Qu'est-ce qu'un récipient sous pression à basse température?

Pour répondre à la question fondamentale:Qu'est-ce qu'un récipient sous pression à basse température et quelles modifications de matériaux et de conception est-il nécessaire pour un fonctionnement sûr sous -46°C?Un récipient sous pression à basse température est un récipient codé ASME Section VIII conçu pour être utilisé à des températures inférieures à -46 °C (le seuil où l'acier au carbone passe à un comportement fragile),nécessitant des matériaux dont la ténacité à basse température est vérifiéeLa température minimale de conception du métal (MDMT) détermine la sélection du matériau: en dessous de -46°C, acier au carbone à grains fins normalisé (SA-516 Gr.70N) avec test d'impact Charpy V-notch (CVN) selon la section VIII UG-84 de l'ASME est exigé- à moins de - 104 °C, l'acier au nickel à 9% (SA-353) ou l'acier inoxydable austénitique (304L/316L) est utilisé; à moins de -196 °C, seuls les aciers austénitiques, l'aluminium (5083) ou l'acier au nitrate à 9% sont adaptés au GNL (-162 °C),oxygène liquide (-183°C), et de l'azote liquide (-196°C).

1Principes de conception de base pour le service à basse température

Low-temperature vessel design centers on preventing brittle fracture—a catastrophic failure mode where a crack propagates at near-sonic velocity through the vessel wall with no measurable plastic deformationTrois principes métallurgiques et de conception régissent le fonctionnement en toute sécurité:

• ** Vérification de la résistance à l'impact par encoche Charpy V:**La section VIII de l'ASME UG-84 exige que les essais d'impact CVN soient effectués au niveau ou en dessous du MDMT. L'échantillon d'essai (10*10*55 mm avec une encoche en V de 2 mm, usiné selon la norme ASTM E23) est frappé par un marteau à pendule;l'énergie absorbée (en joules) doit dépasser la valeur minimale spécifiée en fonction de l'épaisseur du matériauPour l'acier à 9% Ni (SA-353) à -196 °C, des valeurs de CVN de 40-70 J sont atteintes en raison de la phase d'austénite stabilisée.L'expansion latérale (minimum 0).38 mm) et *apparence de la fracture par cisaillement* (minimum 70% pour les spécimens de grande taille) fournissent des critères d'acceptation secondaires.
• ** Contrôle de la température de transition ductile à fragile (DBTT):**Les métaux BCC (cubiques centrés sur le corps) ̇ acier au carbone, acier à faible alliage et chrome ferritique ̇ présentent une DBTT où le mode de fracture passe du ductile (coalescence micro-voide) au fragile (clivage).L'acier au carbone DBTT est à environ -20°C à -40°C, le fonctionnement en dessous de -46°C nécessite soit des matériaux austénitiques (structure FCC, pas de DBTT) soit de l'acier à 9% de Ni, dont l'ajout de nickel abaisse le DBTT à moins de -196°C.Le *50% FATT (température de transition de l'apparence de la fracture) *, lorsque 50% de fracture ductile et 50% de fracture fragile sont observées, doit être au moins de 15 à 30°C en dessous de la MDMT.5 ou plus finement) et le traitement thermique normalisé réduisent le DBTT de 10 à 20 °C..
• **Gestion de la contrainte thermique et de l'expansion différentielle:**Les récipients à basse température subissent une expansion thermique différentielle extrême entre le récipient intérieur froid et la veste ou les supports extérieurs à température ambiante.Pour un récipient intérieur en acier à 9% de nitrate à -162 °C et un récipient extérieur en acier au carbone à +20 °C, la contraction différentielle est d'environ 2,7 mm/m de longueur, nécessitant des connexions flexibles (boucles ou tuyaux métalliques flexibles) sur toutes les conduites.* La section VIII de l'ASME, appendice 3* traite de la conception des vestes de support pour les navires à froid: la jonction coque-casque doit comporter une section de transition thermique pour limiter la contrainte thermique à une résistance inférieure à la résistance au rendement à la température du métal..02-0,04 W/mK dans le vide) remplit l'espace annulaire entre les récipients intérieurs et extérieurs pour les réservoirs à double paroi de stockage de GNL.

2Principaux types de récipients à basse température sous pression

Les récipients à basse température sont classés par le gaz liquéfié qu'ils contiennent, le MDMT correspondant et la stratégie du matériau.Trois grandes catégories d'applications représentent la majorité des installations industrielles:

• **Navires de stockage et de traitement du GNL (MDMT -162°C):**Ces réservoirs à fond plat à double paroi (capacité de 1 000 à 200 000 m3) stockent du gaz naturel liquéfié à -162 °C.Le récipient intérieur est constitué d'acier à 9% Ni (SA-353) avec une épaisseur de paroi de 10 à 25 mm pour les récipients sous pression fabriqués en atelier jusqu'à 500 m3Le récipient extérieur (acier au carbone) contient une isolation sous vide de perlite, réduisant le taux d'ébullition à 0,05-0,1% par jour pour les grands réservoirs de stockage.ASME Section VIII Division 1 avec annexe (exigences supplémentaires de température froide) ou API 620 Appendice Q régit la conception, avec examen UT à 100% de toutes les soudures et PWHT de soulagement des contraintes à 550-585°C (en dessous de la température Ac1 pour préserver la microstructure trempée de l'acier à 9% de Ni).
• **Vessils de traitement cryogénique des gaz (MDMT -104°C à -196°C):**Ces récipients ASME servent des unités de séparation d'air (ASU), des boîtes froides d'éthylène et des usines de liquéfaction d'azote.D) ou 304L en acier inoxydable est spécifiéPour le service à -196°C (azote liquide, oxygène, argon), l'austénite complète 304L/316L ou l'aluminium 5083-O est utilisée car ces métaux FCC n'ont pas de DBTT.,La chaleur spécifique moyenne* de l'acier au 9% de Ni à -162°C est de 0,45 kJ/kgK (contre 0,50 à l'environnement),et le coefficient de contraction thermique est de 1.2*10−5/°C, nécessitant des sections de transition thermique aux points de support.
• **Vessils à hydrogène et à hélium liquides (MDMT -253°C à -270°C):Ces récipients à très basse température utilisent de l'acier inoxydable austénitique 304L ou 316L pour l'hydrogène liquide (-253°C) et de l'acier austénitique ou de l'aluminium pour l'hélium liquide (-269°C).La conception isolée sous vide (récipient intérieur avec isolation multicouche MLI en feuille d'aluminium et en papier de verre alternantPour l'hélium liquide, une "superisolation" atteignant un flux thermique de 0,5 à 2,0 W/m2 est essentielle.la chaleur latente de vaporisation de l'hélium est seulement de 2Les taux d'ébullition de 0,3-1,0% par jour sont typiques pour les navires de transport de 10 à 50 m3 avec ventilation active.

Matrice de comparaison des matériaux des navires à basse température sous pression

Questions fréquemment posées

Q: Quelle est la température minimale de conception des métaux (TDMM) et pourquoi est-elle essentielle?

R: La MDMT est la température métallique la plus basse à laquelle le récipient devrait fonctionner sous pression, y compris le démarrage, l'arrêt et les conditions anormales.La section VIII de l'ASME exige que tous les matériaux porteurs sous pression aient une ténacité à l'impact Charpy V-notch vérifiée à la MDMT ou inférieure.L'exploitation d'un récipient en acier au carbone en dessous de sa MDMT risque de provoquer une fracture catastrophique, une fissure se propageant à une vitesse proche du son à travers la paroi sans déformation plastique préalable.Le MDMT est estampillé sur la plaque d'immatriculation du navire et ne doit pas être dépassé sans une analyse technique conformément à la section VIII de l'ASME UG-20 (f) ou au cas de code 2216..

Q: Pourquoi l'acier au nickel à 9% est-il utilisé pour les navires de stockage de GNL au lieu de l'acier inoxydable?

R: L'acier au 9% de nitrate (SA-353) offre un équilibre optimal: il a une DBTT inférieure à -196°C (convenable pour le GNL à -162°C), une résistance supérieure à celle de l'acier inoxydable austénitique (rendement 515 MPa contre 205 MPa pour le 304L,permettant des murs plus minces et un coût inférieur)L'ajout de 9% de Ni stabilise la phase d'austénite retenue entre la matrice de martensite trempée,fournissant une ténacité à basse températureL'acier au nitrate de 9% coûte environ 3% d'acier au carbone mais seulement 0,5% d'acier inoxydable, ce qui en fait le choix économique pour les grands réservoirs de stockage de GNL.

Q: Qu'est-ce que l'isolation multicouche (MLI) et comment réduit-elle la fuite de chaleur dans les récipients cryogéniques?

R: Le MLI est constitué de 30 à 100 couches alternées de feuille d'aluminium hautement réfléchissante (12-25 μm d'épaisseur) et de matériau d'espacement à faible conductivité (papier en verre ou filet en polyester, d'une épaisseur de 0,05-0,15 mm),installé dans l'anneau sous vide entre les récipients intérieurs et extérieursChaque couche de feuille reflète 95 à 97% du rayonnement infrarouge, et avec plus de 30 couches, le transfert de chaleur radiative résiduelle est réduit de 200 à 300* par rapport au vide nu.La conductivité thermique efficace d'un MLI correctement installé dans un vide élevé (< 10−3 mbar) est de 00,00005-0,0002 W/mK, atteignant des taux d'ébullition de 0,05-0,1%/jour pour les grands réservoirs de GNL et de 0,3-1,0%/jour pour les petits navires de transport de LH2.

Q: Quelles sont les exemptions des essais d'impact ASME et comment s'appliquent-elles aux navires à basse température?

R: La section VIII de l'ASME UG-20 (f) et la figure UCS-66 prévoient des exemptions pour les essais d'impact basés sur l'épaisseur du matériau et la MDMT:Les matériaux minces (< 10 mm) peuvent être exemptés à des températures aussi basses que -48°C, car la température de référence (dérivée de l'épaisseur)Pour les récipients fonctionnant à des températures inférieures à -46°C,Les tests d'impact au MDMT sont obligatoires pour la plupart des épaisseurs et des matières premières..Le cas 2216 permet de réduire la MDMT sans essai d'impact si une analyse de la mécanique des fractures (en utilisant le diagramme d'évaluation des défaillances* selon API 579-1/ASME FFS-1) démontre une tolérance aux défauts adéquate., mais cela nécessite une analyse d'ingénierie avancée et une acceptation réglementaire.

Les étiquettes:Réacteur en acier inoxydable,Système de réacteur chimique,Réacteur chimique industriel