En tant qu'équipement spécial capable de résister à une pression interne ou externe, les récipients sous pression sont largement utilisés dans les domaines de la chimie, du pétrole, de la médecine, de l'énergie, de l'alimentation, de l'aérospatiale et d'autres secteurs. Comme ils font souvent face à des conditions de fonctionnement extrêmes telles que des températures élevées, des pressions élevées et de la corrosion, ils imposent des exigences extrêmement élevées en matière de choix des matériaux. Le choix des matériaux est non seulement lié à la sécurité et à la fiabilité des récipients sous pression, mais affecte également directement le coût de fabrication et la durée de vie. Cet article discutera en détail des matériaux idéaux pour la fabrication de récipients sous pression.
Exigences de base pour les matériaux des récipients sous pression
En tant qu'équipement de soutien à long terme, le matériau du récipient sous pression doit d'abord posséder d'excellentes propriétés mécaniques. Cela inclut une haute résistance à la traction, une bonne ductilité, une toughness aux impacts et une résistance à la fatigue. Le matériau ne doit pas se fissurer sous haute pression et doit être capable d'absorber l'énergie plutôt que de se casser lorsqu'il est soumis à une force externe. De plus, la stabilité thermique et la résistance à haute température sont également des indicateurs importants pour juger des matériaux, surtout dans les réacteurs à haute température et les équipements d'échange de chaleur, où le matériau doit maintenir une structure et des propriétés mécaniques stables.
La résistance à la corrosion est un autre critère clé. De nombreux récipients sous pression sont utilisés pour stocker ou réagir avec des milieux corrosifs tels que des acides forts, des bases fortes, des solutions salines, des solvants organiques, etc. La résistance à la corrosion du matériau détermine directement la durée de vie et le facteur de sécurité de l'équipement. Le matériau doit également avoir de bonnes propriétés de soudage ainsi que des capacités de traitement et de mise en forme pour répondre aux besoins de fabrication de structures complexes.
Quels matériaux peuvent être utilisés pour fabriquer des récipients sous pression ?
Acier au carbone :
Acier au carbone est le matériau le plus couramment utilisé dans les récipients sous pression. Il est choisi pour ses bonnes propriétés mécaniques, sa forte soudabilité, ses bonnes performances de traitement et son faible coût. Les matériaux en acier au carbone courants incluent Q235, Q345, A516Gr.70, etc.
La résistance à la traction du matériau en acier au carbone est modérée, ce qui convient pour fabriquer la plupart des pièces soumises à une pression, surtout dans un environnement à température ambiante et sans agents corrosifs forts. Sa bonne ductilité facilite le façonnage et la soudure lors de la fabrication, ce qui simplifie considérablement le processus de fabrication. De plus, les matériaux en acier au carbone disposent de normes et de systèmes d'approvisionnement parfaits à l'échelle nationale et internationale, ce qui est pratique pour le contrôle qualité.
Cependant, les inconvénients de l'acier au carbone sont également évidents. Sa résistance à la corrosion est faible, et il rouille facilement dans des environnements acides, alcalins ou salins. Si des mesures anti-corrosion raisonnables ne sont pas prises, des perforations et des fuites sont très susceptibles de se produire. De plus, sa ténacité diminue fortement dans des environnements à basse température, avec un risque de rupture fragile, ce qui limite son application dans des conditions de basse température.
Par conséquent, l'acier au carbone est principalement utilisé dans les cas suivants :
- Réservoirs de stockage de compression d'air ;
- Systèmes de traitement de l'eau;
- Chaudières;
- Réservoirs de stockage de pétrole, etc.
Afin d'améliorer la résistance à la corrosion de l'acier au carbone, on le protège souvent par un revêtement ou une projection. Bien que l'acier au carbone présente des inconvénients, son excellent rapport coût/efficacité globale en fait toujours un matériau de base indispensable dans la fabrication de récipients sous pression.
Acier allié :
L'acier allié est un matériau qui améliore les performances en ajoutant des éléments alliés tels que le chrome, le nickel et le molybdène à l'acier au carbone. Son principal avantage est une grande résistance mécanique, une bonne résistance thermique et une certaine résistance à la corrosion. Les aciers alliés couramment utilisés incluent le 15CrMoR, le 12Cr1MoV, le SA387Gr.11, Gr.22, etc., largement employés dans les conteneurs haute température et haute pression, tels que les chaudières à vapeur, les réacteurs, etc.
Après l'ajout de chrome et de molybdène, la résistance à l'oxydation et la résistance à la fluage de l'acier allié sont améliorées de manière significative, de sorte qu'il peut maintenir une bonne stabilité même dans des environnements à haute température et haute pression. Certains aciers alliés peuvent également offrir une résistance à la corrosion pour des milieux spécifiques, comme le 12Cr1MoV, qui se comporte bien dans des environnements à haute température contenant du sulfure d'hydrogène.
Bien que l'acier allié présente d'excellentes performances, son coût de fabrication est nettement supérieur à celui de l'acier au carbone ordinaire, et sa difficulté de traitement est également plus grande. Lors du soudage, les paramètres de procédé doivent être strictement contrôlés, et un traitement thermique doit être effectué pour éviter les fissurations thermiques et les fissurations par corrosion sous contrainte. De plus, certains aciers alliés sont sensibles à l'embrittlement hydrogène et doivent être utilisés avec précaution dans les équipements de stockage d'hydrogène.
Acier inoxydable :
Acier inoxydable peut également être utilisé pour fabriquer des récipients sous pression, en particulier dans les domaines de la chimie, de la pharmacie et de l'alimentation, et sa très bonne résistance à la corrosion en fait le premier choix. L'acier inoxydable est principalement divisé en austénitique, ferritique, martensitique et acier inoxydable duplex. Les aciers inoxydables austénitiques les plus courants, tels que le 304, le 316L, etc., sont largement utilisés en raison de leur bonne soudabilité, de leur ductilité et de leur résistance à la corrosion.
l'acier inoxydable 316L possède une bonne résistance aux milieux chlorés grâce à sa teneur élevée en molybdène, et est particulièrement adapté aux récipients sous pression dans des environnements salins ou marins. L'acier inoxydable duplex (comme le 2205, le 2507) combine les avantages des structures austénitiques et ferritiques, offre une plus grande résistance et une meilleure résistance aux attaques par piqûres, et remplace progressivement son positionnement dans certains domaines traditionnels de l'acier inoxydable austénitique.
L'inconvénient principal de l'acier inoxydable est son prix élevé, surtout pour les modèles riches en nickel et en molybdène. De plus, une corrosion intergranulaire peut facilement se former lors du soudage, nécessitant un traitement par solution solide ou des modèles à faible teneur en carbone (comme le 316L). Dans un environnement fortement réducteur, l'acier inoxydable peut être sujet à la corrosion sous contrainte, et le choix du matériau doit être fait de manière ciblée.
Ainsi, l'acier inoxydable est principalement utilisé dans les situations suivantes :
- Réacteur ;
- Réservoir de stockage pharmaceutique ;
- Réservoir de stockage de gaz à haute pureté, etc.
Titane et alliages de titane :
Le métal titane est devenu un matériau populaire pour la fabrication de cuves sous pression haut de gamme grâce à sa faible densité, sa haute résistance spécifique et sa remarquable résistance à la corrosion. Le titane présente une excellente stabilité face à divers milieux très corrosifs comme l'acide nitrique, les acides organiques, le chlore humide, l'eau de mer, etc., et est particulièrement adapté à une utilisation à long terme dans des environnements oxydants et neutres.
Les matériaux en titane courants incluent du titane pur (comme TA1, TA2) et des alliages de titane (comme TC4). Le titane pur possède d'excellentes propriétés de soudabilité et de formabilité, et est largement utilisé dans des conteneurs nécessitant une faible résistance mécanique mais une forte résistance à la corrosion, tels que les réservoirs à saumure, les bacs de galvanisation, les réacteurs chimiques, etc. Les alliages de titane combinent résistance mécanique et résistance à la corrosion, ce qui les rend adaptés pour des pièces soumises à pression ou des situations sous haute contrainte.
Les matériaux en titane sont coûteux, difficiles à usiner et nécessitent des conditions environnementales extrêmement strictes lors de la soudure (une protection par gaz inerte est requise), ils sont donc principalement utilisés dans des produits à haute technologie et à forte valeur ajoutée. Dans les domaines de l'aérospatiale, de l'aviation, des ingénieries en eaux profondes, des équipements de dessalement de l'eau de mer, du matériel médical, etc., les matériaux en titane jouent de plus en plus un rôle irremplaçable.
Comment choisir?
En ingénierie réelle, le choix du matériau varie selon les conditions de fonctionnement. En prenant l'exemple de la tour de désulfurisation d'une raffinerie, son milieu contient des composants hautement corrosifs tels que l'hydrogène sulfuré, l'ammoniac et les chlorures. Il est plus approprié de choisir l'acier inoxydable 316L ou l'acier inoxydable duplex 2205. Dans les chaudières des centrales électriques, la vapeur à haute température et haute pression impose des exigences extrêmement élevées sur les alliages résistants à la haute température, et on utilise souvent l'acier allié 12Cr1MoV ou SA387.
Dans l'industrie des engrais, les réacteurs à haute pression utilisés dans les unités de synthèse d'ammoniac emploient souvent des matériaux spéciaux tels que des plaques composites en titane et des plaques composites en Hastelloy ; dans l'industrie de transformation alimentaire, pour garantir l'hygiène et la propreté, on utilise souvent des matériaux en acier inoxydable austénitique comme pour les produits de la catégorie 304 et 316L.
Par conséquent, dans les applications d'ingénierie, le choix des matériaux doit être combiné avec la pression de fonctionnement de l'équipement, la température, le type de fluide, le cycle d'opération, l'économie et la pertinence des normes. Il faut prendre en compte une variété de facteurs pour sélectionner des matériaux qui sont à la fois sûrs, fiables et économiquement raisonnables.
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