Pour les vannes destinées à des conditions d'utilisation sévères, la nuance de matériau indiquée dans le devis n'est que le point de départ.
Une vanne peut être fabriquée à partir du matériau approprié.
Il peut réussir les tests de pression hydrostatique.
Elle peut paraître parfaitement acceptable avant l'expédition.
Et pourtant, il peut échouer même après son arrivée sur le site.
Ce n'est pas une théorie pour nous. C'est une leçon. THINKTANK tiré d'un projet réel.
Il y a quelques années, nous avons fourni un lot de détendeurs manuels haute température et haute pression. Le corps du détendeur était en acier 15CrMo, le diamètre nominal était de DN50 et la pression nominale de PN200.
Lors du contrôle en usine, les vannes ont passé avec succès le test hydrostatique. Aucune fuite n'a été constatée pendant le test. Les documents étaient conformes. De l'extérieur, rien ne laissait présager un problème grave.
Mais une fois les vannes arrivées sur le site du client, une fuite a été constatée.
Nous avons rappelé les vannes en urgence et organisé une inspection plus approfondie. Des contrôles radiographiques ont par la suite révélé des fissures dans les corps de vannes. Ces fissures étaient dues à des soudures de réparation effectuées lors de la fabrication.
Le test de pression initial ne les avait pas détectés.
RT l'a fait.
Pour THINKTANKCette commande a été difficile à gérer. Nous avons essuyé des pertes sur ce projet. Mais nous ne l'avons pas considéré uniquement comme une perte commerciale. Nous avons collaboré avec le client, réagi rapidement, fourni une solution corrective et assuré un service après-vente. Les vannes livrées après correction fonctionnent désormais correctement sur le site.
Plus important encore, ce projet a changé notre vision de la fabrication des corps de vannes haute température.
Cela nous a rappelé que la fiabilité des vannes ne repose pas uniquement sur le choix des matériaux. Elle dépend de tous les processus qui suivent ce choix.
Le nom du matériau est visible. Le procédé de fabrication, lui, ne l'est pas.
Lorsqu'un acheteur compare deux devis de vannes, de nombreux éléments semblent faciles à comparer.
- Source
- Taille
- Note de pression
- Mettre fin à la connexion
- Temps de livraison
- Tarifs et Prix
Mais bon nombre des facteurs de qualité les plus importants sont cachés.
La carrosserie était-elle moulée ou forgée ?
S'il s'agissait d'une pièce moulée, a-t-elle été correctement refroidie et traitée thermiquement ?
Des travaux de soudure de réparation ont-ils été effectués ?
La soudure de réparation a-t-elle été réalisée conformément à un WPS qualifié ?
Le préchauffage a-t-il été effectué correctement ?
La température entre les passages était-elle contrôlée ?
Le traitement thermique après soudage (PWHT) était-il requis et a-t-il été correctement effectué ?
Des contrôles RT et UT ont-ils été effectués sur le corps de la vanne ?
A-t-on utilisé MT ou PT après la soudure de réparation ?
La fonderie était-elle capable de travailler l'acier faiblement allié résistant à la chaleur, ou a-t-elle été choisie uniquement parce que le prix était plus bas ?
Ces défauts n'apparaissent généralement pas à la surface de la vanne finie. Ils peuvent être invisibles après usinage, peinture, assemblage et emballage.
Mais ce sont eux qui déterminent si une vanne destinée à des conditions d'utilisation sévères est seulement capable de réussir les tests en usine, ou si elle peut fonctionner de manière fiable sur site.
C’est pourquoi deux vannes de même qualité de matériau et de même pression nominale peuvent présenter des niveaux de fiabilité très différents.
Le 15CrMo n'est pas du Cr-Mo-V, mais la leçon nous a menés plus loin.
Techniquement, l'acier 15CrMo est un acier réfractaire faiblement allié au chrome et au molybdène. Il contient du chrome et du molybdène, mais pas de vanadium.
Les aciers Cr-Mo-V sont différents. Ils contiennent du vanadium, qui améliore la résistance au fluage à haute température grâce à la précipitation de carbures. Ceci les rend utiles dans des applications exigeantes à haute température telles que les systèmes de vapeur, les centrales électriques, les unités pétrochimiques et les équipements de vannes ou de canalisations haute pression.
Notre projet 15CrMo n'était donc pas un cas d'échec du Cr-Mo-V au sens chimique strict.
Mais cela nous a incités à étudier plus en profondeur les matériaux Cr-Mo et Cr-Mo-V, car ils partagent une réalité importante :
Ce ne sont pas des aciers au carbone ordinaires.
Sur une liste de matériaux, ils peuvent sembler n'être qu'un simple acier allié, mais leurs exigences en matière de fonderie, de soudage, de traitement thermique et d'inspection sont beaucoup plus exigeantes.
Pour un fabricant de vannes, connaître le nom du matériau ne suffit pas.
Nous devons comprendre comment le matériau se comporte pendant la fabrication.
Tableau 1. Aciers réfractaires typiques au Cr-Mo et au Cr-Mo-V utilisés en service à haute température
| Qualité/Norme de l'acier | C (%) | Cr (%) | mois (%) | V (%) | Applications industrielles typiques |
| 20CrMo / GB/T 3077 | 0.17-0.24 | 0.80-1.10 | 0.15-0.25 | - | Pièces structurelles à haute résistance et composants de pression conventionnels |
| 14MoV6-3 / EN 1.7715 | 0.10-0.15 | 0.30-0.60 | 0.50-0.70 | 0.20-0.30 | Tuyauterie, pièces forgées et brides haute température jusqu'à environ 530 °C |
| 21CrMoV5-7 / EN 1.7709 | 0.17-0.25 | 1.20-1.50 | 0.55-0.80 | 0.20-0.35 | Pièces forgées robustes résistantes à la chaleur, boulonnerie et pièces sous pression à haute température |
| C12A / ASTM A217 | 0.08-0.12 | 8.00-9.50 | 0.85-1.05 | 0.18-0.25 | Corps de vannes moulés haute température et haute pression pour service vapeur supercritique |
Le premier risque caché : le contrôle du casting
Beaucoup de gens pensent que les problèmes de moulage se résument principalement à des trous de sable, de la porosité, du retrait ou des inclusions.
Ces défauts sont réels et sont généralement liés au matériau de moulage, à la conception du système de coulée, à la conception de la masselotte, à la propreté de l'acier en fusion et au contrôle du processus de fonderie.
Mais pour les corps de vannes en acier faiblement allié résistant à la chaleur Cr-Mo et Cr-Mo-V, il existe un autre risque moins visible : les contraintes internes et la microstructure fragile.
Si une pièce moulée est ouverte trop tôt, refroidie trop rapidement ou n'est pas correctement isolée et traitée thermiquement, sa surface et son cœur peuvent refroidir à des vitesses très différentes. La transformation de phase interne risque de ne pas être uniforme. Des contraintes résiduelles peuvent subsister à l'intérieur du corps de la vanne avant même le début de l'usinage.
De l'extérieur, le moulage peut encore paraître normal.
Après usinage, la surface peut paraître propre.
Après peinture, la vanne peut paraître parfaite.
Mais à l'intérieur, le corps de la vanne peut déjà être sensible.
Une fois la soudure de réparation effectuée sur ce type de pièce moulée, la chaleur de soudage peut provoquer des fissures autour de la zone réparée.
C’est pourquoi la soudure de réparation ne peut pas être considérée comme une simple correction en atelier.
Le deuxième risque caché : la soudure de réparation
Pour certains matériaux, le soudage de réparation peut ressembler à une étape de production normale.
- Supprimer le défaut
- Soudez-le
- Machine-le
- Poursuivre la production
Mais pour les aciers réfractaires faiblement alliés Cr-Mo et Cr-Mo-V, le soudage de réparation ne consiste pas simplement à « rajouter du métal ».
Il s'agit d'une opération métallurgique.
L'arc de soudage crée une zone de haute température localisée. Le corps de vanne environnant est beaucoup plus froid et beaucoup plus dense. Si le préchauffage est insuffisant, la zone affectée thermiquement risque de refroidir trop rapidement après le soudage.
Pour les aciers au chrome-molybdène, cela peut créer une zone affectée thermiquement dure et cassante. Si de l'hydrogène est également présent (provenant de l'humidité, des consommables de soudage ou d'un contrôle insuffisant), la combinaison d'une microstructure dure, d'hydrogène et de contraintes résiduelles peut entraîner une fissuration à froid.
Ces fissures peuvent ne pas apparaître immédiatement. Elles peuvent apparaître des heures plus tard, des jours plus tard, ou ne devenir visibles que lors d'une inspection ou d'un entretien ultérieur.
Pour les aciers Cr-Mo-V, le risque est encore plus important. Le vanadium est ajouté pour améliorer la résistance à haute température, mais après soudage, les matériaux contenant du vanadium peuvent être sensibles à la fissuration par réchauffage, également appelée fissuration de relaxation des contraintes. Ce phénomène peut se produire lors du traitement thermique après soudage (TTAS) ou en début de fonctionnement à haute température.
C’est pourquoi ces matériaux ne sont pas impossibles à souder.
Mais ils sont impitoyables.
Ils nécessitent un préchauffage adéquat, un apport de chaleur contrôlé, un contrôle de la température entre les passes, une pratique de soudage à faible teneur en hydrogène, un WPS qualifié, un PWHT approprié si nécessaire et un CND final.
Omettre une étape peut ne pas révéler immédiatement un problème.
Mais le risque demeure à l'intérieur du corps de la vanne.
Tableau 2. Classification des numéros P selon la section IX de l'ASME et sensibilité de soudage
| Numéro ASME P | Système d'alliage de métaux de base | Grades de matériaux typiques ASTM | Sensibilité du soudage et exigences clés du processus |
| P-No. 1 | Aciers au carbone-manganèse | ASTM A216 WCB/WCC, ASTM A105 | Bonne soudabilité ; le traitement thermique après soudage peut être exempté dans certaines applications à parois minces, selon les exigences du code. |
| P-No. 4 | Aciers 1.25Cr-0.5Mo | ASTM A217 WC6, ASTM A182 F11 | Une trempabilité accrue, un préchauffage contrôlé et une maîtrise des procédures de soudage sont nécessaires. |
| P-No. 5A | Aciers 2.25Cr-1Mo | ASTM A217 WC9, ASTM A182 F22 | Une sensibilité de soudage élevée ; un préchauffage et un traitement thermique après soudage (PWHT) rigoureux sont généralement requis. |
| P-No. 5B | Aciers Mo 5Cr à 9Cr sans vanadium | ASTM A217 C5, ASTM A217 C12 | Sensibilité de soudage très élevée ; l’apport de chaleur, la température entre passes et le traitement thermique après soudage doivent être contrôlés avec soin. |
| P-No. 5C / 15E | aciers alliés Cr-Mo-V | ASTM A217 C12A, ASTM A182 F91 | Extrêmement sensible aux cycles thermiques de soudage ; risque élevé de fissuration par réchauffage/fissuration de relaxation des contraintes ; un DMOS strict, un contrôle strict de la température de traitement thermique après soudage et des CND sont requis. |
Le troisième risque caché : croire que l’essai hydrostatique est suffisant
Notre projet sur l'acier 15CrMo nous a également appris à ne pas surestimer les essais hydrostatiques.
Un essai hydrostatique est nécessaire. Il permet de vérifier l'étanchéité de l'enceinte sous pression dans des conditions d'essai spécifiques.
Mais les essais hydrostatiques ne permettent pas de voir à l'intérieur du métal.
Si une fissure est interne et n'a pas entièrement pénétré l'épaisseur de la paroi, le fluide d'essai ne présente aucune voie de fuite.
Si une fissure est hermétiquement fermée par des contraintes résiduelles, l'eau risque de ne pas y pénétrer pendant l'essai.
Si un défaut est situé dans la zone affectée par la chaleur mais ne s'est pas ouvert en surface, la vanne peut tout de même réussir le test de pression.
Cela ne signifie pas que le test de pression est inutile.
Cela signifie que l'essai de pression a une limite.
Pour les corps de vannes haute température, haute pression ou destinés à des conditions de service sévères, les essais hydrostatiques doivent être complétés par un examen non destructif approprié.
La radiographie peut révéler de nombreux défauts internes.
L'examen par ultrasons est particulièrement important pour détecter les défauts plans internes dans les sections épaisses.
La méthode MT est utile pour les fissures de surface et de subsurface dans les matériaux ferromagnétiques.
La tomographie par ultrasons peut détecter les défauts d'ouverture de surface, le cas échéant.
Chaque méthode a son propre rôle. Aucune ne doit être considérée comme un substitut universel aux autres.
Un plan d'inspection sérieux doit prendre en compte la qualité du matériau, l'épaisseur de la paroi, l'historique des réparations, la classe de pression, les conditions de service et les conséquences d'une défaillance.
Tableau 3. Méthodes d'essais hydrostatiques et d'END pour l'inspection des corps de vannes
| Méthode d'inspection/d'essai | Principe / Méthode d'essai | Défauts efficacement détectés | Principales limites |
| Essai de pression hydrostatique / API 598 | Pressuriser le corps et les sièges de la vanne avec de l'eau ou du gaz pour vérifier l'étanchéité et l'étanchéité aux limites de pression. | Fuite à travers la paroi, défaillance grossière de l'enceinte de pression et fuite au niveau du siège | Ne permet pas de détecter de manière fiable les fissures internes, les fissures fermées ou les défauts qui n'ont pas traversé l'épaisseur de la paroi. |
| Examen radiographique / RT | Utilise les rayons X ou gamma pour inspecter les discontinuités internes grâce à la variation de densité sur film ou imagerie numérique. | Porosité interne, inclusions de scories, cavités de retrait et quelques fissures ouvertes ou favorablement orientées | Moins sensible aux fissures planes très fermées ; la détection dépend de l’orientation de la fissure et de la qualité de l’image |
| Contrôle par ultrasons (UT) | Utilise des ondes sonores à haute fréquence et des signaux réfléchis pour détecter les discontinuités internes. | Défauts plans internes, absence de fusion, fissures et défauts dans les sections épaisses | Nécessite des opérateurs qualifiés, des conditions de surface appropriées et une interprétation minutieuse. |
| Contrôle par magnétoscopie / MT | Utilise les fuites de flux magnétique et les particules magnétiques pour révéler les défauts de surface ou de subsurface dans les matériaux ferromagnétiques. | Fissures superficielles et subsuperficielles, chevauchements, joints et discontinuités | Convient uniquement aux matériaux ferromagnétiques ; ne permet pas de détecter les défauts internes profonds. |
| Contrôle par ressuage / PT | Utilise l'action capillaire du liquide pénétrant pour révéler les défauts d'ouverture de surface | Fissures, pores et discontinuités en surface | Impossible de détecter les défauts sous-jacents ou internes fermés ; la préparation de surface est essentielle. |
Les corps contrefaits aident, mais ils ne suppriment pas le besoin de contrôle.
Après avoir constaté les risques liés au moulage, de nombreux ingénieurs privilégient les corps de vannes forgés pour les applications en conditions extrêmes.
C'est logique.
Le forgeage permet d'améliorer la densité interne et de réduire les risques de retrait, de porosité, de jeu et autres défauts liés à la fonderie. Il permet également de limiter les risques de soudure de réparation avant expédition.
Pour les corps de vannes haute pression et haute température, le forgeage permet d'avoir une plus grande confiance dans l'intégrité du matériau de base.
Mais le forgeage ne modifie pas la composition chimique de l'acier.
Si un corps forgé est fabriqué en acier Cr-Mo ou Cr-Mo-V, la sensibilité au soudage persiste.
Si la vanne nécessite des extrémités soudées bout à bout, un rechargement dur du siège, un soudage de recouvrement ou un soudage de réparation local, les mêmes règles métallurgiques s'appliquent toujours.
La bonne conclusion n'est donc pas « la forge résout tout ».
La bonne conclusion est :
Le forgeage réduit de nombreux risques de défauts physiques, mais il ne supprime pas la nécessité d'une discipline rigoureuse en matière de soudage, d'un contrôle du traitement thermique et de contrôles non destructifs.
Tableau 4. Matériaux de maintien de la pression à haute et basse température
| Qualité/Norme du matériau | Type de matériau / Caractéristique microstructurale | Température minimale typique de conception | Température de service maximale typique | Logique de conception métallurgique et applications typiques |
| ASTM A216 WCB | Acier au carbone moulé | -29 ° C / -20 ° F | 425 ° C / 800 ° F | Acier moulé à usage général pour l'eau, le pétrole, le gaz et les procédés conventionnels |
| ASTM A352 LCB / LCC | Acier au carbone/carbone-manganèse coulé à basse température | -46 ° C / -50 ° F | 345 ° C / 650 ° F | Conception à faible empreinte carbone et résistance accrue aux basses températures ; utilisée pour les applications à froid, la tuyauterie basse température et les équipements sous pression |
| ASTM A352 LC3 | acier coulé à basse température à 3.5 % de nickel | -101 ° C / -150 ° F | 340 ° C / 650 ° F | L'alliage au nickel améliore la ténacité à basse température ; il est utilisé pour des applications cryogéniques ou à basse température plus sévères. |
| ASTM A217 C12A | Acier moulé 9Cr-1Mo-V | -29 ° C / -20 ° F | 649 ° C / 1200 ° F | Acier martensitique réfractaire contenant du vanadium pour vannes à vapeur haute température et haute pression et applications en milieu supercritique |
Pourquoi une même vanne peut avoir un prix différent
Voici la partie que beaucoup d'acheteurs ne voient pas.
Une vanne moins chère peut utiliser le même nom de matériau.
Il peut avoir la même pression nominale.
Il pourrait réussir le même test hydrostatique.
Il se peut même qu'il ait le même aspect après avoir été peint.
Mais le contrôle des processus cachés peut être complètement différent.
Un fournisseur peut exiger un contrôle strict de la coulée, des enregistrements de traitement thermique, une approbation de soudage de réparation, un contrôle WPS, des enregistrements PWHT, RT, UT, MT et PT le cas échéant.
Un autre fournisseur peut se concentrer uniquement sur l'usinage, l'assemblage et les tests de pression finaux.
La différence n'est pas toujours visible à la livraison.
Mais c'est réel.
RT et UT coûtent de l'argent.
Le PWHT coûte cher.
Les procédures de soudage qualifiées ont un coût.
Le rejet d'une pièce moulée défectueuse coûte de l'argent.
Faire appel à une fonderie plus performante coûte cher.
Un refroidissement plus lent, un meilleur traitement thermique et des contrôles plus stricts ont tous un coût.
Mais ces coûts font partie intégrante de la fiabilité.
Lorsqu'une vanne est utilisée dans des conditions d'utilisation modérées, certaines exigences peuvent ne pas être nécessaires. Cependant, dans les applications à haute température, haute pression et conditions d'utilisation sévères, la suppression de ces dispositifs de contrôle pour réduire les coûts risque de déplacer le risque de l'usine vers le site du client.
Cela ne permet pas de réaliser des économies.
C'est un transfert de risque.
Organisateur Ce que THINKTANK Changements suite à ce projet
Suite au projet de vanne de réduction de pression 15CrMo PN200, nous avons renforcé nos normes de qualité internes pour les corps de vannes en acier faiblement allié résistant à la chaleur.
Pour les applications critiques, les contrôles par radiographie (RT) et par ultrasons (UT) ne sont plus considérés comme de simples exigences optionnelles du client. Selon le matériau, l'épaisseur de paroi, la classe de pression, l'historique des réparations et les conditions de service, ils peuvent devenir des exigences internes obligatoires, même sans demande expresse du client.
Nous sommes également devenus plus exigeants envers nos fournisseurs de pièces moulées.
Nous accordons plus d'importance à leur compréhension des aciers faiblement alliés réfractaires qu'à leur simple capacité à couler le matériau. Le contrôle du refroidissement, les dossiers de traitement thermique, l'historique des réparations de défauts et les rapports d'END sont devenus des critères d'évaluation plus importants pour nos fournisseurs.
Pour le soudage de réparation, nous privilégions la maîtrise du processus par le biais de procédures, et non plus seulement par l'expérience. Le préchauffage, la température entre passes, les pratiques à faible teneur en hydrogène, les enregistrements des traitements thermiques post-soudage et l'inspection après réparation font désormais partie intégrante de la démarche qualité.
Cette expérience a également modifié notre état d'esprit.
Un corps de vanne n'est pas qualifié uniquement parce qu'il a réussi le test de pression final.
Elle est qualifiée car les processus critiques précédant l'essai de pression ont été maîtrisés.
La responsabilité d'un fournisseur se révèle lorsque des problèmes surviennent.
Aucun fabricant ne souhaite parler d'un projet qui a échoué.
Mais je crois que la véritable expérience doit inclure à la fois le succès et l'échec.
Cette commande d'acier 15CrMo nous a coûté de l'argent, mais elle nous a apporté quelque chose de plus précieux : une compréhension plus approfondie des risques liés à la fabrication.
Nous avons répondu au client.
Nous avons résolu le problème.
Nous avons amélioré nos normes internes.
Et les vannes corrigées fonctionnent désormais de manière stable sur le site.
C'est important pour nous, car la responsabilité d'un fournisseur ne se manifeste pas seulement lorsque tout se déroule sans accroc.
Il s'affiche lorsqu'un problème apparaît.
Répondons-nous rapidement ?
Avons-nous le courage de nous attaquer honnêtement à la cause profonde du problème ?
Améliore-t-on le processus ou se contente-t-on de remplacer le produit ?
Allons-nous transformer une leçon douloureuse en une meilleure norme pour le prochain client ?
Pour THINKTANKCe projet est devenu partie intégrante de notre philosophie de qualité.
Le choix des matériaux n'est que le début.
Après 18 ans dans l'industrie des vannes, j'ai toujours le sentiment qu'il me reste beaucoup à apprendre.
Plus nous approfondissons le sujet de la fabrication des vannes, plus nous comprenons qu'une vanne industrielle n'est pas un produit simple.
Une vanne fiable pour conditions d'utilisation sévères ne se crée pas uniquement en choisissant le bon matériau.
Elle est construite grâce à un contrôle rigoureux de la fonderie, de la qualité du forgeage, de la discipline du soudage, du traitement thermique, de la planification des inspections, de la gestion des fournisseurs et de la responsabilité en matière d'ingénierie.
Ces choses ne sont pas toujours visibles de l'extérieur.
Ils ne sont peut-être pas évidents dans une citation.
Ils risquent de ne pas être remarqués lors d'une visite d'usine.
Mais elles sont cachées à l'intérieur de la valve.
Et lorsque la vanne est installée sur un site réel, sous pression, température et conditions de fonctionnement réelles, ces commandes invisibles deviennent visibles à travers ses performances.
C'est pourquoi THINKTANK continue d'étudier les matériaux, d'améliorer la gestion des fournisseurs et de renforcer les exigences en matière d'inspection.
Car, pour les vannes destinées à des conditions d'utilisation sévères, la fiabilité ne dépend pas uniquement du choix des matériaux.
Il s'agit de la manière dont chaque processus lié à ce matériau est contrôlé.
