Causes et remèdes aux défaillances des composants de la bobine ductile

Lorsqu'un transformateur de produits chimiques ou un raffineur de pétrole travaille sur le long et ardu processus de spécification et de supervision de la construction d'une usine de traitement ou d'une raffinerie, le processus ressemble un peu à l'assemblage d'un puzzle d'un million de pièces. Chaque longueur de tuyau, chaque vanne, chaque bride et chaque bobine a un travail spécifique à faire, souvent sous des températures et des pressions difficiles, afin que chaque autre pièce puisse faire son travail et que l'usine puisse fonctionner comme prévu.

Parfois, les choses tournent mal. Qu'une panne soit mineure, majeure ou catastrophique, une enquête s'ensuit pour en déterminer la cause. Le bon élément a-t-il été installé ? A-t-il été installé correctement ? Si c'est le cas, l'ordre du jour suivant consiste à évaluer l'article. Pourquoi a-t-il échoué ?

Il ne s'agit pas seulement de remplacer une pièce. Une défaillance catastrophique peut entraîner une blessure ou même la mort. Même dans un cas où aucune blessure n'est survenue, la considération suivante est le temps d'arrêt. Quelle que soit la taille ou la capacité de production de l'usine, un système qui est arrêté pour faire face à une panne ne produit pas un centime tant qu'il n'est pas à nouveau opérationnel.

Certains utilisateurs d'aciers au carbone dans l'industrie pétrolière et gazière nord-américaine ont dû faire face à de telles défaillances. Certains composants de bobine approuvés pour une utilisation à des températures aussi basses que -20 degrés F (-29 degrés C) ont échoué en raison d'une rupture fragile. Souvent, les pannes se sont produites lors d'essais hydrostatiques, de démarrages à froid et parfois lors de conditions de fonctionnement perturbées. Quel que soit le moment, la question suivante est toujours la même : pourquoi ?

La question est celle de la ductilité par rapport à la fragilité. Située le long d'un continuum unique, la ductilité fait référence à la capacité d'un matériau à se déformer sous une contrainte de traction (sa capacité à s'étirer sans se rompre), tandis que la fragilité est son incapacité à le faire. À mesure que la ductilité d'un matériau augmente, sa probabilité de résister à la rupture fragile diminue.

Les composants en acier au carbone - tout matériau ferreux contenant 0,29 à 0,54% de carbone et 0,60 à 1,65% de manganèse - sont considérés par ASME VIII Div. I et ASME B31.3 sont intrinsèquement ductiles et donc résistants à la rupture fragile. Il s'agit notamment des brides A105N ; Raccords sans soudure WPA, WPB et WPC A234 ; Tuyau A106N (tous grades); et tube sans soudure A53. Cependant, certains composants évalués pour un service jusqu'à -20 degrés F (-29 degrés C) se sont avérés inadaptés à de telles applications. Certaines brides en acier au carbone A105, fonctionnant à moins de 300 livres par pouce carré (PSI), et certains tuyaux en A106 de grade B, de moins de ½ po d'épaisseur, ont été évalués avec un test de résistance aux chocs Charpy V-notch et trouvé impropre au service à toute température minimale de conception du métal inférieure à 68 degrés F.

Les enquêtes sur les défaillances menées par l'Institut belge de la soudure ont indiqué que certaines brides présentaient une grosse granulométrie. Une enquête plus approfondie a révélé une variation microstructurale significative au sein d'une bride spécifique, indiquant non seulement un manque de cohérence de fabrication, mais également un traitement thermique déficient. De plus, une analyse de défaillance effectuée sur une bride à col soudé A350LF2 a révélé qu'une mauvaise pratique de normalisation était un facteur majeur de défaillance. Pire encore, les données du rapport de test répertoriées dans le certificat joint, EN 10204 : 3.1.B, ne correspondaient pas aux caractéristiques testées de la bride.

En effet, bien que ces composants se situent dans la plage spécifiée pour la composition chimique et les propriétés mécaniques et donc considérés comme ductiles, ils étaient sensibles à la rupture fragile. Connue pour entraîner une défaillance soudaine et catastrophique, la rupture fragile des composants de bobine de tuyau nouvellement achetés est un danger potentiel pour l'intégrité, la fiabilité et la sécurité des processus de l'équipement.

L'Alberta Safety Authority, l'agence qui supervise la sécurité des équipements sous pression en Alberta, au Canada, a publié un avis dans son bulletin d'information IB16-018 : "Cela peut être préoccupant car les brides en matériau SA-105 sont généralement exemptées des tests d'impact par ASME. Section VIII, Division 1 paragraphes UG-20(f), UCS-66, ou ASME B31.3 paragraphe 323 pour une température de -29°C (-20°F) et plus."

Dans un article de blog intitulé "Materials Degradation and Corrosion", Charles Becht de Becht Engineering a déclaré : "Tous les matériaux ASME B31.3 Figure 323.2.2A Courbe B sont considérés comme potentiellement à risque, bien que le problème n'ait pas été trouvé dans les tuyaux fabriqués à partir d'un matériau en plaque."

Figure 1 La présence ou l'absence de bore a un effet considérable sur la taille des grains austénitiques après traitement thermique de trois alliages. L'échantillon A était allié avec du bore protégé, l'échantillon B était allié avec du bore non protégé et l'échantillon C n'avait pas de bore. bore sur les propriétés de l'acier" (Luxembourg : Office des publications officielles des Communautés européennes, 2007), p. 20.

Les enquêtes ont révélé que les fissures de clivage transgranulaires fragiles étaient causées par deux mécanismes de défaillance - la chimie et de mauvaises pratiques de traitement thermique (normalisation). Ces deux pratiques, probablement issues des efforts de réduction des coûts de certains fabricants d'acier, ont entraîné une modification de la chimie de l'acier et de grandes microstructures ferritiques-perlitiques à grains grossiers.

L'élément clé est le manganèse. Le manganèse favorise des granulométries plus fines, qu'elles soient brutes de laminé ou normalisées. Lorsque la taille des grains diminue (qu'il s'agisse de ferrite, de bainite ou de perlite), la limite d'élasticité augmente et les propriétés d'impact s'améliorent. Un avantage supplémentaire est l'augmentation de la teneur en perlite.

Dans une tentative de compenser le coût élevé du ferromanganèse à faible teneur en carbone requis dans le processus de fabrication de l'acier, certains producteurs d'acier ont intentionnellement réduit la teneur en manganèse pour répondre à l'exigence de pourcentage minimum absolu spécifiée par l'ASTM.

Ce n'est pas intrinsèquement faux, mais cela peut perturber l'équilibre entre le manganèse et le carbone. Si le manganèse était réduit au minimum, le rapport manganèse/carbone serait de 0,6 à 0,29, ou de 2,1 à 1 ; s'ils étaient à leur maximum, le rapport serait de 1,65 à 0,54, ou de 3,1 à 1. Si les deux éléments étaient au milieu des plages autorisées, le rapport serait de 2,7 à 1. En réduisant la teneur en manganèse jusqu'au pourcentage minimum autorisé, il est possible (bien que peu probable) d'arriver à un rapport de 1,65 % de teneur en manganèse à 0,29 % de teneur en carbone, ou 1,1 pour 1. Les problèmes peuvent commencer lorsque ce rapport est inférieur à 5 pour 1.

Lorsque le rapport est inférieur à ce seuil, le matériau est connu pour avoir de mauvaises propriétés au choc à basse température. Certains des aciers défaillants avaient des rapports aussi bas que 1,8 à 1, ce qui entraînait une mauvaise ténacité, ce qui à son tour conduisait à des défaillances lors des essais hydrostatiques ou à des conditions de fonctionnement perturbées.

Le microalliage - la pratique consistant à ajouter des éléments en petites quantités - a été largement déployé dans la fabrication d'aciers à faible teneur en carbone pour augmenter la résistance de l'acier, tandis que des techniques d'affinement de la taille des grains ont été utilisées pour augmenter la résistance aux chocs. Les éléments ajoutés aux aciers au carbone à des fins de microalliage comprennent le titane, le vanadium, le niobium et le bore. Un exemple est le ferroboron, un agent d'alliage à faible coût par rapport aux mélanges d'alliages exclusifs coûteux ; il est conçu pour garantir les résistances requises et des résultats constants dans les aciers traités.

Le bore, sous forme soluble, s'est avéré efficace pour renforcer l'acier, de manière uniforme et cohérente, uniquement lorsqu'il est équilibré avec de puissants formateurs de nitrure et de carbure tels que le titane et le niobium. Cela permet d'éviter la formation de précipités de nitrure de bore ou de Fe23(C, B)6.

Alors que la teneur standard en bore est recommandée entre 0,0015 et 0,0030 %, le bore est connu pour se séparer et former des zones localisées de fortes concentrations, provoquant une variation significative de la taille des grains et, par extension, des propriétés de faible résistance aux chocs. Lorsque la teneur en bore dépasse 0,007 %, un eutectique BC-Fe à bas point de fusion (Fe2B/Fe3C/Fe) se forme, ce qui donne des aciers ayant une mauvaise ténacité à température ambiante.

Le bore favorise la formation de bainite. Des ajouts délibérés de bore non protégé à des tiges d'acier au carbone laminées commercialement sont connus pour favoriser la formation d'une taille de grain de ferrite plus grossière (voir la figure 1).

Les augmentations de température d'austénitisation sont connues pour provoquer un grossissement des grains dans les aciers au carbone traités au bore. La quantité de grossissement du grain dépend de deux facteurs: la teneur totale en bore de l'acier et la quantité de bore présente dans l'acier après que tout azote libre a été retenu lorsque le nitrure de bore se précipite. Par conséquent, la teneur en azote de l'acier contrôle la quantité de formation de nitrure et, en fait, le degré d'épinglage du grain, quel que soit le nitrure de microalliage (titane, niobium ou aluminium) formé.

Le titane, le vanadium et le niobium sont des raffineurs de grain et des désoxygénants agressifs, tandis que le vanadium, le niobium et l'aluminium fonctionnent également comme formateurs de nitrure. Les nitrures ou les carbures précipités dans la matrice peuvent donner une fine microstructure de ferrite-perlite ou peuvent se transformer en bainite.

L'inconvénient est le manque de recherche relative aux aciers au carbone. Le microalliage avec du titane, du vanadium, du niobium et du bore est courant dans le traitement des aciers à faible teneur en carbone et alliés avec des résultats fiables. Cette pratique semble avoir été appliquée aux aciers au carbone pour améliorer leurs propriétés mécaniques, comme l'exigent les normes ASTM et ASME, sans étude appropriée. Le microalliage a été réalisé sans pratiques de fabrication d'acier propres (telles que la décarburation à l'oxygène de l'argon ou la décarburation à l'oxygène sous vide) et sans tester le produit final de manière adéquate.

En résumé, le microalliage des aciers au carbone nécessite donc un bilan matière très serré entre les formateurs de nitrure et le bore et une voie de transformation (traitement thermique) adaptée à cette formulation de microalliage.

Dans les aciers à faible teneur en carbone (teneur en carbone inférieure à 0,06 %), le traitement thermomécanique utilise un laminage contrôlé suivi d'un refroidissement accéléré pour produire des aciers microalliés résistants et à haute résistance. Lors du laminage thermomécanique contrôlé, les propriétés mécaniques dépendent de la déformation appliquée et des températures de bobinage. Le bore est connu pour augmenter considérablement la fenêtre de traitement thermomécanique.

Selon Walter J. Sperko, comme indiqué dans le "National Certified Pipe Welding Bureau Technical Bulletin May 2016", le bore est connu pour provoquer une recristallisation directionnelle sur le plan cristallin 100 à 30 à 45 degrés par rapport à l'axe du tuyau, ce qui entraîne une très faible ténacité à 45 degrés par rapport à l'axe du tuyau ou du raccord. C'est la direction dans laquelle la charge de cisaillement maximale se produit pour le tuyau sous pression, et en raison de cet alignement d'orientation cristalline, les échantillons d'impact axial ou circonférentiel n'identifieront pas le matériau comme ayant une faible ténacité.

Les aciers alliés sont normalement soumis à un traitement thermique de trempe et de revenu austénitisant complet pour développer des résistances mécaniques. Dans le cas des brides défaillantes, il apparaît donc que dans une tentative de réduction des coûts de fabrication, la chaleur de procédé générée lors du forgeage s'est substituée au cycle supplémentaire nécessaire de chauffage-trempe-revenu.

De plus, ANSI B16.5 n'impose pas de traitement thermique pour les brides ASTM A105 inférieures à la classe 300.

Bien que la présence de plus de 0,05 % de titane dans les aciers à faible teneur en carbone contenant du bore entraîne une détérioration de la ténacité, les variations de la teneur en titane et en bore du métal de soudage sont connues pour entraîner une grande variation de la microstructure du métal soudé.

La norme SP0472 de la National Association of Corrosion Engineers, Methods and Controls to Prevent In-Service Environmental Cracking of Carbon Steel Weldments in Corrosive Petroleum Refining Environments, avertit que les soudures de matériaux P1 (aciers au carbone) fabriquées avec des ajouts délibérés d'éléments de microalliage tels que le titane , le vanadium, le niobium et le bore peuvent nécessiter un préchauffage supplémentaire et des températures de traitement thermique post-soudage plus élevées pour obtenir la dureté requise dans la zone affectée par la chaleur. Cependant, le traitement thermique pourrait affecter négativement les valeurs de ténacité.

Tous les composants de bobine de tuyauterie en acier au carbone utilisés pour le transport de matières dangereuses à des températures inférieures à 32 degrés F doivent être évalués. Cette évaluation comprend une étude préliminaire d'aptitude au service, comprenant une identification positive du matériau, un test de dureté et une métallographie in situ pour déterminer s'il peut être remis en service ou s'il doit être remplacé. Notez que la fluorescence des rayons X n'est pas suffisante pour déterminer la teneur en carbone et en éléments légers tels que le bore, de sorte que le PMI doit être effectué par un spectromètre à émission optique.

À titre préventif pour réduire le potentiel futur de rupture fragile de l'acier au carbone, les fabricants doivent se procurer des tuyaux et des raccords en acier au carbone testés aux chocs auprès de sources accréditées uniquement. Le matériau doit être accompagné d'un rapport d'essai en usine certifié au moins conforme à la spécification EN10204, 3.1B, qui identifie son numéro de coulée et de lot, ainsi que la norme de matériau (ASTM/ASME) selon laquelle il est fabriqué.

Une leçon tirée des enquêtes menées par l'institut belge du soudage est que pour faire face à la possibilité d'une fausse certification de test, l'acheteur doit insister sur une traçabilité complète de la fabrication jusqu'au numéro de coulée et aux résultats des tests d'impact de l'aciérie d'origine.

Les exigences supplémentaires à intégrer dans le processus d'approvisionnement peuvent inclure :

Naddir M. Patel, P. Eng., est ingénieur en matériaux et métallurgie pour Sinclair Oil Corp., 100 Lincoln Ave., Sinclair, WY 82334, [email protected].

Références disponibles sur demande.