Qualités de tubes de chaudière — ASTM A192, A210, A213 et SA-106 : spécifications, limites de température et guide de sélection

Choisir la mauvaise qualité de tube de chaudière n’est pas un inconvénient en matière d’approvisionnement : c’est un échec technique qui attend de se produire. Les tubes en acier au carbone utilisés au-dessus de leur limite de fluage échoueront par dégradation microstructurelle au fil des années de service. Les tubes en acier allié spécifiés sans PWHT approprié peuvent se fissurer dans la ZAT de soudure en quelques mois. Et le remplacement d'une qualité par une qualité « similaire » sans vérifier les tableaux de contraintes admissibles dans la section II de l'ASME BPVC peut annuler la certification d'un appareil sous pression.

ZC Steel Pipe fabrique des tubes de chaudière et des tubes d'échangeur de chaleur sans soudure selon les normes ASTM A192, A210, A213 et ASME SA-106, dans des qualités d'acier au carbone et d'alliage chrome-molybdène. Nous fournissons des fabricants de chaudières, des entrepreneurs de centrales électriques et des constructeurs d'usines pétrochimiques en Afrique, au Moyen-Orient et en Amérique du Sud. Ce guide explique ce qu'est chaque grade, ce qu'il peut et ne peut pas faire et comment choisir entre eux pour votre candidature.

1. Aperçu des normes relatives aux tubes de chaudière

Les quatre normes sont sans soudure : les tubes de chaudière destinés au service de transfert de chaleur ne sont pratiquement jamais soudés, car le cordon de soudure représente une concentration de contraintes et un site potentiel d'initiation de corrosion dans un environnement thermique cyclique. Les normes diffèrent par la teneur en alliage, le niveau de résistance et la température maximale à laquelle la nuance conserve une résistance au fluage adéquate pour être sûre dans un service sous pression soutenue.

La ligne de démarcation dans la sélection des tubes de chaudière est généralement la température. Les nuances d'acier au carbone (A192, A210, SA-106) conviennent pour un service jusqu'à environ 450°C. Au-delà, le taux de fluage de l'acier au carbone devient inacceptablement élevé et des nuances faiblement alliées (A213 T11, T22) doivent être utilisées. Au-dessus d'environ 580°C, des qualités avancées de 9Cr (A213 T91) sont nécessaires pour les conceptions modernes de chaudières supercritiques et ultra-supercritiques.

2. Tubes de chaudière en acier au carbone — A192 et A210

2.1 ASTM A192 — Acier au carbone à paroi minimale

ASTM A192 est la qualité de tube de chaudière la plus simple et la plus économique. Il s'agit d'un tube en acier au carbone sans soudure à paroi minimale avec une teneur maximale en carbone de 0,18 % et une résistance à la traction minimale de seulement 325 MPa (47 ksi). La faible teneur en carbone améliore la soudabilité et réduit le risque de précipitation de carbure aux joints de grains pendant le cycle thermique.

L'A192 est utilisé pour les fûts de chaudières à tubes d'eau, les fûts de boue et les tubes muraux d'eau à basse température dans les chaudières utilitaires et industrielles fonctionnant en dessous d'environ 425°C. Son plafond à faible résistance signifie qu'il n'est pas approprié pour le service de surchauffeur ou de réchauffeur dans les chaudières modernes à haute pression.

2.2 ASTM A210 — Tube de chaudière en acier au carbone moyen

ASTM A210 offre une plus grande résistance que A192 grâce à une teneur légèrement plus élevée en carbone et en manganèse. Il est produit en deux qualités :

• Grade A-1 : traction minimale 415 MPa (60 ksi), rendement minimum 255 MPa (37 ksi). La qualité la plus courante pour le service de mur d'eau, d'économiseur et de surchauffeur inférieur.

• Grade C : traction minimale 485 MPa (70 ksi), rendement minimum 275 MPa (40 ksi). Résistance supérieure pour les applications de chaudières en acier au carbone plus exigeantes. Moins communément spécifié que A-1.

3. Tubes de chaudière en acier allié — ASTM A213

ASTM A213 couvre une large gamme de tubes en acier allié ferritique (chrome-molybdène) et austénitique (inoxydable) sans soudure pour les chaudières, les surchauffeurs et les échangeurs de chaleur. Les nuances ferritiques sont désignées par un préfixe T (T11, T22, T91) et les nuances austénitiques par TP (TP304, TP316, TP321 etc.).

Le système d’alliage chrome-molybdène (CrMo) est le cheval de bataille de la métallurgie des tubes de chaudière à haute température. L'ajout de chrome améliore la résistance à l'oxydation et la résistance aux températures élevées. L'ajout de molybdène améliore la résistance au fluage. L’augmentation des deux – de T11 (1¼Cr-½Mo) à T22 (2¼Cr-1Mo) jusqu’à T91 (9Cr-1Mo-V modifié) – étend progressivement le plafond de température et améliore la durée de vie au fluage à long terme.

4. A213 T11 — 1¼Cr-½Mo

T11 est la nuance d'alliage d'entrée de gamme pour le service des tubes de chaudière au-dessus de la limite de température de l'acier au carbone. Il offre une bonne résistance à l'oxydation jusqu'à environ 570°C et une résistance au fluage améliorée par rapport à l'acier au carbone dans la plage de 450 à 570°C. Le T11 est couramment utilisé dans les tubes de sortie de surchauffeur, les sections d'entrée de réchauffeur et les circuits de tubes de surchauffeur à basse température dans les chaudières sous-critiques et supercritiques.

Le T11 est généralement soudable sans préchauffage pour les parois minces mais nécessite du PWHT au-dessus de certains seuils d'épaisseur selon ASME BPVC. Sa teneur en 1¼Cr le rend susceptible à la fragilisation s'il est refroidi trop lentement dans la plage de 370 à 565°C pendant le PWHT — les vitesses de refroidissement du four doivent être contrôlées.

5. A213 T22 — 2¼Cr-1Mo

Le T22 (2¼Cr-1Mo) est l'alliage de référence pour les surchauffeurs et réchauffeurs de chaudières à haute température depuis des décennies. Sa teneur plus élevée en chrome et en molybdène par rapport au T11 offre une meilleure résistance au fluage dans la plage de 540 à 580°C et une meilleure résistance à l'oxydation pour l'exposition côté vapeur et côté feu. Le T22 est utilisé pour les tubes de sortie de surchauffeur à haute température, les collecteurs de sortie de réchauffeur et tout circuit de tubes de chaudière fonctionnant dans la plage de température sous-critique supérieure.

6. A213 T91 — 9Cr-1Mo-V (Modifié)

Le T91 est un alliage martensitique 9Cr-1Mo modifié avec du vanadium, du niobium et de l'azote pour améliorer considérablement sa résistance au fluage par rapport à la nuance 9Cr-1Mo non modifiée (T9). Sa résistance à la traction minimale de 585 MPa et son rendement minimum de 415 MPa, tous deux nettement supérieurs à ceux du T11 ou du T22, permettent des parois de tube plus fines pour la même pression nominale, réduisant ainsi les contraintes du cycle thermique et améliorant l'efficacité du transfert de chaleur.

Le T91 est le matériau standard pour les conceptions avancées de chaudières supercritiques (SC) et ultra-supercritiques (USC) où les températures de vapeur dépassent 580°C. Il est utilisé dans les tubes de sortie des surchauffeurs à haute température, les canalisations de réchauffage à chaud et les collecteurs de vapeur à haute pression des chaudières des centrales électriques modernes.

7. SA-106 Grade B — Acier au carbone sans soudure pour l’entretien des chaudières

ASME SA-106 (équivalent à ASTM A106) est une spécification de tuyaux en acier au carbone sans soudure pour un service à haute température. Il ne s'agit pas d'une spécification de tube - elle couvre les tuyaux, pas les tubes - et est utilisée principalement pour les collecteurs de vapeur, les canalisations de raccordement des chaudières, les conduites d'eau d'alimentation et les conduites principales de distribution de vapeur plutôt que pour les tubes de surface de transfert de chaleur. Les trois grades sont :

• Grade A : traction minimale 330 MPa (48 ksi). Rarement spécifié — Le grade B est le choix standard.

• Grade B : traction minimale 415 MPa (60 ksi), rendement minimum 240 MPa (35 ksi). La qualité dominante pour la tuyauterie des chaudières et des appareils sous pression.

• Grade C : Traction minimale 485 MPa (70 ksi). Utilisé lorsqu'une pression plus élevée à température ambiante à modérée est nécessaire.

Le SA-106 Grade B est limité à environ 425-450°C pour un service soutenu sous contraintes élevées en raison des limitations de fluage de l'acier au carbone. Au-dessus de cette température, la nuance d'alliage équivalente (tuyau SA-335 P11 ou P22) doit être utilisée.

8. Tableau de comparaison complet des notes

9. Guide de sélection des zones de chaudière

Une chaudière électrique comporte plusieurs zones de transfert de chaleur, chacune avec des températures de tube métalliques différentes et donc des exigences de qualité différentes. Le tableau ci-dessous donne les attributions de qualités typiques pour une conception de chaudière sous-critique et supercritique :

10. Exigences PWHT pour les nuances d'alliage

11. Questions fréquemment posées