Tête en acier inoxydable comme composant de fermeture de récipient sous pression
Une tête en acier inoxydable est une fermeture d'extrémité formée pour les récipients sous pression, les échangeurs de chaleur, les réacteurs, les colonnes et les réservoirs de stockage. Les nuances d'acier inoxydable offrent une résistance à la corrosion sur une large gamme de fluides de procédé, y compris les acides, les alcalis, les chlorures (dans les limites de la nuance), les composés organiques et les fluides de haute pureté.
La tête est formée à partir de tôles ou de plaques d'acier inoxydable par emboutissage à chaud ou à froid, par matriçage ou par formage. Ce produit est conçu et fabriqué selon les normes ASME Section VIII Division 1 ou Division 2, et GB/T 25198 (Têtes de récipients sous pression). Les têtes peuvent être fournies sous forme de flans formés, avec préparation de bord pour le soudage, ou entièrement fabriquées avec des brides soudées, des piquages et des ouvertures d'inspection.
Types de têtes – Classification géométrique
Tête elliptique 2:1 (semi-ellipsoïdale)
Type de tête de récipient sous pression le plus courant
Profondeur intérieure (h) = DI / 4
Rayon de carre (r) ≈ 0,17 × DI
Rayon de couronne (R) ≈ 0,90 × DI
Application : Récipients sous pression généraux, canaux d'échangeurs de chaleur, fonds de réacteurs, réservoirs de stockage
Avantages : Répartition efficace de la pression ; faible coût de formage pour les diamètres standard
Limitation : Déformation de formage plus élevée dans la zone de carre ; ne convient pas aux pressions très élevées sans augmentation de l'épaisseur
Tête torisphérique (bombée et déformée)
Rayon de couronne (R) : 0,80 × DI à 1,00 × DI (typiquement R = DI)
Rayon de carre (r) : 6 % à 10 % du DI (minimum 3 % selon ASME VIII-1)
Application : Récipients à basse pression, réservoirs atmosphériques, couvercles de trou d'homme
Avantages : Profondeur faible (hauteur de tête réduite) ; coût de formage inférieur à celui des têtes elliptiques
Limitation : Contrainte plus élevée au niveau du carre ; nécessite un matériau plus épais pour la même pression par rapport à l'elliptique
Tête hémisphérique
Rayon = DI / 2 (sphère parfaite)
Profondeur intérieure (h) = DI / 2
Application : Récipients à haute pression (supérieure à 10 MPa), stockage cryogénique, récipients nucléaires
Avantages : Épaisseur minimale pour une pression et un diamètre donnés ; meilleure efficacité de rétention de pression
Limitation : Nécessite un formage en deux parties (deux moitiés soudées ensemble) pour les grands diamètres > 1 500 mm ; coût de fabrication plus élevé
Tête conique
Angle au sommet du cône : 30° à 120° (typiquement 60° pour les récipients sous pression)
Application : Fonds de trémie, réservoirs de boues, récipients de décantation, zones de retrait de catalyseur
Avantages : Assure une transition de flux douce pour les solides ou les boues
Limitation : Contrainte plus élevée à la jonction cône-cylindre ; nécessite un anneau de renfort ou une transition de carre
Tête plate (plaque circulaire)
Épaisseur calculée selon ASME VIII-1 UG-34
Application : Récipients à basse pression, couvercles d'inspection, couvercles de trou d'homme, couvercles de canal d'échangeur de chaleur
Avantages : Fabrication simple ; coût le plus bas pour les petits diamètres
Limitation : Nécessite un matériau plus épais pour la pression ; concentration de contrainte élevée au bord
Grades d'acier inoxydable – Sélection selon le service
Aciers inoxydables austénitiques
| Nuance | UNS | Plage de température | Limite de chlorure | Application |
|---|---|---|---|---|
| 304L | S30403 | -196°C à +425°C | ≤ 200 ppm | Fluides de procédé légèrement corrosifs et propres, industrie agroalimentaire et des boissons, pharmaceutique |
| 304 | S30400 | -196°C à +600°C (déclassé au-dessus de 425°C) | ≤ 200 ppm | Similaire au 304L mais avec une teneur en carbone plus élevée (non recommandé pour le service soudé sans traitement thermique post-soudage) |
| 316L | S31603 | -196°C à +425°C | ≤ 200 ppm (service) / ≤ 250 ppm (légèrement plus élevé avec déclassement de température plus élevé) | Acides organiques, solutions salines, hydrocarbures contenant des chlorures (modérés), pharmaceutique |
| 316 | S31600 | -196°C à +600°C (déclassé au-dessus de 425°C) | ≤ 200 ppm | Similaire au 316L ; non recommandé pour une épaisseur soudée > 16 mm sans nuance à faible teneur en carbone |
| 321 | S32100 | -196°C à +540°C | ≤ 200 ppm | Service à température élevée (425°C – 540°C) ; stabilisé au titane pour éviter la précipitation de carbure |
| 347H | S34709 | -196°C à +600°C | ≤ 200 ppm | Service à haute température (jusqu'à 600°C) ; stabilisé au niobium pour la résistance au fluage |
| 310S | S31008 | -196°C à +700°C | ≤ 200 ppm | Service de four à haute température ; résistance à l'oxydation > 600°C |
Aciers inoxydables duplex
| Nuance | UNS | Plage de température | Limite de chlorure | Application |
|---|---|---|---|---|
| 2205 (S32205) | S32205 | -40°C à +280°C | ≤ 300 ppm à 80°C | Offshore, eau de mer, chlorures, service CO₂/H₂S |
| 2507 (Super Duplex) | S32750 | -40°C à +250°C | ≤ 500 ppm à 60°C | Service sévère en chlorures, exigence de haute résistance |
Acier inoxydable à durcissement par précipitation
| Nuance | UNS | Plage de température | Application |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | S17400 | -40°C à +315°C | Têtes, brides et fermetures à haute résistance nécessitant une limite d'élasticité élevée |
Méthodes de formage – Sélection du procédé
Formage à froid
Température : Ambiante (20°C – 40°C)
Équipement : Presse plieuse, presse à former ou presse hydraulique avec matrices assorties
Épaisseur typique : 2 mm – 20 mm (formable à froid)
Compensation du retour élastique : Dimensions de la matrice ajustées de 0,5 % – 2,0 % du rayon de couronne par limite d'élasticité du matériau
Déformation de formage maximale : ≤ 15 % pour les SS austénitiques ; ≤ 10 % pour les SS duplex (pour éviter la fissuration)
Mesure de la ferrite (duplex après formage à froid) : La teneur en ferrite doit rester entre 35 % et 65 % selon ASTM E562. Le formage à froid peut augmenter la ferrite à > 65 % – nécessite un recuit de mise en solution.
Après formage à froid : Recuit de mise en solution (chauffer à 1 040°C – 1 100°C, trempe à l'eau) pour les SS austénitiques si la déformation de formage > 10 % ou si le service nécessite une résistance maximale à la corrosion (selon ASME VIII-1 UG-79)
Formage à chaud
Température : 900°C – 1 100°C (SS austénitiques) ; 1 000°C – 1 150°C (SS duplex)
Vitesse de chauffage : ≤ 150°C/heure (pour éviter la croissance des grains)
Atmosphère de formage : Purge au gaz inerte ou revêtement protecteur pour éviter l'oxydation et la formation de calamine
Après formage à chaud :
SS austénitiques : Recuit de mise en solution à 1 040°C – 1 060°C, trempe ou refroidissement rapide à l'air
SS duplex : Recuit de mise en solution à 1 040°C – 1 080°C, trempe à l'eau (pour restaurer l'équilibre ferrite/austénite)
Pour les épaisseurs > 20 mm : Trempe requise pour éviter la précipitation de carbure et la formation de phase sigma (duplex)
Matriçage (Formage par déformation)
Procédé : La plaque est mise en rotation et pressée sur un mandrin pour former le contour de la tête
Température : À froid ou à chaud (matriçage à chaud à 200°C – 400°C pour le duplex)
Épaisseur typique : 2 mm – 12 mm
Application : Têtes à paroi mince pour réservoirs de stockage, récipients à basse pression, grands diamètres
Avantages : Faible coût des matrices ; convient aux diamètres > 2 000 mm
Limitation : Réduction d'épaisseur dans la zone de couronne (généralement 5 % – 10 % d'amincissement de paroi) ; l'épaisseur doit être mesurée et compensée dans la conception du flan
Conception de l'épaisseur – Épaisseur minimale requise
L'épaisseur minimale requise pour chaque type de tête est calculée selon ASME VIII-1 :
Tête elliptique 2:1 (selon UG-32(d))
Formule : t = (P × D) / (2 × S × E – 0,2 × P) × facteur de correction
Où : P = pression de conception, D = diamètre intérieur, S = contrainte admissible, E = efficacité de joint
Facteur de correction pour elliptique 2:1 : 1,0 (facteur standard appliqué pour D/2h = 2,0)
Pour D/2h ≠ 2,0 : Appliquer le calcul de l'indice de contrainte selon l'Annexe 1-4
Tête torisphérique (selon UG-32(e))
Formule : t = (0,885 × P × L) / (S × E – 0,1 × P)
Où L = rayon de couronne (typiquement L = D pour les têtes torisphériques standard)
Le rayon de carre doit être ≥ 6 % du D (minimum 3 % selon ASME VIII-1)
Tête hémisphérique (selon UG-32(f))
Formule : t = (P × R) / (2 × S × E – 0,2 × P)
Où R = rayon intérieur (D/2)
Tête plate (selon UG-34)
Formule : t = d × √(C × P / S × E)
Où : d = diamètre, C = facteur de contrainte du bord (0,33 – 0,50)
La valeur C dépend de la méthode de fixation du bord (soudé, boulonné ou intégré)
Tolérance d'épaisseur (tête formée)
Épaisseur formée minimale après formage : ≥ 90 % de l'épaisseur nominale selon ASME VIII-1 UG-79
L'allocation d'amincissement doit être incluse dans la sélection de l'épaisseur de la plaque de flan
Mesure d'épaisseur : 10 % de la surface (minimum 5 points) – jauge d'épaisseur par ultrasons
Tolérances dimensionnelles (selon ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Paramètre | Elliptique 2:1 | Torisphérique | Hémisphérique | Méthode de mesure |
|---|---|---|---|---|
| Rayon de couronne (R) | ±1,5 % | ±1,5 % | ±1,0 % | Gabarit / scan 3D |
| Rayon de carre (r) | ±5 % | ±5 % | N/A | Gabarit / scan 3D |
| Profondeur intérieure (h) | ±1,0 % | ±1,0 % | ±1,0 % | Jauge de profondeur |
| Ovalisation à la ligne tangente | ≤ 1,0 % du DI | ≤ 1,0 % du DI | ≤ 0,5 % du DI | Mètre ruban |
| Longueur de bride droite | ±2 mm | ±2 mm | ±2 mm (si applicable) | Pied à coulisse / mètre ruban |
| Ovalisation de la bride droite | ≤ 0,5 % du DI | ≤ 0,5 % du DI | ≤ 0,5 % du DI | Mètre ruban |
Soudage et fabrication – Préparation du joint
Joint de soudure tête-virole
Angle de chanfrein : 30° – 37,5° (V simple ou V double)
Écartement à la racine : 2 mm – 4 mm
Talweg : 1 mm – 2 mm
Métal d'apport :
304L – ER308L
316L – ER316L
321 – ER321
347H – ER347
Duplex 2205 – ER2209
Procédé de soudage : GTAW (TIG) ou SMAW (électrode enrobée) ou SAW (soudage sous laitier) – selon ASME Section IX
Gaz de protection : Purge à l'argon pour le cordon de racine sur SS austénitiques et duplex
Attaches de piquages et plaquettes de renfort
Piquages : Soudés sur la couronne ou la zone de carre de la tête – plaquette de renfort requise selon ASME VIII-1 UG-37 si l'ouverture dépasse la taille admissible
Distance minimale entre le centre du piquage et la ligne tangente de la tête : ≥ 0,5 × OD du piquage (pour éviter le recouvrement de soudure de la zone de carre)
Toutes les attaches : 100 % PT sur la surface de soudure finie
Traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les têtes en acier inoxydable
SS austénitiques (304L/316L) : Le PWHT n'est généralement pas requis ; cependant, un recuit de mise en solution à 1 040°C – 1 100°C avec trempe à l'eau est recommandé après formage à chaud ou après soudage de sections épaisses (> 20 mm) pour restaurer la résistance à la corrosion
SS duplex : Recuit de mise en solution à 1 040°C – 1 080°C avec trempe à l'eau après tout formage à chaud ou soudage de sections épaisses pour restaurer l'équilibre ferrite/austénite et éviter la phase sigma
321/347H : Recuit de mise en solution à 1 040°C – 1 060°C après formage à chaud ou soudage si la sensibilisation est une préoccupation
Détente de contrainte (400°C – 450°C) pour 17-4PH après soudage – selon les recommandations du fabricant
Finition de surface et passivation
Surface interne et externe
Finition de laminoir (brute de formage) : Surface de formage standard, Ra 3,2 µm – 6,3 µm
Finition décapée : Bain d'acide (HF/HNO₃) pour éliminer la calamine et la couche d'oxyde – restaure la résistance à la corrosion
Finition passivée : Traitement à l'acide nitrique ou citrique pour éliminer la contamination par le fer et reformer la couche passive – requis pour les services pharmaceutiques, alimentaires et corrosifs
Finition électropolie : Ra ≤ 0,4 µm – pour les services pharmaceutiques, biotechnologiques, d'eau ultra-pure
Finition polie mécaniquement : Ra 0,8 µm – 1,6 µm (grain 180 – 320) – pour les services alimentaires, laitiers, cosmétiques
Procédure de décapage et de passivation
Solution de décapage (pour SS austénitiques) : 10 % – 20 % HNO₃ + 1 % – 3 % HF, température 20°C – 50°C, temps d'immersion 10 – 60 minutes
Solution de passivation (pour SS austénitiques) : 20 % – 40 % HNO₃, température 40°C – 50°C, temps d'immersion 30 – 60 minutes
Après traitement : Rincer à l'eau déminéralisée, sécher à l'air sans huile
Vérification de la passivation : Test Ferroxyl selon ASTM A380 – pas de coloration bleue (indique l'élimination du fer libre)
Inspection et essais par tête
Inspection dimensionnelle
Rayon de couronne : Gabarit ou scan 3D – tolérance selon ASME VIII-1 UG-81
Profondeur intérieure : Jauge de profondeur – tolérance ±1,0 %
Épaisseur : Jauge d'épaisseur par ultrasons sur 10 % de la surface – épaisseur minimale ≥ 90 % nominale
Ovalisation : Mètre ruban à la ligne tangente – ≤ 1,0 % du DI
Longueur et ovalisation de la bride droite : Pied à coulisse et mètre ruban – tolérances selon le dessin
Contrôle non destructif (CND)
| Examen | Méthode | Portée | Acceptation (selon ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Fissures de surface | PT (liquide pénétrant) | 100 % de la surface formée + zones de soudure | Aucune fissure, aucune porosité > 0,8 mm, aucune porosité groupée |
| Laminations | UT (faisceau droit) | 100 % du flan de plaque | Laminations ≤ 20 mm² par 100 cm² |
| Joints de soudure (si soudés) | RT ou UT (onde de cisaillement) | 100 % (selon UW-51) ou par sondage (selon UW-52) | Selon ASME VIII-1 UW-51 ou UW-52 |
| Vérification de l'épaisseur | UT (ultrasons) | 10 % de la surface | ≥ 90 % nominale |
Essai sous pression (lorsqu'il est soudé au récipient ou testé comme fermeture autonome)
Essai hydrostatique selon ASME VIII-1 UG-99 : Pression d'essai = 1,3 × pression de conception × (S à température d'essai / S à température de conception)
Milieu d'essai : Eau propre ou eau déminéralisée (pour éviter la corrosion sous contrainte par chlorures sur les SS)
Limite de chlorure dans l'eau d'essai : ≤ 50 ppm (pour les SS austénitiques) pour éviter la SCC ; ≤ 200 ppm pour les duplex
Temps de maintien : 30 minutes minimum
Acceptation : Aucune chute de pression ; aucune fuite visible aux joints de soudure
Documentation par expédition
Certificats d'essai des matériaux (EN 10204 3.1 ou 3.2) – matériau de plaque et matériaux d'apport
Rapport de données ASME U-stamp (si applicable)
Fiche technique GB/T 25198 (si norme nationale)
Rapport d'inspection dimensionnelle (rayon de couronne, profondeur, épaisseur, ovalisation, bride droite)
Rapports CND – scan de surface PT, scan de lamination UT, scan de soudure RT/UT (si soudé)
Spécification de procédure de formage (FPS) et enregistrements de formage (température, vitesse de chauffage, vitesse de refroidissement)
Rapport de mesure d'épaisseur (enregistrements de jauge d'épaisseur par ultrasons)
Certificat de décapage/passivation (si effectué) – y compris concentration du bain, température et durée
Test de vérification de la passivation (test Ferroxyl) – si requis
Graphique de traitement thermique (enregistrement du temps-température de recuit de mise en solution) – si effectué
Liste de sélection – Tête en acier inoxydable
Type de tête – Elliptique 2:1 / Torisphérique / Hémisphérique / Conique / Plate
DI de la virole (diamètre intérieur) – détermine la taille et la profondeur de la tête
Pression de conception – détermine l'épaisseur minimale selon ASME VIII-1 UG-32
Température de conception – détermine la contrainte admissible (S) selon ASME II-D et la nuance du matériau
Fluide de procédé – détermine la nuance d'acier inoxydable (304L / 316L / 321 / 347H / Duplex)
Concentration de chlorure – si > 200 ppm, sélectionner 316L (≤ 250 ppm), Duplex 2205 (≤ 300 ppm) ou Super Duplex 2507 (> 300 ppm)
Préférence de méthode de formage – Formage à chaud (épais > 20 mm) ou formage à froid (mince ≤ 20 mm)
Exigence de finition de surface – Brute de laminoir / Décapée / Passivée / Électropolie / Polie mécaniquement
Attaches de piquages requises – fournir le programme des piquages (taille, classification, orientation, projection)
Exigence de PWHT – Basée sur le matériau, l'épaisseur et le service (généralement recuit de mise en solution pour les SS)
Exigence de CND – Selon ASME VIII-1 ou selon les spécifications du projet
Préparation du joint – Type de chanfrein (V simple / V double) et angle de chanfrein (si fourni avec préparation de joint)
Pression d'essai – Pour l'essai hydrostatique selon UG-99 (si fourni comme fermeture pré-testée)
Déclaration de limitation de conception – Tête en acier inoxydable
La tête en acier inoxydable en tant que produit autonome est soumise aux limitations suivantes :
Elle n'est pas classée pour la pression interne tant qu'elle n'est pas soudée à une virole ou une bride ; la classification de pression est dérivée du récipient assemblé complet
Ne convient pas aux services contenant des chlorures > 200 ppm sans sélection de la nuance appropriée (316L pour ≤ 250 ppm, Duplex pour ≤ 300 ppm, Super Duplex pour des concentrations plus élevées)
Ne convient pas à l'essai hydrostatique avec de l'eau contenant des chlorures > 50 ppm (pour les SS austénitiques) – risque de fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) par chlorures
Ne convient pas aux températures de service supérieures à 600°C (SS austénitiques) ou supérieures à 280°C (SS duplex) – des transformations de phase du matériau ou du fluage se produiront au-dessus de ces limites
Ne convient pas aux cycles thermiques sévères (> 1 000 cycles/an) sans analyse de fatigue selon ASME VIII-2 – les contraintes résiduelles du formage à froid peuvent accélérer la défaillance par fatigue
Pour les têtes nécessitant un recuit de mise en solution après formage, la pièce doit être refroidie à nouveau ; la vitesse de refroidissement affecte les propriétés mécaniques finales
