Brevet FR2870859A1 — publié le 20051202

Pièces pour équipement destiné à fonctionner sous pression et à haute température La présente invention concerne des pièces pour équipement destiné à fonctionner sous pression et à haute température, en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, et réalisées à partir d'au moins deux alliages A et B. Elle concerne aussi un procédé de protection d'un équipement destiné à fonctionner, au moins en io partie, à haute température en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone. Elle concerne enfin une installation pour la génération de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures. Lorsque des équipements fonctionnent à haute température en présence de mixtures d'hydrocarbures et/ ou de monoxyde de carbone, les alliages contenant du nickel, du fer, du chrome et/ou de l'aluminium, généralement utilisés pour ces applications montrent une attaque par corrosion et mise en poussière de métal (metal dusting en langue anglaise) et/ou une fragilisation due au phénomène de carburation. Dans la suite de la description le terme "haute température" signifie une température au moins égale à la température à partir de laquelle apparaît l'un ou l'autre des phénomènes de mise en poussière du métal, et/ou de carburation. Il est communément admis que ces phénomènes apparaissent pour des températures de l'ordre de 450 C ou plus. Les corrosions par mise en poussière de métal ou par carburation sont un problème majeur dans les procédés industriels pour lesquels les alliages habituellement utilisés à ce jour présentent, après une période de fonctionnement plus ou moins longue, une attaque par corrosion se manifestant par la mise en poussière progressive de l'alliage, et/ ou sa carburation. Différents procédés industriels peuvent conduire à de tels problèmes, pour autant qu'ils utilisent des compositions de fluides et des conditions opératoires comparables. Dans le cas particulier du reformage à la vapeur, du gaz naturel ou d'autres hydrocarbures, sont transformés en monoxyde de carbone, hydrogène et dioxyde de carbone par réaction catalytique sur des catalyseurs au nickel. En aval du four du reformage à la vapeur, l'équipement est donc soumis à une atmosphère corrosive. Par ailleurs, la température de fonctionnement de l'installation à cette étape du procédé est de l'ordre de 450 c ou plus, c'est à dire propice à la corrosion par mise en poussière de métal, laquelle corrosion détériore les alliages dont il est constitué; cette corrosion même localisée, peut conduire à la faillite d'équipements qui travaillent sous des conditions de io pression pouvant atteindre 50 bars. Diverses solutions ont été proposées afin de réduire ces phénomènes de corrosion, parmi lesquelles l'utilisation de revêtements de surface qui permettent de renforcer la résistance à la corrosion des alliages; l' aluminisation des surfaces destinées à subir cette corrosion est notamment utilisée pour limiter ce phénomène. Afin d'optimiser cette protection, EP 0 903 424 décrit un procédé destiné à l'amélioration de la protection d'un alliage dit haute température contenant du fer, du nickel ou du chrome vis-à-vis de la mise en poussière de métal, procédé consistant à déposer une couche mince de métal issu du groupe IV ou V de la table périodique avec une épaisseur comprise entre 0.01 et 10 pm sur la surface à protéger, et recuire la surface traitée dans une atmosphère inerte. Cette protection par revêtement de surface n'apporte cependant pas de solution pleinement satisfaisante, elle ne permet notamment pas d'assurer la continuité de la protection, en particulier au niveau des jonctions entre pièces protégées mais aussi au niveau des pièces elles-mêmes, et des défauts de revêtement qu'elles peuvent présenter. Dans la demande de brevet français FR 03/03238, la demanderesse décrit un procédé destiné à améliorer la continuité de la protection au niveau de connexions entre pièces protégées, cette amélioration est obtenue grâce à la mise en oeuvre de pièces de jonction de géométries particulières. Dans la suite de la description, par pièce de jonction il faudra comprendre pièce de jonction telle que revendiquée dans la dite demande de brevet FR 03/03238. Cependant, malgré les améliorations apportées à la tenue des équipements à haute température, des problèmes subsistent. Ainsi certaines pièces, de par leur géométrie sont difficilement contrôlables par contrôle non destructif; afin de limiter les risques de rupture de pièces, on procède dans ce cas par précaution à des arrêts d'installation et des changements de pièces d'équipement qui souvent ne sont pas justifiés. Par ailleurs, certaines pièces, par exemple des tuyaux de faible diamètre et de longueur importante ne peuvent être revêtues, notamment aluminisées, de façon fiable et dans ce cas en dépit des améliorations de protection to apportées tant au niveau du revêtement que des jonctions entre pièces protégées, la tenue dans le temps des équipements fonctionnant dans ces conditions particulièrement difficiles n'est pas suffisante, et après une période plus ou moins longue, on observe des altérations de structure qui peuvent conduire à la faillite d'équipements qui travaillent sous des conditions de pression pouvant atteindre 50 bars. En effet, tant la mise en poussière de métal qui détruit l'alliage, que la carburation qui le fragilise, créent des zones de moindre résistance à la pression. Même localisées, ces faiblesses n'en rendent pas moins la partie d'appareillage concernée inapte à assurer sa fonction. Les alliages habituellement utilisés pour la fabrication des pièces d'équipement destinés à fonctionner dans ces atmosphères corrosives sont par exemple des alliages de type base nickel (Ni) contenant en plus des éléments d'addition dont les plus courants sont le chrome (Cr), le fer (Fe), et/ ou l'aluminium (Al), mais aussi le cuivre (Cu), le cobalt (Co), l'yttrium(Y) etc... A ce jour, des alliages tels que les alliages 601, 690, 602 CA, ou des alliages de compositions équivalentes, sont disponibles industriellement. Ils sont reconnus par les codes de construction, notamment les codes de I'ASME (American Society of Mechanical Engineer) comme présentant les caractéristiques techniques adaptées pour la construction d'unités fonctionnant sous pression. Cependant, ils ne présentent pas nécessairement une résistance satisfaisante à la corrosion par mise en poussière de métal et/ ou carburation, et doivent de ce fait être protégés. Certains alliages sont quant à eux en phase de développement. Ils présentent dans certains cas une meilleure résistance à la corrosion que les alliages habituels, c'est notamment le cas de l'Inconel 693 TM commercialisé par la société Special Metal , mais ne peuvent être à ce jour utilisés pour la s construction d'équipement fonctionnant dans les conditions de l'invention, soit parce que leurs caractéristiques mécaniques sont insuffisantes, soit parce que leur résistance à la pression est affectée par l'évolution de la microstructure à la température de fonctionnement, ou parce qu'ils ne sont pas encore reconnus par les codes de construction cités ci-dessus. io Le but de l'invention est donc d'améliorer la fiabilité des équipements fonctionnant sous pression et à haute température en présence de mixtures d'hydrocarbures et/ ou de monoxyde de carbone, vis à vis des attaques par corrosion et mise en poussière de métal et/ou une fragilisation due au phénomène de carburation. is Pour ce faire, selon une caractéristique essentielle de l'invention, celle-ci concerne une pièce pour un équipement destiné à fonctionner à haute température et sous pression, en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, réalisée à partir d'au moins deux alliages A et B, caractérisée en ce que: - A est un alliage apte à être utilisé à haute température et sous pression, et B est un alliage résistant à la corrosion par mise en poussière de métal et/ ou par carburation. De préférence, les alliages A et B sont intimement liés et l'alliage A n'est pas au contact dudit fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone. Les pièces ainsi constituées sont dites bimétalliques. L'alliage A est de préférence un alliage contenant du nickel, du fer, du chrome et/ou de l'aluminium, et est notamment reconnu par les codes de construction. Ceci signifie que des codes de construction, par exemple, les codes de I'ASME (American Society of Mechanical Engineer) le reconnaissent comme présentant les caractéristiques techniques adaptées pour la construction d'unités fonctionnant sous pression. L'alliage A a plus préférentiellement une composition conforme à celle de l'un des alliages suivants: alliage 601, alliage 690, alliage 602 CA. La résistance à la pression de la pièce pour équipement considérée est assurée par la partie réalisée en alliage A. L'alliage B est de préférence un alliage contenant du nickel, du fer, du chrome et/ou de l'aluminium, il s'agit plus préférentiellement d'Inconel 693, ou d'un alliage de type Inconel 693. Ainsi, la résistance à la corrosion par mise en poussière de l'alliage et/ ou carburation de la pièce considérée est obtenue par la partie réalisée en alliage B. io Les jonctions entre pièces bimétalliques, notamment entre tubes bimétalliques, seront avantageusement réalisées à l'aide de pièces de jonction dont la fonction est de connecter entre elles des pièces parties d'un équipement destiné à fonctionner à haute température et sous pression, en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, conformément à la demande de brevet FR 03/03238 de la demanderesse. Les dites pièces de jonction seront avantageusement réalisées en bimétallique conformément à l'invention. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de protection d'un équipement destiné à fonctionner, au moins en partie, à haute température en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, contre la corrosion par mise en poussière de métal (metal dusting en langue anglaise) et/ou carburation, caractérisé en ce qu'il utilise au moins une pièce d'équipement telle que décrite précédemment. Selon un troisième aspect, l'invention concerne une installation pour la génération de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures caractérisée en ce qu'elle comporte un équipement utilisant au moins une pièce pour équipement telle que décrite ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'exemples de pièces métalliques conformes à l'invention, 30 donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. La figure 1 représente un tube réalisé en matériau bimétallique à l'intérieur circule un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone. L'alliage A est un alliage 601 tandis que l'alliage B est de!Inconel 693. En effet, parmi les pièces bimétalliques avantageusement réalisées conformément à l'invention, on trouve des tubes bimétalliques. Ainsi que rappelé précédemment dans la description, les tubes, et en particulier les tubes de faible diamètre et de longueur importante ne peuvent, par défaut d'accessibilité être aluminisés de façon uniforme et donc fiable. Ils sont de io plus, pour la même raison de manque d'accessibilité du coeur de la pièce, difficilement contrôlables par contrôle non destructif. Dans ce bimétallique, l'Inconel 693 résiste particulièrement bien à la mise en poussière de métal, mais n'est pas encore reconnu par les codes de construction, tandis que l'alliage 601 reconnu par les codes assure la résistance à la pression et la conformité de la pièce. La figure 2 illustre quant à elle l'association d'un tube bi-métallique conforme à la figure 1 avec une pièce de jonction conforme à la demande de brevet FR 03/03238 de la demanderesse. La pièce de jonction est ici simplement aluminisée. Comme on l'aura compris de ce qui précède, la mise en oeuvre des pièces pour équipement selon l'invention présente notamment les avantages suivants: - amélioration des performances de résistance à la corrosion par mise en poussière de métal et/ ou carburisation grâce à l'association d'un alliage résistant à un environnement générateur de corrosion et d'un alliage résistant à la pression. possibilité d'utilisation de nouveaux alliages résistant à la corrosion, mais non encore reconnus par les codes de construction. possibilité d'utilisation de nouveaux alliages résistant à la corrosion, mais dont les propriétés mécaniques insuffisantes et dont l'utilisation, seul, obligerait à prévoir des épaisseurs importantes. Ceci impliquerait des coûts élevés, eV ou une dégradation du procédé par limitation des échanges thermiques, et/ ou l'impossibilité de mise en oeuvre pour des problèmes d'encombrement. possibilité d'utilisation de nouveaux alliages résistant à la corrosion, mais dont la microstructure évolue à la température de fonctionnement (phénomène aussi connu sous le nom anglais de strainage cracking). possibilité de réaliser des pièces de jonction conformes à la demande de brevet français FR 03/03238 de la demanderesse, et en matériau bimétallique. io Le procédé d'amélioration de la protection de l'équipement selon l'invention est particulièrement adapté pour la protection des équipements mis en oeuvre lors de la génération de gaz de synthèse. Revendications 1. Pièce pour un équipement destiné à fonctionner à haute température et sous pression, en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, réalisée à partir d'au moins deux alliages A et B, caractérisée en ce que: A est un alliage apte à être utilisé à haute température et sous pression, et lo - B est un alliage résistant à la corrosion par mise en poussière de métal et/ ou par carburation. 2. Pièce pour équipement selon la revendication 1 caractérisée en ce que les alliages A et B sont intimement liés et l'alliage A n'est pas au contact dudit fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone. 3. Pièce pour équipement selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que l'alliage A est un alliage contenant du nickel, du fer, du chrome et/ou de l'aluminium. 4. Pièce pour équipement selon l'une des revendications 1 à 3 20 caractérisée en ce que l'alliage A est un alliage reconnu par les codes de construction. 5. Pièce pour équipement selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l'alliage A a une composition conforme à celle de l'un des alliages suivants: alliage 601, alliage 690, alliage 602 CA. 6. Pièce pour équipement selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'alliage B est un alliage contenant du nickel, du fer, du chrome et/ou de l'aluminium. 7. Pièce pour équipement selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'alliage B est un alliage du type Inconel 693. 8. Pièce pour équipement selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite pièce est en outre une pièce dite pièce de jonction . 9. Procédé de protection d'un équipement, destiné à fonctionner au moins en partie à haute température en présence d'un fluide contenant au moins un hydrocarbure et/ou du monoxyde de carbone, contre la corrosion par mise en poussière de métal et/ou par carburation, caractérisé en ce qu'il utilise au moins une pièce pour équipement selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Installation pour la génération de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures, caractérisée en ce qu'elle comporte un équipement utilisant au moins une pièce pour équipement selon l'une des revendications 1 à 8. i0