Acier à haute température.

- Oct 01, 2020-

Acier à haute température

Le molybdène a été l’élément d’alliage clé utilisé pour développer des aciers ferritiques résistants au fluage pour des températures de service allant jusqu’à 530 °C. Les produits et composants en aciers à haute température comprennent

  • tubes sans soudure pour chaudières à eau et supergéaeurs, fûts de chaudière, collecteurs, pompes et récipients à pression pour un service à température élevée, et

  • arbres lourds à turbine à vapeur d’un diamètre supérieur à 2 mètres et pesant plus de 100 mt.

Turbine rotor

Les grandes turbines à vapeur nécessitent des aciers résistants au fluage pour un fonctionnement sûr et économique.

Les principaux domaines d’application des aciers résistants au fluage sont la production d’électricité et les usines pétrochimiques, qui utilisent toutes les formes de produits. Les turbines à vapeur nécessitent de grandes forges et coulées, tandis que les récipients à pression, les chaudières et les systèmes de tuyauterie nécessitent des tubes, des tuyaux, des plaques et des raccords. En plus de la résistance de fluage élevée, d’autres propriétés de matériel comme la durcissabilité, la résistance à la corrosion, et la soudure sont également importantes. L’importance relative de ces propriétés dépend de l’application spécifique. Par exemple, les grands rotors de turbine nécessitent des aciers avec une bonne durcissabilité, tandis que les tubes et les tuyauteries des centrales électriques doivent avoir une bonne soudeur. Malgré cela, les alliages utilisés dans ces différentes applications utilisent les mêmes mécanismes pour améliorer la résistance au fluage.

Le molybdène dans la solution solide réduit le taux de fluage de l’acier très efficacement. Il ralentit la coagulation et le grossissement (maturation d’Ostwald) des carbures pendant le service à haute température. Les meilleurs résultats en termes de résistance à haute température sont obtenus par l’extinction et la températion pour produire une microstructure composée de bainite supérieure.

L’efficacité thermodynamique améliorée est l’objectif qui stimule le développement de la technologie des centrales électriques, et il faut à la fois des conceptions améliorées des plantes et de nouveaux aciers avec de meilleures propriétés pour soutenir ces conceptions.

Alors que l’efficacité des usines sous-critiques est inférieure à 40 %, la figure 1 montre que l’efficacité future de l’usine ultra-super-critique (USC) devrait dépasser 50 %, ce qui devrait réduire le CO2émissions par kilowattheure d’énergie produite presque la moitié.

Effect of operating conditions on efficiency and emissions of steam power plants

Figure 1. Effet des conditions d’exploitation sur l’efficacité et les émissions des centrales à vapeur.

Les aciers ferritiques résistants au fluage continuent d’être les matériaux de choix pour les centrales électriques, les raffineries de pétrole et les usines pétrochimiques du monde entier. Ils sont classés dans les aciers CMn, les aciers Mo, les aciers CrMo à faible alliage et les aciers 9-12%Cr. En raison du grand nombre de différentes qualités d’acier, le tableau 1 ne comprend que quelques représentants typiques de chaque groupe.

Aciers structuraux standard à haute température
Désignation ENAstm
Grade
Composition chimique (masse%)
CCrNiMoCNbAutres
Aciers CMn
P 235UnMax.
0.16
Max.
0.30
max. 0,30max. 0.08

max. 0.30 Cu
P 355
max. 0,22

 
0.015 –0.10
Mo Steels
16Mo3
0.12 –0.20

0.25 –0.35


9NiCuMoNb5-6-4
max. 0,17max. 0,301.00 –1.300.25 –0.50
0.015–0.0450,50-0,80 Cu
CrMo-steels
13CrMo4-5T/P110.10 –0.170.70 –1.10
0.45 –0.65


11CrMo9-10T/P220.08 –0.152.00 –2.50
0.90 –1.20


8CrMoNiNb9-10
max. 0,102.00 –2.500.30 –0.800.90 –1.10
min. 10x%C
7CrMoVTiB10-10T/P240.05 –0.102.20 –2.60
0.90 –1.100.20 –0.30
0,05-0,10 Ti
15-70 ppm B

T/P230.04 –0.101.90 –2.60
0.05 –0.300.20 –0.300.02 –0.081.45-1.75 W
9-12% Cr-aciers
X11CrMo9-1T/P90.08 –0.158.0 –10.0
0.90–1.00


X20CrMoNiV11-1
0.17 –0.2310.0 –12.50.30 –0.800.80 –1.200.25 –0.35

X10CrMoVNb9-1T/P910.08 –0.128.00 –9.50max. 0,400.85 –1.050.18 –0.250.06 –0.10
X11CrMoWVNb9-1-1T/P9110.09 –0.138.50 –9.500.10 –0.400.90 –1.100.18 –0.250.06 –0.100,90-1,10 W

T/P920.07 –0.138.50 –9.50max. 0,400.30 –0.600.15 –0.250.04 –0.091,50 à 2,00 W

T/P1220.07 –0.1310.0 –12.5max. 0,500.25 –0.600.15 –0.300.04 –0.100.30-1.70 Cu
1,50 à 2,50 W

Tableau 1 : Aciers structuraux standard à haute température

La variabilité de la composition chimique entre les alliages produit une complexité dans la microstructure, résultant en différents mécanismes de renforcement parmi les alliages, et les forces de rupture de fluage qui varient selon un ordre de grandeur.

Les grades P235 et sa variante Nb-microalloyée P355 sont des aciers CMn typiques ayant une microstructure ferrite-pearlite. Le carbone et le manganèse sont les éléments d’alliage qui influencent le plus fortement les forces de ces aciers. L’ajout de Nb en P355 affine la taille du grain et se traduit par une plus grande résistance au rendement par rapport à P235, mais l’augmentation de la résistance de la rupture est plutôt faible, comme le montre la figure 2 a). Les deux aciers atteignent leur limite d’application à 400°C.

Dans les aciers Mo, le durcissement de la solution fourni par 0,3 % de molybdène est la principale cause de l’augmentation de la résistance à la rupture du fluage indiquée à la figure 2 a). 9NiCuMoNb5-6-4, largement connu sous le nom de WB 36, montre une augmentation spectaculaire de la force de rendement au-dessus de 16Mo3, en partie causée par l’effet de raffinage des céréales du niobium. Le durcissement supplémentaire par les précipitations de cuivre augmente également la force de rendement.

La variabilité de la composition chimique entre les alliages produit une complexité dans la microstructure, résultant en différents mécanismes de renforcement parmi les alliages, et les forces de rupture de fluage qui varient selon un ordre de grandeur.
Les grades P235 et sa variante Nb-microalloyée P355 sont des aciers CMn typiques ayant une microstructure ferrite-pearlite. Le carbone et le manganèse sont les éléments d’alliage qui influencent le plus fortement les forces de ces aciers. L’ajout de Nb en P355 affine la taille du grain et se traduit par une plus grande résistance au rendement par rapport à P235, mais l’augmentation de la résistance de la rupture est plutôt faible, comme le montre la figure 2 a). Les deux aciers atteignent leur limite d’application à 400°C.

Creep-rupture strength of heat-resistant steels

Figure 2. Résistance de fluage-rupture dans MPa des aciers résistants à la chaleur.

Le potentiel de renforcement du molybdène ne peut pas être utilisé entièrement, puisque la ductilité de fluage diminue fortement avec la teneur croissante en molybdène. Une autre limitation dans l’application des aciers Mo est la décomposition des carbures de fer au-dessus de 500°C, connue sous le nom de graphitisation. Une solution aux deux problèmes était d’alliage avec du chrome en combinaison avec le molybdène. En fait, les aciers CrMo ont été les premiers à permettre aux températures de vapeur dans les centrales électriques de dépasser 500°C. Les propriétés des aciers CrMo classiques 13CrMo4-5 (T/P11) et 11CrMo9-10 (T/P22) sont illustrées à la figure 2 b). Les forces de rupture de fluage de ces alliages dépassent celles des aciers Mo simples par une marge substantielle [Figure 2 a)] en raison de leur teneur en Mo plus élevée. Les aciers CrMo forment des carbures de chrome qui sont stables au-dessus de 500°C, ce qui empêche la graphitisation. Le chrome améliore également la résistance à l’oxydation à des températures plus élevées. Les aciers nouvellement développés 7CrMoVTiB10-10 (T/P24) et T/P23 présentés à la figure 2(b) ont des propriétés extrêmement élevées. Ces alliages sont basés sur une microstructure similaire à T/P22 et ont une microstructure similaire à celle de T/P22. Leurs forces sont considérablement augmentées par l’alliage supplémentaire avec le titane, le vanadium et le bore dans le cas de T/P24, et le tungstène, le vanadium, le niobium et le bore en T/P23.

L’augmentation du chrome à plus de 7% dans les aciers CrMo conduit à un groupe d’aciers contenant des martress. Cette microstructure introduit un nouvel élément de durcissement structurel. Le martesite se caractérise par une forte densité de dislocation et une structure de larème fine stabilisée par M23C6Précipités. Ainsi, le durcissement structurel est responsable de la forte augmentation de la résistance de X11CrMo9-1, par rapport à 11CrMo9-10 [Figure 2(c)]. D’autres améliorations, en particulier de la résistance au fluage, ont été réalisées en alliage avec du vanadium, du niobium, du tungstène et du bore, comme le montre également la figure 2(c). L’introduction de X20CrMoNiV11-1 au début des années soixante a permis d’augmenter nt importantss l’efficacité des centrales électriques. Le comportement de transformation et la microstructure de cet alliage sont comparables à ceux de X11CrMo9-1. La force fluage-rupture plus élevée de X20CrMoNiV11-1 résulte principalement du volume plus élevé de M23C6carbures dans la microstructure, résultat de la teneur en carbone plus élevée de l’alliage. Le 9 % Cr acier modifié T/P91 (désignation EN: X10CrMoVNb9-1) inventé aux États-Unis est maintenant utilisé dans les centrales électriques partout dans le monde, à la fois dans les nouvelles usines et dans les travaux de rénovation des systèmes de tuyauterie haute pression / haute température. Bien que la teneur en carbone de T/P91 soit inférieure à celle de X20CrMoNiV11-1, sa force de rupture de fluage est nettement plus élevée. Cette amélioration est réalisée en alliage avec du vanadium et du niobium. T/P91 profite des précipités de type finement dispersés MX Nb/V- carbonitride pour un renforcement supplémentaire. Il était essentiel d’équilibrer la composition de l’alliage, car la dispersion et la taille optimales des particules sont possibles en optimisant le rapport Nb/V et la teneur en azote. Par la suite, de nouvelles qualités d’acier comme X11CrMoWVNb9-1-1 (T/P911), T/P92 et T/P122 ont été développées sur la base de T/P91. Ces grades représentent l’état actuel de développement des aciers ferritiques résistants au fluage.

Les teneurs en acier ferritique semblent atteindre leur limite à des températures de vapeur vivantes autour de 620°C. Les futures centrales électriques de l’USC devront utiliser des aciers austénitiques et, plus probablement, des superallieurs comme Inconel 617 dans les zones où les températures sont les plus élevées (figure 3). Ces alliages contiennent jusqu’à 10% Mo.

Materials for main steam pipes in power plants

Figure 3. Matériaux pour les principaux tuyaux de vapeur dans les centrales électriques