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Sep 21, 2023

Spécification de sévère

1 mai 2021 | Par Don Bowers, Conval et Jennifer Jones, Armour

1 mai 2021 | Par Don Bowers, Conval et Jennifer Jones, Armor Valve Ltd.

Pour résister aux conditions difficiles et aux risques potentiels de sécurité rencontrés dans les applications agricoles à l'urée et d'autres processus de service intensif, une attention particulière doit être accordée à la construction, aux performances et à l'installation de la vanne.

Les vannes pour service sévère (SSV) sont spécialement conçues et fabriquées pour les applications critiques dans lesquelles les conséquences potentielles d'une défaillance de la vanne incluent des risques graves et coûteux pour la vie, le fonctionnement de l'usine et les biens. Les SSV sont généralement exposés à des pressions et des températures relativement élevées, ainsi qu'à des milieux corrosifs ou mortels.

FIGURE 1. La fabrication d'urée nécessite que tous les équipements, y compris les vannes, soient capables de gérer des conditions sévères et l'exposition à des milieux agressifs

Une application importante de l'industrie chimique pour les SSV est la production d'urée (Figure 1). À l'échelle mondiale, plus de 90 % de l'urée produite est utilisée comme forme économique d'engrais azoté pour l'agriculture (figure 2). Avec une population mondiale estimée à huit milliards de personnes et en croissance, la demande mondiale de nourriture, et donc d'engrais, est forte et résistante aux cycles économiques. Selon Expert Market Research (EMR), le marché mondial de l'urée en 2020 était de 187,8 millions de tonnes métriques. D'ici 2026, ce nombre devrait augmenter de 12,61 %, pour atteindre 211,5 millions de tonnes métriques.

FIGURE 2. Les engrais à base d'urée granulaire sont largement utilisés dans le monde et leur demande devrait augmenter considérablement au cours des cinq prochaines années

Une autre application de l'urée est la réduction de la pollution de l'air par les moteurs diesel, qui fonctionnent à des températures élevées et produisent de fortes concentrations d'oxyde nitrique. Les réservoirs d'urée font désormais partie de l'équipement standard de nombreux camions, autobus et voitures diesel neufs.

L'urée est produite par la réaction de l'ammoniac et du dioxyde de carbone généralement à haute pression (140 bars ; 2 031 psi) et température (183 °C ; 362 °F). Il existe différents procédés qui ont été développés pour synthétiser l'urée. L'un d'entre eux comprend un réacteur à urée, un strippeur, un condenseur de carbamate haute pression et un épurateur de gaz de dégagement haute pression (Figure 3). Dans le réacteur, le CO2 et le NH3 sont partiellement convertis en urée et en eau. Le strippeur sépare le CO2 résiduel du NH3, qui est ensuite traité par le condenseur de carbamate haute pression. Le laveur sépare les gaz inertes résiduels, tels que l'oxygène et l'azote. A noter que le carbamate d'ammonium, un produit intermédiaire, est très corrosif.

FIGURE 3. Les processus typiques de synthèse d'urée impliquent la réaction d'ammoniac et de dioxyde de carbone, suivie d'une étape de stripage, d'un condenseur de carbamate et d'un lavage

Lors de la spécification de vannes à service sévère pour le service à l'urée, l'aspect le plus important à comprendre est le caractère unique de la métallurgie requise. Ces processus fonctionnent généralement mieux lorsque la teneur en oxygène est maintenue à un minimum, mais de nombreux alliages nécessitent la présence d'oxygène pour former et maintenir des surfaces résistantes à la corrosion. Au fil des ans, il y a eu une évolution des alliages qui ont été sélectionnés par l'industrie de l'urée pour leur capacité à fonctionner dans ces procédés à des niveaux d'oxygène de plus en plus bas. Au début, les alliages d'acier inoxydable austénitique, tels que le 316L-Urea Grade (316L-UG ou UNS S31603), le 316L LN (UNS S31653 ou EN 1.4429) et le 25-22-2 (UNS S31050), ont été utilisés avec plus ou moins de succès. Cependant, alors que des niveaux encore plus faibles d'oxygène de procédé devenaient plus vitaux, les aciers inoxydables Duplex (DSS) et Super Duplex (SDSS) ont été introduits, ce qui a permis la présence d'oxygène presque nul tout en offrant une plus grande résistance. Selon l'âge de l'installation, les conditions du procédé et le donneur de licence du procédé spécifique, le choix de l'alliage peut varier. Il est essentiel que les fabricants de vannes fournissant des vannes de service d'urée respectent strictement les normes d'alliage rigoureuses requises. Pour éviter les problèmes, il est préférable que les utilisateurs finaux identifient et documentent clairement les exigences en matière de matériaux, d'approvisionnement et d'inspection.

L'International Molybdenum Association (IMOA ; Londres, Royaume-Uni ; www.imoa.info) fournit certains des conseils pratiques suivants et des informations utiles sur le DSS [1] :

FIGURE 4. Cette image au microscope électronique de l'acier inoxydable Duplex montre la microstructure à deux phases des grains d'austénite et de ferrite

En raison de leur résistance élevée (environ deux fois celle des aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques typiques), de leur résistance à la corrosion et de leur soudabilité améliorées, les alliages DSS sont idéaux pour les vannes dans les applications d'urée et d'autres processus à service sévère. Ces alliages sont suffisamment solides pour supporter des pressions de l'ordre de 1 500 à 2 500 psi. Les vannes pour le service d'urée doivent faciliter l'écoulement d'auto-lavage et ne fournir aucune cavité où l'accumulation de précipitants peut se produire. Les alliages DSS et SDSS sont également utilisés dans la tuyauterie et les tubes en raison de leur solidité et de leur résistance à la corrosion.

Ces alliages chrome-nickel-molybdène (Cr-Ni-Mo) contiennent une teneur élevée en chrome, ainsi que divers additifs de nickel, de molybdène, de manganèse et d'autres éléments d'alliage. Le test Huey (ASTM A262, pratique C), développé par ASTM International (West Conshohocken, Pennsylvanie ; www.astm.org), est largement utilisé pour confirmer la capacité des alliages à résister au type de corrosion présent dans les procédés à l'urée, et le rapport chrome-molybdène est un prédicteur raisonnable (mais pas parfait) des performances probables du test Huey. Le nombre équivalent de résistance aux piqûres (PREN) est une autre mesure utile de la résistance à la corrosion, généralement par rapport à la température de piqûres de corrosion (CPT) et à la température de fissuration par corrosion (CCT), telles que mesurées par le test Streicher (ASTM A262, Pratique B). Le PREN augmente généralement avec la teneur en chrome, molybdène et azote de l'alliage. Pour l'acier inoxydable 316L, le PREN est de 25. Pour un DSS typique, le PREN est d'environ 36. Pour les SDSS avec une teneur en chrome de 25 % et plus, le PREN peut dépasser 40. Enfin, la teneur en ferrite de ces alliages est généralement contrôlée, et en plus du test Huey, de telles données de test sont souvent requises sur les rapports de test de matériaux certifiés pour les alliages d'urée.

Les alliages DSS et SDSS sont très coûteux à développer et à fabriquer (Figure 5). Une analogie utile serait les produits pharmaceutiques personnalisés. Certains fournisseurs d'équipement d'origine pour les usines d'urée ont obtenu l'accès aux alliages personnalisés développés par les concédants de licence et leurs organisations de matériaux. Les autres alliages élevés couramment utilisés dans la fabrication des vannes de service d'urée sont le Ferralium 255, le 310 MoLN, le Duplex F51, le SAF 2507, le Super Duplex F53, le Zeron 100 et le titane.

FIGURE 5. L'acier inoxydable duplex (DSS) est créé dans une fonderie. Parce que le DSS est un matériau de spécialité haute performance, il peut être coûteux à produire

Les activités de recherche et développement liées à l'amélioration des performances des alliages SDSS sont en cours dans l'industrie. Parmi les récentes innovations de produits figurent : les grades Safurex et Safurex Star (développés par Stamicarbon et Sandvik) ; Uremium29 (développé par Casale et Tubacex) ; et DP28W (développé par Toyo et Sumitomo).

Dans la plupart des cas, la conception des vannes de service d'urée est uniquement motivée par les exigences du processus et le comportement des produits chimiques impliqués. Cependant, les vannes doivent être conformes à la norme B16.34 développée par l'American Society of Mechanical Engineers (ASME ; New York, NY ; www.asme.org) et à toutes les autres normes de qualité/d'ingénierie applicables des organisations internationales, telles que : ASME ; Certification du numéro d'enregistrement canadien (NEC); Certification de conformité européenne (CE) ; Organisation internationale de normalisation (ISO); l'institut allemand de normalisation (DIN); et la directive sur les équipements sous pression (DESP).

Du point de vue de la production, par rapport aux autres alliages, l'usinage des DSS et SDSS prend plus de temps en termes d'avances et de vitesses. Ces alliages peuvent être soudés, mais ils nécessitent une attention particulière à la température entre passes (200 à 300°F maximum). Il faut veiller à limiter l'épaisseur du cordon. Une bonne métallurgie du soudage doit maintenir le bon équilibre entre les phases austénite et ferrite. Cela peut être affecté négativement par un refroidissement trop rapide, une teneur élevée en ferrite dans le métal soudé et un gaz de protection et de purge inadéquat. Une conception appropriée à joint ouvert est nécessaire. Le préchauffage doit être limité à moins de 100°F. Des procédés majeurs peuvent être utilisés, tels que le soudage à l'arc sous protection (SMAW), le soudage sous gaz inerte au tungstène (GTAW), le soudage à l'arc sous gaz (GMAW) et le soudage à l'arc submergé (SAW). Un test de fuite d'hélium standard doit être effectué.

En raison du coût relativement élevé des vannes, tuyauteries et tubes en alliage DSS et SDSS, ainsi que de la complexité et du coût élevé du soudage, il est judicieux de spécifier des vannes à longue durée de vie facilement accessibles pour la maintenance, les réparations et le renouvellement.

FIGURE 6. Ce robinet à tournant sphérique est configuré avec une accessibilité par le haut et une capacité de renouvellement en ligne, toutes deux utiles dans le service de l'urée

Lors de l'utilisation de telles vannes renouvelables en ligne (Figure 6) dans le service d'urée, le processus de dépannage et de réparation est beaucoup plus simple, plus rapide et plus économique. Une fois la vanne réparée, aucune soudure n'est nécessaire pour la remettre en service. Ainsi, le renouvellement des vannes en ligne se traduit souvent par d'énormes économies en termes de temps d'arrêt, de main-d'œuvre et de matériaux. Ces vannes sont disponibles dans de nombreuses configurations, y compris les vannes à bille, à globe, anti-retour et à vanne. Voici quelques considérations générales supplémentaires pour spécifier les vannes dans les applications de service d'urée :

1. IMOA, « Lignes directrices pratiques pour la fabrication d'aciers inoxydables duplex », 3e édition, 2014.

Don Bowers est le vice-président de Conval Inc. (96 Phoenix Avenue, Enfield, CT 06082 ; E-mail : [email protected], Téléphone : 860-749-0761 ; Site Web : www.conval.com), un fabricant de vannes à service sévère pour les applications industrielles exigeantes. L'expérience et la base de connaissances de Bowers s'étendent sur près de quatre décennies dans l'industrie des vannes d'énergie thermique et de service intensif. Au cours de sa carrière, il a occupé des postes chez Graver Energy Systems, Bechtel Power, Crane, Velan, Weir et Conval. Il est membre de l'ASME ; président du comité des normes ASME IX ; un membre du sous-groupe des exigences générales et des qualifications de soudage du sous-groupe de l'ASME SCIX ; et ancien président et membre du sous-comité du National Board Inspection Code sur la protection contre la surpression (NBIC-SCOP). Il siège également au comité de révision éditoriale du magazine Valve Manufacturers Association.

Jennifer Jones est responsable du marché de l'urée chez Armor Valve Ltd. (126 Milner Avenue, Toronto, Ont., Canada M1S 3R2, Courriel : [email protected], Téléphone : 416-299-0780, Site Web : www.armourvalve.com), un fournisseur canadien de vannes industrielles, d'équipement spécialisé et de services de soutien aux utilisateurs industriels. Jones est un ingénieur professionnel avec plus de 20 ans d'expérience dans les ventes techniques. Elle a commencé sa carrière au sein du service des ventes internes d'Armor Valve, ce qui lui a permis de comprendre les facteurs techniques et commerciaux qui influent sur la sélection des produits. Dans son rôle actuel de responsable des comptes stratégiques et de la tarification et en tant que leader du marché d'Armor Valve pour l'industrie des engrais, elle travaille avec les utilisateurs finaux, les consultants et les fabricants pour fournir des solutions optimales pour les applications critiques.

1. Waters, R., Sélection de vannes à service sévère, Chem. Eng., juin 2017.

2. Khiani, G., Vannes : Normes d'émissions et pratiques actuelles, Chem. Eng., octobre 2017.

3. Solutions Intratec, Profil technologique : Production d'urée à partir d'ammoniac via un procédé d'auto-extraction, Chem. Eng., juillet 2017.

4. Herrera, R., Meilleures pratiques de sélection de vannes, Chem. Eng., juillet 2015.

5. LePree, J., Augmenter la fiabilité des vannes grâce à la conception, Chem. Eng., août 2019.