Brevet FR3047254A1 — publié le 20170804

Compositions d'aciers aux propriétés anti-cokage améliorées L'invention relève du domaine des aciers à usages spéciaux, en particulier de ceux destinés à être au contact de fumées de combustion. L'invention concerne également des composants tubulaires réalisés à base de tels aciers. Les installations de traitement et de transformation de produits pétroliers comprennent plusieurs unités telles des fours, des cuves, des réacteurs et des cheminées qui sont reliées entre elles par des tubulures. Les parois de ces unités et tubulures sont en grande partie composées d'acier. Des aciers adaptés pour les installations précitées doivent présenter des caractéristiques mécaniques adaptées aux conditions exigeantes telles que des hautes températures et des contraintes élevées. À défaut, un vieillissement accéléré dégrade les propriétés du composant. Pour cela, il est admis que la structure cristalline des aciers doit être maîtrisée. Des plages de teneurs pour quelques éléments chimiques usuels sont indiquées à cet effet dans des normes, par exemple ASTM A335/A335M ou encore EN10216-2. Le respect des prescriptions de ces normes est fortement souhaitable, non seulement pour éviter d'obtenir des structures cristallines incompatibles avec les propriétés mécaniques souhaitées, mais aussi pour faire l'économie d'essais de conformité nombreux, longs et coûteux. La réalisation d'un acier au plus près des prescriptions de ces normes permet par ailleurs d'améliorer son acceptabilité par le secteur industriel. Ces normes définissent également des familles de compositions d'aciers alliés dont les propriétés mécaniques sont considérées comme, a priori, satisfaisantes pour une application donnée. 3047254 2 Au contact de fumées chargées en carbone, les surfaces des parois des installations précitées sont sujettes à des dépôts carbonés, ou coke. Ce phénomène est appelé cokage ("coking" en anglais). 5 Le cokage conduit au développement d'une couche carbonée sur les parois internes des installations. Les dépôts cokés entraînent des pertes de charges, des diminutions de l'efficacité des échanges thermiques entre l'intérieur et l'extérieur des parois, des dégradations chimiques et physiques desdites parois, des surcharges des parois, des obstructions au moins partielles des canalisations, etc. La durée de vie des installations 10 s'en trouve limitée. Il est donc souhaitable de limiter le cokage. Or les normes visant les aciers ne fournissent pas d'informations quant au comportement des aciers vis-à-vis du cokage. Pour préserver les installations, des opérations de décokage doivent être mises en oeuvre 15 régulièrement. Ces opérations d'entretien et de nettoyage sont coûteuses et nécessitent généralement l'arrêt des installations. L'efficacité des installations s'en trouve réduite. Il est connu de déposer sur les surfaces des parois en acier un revêtement protecteur ralentissant le cokage. Ces revêtements peuvent être obtenus par l'application d'une 20 composition spécifique ou par la formation d'un oxyde en surface, par exemple par passivation. Le document WO 2009/152134 décrit des tubes obtenus de cette manière. La fabrication de tels composants est complexe et coûteuse. Par ailleurs, de tels revêtements ne dispensent pas des opérations de décokage. Or une opération de décokage classique consiste à mettre en mouvement un boulet racleur de dimension 25 ajustée dans les tubes pour gratter et évacuer les dépôts carbonés, à l'image d'un ramonage. Cette opération endommage, voire détruit complètement, toute surface interne protectrice des tubes. Par conséquent, une opération de dépôt d'un revêtement protecteur doit être réitérée après chaque opération de décokage. Ceci est fastidieux et coûteux, en particulier une fois que le composant tubulaire en acier est assemblé avec le reste de l'installation. 3047254 3 Le brevet FR 2 776 671 déposé par l'Institut Français du Pétrole décrit des aciers prévus pour être utilisés dans la fabrication de fours et de réacteurs. Cependant, la résistance mécanique et la résilience de tels aciers sont faibles. 5 L'invention vient améliorer la situation. Le demandeur a cherché à améliorer la résistance au cokage et à préserver les autres propriétés mécaniques par des compositions d'acier dont les éléments chimiques 10 présentent des teneurs choisies. Ces teneurs étaient inconnues mais respectent essentiellement les normes en vigueur, permettant ainsi une mise en oeuvre à bref délais en évitant de longs tests qualificatifs. Autrement dit, le demandeur a mis au point des compositions chimiques d'acier inédites et respectueuses des principales exigences des normes reconnues par les acteurs du domaine technique considéré. 15 Le demandeur propose à cet effet une composition d'acier pour la fabrication de composants aux propriétés anti-cokage améliorées, comprenant en pourcentage massique : - au plus 0,15 % de carbone (C), 20 - de 0,3 à 1 % de manganèse (Mn), - de 1,4 à 3 % de silicium (Si), - de 0,5 à 3 % de cuivre (Cu), - de 8 à 10 % de chrome (Cr), - de 0,5 à 3 % de nickel (Ni), 25 - de 0,01 à 0,07 % d'azote (N), - de 0,8 à 1,1 % de molybdène (Mo), le reste de la composition comprenant essentiellement du fer (Fe) et des impuretés. Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur massique d'autres éléments 30 chimiques ne dépasse pas : 3047254 4 - 0,04 % d'aluminium (Al), - 0,025 % de phosphore (P), - 0,02 % de soufre (S), - 0,02 % de titane (Ti), 5 - 0,05 % de niobium (Nb), - 0,05 % de vanadium (V), - 0,1 % de tungstène (W), et - 0,05 % de cobalt (Co). 10 Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur massique de chacun des autres éléments chimiques ne dépasse pas 0,01 %. Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur en carbone est comprise entre 0,08 % et 0,15 %. 15 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la teneur en carbone est comprise entre 0,09 % et 0,11 % . Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur en silicium est comprise entre 1,5 20 % et 2,5 %. Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur en cuivre est comprise entre 0,5 % et 2 %. 25 Dans un mode de réalisation de l'invention, la teneur en nickel est comprise entre 0,5 % et 2,7 %. Dans un mode de réalisation de l'invention, les pourcentages massiques de silicium (Si), de cuivre (Cu) et de nickel (Ni) respectent les inéquations suivantes : 30 Si 2,5 % ; et Cu 2,5 %; et Cu REVENDICATIONS1. Composition d'acier pour la fabrication de composants aux propriétés anti-cokage améliorées, comprenant en pourcentage massique : - au plus 0,15 % de carbone (C), - de 0,3 à 1 % de manganèse (Mn), - de 1,4 à 3 % de silicium (Si), - de 0,5 à 3 % de cuivre (Cu), - de 8 à 10 % de chrome (Cr), - de 0,5 à 3 % de nickel (Ni), - de 0,01 à 0,07 % d'azote (N), - de 0,8 à 1,1 % de molybdène (Mo), le reste de la composition comprenant essentiellement du fer (Fe) et des impuretés. 2. Composition d'acier selon la revendication 1, dans laquelle la teneur massique d'autres éléments chimiques ne dépasse pas : - 0,04 % d'aluminium (Al), - 0,025 % de phosphore (P), - 0,02 % de soufre (S), - 0,02 % de titane (Ti), - 0,05 % de niobium (Nb), - 0,05 % de vanadium (V), - 0,1 % de tungstène (W), et - 0,05 % de cobalt (Co). 25 3. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la teneur massique de chacun des autres éléments chimiques ne dépasse pas 0,01 %. 4. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, comprenant en 30 pourcentage massique entre 0,08 % et 0,15 % de carbone (C). 3047254 26 5. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, comprenant en pourcentage massique entre 0,09 % et 0,11 % de carbone (C). 5 6. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, comprenant en pourcentage massique entre 1,5 % et 2,5 % de silicium (Si). 7. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, comprenant en pourcentage massique entre 0,5 % et 2 % de cuivre (Cu). 10 8. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, comprenant en pourcentage massique entre 0,5 % et 2,7 % de nickel (Ni). 9. Composition d'acier selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les 15 pourcentages massiques de silicium (Si), de cuivre (Cu) et de nickel (Ni) respectent les inéquations suivantes : Si 2,5 % ; et 20 Cu 10. Composant tubulaire dont au moins une partie présente une composition d'acier selon l'une des revendications précédentes. 11. Composant tubulaire selon la revendication 10 dont la partie présentant une composition d'acier selon l'une des revendications 1 à 9 est agencée pour être mise au contact d'atmosphère chargée en coke.