FR3125745A3 - Equipement mécano-soudé sous pression renforcé - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un équipement mécano-soudé contenant un fluide sous pression, dans lequel au moins une couche de protection (4) est déposée sur au moins une portion d’une paroi périphérique (3) de l’équipement, la couche de protection (4) comprenant un revêtement déposé par projection thermique à froid de particules non fondues (5) vers ladite paroi périphérique (3) au moyen d’un fluide vecteur (6). Selon l’invention, l’équipement est un équipement mécano-soudé choisi parmi un adsorbeur, un composant d’une unité de reformage de gaz, en particulier un réacteur de reformage, un réservoir de stockage de fluide, une canalisation et la paroi périphérique (3) de l’équipement délimite un volume interne contenant de l’hydrogène, la couche de protection (4) étant configurée de façon à former une barrière de diffusion de l’hydrogène vers la paroi périphérique (3). Figure pour l’abrégé : 1.

Description

Equipement mécano-soudé sous pression renforcé

La présente invention concerne le maintien de l'intégrité structurelle d’un équipement mécano-soudé sous pression contenant de l’hydrogène.

Dans le cadre de l’invention, un équipement mécano-soudé, également appelé équipement chaudronné, s’entend d’un assemblage de pièces métalliques obtenu par soudage et ayant une fonction mécanique. Un équipement sous pression désigne un équipement destiné au traitement, au conditionnement et/ou au transport, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, de fluides à l’état gazeux, liquéfiés ou diphasiques liquide-gaz, en particulier une pression d’au moins 5 bar, voire au moins 20 bar, éventuellement jusqu’à 1200 bar, voire au moins 1200 bar.

L’intégrité structurelle d’équipements sous pression est un point clé pour leur exploitation sécuritaire. Une perte de confinement induite par la fissuration d’une structure engendre l’arrêt de son exploitation pour réparation, remplacement.

Dans le cadre d’équipement soumis à de la fatigue, anticiper la durée de vie peut permettre de prédire la nécessité de changer cet équipement afin d’anticiper leur approvisionnement et les potentiels arrêts ou modes dégradés de fonctionnement de l’unité.

Parmi les équipements sous pression, on connaît les adsorbeurs. Ces équipements sont des réservoirs mis en œuvre dans des unités de traitement par adsorption visant à retirer un gaz d'un mélange gazeux, en utilisant son affinité chimique et ses caractéristiques particulières vis-à-vis d'un matériau adsorbant contenu dans les adsorbeurs. En particulier, on connaît les adsorbeurs des unités de traitement par adsorption à modulation de pression, couramment appelées unités PSA (acronyme de l'anglais pour « Pressure Swing Adsorption »), qui sont exposés à des oscillations de pression contrôlées. On connaît également les adsorbeurs des unités de traitement par adsorption à modulation de température, couramment appelées unités TSA (acronyme de l'anglais pour « Temperature Swing Adsorption »), qui sont exposés à des oscillations de température contrôlées.

Les adsorbeurs des unités PSA ou TSA sont soumis à des variations cycliques de pression ou de température dans les équipements qui favorise l’apparition de défauts de structure, en particulier des défauts tels que des fissures de fatigue ou des fissures par fragilisation, qui peuvent se propager rapidement. Ainsi, les adsorbeurs PSA peuvent subir des cycles d’une durée de 3 à 6 minutes qui comprennent les phases de pressurisation, adsorption et dépressurisation, soit de 15 à 20 cycles par heure et plus de 400 cycles par jour donc plus de 170000 cycles par an.

L’intégrité structurelle d’un adsorbeur est de ce fait exposée à un mode d’endommagement dit de fatigue. L’apparition ou la progression des défauts peuvent d'ailleurs être accélérées en présence d'hydrogène (H₂) par un phénomène de fragilisation par hydrogène, désigné par les termes « Hydrogen Enhanced Fatigue » en anglais.

Parmi les équipements mécano-soudés sous pression, les canalisations de transports de fluide, les réservoirs de stockage de fluide, les composants des unités de reformage sont également soumis à des conditions opératoires sévères, en particulier lorsqu‘ils sont destinés à stocker, transporter ou traiter des fluides contenant de l’hydrogène.

De façon générale, ces équipements mécano-soudés sous pression requièrent une surveillance particulière. Parmi les facteurs de défaillance, on retrouve l’endommagement par fatigue, l’usure due à la corrosion par exemple, suite à une mise en œuvre dans l’exposition à une atmosphère agressive, à un entretien insuffisant, ou l’endommagement suite à un choc. Il est à noter que le risque de fissuration est plus élevé dans les zones à fortes contraintes ou le long des soudures.

Classiquement, les équipements sous pression subissent des inspections réglementaires périodiques faites au moyen de techniques de contrôle non destructif, comme les ultrasons, les courants de Foucault, les émissions acoustiques…. Ce contrôle peut se faire avec la structure à l'arrêt, voire en fonctionnement. Ces inspections vont révéler l’état de la structure de l’équipement. L’espacement des contrôles permet de suivre l’évolution des matériaux, car les matériaux vieillissent au cours du temps.

Durant un contrôle, les défauts ou endommagements de structures, notamment les cavités, les départs de fissure ou microfissures, les fissures…, peuvent être identifiés et caractérisés en taille géométrique, i. e. profondeur de fissure, diamètre de cavité...

Néanmoins, dans le cadre d’un équipement sous pression soumis à de la fatigue et/ou à de la fragilisation par hydrogène, la durée de vie résiduelle une fois cette fissure initiée et détectée est très fortement réduite par l’effet de l’hydrogène. Il en devient d’autant plus difficile d’anticiper la maintenance ou le remplacement de l’équipement, et donc de minimiser l’impact sur l’activité de cet équipement.

La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients exposés ci-dessus, notamment à proposer un équipement mécano-soudé sous pression exposé à une atmosphère contenant de l’hydrogène, en particulier un équipement soumis à un endommagement par fatigue et un phénomène de fragilisation par hydrogène, dans lequel le délai avant endommagement et/ou apparition d’un défaut est allongé, permettant ainsi de prolonger la durée de vie de l’équipement.

A cette fin, l’invention a pour objet un équipement mécano-soudé contenant un fluide sous pression, dans lequel au moins une couche de protection est déposée sur au moins une portion d’une paroi périphérique de l’équipement, la couche de protection comprenant un revêtement déposé par projection thermique à froid de particules non fondues vers ladite paroi périphérique au moyen d’un fluide vecteur, caractérisé en ce que l’équipement est un équipement mécano-soudé choisi parmi un adsorbeur, un composant d’une unité de reformage de gaz, en particulier un réacteur de reformage, un réservoir de stockage de fluide sous pression, une canalisation et caractérisé en ce que la paroi périphérique de l’équipement délimite un volume interne contenant de l’hydrogène, la couche de protection étant configurée de façon à former une barrière de diffusion de l’hydrogène vers la paroi périphérique.

L’invention va maintenant être mieux comprise à la lecture de la description et des figures qui l’accompagnent, présentées à titre illustratif et non limitatif de l’invention.

schématise un équipement renforcé et/ou réparé selon un mode de réalisation de l’invention.

schématise un dispositif de dépôt de revêtement utilisé dans un mode de réalisation de l’invention.

L’invention repose sur l’application d’une couche de protection sur au moins une portion d’une surface de l’équipement de façon à y former une barrière de diffusion de l’hydrogène. Par « barrière de diffusion », on entend une couche d’un matériau configuré pour réduire, voire éliminer le passage de molécules d’un fluide à travers ladite couche, ou dit autrement, une couche peu ou pas perméable, i. e. étanche, audit fluide. Le principe est une transposition de ce qui peut être fait avec des barrières thermiques, mais pour l’hydrogène. Le revêtement est configuré pour avoir une perméabilité faible à l'hydrogène et/ou une absence de site catalytique permettant la dissociation de l’hydrogène et/ou une minimisation de l’activité de ces sites catalytiques. La durée de vie de l’équipement soumis à de la fatigue sous hydrogène est ainsi augmentée en diminuant voire en inhibant la capacité de l’hydrogène à le fragiliser par l’intermédiaire d’une barrière de diffusion.

De préférence, comme montré sur , la couche de protection 4 est formée sur une surface de l’équipement qui se trouve en contact avec l’hydrogène. De préférence, il s’agit d’une surface interne, c’est-à-dire qu’en considérant que la paroi périphérique 3 délimite un volume interne, c’est une surface située du côté du volume interne qui est revêtue. Notons qu’il reste envisageable de revêtir une surface externe de l’équipement ou bien les deux côté d’une surface.

Selon une possibilité, l’intégralité de la surface interne du volume interne est revêtue, afin de prévenir de façon globale un endommagement de l’intérieur du contenant.

Selon une autre possibilité, la couche de protection est déposée sur une plusieurs portions de surface, en particulier dans des connues comme étant des points de faiblesse de l’équipement, tels les soudures ou leur voisinage. Ces localisations pourront être estimées par retour d’expérience, par calcul par élément fini ou grâce à des contrôles à la réception de l’équipement.

Selon une autre possibilité, la couche de protection est déposée en action curative, après une inspection périodique, sur au moins une portion de surface présentant un défaut ou un endommagement, en particulier un défaut de fatigue tel une fissure, une microfissure ou une cavité. En particulier, on réalise un revêtement localisé après la détection d’un défaut par l’utilisation du contrôle non destructif. Ce revêtement a pour but de renforcer le lieu où est localisée la fissure et de protéger le front de fissure du côté fragilisant de l’hydrogène. Dans le cas d’un absorbeur, la couche de protection est préférentiellement déposée pendant la maintenance de l’équipement, notamment lors d’un changement d’adsorbant pour éviter que le coût et la lourdeur de cette opération ne deviennent prohibitifs.

Comme on le voit sur , la réalisation d’un revêtement par projection thermique selon l’invention repose sur l’utilisation d’un gaz vecteur 6 pour accélérer, transporter des particules 5 du matériau constituant le revêtement sur le substrat à revêtir. En l’espèce, le substrat est une portion d’une paroi périphérique 3 de l’équipement 1 à renforcer. Notons qu’il est envisageable de déposer une seule couche de protection 4 sur l’équipement 1 ou bien plusieurs couches se superposant au moins en partie.

Selon le mode de réalisation schématisé sur , le procédé met en œuvre un outil de projection 11 alimenté par un flux de fluide vecteur 6 chauffé par un réchauffeur de gaz 10. L’outil de projection 11 est également alimenté par un flux de particules 5 formées du matériau à projeter. Avantageusement, le matériau est distribué sous forme de poudre. La poudre est stockée dans un réservoir 12. Les particules 5 peuvent être de taille nanométrique ou micrométrique. De préférence, la paroi périphérique 3 est formée d’un matériau choisi parmi : un acier au carbone, un acier inoxydable, en particulier un acier inoxydable de type duplex. De préférence, les particules sont formées d’un matériau métallique, en particulier les particules sont formées d’un matériau identique à celui constituant la paroi périphérique 3.

L’outil de projection 11 peut comprendre une chambre de mélange alimentée par le flux de fluide vecteur 6 et par le flux de particules de matériau 5. Le mélange de particules et de fluide vecteur est distribué par un orifice de sortie de l’outil de projection 11 sous forme d’un jet 5 dirigé vers le substrat 3 à revêtir.

Selon l’invention, au moins une couche de renfort 4 est formée sur une portion de la paroi périphérique par dépôt d’un revêtement par projection thermique à froid, également désignée par les termes « cold spray » en anglais. Dans ce procédé, les particules sont accélérées par le fluide vecteur au-delà d'une vitesse critique et chauffées à une température inférieure à leur température de fusion, de sorte qu’elles ne sont pas fondues et sont projetées à l’état solide vers le substrat sur lequel elles s'écrasent et s’accumulent pour former le revêtement désiré. L’impact des particules sur le substrat, de par leur grande énergie cinétique, provoque une déformation plastique de celles-ci, en libérant une énergie suffisante à assurer leur accrochage sur le substrat.

Comme montré sur , l’outil de projection 11 peut comprendre une tuyère convergente-divergente, à géométrie dite « de Laval », c’est-à-dire dont le conduit de gaz comprend une portion amont de forme convergente et une portion aval de forme divergente, permettant de transformer la température et la pression du fluide vecteur en énergie cinétique. Typiquement, les particules peuvent être projetées à des vitesses supersoniques comprises entre 300 et 2500 m/s, de préférence entre 300 et 1700 m/s. Le fluide vecteur peut être de l’azote, de l’argon ou de l’hélium ou un mélange de ces gaz. Le fluide vecteur peut présenter une pression comprise entre 30 et 70 bar. Le fluide vecteur peut être chauffé à une température typiquement comprise entre 900 et 1500°C.

La projection à froid conduit ainsi à la réalisation de revêtements denses, ayant de bonnes propriétés d’adhérence, avec des rendements de dépôt élevés. Contrairement aux techniques classiques de revêtement par projection thermique qui impliquent que les particules soient fondues ou partiellement fondues pour favoriser leur accrochage sur le substrat, la projection à froid évité un échauffement important des particules projetées, ce qui évite la génération de contraintes thermiques sur le substrat, ainsi que l’oxydation et/ou les transformations métallurgiques du matériau projeté. La projection à froid offre donc une solution efficace pour renforcer et/ou réparer l’équipement, tout en préservant l’intégrité microstructurale du matériau déposé et du substrat revêtu.

De préférence, la couche de protection a une épaisseur comprise entre 10 nm et 3000 μm, préférentiellement entre 50 nm et 2000 μm

La paroi périphérique 3 est de préférence formée d’un matériau métallique, en particulier de l’acier au carbone ou de l’acier inoxydable. En particulier, s’agissant d’un réservoir de stockage d’une station hydrogène, la paroi peut être en acier Cr-Mo. S’agissant d’un adsorbeur, la paroi peut être en acier du type ASTM 516 grade 70.

Le matériau formant la couche de protection peut avoir une structure cristalline et/ou amorphe. Ainsi, elle ne présente pas ou peu de chemin préférentiel pour diffuser l’hydrogène et/ou le nombre des sites catalytiques est réduit. La poudre a préférentiellement une structure amorphe.

De préférence, la couche de protection 4 présente un coefficient de dilatation thermique inférieur au coefficient de dilatation thermique du matériau de la paroi périphérique 3, afin de générer des contraintes de compression au moment du changement de température, notamment sur les adsorbeurs TSA.

Préférentiellement, la couche de protection 4 est formée d’au moins un matériau céramique. Le matériau céramique peut comprendre des oxydes à base d’aluminium, de chrome ou d’oxygène. La couche de protection 4 peut aussi être formée d’au moins un matériau métallique choisi parmi les hydrures métalliques à base de magnésium, de calcium, d’yttrium. La couche de protection peut aussi être formé d’un mélange des matériaux précités.

Les éléments constitutifs de la poudre peuvent être choisis parmi des oxydes inorganiques seuls ou leurs mélanges, notamment Al₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, ou des oxydes métalliques choisis parmi certains métaux comme Ni, Cr, Ti, Fe.

L’équipement est un équipement mécano-soudé apte et destiné à contenir un fluide sous pression. L’équipement peut être un adsorbeur configuré pour suivre au moins un cycle de fonctionnement par adsorption à modulation de pression ou par adsorption à modulation de température. En particulier, l’adsorbeur est configuré pour produire de l’hydrogène à partir d’un flux de gaz naturel.

L’équipement selon l’invention peut être un adsorbeur utilisé dans un procédé de traitement d’un gaz par adsorption, du type dans lequel on utilise une unité de traitement par adsorption PSA. L’invention peut également s’appliquer à un adsorbeur suivant un cycle TSA, en particulier un adsorbeur TSA mis en œuvre pour purifier un flux d’hydrogène.

Avantageusement, la paroi périphérique 3 de l’équipement 1 définit un volume interne contenant une atmosphère riche en hydrogène, en particulier une atmosphère contenant au moins 50%, de préférence au moins 80% d’hydrogène, de préférence encore au moins 90% d’hydrogène.

Selon un autre aspect, l’équipement peut être un composant d’une unité de reformage d’un mélange gazeux, en particulier une unité de production d’hydrogène par reformage d’un mélange d’hydrocarbures. L’équipement peut être un réacteur de reformage ou une pièce de transition présente dans une unité de reformage, par exemple un tuyau qui permet la jonction entre deux équipements comme un réacteur et un échangeur, un réacteur et un pot séparateur de phase liquide/gaz, deux réacteurs.

Selon un autre aspect, l’équipement peut être un réservoir de stockage de fluide sous pression, notamment un réservoir destiné à stocker de l’hydrogène.

L’invention concerne également un procédé de protection d’un équipement mécano-soudé dans lequel on dépose une couche de protection selon l’invention au moyen d’un procédé de projection thermique à froid.

Claims (1)

1. Equipement mécano-soudé contenant un fluide sous pression, dans lequel au moins une couche de protection (4) est déposée sur au moins une portion d’une paroi périphérique (3) de l’équipement, la couche de protection (4) comprenant un revêtement déposé par projection thermique à froid de particules non fondues (5) vers ladite paroi périphérique (3) au moyen d’un fluide vecteur (6), caractérisé en ce que l’équipement est un équipement mécano-soudé choisi parmi un adsorbeur, un composant d’une unité de reformage de gaz, en particulier un réacteur de reformage, un réservoir de stockage de fluide, une canalisation et caractérisé en ce que la paroi périphérique (3) de l’équipement délimite un volume interne contenant de l’hydrogène, la couche de protection (4) étant configurée de façon à former une barrière de diffusion de l’hydrogène vers la paroi périphérique (3).