tuyauterie, d'une canalisation d'oxygène gazeux.
10. Equipement ou élément d'équipement, notamment un élément de tuyauterie, destiné à être mis en contact avec de l'oxygène sous pression pendant son utilisation comprenant un corps en acier ou en alliage d'acier, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de revêtement en un matériau choisi parmi le nickel ou les alliages de nickel et de cuivre sur au moins une partie de la surface dudit corps, ladite couche de revêtement ayant une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.
11. Procédé pour acheminer de l'oxygène sous pression mettant en œuvre au moins une canalisation d'oxygène dans laquelle est véhiculé l'oxygène sous pression, caractérisé en ce qu'un équipement ou élément d'équipement selon la revendication 10 ou obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 9 est aménagé sur ladite canalisation et est mis en contact avec de l'oxygène sous pression circulant dans ladite canalisation.
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