L'étirage à froid, le laminage à froid, le cintrage à froid, l'expansion à froid et le vrillage à froid sont des procédés de transformation courants pour la fabrication de tubes en acier inoxydable ou en acier réfractaire destinés aux échangeurs de chaleur, etc., à partir de tubes en acier inoxydable sans soudure ou soudés. L'excellente plasticité de l'acier inoxydable, notamment de l'acier inoxydable austénitique, facilite généralement la mise en œuvre de ces procédés de travail à froid. Cependant, comme le soudage, ces procédés altèrent inévitablement les performances des tubes en acier inoxydable, en particulier leur résistance à la corrosion et à la chaleur. L'élimination, la réduction ou le contrôle de ces dommages constituent un enjeu majeur dans la fabrication et le traitement ultérieur des tubes en acier inoxydable. Le traitement thermique final, ou recuit, avant livraison est la méthode la plus efficace pour éliminer les effets néfastes des procédés de travail à froid. Toutefois, cette méthode nécessite un chauffage à haute température et un décapage, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication et le cycle de production. De plus, elle pose des problèmes liés au rejet, au traitement et à l'évaluation des gaz et des eaux usées, tels que les brouillards acides. Par conséquent, certains fabricants omettent cette étape afin de réduire les coûts ou de respecter les délais. Certains utilisateurs achètent ces produits pour faire des économies, ce qui est extrêmement imprudent et non rentable. Par ailleurs, ce procédé peut s'avérer difficile à mettre en œuvre pour certains produits ou dans certaines conditions d'utilisation. C'est pourquoi le contrôle du degré d'écrouissage (déformation due à l'écrouissage) et le recuit de détente localisé à basse température sont devenus deux autres solutions pratiques pour réduire ou maîtriser ses effets néfastes, mais leurs conditions d'application, notamment en fonction du type d'acier, restent controversées.
1. Dommages et élimination de l'écrouissage sur les performances des tubes en acier inoxydable
1.1 L'altération des performances des tubes en acier inoxydable par écrouissage à froid obtenu par déformation plastique à température ambiante entraînera un durcissement par écrouissage à froid, c'est-à-dire une augmentation de la dureté et de la résistance du matériau, et la plasticité d'origine du matériau sera partiellement ou totalement perdue, ce qui endommagera inévitablement la résistance à la corrosion ou la résistance à la chaleur du matériau.
1.2 Méthodes pour éliminer les dommages
Le traitement thermique de mise en solution final des tubes en acier inoxydable austénitique et duplex, ainsi que le recuit final des tubes en acier inoxydable ferritique, avant livraison, visent à éliminer efficacement les dommages causés aux performances par le travail à froid, le soudage et autres opérations de travail à chaud. C'est pourquoi les normes relatives aux tubes en acier inoxydable de la plupart des pays, notamment la norme européenne unifiée, stipulent que tous les tubes sans soudure en acier inoxydable doivent être livrés à l'état de mise en solution ou recuit. Des utilisateurs nationaux ont signalé l'apparition de corrosion par piqûres sur les tubes sans soudure en acier inoxydable austénitique 316L dès leur immersion dans l'eau de mer (le 316L n'est pas un matériau idéal pour la corrosion en eau de mer ni pour l'immersion, mais une corrosion par piqûres après une seule immersion est anormale). Un traitement de mise en solution final insuffisant ou inadéquat est probablement le signe d'un produit de moindre qualité. Le traitement thermique de mise en solution ou de recuit final est une étape cruciale et indispensable dans la fabrication des tubes sans soudure en acier inoxydable.
2. Cintrage à froid et traitement thermique de détente des tubes en acier inoxydable
Le cintrage à froid est une méthode courante de transformation à froid des tubes en acier inoxydable, pouvant être mise en œuvre par les fabricants de tubes, les utilisateurs finaux ou les fabricants de raccords de tuyauterie. La nécessité et les modalités d'un traitement thermique de détente après cintrage à froid font souvent l'objet de désaccords entre fabricants et utilisateurs. Bien que cette question soit abordée dans les normes internationales relatives aux pipelines, certains points méritent d'être discutés.
2.1 Cintrage à froid et traitement thermique de détente des tubes en acier inoxydable
Le cintrage à froid est une méthode courante de transformation à froid des tubes en acier inoxydable, pouvant être mise en œuvre par les fabricants de tubes, les utilisateurs finaux ou les fabricants de raccords de tuyauterie. La nécessité et les modalités d'un traitement thermique de détente après cintrage à froid font souvent l'objet de désaccords entre fabricants et utilisateurs. Bien que cette question soit abordée dans les normes internationales relatives aux pipelines, certains points méritent d'être discutés.
2.2 Pour les applications soumises à des charges cycliques ou à des environnements de corrosion sous contrainte
Concernant les applications soumises à des charges cycliques ou à la corrosion sous contrainte, les normes européennes et américaines présentent de légères différences. La norme américaine stipule que pour les matériaux soumis à des essais de résilience, un traitement de relaxation des contraintes ou de mise en solution doit être effectué lorsque l'allongement maximal calculé des fibres est de 5 % après cintrage, ou en présence d'autres exigences. Les tubes en U utilisés dans les échangeurs de chaleur, tels que les réchauffeurs d'eau d'alimentation et les condenseurs des centrales électriques fonctionnant dans des fluides eau/vapeur à haute température et haute pression, sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte en raison de la présence d'ions chlorure et d'oxygène dans le fluide. Par conséquent, les deux seules normes américaines au monde, ASTM A688/A688M et A803/A803M, relatives aux tubes en acier inoxydable sans soudure et soudés pour réchauffeurs d'eau d'alimentation, ainsi que la norme japonaise JISG 3463 relative aux tubes en acier inoxydable pour chaudières et échangeurs de chaleur, stipulent que les utilisateurs peuvent exiger un traitement thermique local de relaxation des contraintes pour les tubes en U après cintrage. La norme française de fabrication des réacteurs nucléaires RCC-M3319 stipule que les tubes en forme de U doivent réussir le test de corrosion sous contrainte MgCl2 après pliage afin de déterminer si un traitement thermique de relaxation des contraintes est nécessaire après pliage.
3. Tubes torsadés et échangeurs de chaleur torsadés
Un échangeur de chaleur composé de tubes torsadés (tubes écrouis à froid, TwistedTube) est utilisé à l'étranger. Il se caractérise par un tube d'acier unique torsadé à 60° par pas, et sept tubes d'acier forment un échangeur de chaleur torsadé. Ses avantages résident dans sa structure compacte, son rendement thermique élevé et la réduction des zones mortes dues à la stagnation du flux externe. Il constitue une structure idéale pour les échangeurs de chaleur installés dans des espaces restreints. Les calculs et analyses montrent que la déformation plastique induite par le torsadage à froid n'est que de 4 % à 14 %, et que sa température de fonctionnement ne dépasse pas 540 °C. Conformément aux dispositions du code ASME relatif aux chaudières et appareils à pression, aucun recuit de détente n'est requis. Cependant, après des tests de corrosion sous contrainte selon la norme ASTMG36, il est prouvé que les tubes torsadés en acier inoxydable austénitique 316 et 321 doivent être soumis à un recuit de détente ou à un recuit de mise en solution pour obtenir une bonne résistance à la corrosion sous contrainte, et les performances des tubes en acier inoxydable 321 sont bien meilleures que celles des tubes en acier inoxydable 316.
4. Tubes torsadés et tubes en U en acier inoxydable duplex
Les résultats d'essais réalisés à l'étranger ont démontré qu'il n'est pas approprié d'effectuer un recuit de détente sur les tubes torsadés ou les tubes en U en acier inoxydable duplex. Les essais actuels exigent une valeur R ≥ 5,33 d₀ pour les tubes en acier inoxydable duplex 2205, mais R ≥ 1,5 d₀ pour les tubes en acier inoxydable super duplex 2507. Ceci s'explique par les raisons suivantes : 1) L'acier inoxydable duplex présente une excellente résistance à la corrosion par piqûres et à la corrosion sous contrainte ; plus la valeur PRE équivalente à la corrosion par piqûres est élevée, meilleure est la résistance à la corrosion sous contrainte du matériau. 2) Un recuit de détente localisé à basse température affecte l'équilibre de phase et les composés intermétalliques de la matrice, ce qui entraîne la précipitation de phases fragiles et une dégradation accrue de la résistance à la corrosion. Ces résultats de recherche indiquent que les tubes en acier inoxydable duplex constituent un matériau plus adapté aux échangeurs de chaleur et justifient la grande prudence des normes de l'American Welding Society et de l'ASME B31.3 concernant leurs exigences en matière de traitement thermique.
5. Méthode de recuit pour la relaxation des contraintes des tubes en U
Les méthodes nationales et étrangères de recuit de détente des tubes en U utilisent le chauffage par résistance ou le chauffage localisé dans un four. Cependant, la méthode la plus efficace et la plus pertinente fait souvent l'objet de controverses. Les dernières recherches menées aux États-Unis démontrent que le chauffage par résistance est une méthode plus pertinente et efficace. Les raisons sont les suivantes : ① Le courant alternatif à fréquence industrielle peut être directement injecté à 250 mm du point de coupe du tube en U via l'électrode de serrage, permettant ainsi de chauffer la section cintrée du tube à 1010-1065 °C en un temps très court (environ 10 s), avec une très faible consommation d'énergie ; ② Un pyromètre optique permet de contrôler automatiquement la température de la zone de chauffe ; ③ La paroi interne est remplie d'argon pour prévenir efficacement l'oxydation ; ④ Après chauffage, un refroidissement par air forcé permet de refroidir rapidement à moins de 425 °C en 2 à 3 minutes, formant un film d'oxyde jaune ou bleu clair, fin et dense, répondant aux exigences d'utilisation les plus strictes sans décapage.
6. Conclusion
(1) Les procédés de transformation à froid, tels que l'étirage et le laminage à froid, entraînent un durcissement à froid de l'acier inoxydable, notamment de l'acier inoxydable austénitique, et induisent des dislocations cristallines, une transformation de phase martensitique, la précipitation de carbures, une augmentation du magnétisme et des contraintes résiduelles, réduisant ainsi sa résistance à la corrosion. Un recuit ou un traitement thermique de mise en solution après transformation à froid permet d'éliminer efficacement ces effets indésirables ; par conséquent, les tubes sans soudure en acier inoxydable austénitique et les tubes soudés en acier inoxydable transformé à froid doivent être fournis à l'état recuit ou mis en solution afin de garantir efficacement leur résistance à la corrosion.
(2) Outre la fissuration par corrosion sous contrainte et les conditions environnementales présentant un risque de fatigue-corrosion due aux contraintes alternées, la maîtrise de l'écrouissage est un autre moyen d'en éviter les effets néfastes. Ceci est particulièrement important pour les écrouissages localisés tels que le cintrage et l'expansion à froid, difficiles à recuire. Dès lors que le rayon de courbure à froid des tubes en acier inoxydable austénitique est maintenu à au moins 1,5d0 et celui des tubes en acier inoxydable ferritique et duplex à plus de 2,5d0, un recuit de détente après cintrage à froid n'est généralement pas nécessaire.
(3) Pour les coudes qui nécessitent une résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, tels que les coudes en acier inoxydable austénitique en forme de U pour les échangeurs de chaleur fonctionnant dans des conditions d'eau ou de vapeur à haute température et haute pression, un recuit de détente efficace doit être effectué après le pliage à froid, quelle que soit la taille du rayon de pliage à froid.
(4) L'acier inoxydable 06Cr19Ni11Ti (321) présente une meilleure résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte que l'acier inoxydable 316L et constitue un matériau austénitique plus adapté aux tubes en U des échangeurs de chaleur. Les tubes en U en acier inoxydable duplex ne conviennent pas et ne doivent pas faire l'objet d'un recuit de détente localisé après cintrage à froid ou torsion.
(5) Les tubes en acier inoxydable torsadés à froid peuvent former un nouveau type d'échangeur de chaleur avec une structure compacte et une efficacité d'échange de chaleur plus élevée, ce qui mérite l'attention des départements de conception et d'application concernés.
(6) Les tubes en U en acier inoxydable duplex ne conviennent pas ou ne doivent pas être soumis à un recuit de détente local après pliage ou torsion à froid.
(7) Le chauffage par résistance est une méthode de traitement thermique de relaxation des contraintes locales qui est plus économe en énergie et en temps que le chauffage indirect dans le four, est facile à contrôler automatiquement et devrait être promue en priorité.
(8) Les normes européennes et américaines relatives aux pipelines (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) comportent des réglementations mises à jour et détaillées sur le traitement thermique des tubes en acier inoxydable après formage à froid/à chaud, qui méritent une attention particulière.
Date de publication : 6 novembre 2024