Comment un métal peut-il conserver sa solidité et résister à la corrosion à des températures élevées ? L'acier au chrome-molybdène, largement utilisé dans le raffinage du pétrole et les industries chimiques, y parvient grâce à sa composition d'alliage unique. Cet article de blog explore les propriétés, la résistance à la chaleur et la résistance à la corrosion de l'acier au chrome-molybdène. Découvrez les considérations relatives à la conception et à la fabrication, et pourquoi ce matériau est essentiel pour les applications à haute température et à haute pression. Plongez dans cet article pour découvrir comment l'acier au chrome-molybdène peut améliorer votre prochain projet d'ingénierie.
L'acier au chrome-molybdène, également connu sous le nom d'acier résistant à l'hydrogène à moyenne température, est un alliage haute performance caractérisé par une résistance accrue à haute température et au fluage. Cette amélioration est obtenue par l'ajout stratégique d'éléments d'alliage, principalement le chrome (Cr ≤10%) et le molybdène (Mo).
L'effet synergique de ces éléments d'alliage améliore non seulement les propriétés mécaniques de l'acier, mais lui confère également une excellente résistance à la fragilisation par l'hydrogène et des performances supérieures à haute température. Ces caractéristiques font de l'acier au chrome-molybdène un matériau indispensable dans diverses applications industrielles exigeantes, notamment le raffinage du pétrole, les équipements de traitement de l'hydrogène chimique et les appareils à haute température.
Dans le domaine de la fabrication d'appareils à pression, l'acier au chrome-molybdène s'est imposé comme un matériau de choix en raison de sa combinaison unique de propriétés. Sa capacité à maintenir l'intégrité structurelle à des températures et des pressions élevées, associée à sa résistance à la dégradation induite par l'hydrogène, en fait un matériau particulièrement adapté aux environnements difficiles rencontrés dans les industries de transformation.
Cet article se penche sur les multiples aspects de l'acier au chrome-molybdène dans le cadre du projet de synthèse du méthanol de Jiutai. Nous explorerons les caractéristiques distinctives du matériau et examinerons les considérations critiques à divers stades de la mise en œuvre du projet, notamment l'optimisation de la conception, les processus de fabrication, les protocoles d'essais non destructifs, les régimes de traitement thermique et les procédures opérationnelles pendant le démarrage et l'arrêt de l'usine. En abordant ces facteurs de manière exhaustive, nous visons à fournir des informations qui peuvent contribuer à un fonctionnement sûr, efficace et fiable des équipements en acier au chrome-molybdène dans la synthèse du méthanol et d'autres processus industriels similaires à enjeux élevés.
L'ajout d'éléments tels que le chrome, le molybdène et l'alun améliore la résistance de l'acier à l'oxydation à haute température et la résistance à haute température.
Le mécanisme d'action est le suivant : Le chrome existe principalement dans la cémentite (Fe3C), et le chrome dissous dans la cémentite augmente la température de décomposition des carbures, empêchant l'apparition de la graphitisation, améliorant ainsi la résistance à la chaleur de l'acier.
Le molybdène a un effet de renforcement de la solution solide sur la ferrite et peut également augmenter la stabilité des carbures, ce qui améliore la résistance de l'acier à haute température.
L'inclusion d'une quantité appropriée de vanadium permet à l'acier de conserver une structure à grains fins à des températures plus élevées, ce qui améliore la stabilité thermique et la solidité de l'acier.
Des éléments tels que le chrome et le molybdène renforcent la stabilité des carbures, empêchant leur décomposition, réduisant ainsi le risque de formation de méthane dû à la réaction des carbures et du carbone précipité avec l'hydrogène.
L'ajout de vanadium permet à l'acier de conserver une structure à grain fin à des températures plus élevées, ce qui accroît considérablement la stabilité de l'acier dans des conditions de température et de pression élevées.
La fragilisation à chaud de l'acier au chrome-molybdène désigne le phénomène par lequel la résistance aux chocs de l'acier diminue lorsqu'il est utilisé pendant une longue période dans une plage de températures comprise entre 370°C et 595°C.
Il s'agit de la plage de température exacte dans laquelle fonctionne notre équipement à hydrogène couramment utilisé. Des études expérimentales ont montré que dans l'acier au chrome-molybdène pour appareils à pression, la fragilisation par revenu est la plus grave lorsque la teneur en chrome se situe entre 2% et 3%.
Des éléments tels que le phosphore, l'antimoine, l'étain, l'arsenic, le silicium et le manganèse ont un impact significatif sur la fragilisation. La fragilisation est réversible ; les matériaux qui ont été gravement fragilisés peuvent l'être à nouveau par un traitement thermique approprié.
En raison de l'ajout de éléments d'alliage tels que le chrome, le molybdène et le vanadium, la vitesse critique de refroidissement de l'acier est réduite, ce qui améliore la stabilité de l'austénite surfondue.
Si la vitesse de refroidissement du soudage est rapide, la transformation de austénite à la perlite dans la zone surchauffée de la zone affectée thermiquement est peu probable.
Au lieu de cela, il se transforme en martensite à des températures plus basses, formant une structure trempée.
Sous l'action combinée d'une contrainte résiduelle complexe au niveau du joint soudé et d'hydrogène diffus, la structure trempée dans la zone de soudure et la zone affectée thermiquement est très sensible à la fissuration retardée induite par l'hydrogène.
Dans des conditions de fonctionnement spécifiques, les matériaux sélectionnés doivent non seulement présenter une résistance supérieure à la corrosion par l'hydrogène, mais aussi contrôler efficacement la tendance à la fragilité à chaud.
Ils doivent également posséder de bonnes soudabilité. La composition chimique détermine la structure, la structure détermine la performance et la performance détermine l'utilisation. En fin de compte, la clé réside dans le contrôle de la composition chimique.
3.1.1 Mesures contre la corrosion par l'hydrogène
L'acier au chrome-molybdène ne subit pas de corrosion par l'hydrogène, même sous haute pression et à basse température (~200°C). Cependant, il peut subir une corrosion par l'hydrogène lorsqu'il est utilisé dans des environnements où l'hydrogène est présent à haute température et à haute pression.
En règle générale, nous sélectionnons les matériaux en acier au chrome-molybdène pour des conditions de fonctionnement spécifiques sur la base de la courbe de Nelson, qui correspond à la température de fonctionnement et à la pression partielle d'hydrogène.
Comme le montre la courbe de Nelson, plus la teneur en chrome et en molybdène est élevée, plus la résistance à la corrosion par l'hydrogène est forte.
Dans la courbe, si les conditions de fonctionnement du navire sont supérieures à la ligne continue, cela indique l'apparition d'une corrosion par l'hydrogène. Si elles sont inférieures à la ligne continue, cela signifie que la corrosion par l'hydrogène ne se produira pas.
3.1.2 Mesures visant à contrôler la tendance à la fragilité du tempérament
En régulant la teneur en éléments tels que P, Sb, Sn, As, Si, Mn dans le matériau, il est possible de contrôler la tendance à la fragilité de la trempe.
Le coefficient de sensibilité à la fragilisation par revenu J de l'acier commun et le coefficient de sensibilité à la fragilisation par revenu x du métal soudé sont généralement utilisés à cette fin. Pour l'acier commun 2,25Cr-1Mo, les indices de contrôle suivants sont utilisés :
Dans les applications pratiques d'ingénierie, il est également nécessaire de contrôler la teneur en éléments résiduels Cu et Ni. La teneur en Cu ne doit pas dépasser 0,20%, et la teneur en Ni ne doit pas dépasser 0,30%.
3.1.3 Détermination de la sensibilité des fissures
La sensibilité à la fissuration est liée à l'équivalent carbone, dont la valeur doit être déterminée par le fabricant sur la base des éléments suivants processus de soudage l'évaluation.
La méthode de calcul est la suivante : Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
Au fur et à mesure que la valeur du carbone équivalent augmente, la soudabilité de l'acier se détériore. Lorsque la valeur Ceq est supérieure à 0,5%, la sensibilité à la fissuration à froid augmente, et le soudage et l'assemblage de l'acier se détériorent. les procédés de traitement thermique deviendra plus stricte.
Pour les matériaux en acier Cr-Mo couramment utilisés avec 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, Ceq est généralement limité à environ 0,48%.
Lorsque des simulations de soudage et de traitement thermique post-soudure sont effectuées sur des plaques d'essai de soudure de produits, l'équivalent carbone maximal peut être porté à 0,5%.
En raison de la forte tendance au durcissement de l'acier Cr-Mo, celui-ci est sujet à des fissures retardées et à des fissures au niveau des soudures d'angle.
Par conséquent, le conception structurelle doit prêter attention aux points suivants :
3.2.1 Réduire le degré de contrainte et concevoir raisonnablement la structure de l'articulation.
3.2.2 La surface de soudure ne doit pas présenter de contre-dépouille.
3.2.3 Le renforcement des trous doit être mis en œuvre dans son ensemble et les structures de renforcement en anneau ne doivent pas être utilisées.
3.2.4 Les buses à extension interne ne doivent pas être utilisées.
3.2.5 La connexion avec les accessoires doit se faire au moyen d'un câble à double face. pénétration totale Les soudures d'angle ne doivent pas être utilisées.
3.2.6 La jonction bout à bout de la bouteille doit de préférence être réalisée à l'aide d'un joint en forme de U. sillon.
L'acier Cr-Mo a une valeur équivalente en carbone plus élevée et a généralement tendance à se fissurer à froid à des degrés divers. Les mesures suivantes permettent d'éviter ce phénomène :
3.3.1 Contrôler strictement la teneur en hydrogène dans le baguette de soudure et utiliser une électrode basique à faible teneur en hydrogène.
3.3.2 Le préchauffage doit être effectué avant de souder l'assemblage de l'équipement. Grâce au préchauffage, la vitesse de refroidissement de l'équipement est réduite. matériel de soudage peut être réduite pour éviter la formation de structures dures et fragiles.
La température de préchauffage est déterminée par le évaluation du processus de soudage. Avant l'évaluation du processus de soudage, un essai de fissuration doit être effectuée sur l'échantillon pour déterminer la température de préchauffage, qui ne doit pas être inférieure à la température de préchauffage pendant toute la durée du processus de soudage.
Dans le même temps, la température de la couche intermédiaire ne doit pas être inférieure à la température de l'air ambiant. température de préchauffage. Des mesures de post-chauffage doivent être prises immédiatement après le soudage.
Chaque feuille d'acier Cr-Mo utilisée pour l'enveloppe doit être soumise à un contrôle par ultrasons.
Pour les cuves de réaction à haute température, à haute pression et à paroi épaisse, après le contrôle radiographique 100% des assemblages bout à bout, un contrôle par ultrasons et un contrôle supplémentaire par magnétoscopie doivent être effectués sur les éléments suivants joints soudés admissibles pour les essais aux ultrasons après traitement thermique et essais hydrostatiques.
Le contrôle par ultrasons est plus sensible aux fissures et aux défauts que le contrôle radiographique. Il doit donc être effectué avec précaution, en tenant compte du calendrier des contrôles non destructifs.
Au cours du processus de fabrication de la cuve, de l'hydrogène gazeux peut s'infiltrer dans le métal, provoquant de petites fissures dans l'acier, un phénomène connu sous le nom de fragilisation par l'hydrogène.
Pour éviter la fragilisation par l'hydrogène, un traitement de déshydrogénation après soudage doit être effectué rapidement.
Le traitement de déshydrogénation consiste à chauffer la soudure et le matériau de base adjacent à une température élevée immédiatement après le soudage, ce qui augmente le coefficient de diffusion de l'hydrogène dans l'acier.
Cela favorise la sortie des atomes d'hydrogène sursaturés dans le métal soudé, empêchant ainsi l'apparition de fissures froides. Le traitement de déshydrogénation peut être jugé inutile si le traitement thermique post-soudage (PWHT) est effectué immédiatement après le soudage.
Les cuves de toute épaisseur fabriquées en Cr-Mo doivent subir un traitement thermique global après soudage. Le traitement thermique post-soudure de l'acier Cr-Mo permet non seulement d'éliminer les problèmes de corrosion, mais aussi d'améliorer la qualité de l'acier. contrainte résiduelle mais améliore également les propriétés mécaniques de l'acier, ce qui est avantageux pour résister à la corrosion par l'hydrogène.
L'acier Cr-Mo peut succomber à une rupture fragile lorsque sa température de fonctionnement est basse ou proche de la température de transition entre ductilité et fragilité, et que la contrainte atteint un certain niveau.
Cependant, une telle défaillance est presque évitable lorsque la contrainte réelle dans la cuve est inférieure à un cinquième de la contrainte de la cuve. limite d'élasticité de l'acier Cr-Mo.
Par conséquent, pour les appareils à pression fabriqués en acier Cr-Mo, il convient d'adopter une procédure consistant à augmenter la température avant la pression pendant le démarrage et à réduire la pression avant la température pendant l'arrêt afin d'éviter les ruptures fragiles.
Lors de la mise en œuvre des matériaux en acier Cr-Mo de norme internationale
En raison des divergences dans la détermination du facteur de sécurité et les méthodes de calcul entre les normes nationales et internationales pour la contrainte admissible des matériaux, lors de l'utilisation de matériaux en acier Cr-Mo selon les normes internationales, il convient d'appliquer les règles nationales pour le calcul de la contrainte admissible.
Si l'on prend l'exemple de la norme SA387Cr.11G1.2, le calcul de sa contrainte admissible est le suivant :
Il faut d'abord obtenir la résistance à la traction et limite d'élasticité à différentes températures pour le matériau de l'ASME.
La contrainte admissible à température ambiante est la plus petite valeur entre la résistance à la traction à température ambiante divisée par 3,0 et la limite d'élasticité divisée par 1,5.
Comme il n'existe pas de données sur la résistance à la traction à haute température au niveau national, la contrainte admissible à haute température est obtenue en divisant la limite d'élasticité à haute température par 1,6.
Si la valeur calculée est supérieure à la contrainte admissible à température ambiante, adopter la valeur à température ambiante. Dans le cas contraire, utiliser la valeur calculée.
La contrainte admissible de ce matériau dans l'ASME révèle que lorsque la température dépasse 450℃, la contrainte admissible chute rapidement, à partir de laquelle la limite de fluage régit la contrainte admissible.
Puisque l'ASME ne fournit pas de données sur la limite de fluage au-dessus de 450℃, et que les facteurs de sécurité pour la limite de fluage dans les normes nationales et l'ASME sont cohérents, nous adoptons directement la contrainte admissible de l'ASME. La contrainte spécifique admissible à la température de conception peut être obtenue par interpolation.
Cet article présente certaines exigences spécifiques pour les matériaux en acier Cr-Mo. Lors de la conception détaillée, il est nécessaire de prendre en compte tous les aspects conformément aux spécifications standard, de procéder à une analyse complète, afin de parvenir à une conception sûre, économique et rationnelle.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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