Normes et exigences pour les tubes en acier inoxydable pour l'utilisation de l'azote liquide

L'azote liquide (avec un point d'ébullition d'environ -196°C) est un milieu à très basse température. Les tuyaux en acier inoxydable utilisés pour son transport doivent répondre à des exigences clés telles que les propriétés mécaniques à basse température, la performance d'étanchéité et la résistance à la corrosion. En même temps, ils doivent être conformes aux normes nationales pertinentes ou aux normes internationales. Voici les normes et exigences spécifiques : 

I. Sélection du matériau de base

Pour les tuyaux d'azote liquide, l'acier inoxydable austénitique devrait être préféré car il conserve une bonne ténacité même à des températures extrêmement basses (pas de fragilité à basse température), tandis que l'acier inoxydable ferritique ou martensitique est sujet à une déformation fragile en dessous de -100°C et n'est pas approprié. Les grades courants incluent :

304 (06Cr19Ni10) : Acier inoxydable austénitique de base, avec un bon rapport qualité - prix, adapté aux conditions générales de basse température ;

316 (06Cr17Ni12Mo2) : Contient du molybdène, avec une plus forte résistance à la corrosion, adapté aux scénarios de basse température avec des impuretés traces ou des environnements humides ;

304L/316L : Versions à bas carbone, réduisant le risque de corrosion intergranulaire lors du soudage, adaptées aux structures soudées. 

II. Principales normes d'exécution

Il est nécessaire de se conformer aux normes spéciales pour les pipelines à basse température ou les tubes sans soudure en acier inoxydable. Les plus courantes sont les suivantes :

Normes nationales

1. GB/T 14976-2012 « Tubes sans soudure en acier inoxydable pour le transport de fluides »

Elle stipule les exigences de base telles que les tolérances de dimension, les propriétés mécaniques et la qualité de surface des tubes en acier inoxydable, applicables aux pipelines de transport de divers fluides, y compris les fluides à basse température ;

Des exigences supplémentaires pour les essais d'impact à basse température (non directement stipulées dans la norme, nécessitant des compléments en combinaison avec la norme spéciale pour les basses températures) sont également nécessaires.

2. GB/T 18984-2003 « Tubes sans soudure en acier inoxydable pour les pipelines à basse température »

Le matériau doit passer l'essai d'impact à basse température à -196°C (entaille en V), avec une énergie d'absorption d'impact KV₂ ≥ 27J ;

Propriétés mécaniques : résistance à la traction ≥ 520 MPa, limite d'élasticité ≥ 205 MPa, allongement ≥ 35 % (en prenant le 304 comme exemple).

Il s'agit d'une norme spécifique pour les pipelines à basse température allant de -40 °C à -196 °C, exigeant clairement :

3. GB 50235-2010 « Spécifications de construction des pipelines métalliques industriels »

Elle concerne les exigences de construction telles que le soudage, l'installation et l'inspection des pipelines à basse température, comme le contrôle non destructif à 100 % (radiographique ou ultrasonore) des joints de soudure.

Normes internationales

1. ASME B36.19M « Tuyaux sans soudure en acier inoxydable »

Une norme de l'American Society of Mechanical Engineers, elle stipule les dimensions et les classes d'épaisseur de paroi (telles que SCH 10S, SCH 40S, etc.) pour les tuyaux en acier inoxydable, applicables aux scénarios de haute pression à basse température.

2. ASME BPVC Section VIII Div.1 « Spécifications des réservoirs sous pression »

Elle concerne les exigences de conception des réservoirs et des pipelines à basse température, stipule la contrainte admissible de l'acier inoxydable austénitique à -196 °C et les conditions d'exemption des essais d'impact (par exemple, lorsque l'épaisseur est ≤ 6 mm, il peut être exempté, mais une preuve matérielle est requise).

3. ASTM A312 « Tuyaux sans soudure et tuyaux soudés en acier inoxydable austénitique »

Correspondant aux grades nationaux tels que 304/316, il stipule clairement les propriétés mécaniques et les exigences de soudage dans des conditions de basse température, et il est nécessaire de compléter l'essai de choc à -196°C (effectué conformément à la norme ASTM A370). 

III. Principales exigences techniques

1. Propriétés mécaniques à basse température

Ténacité au choc : Doit passer l'essai de choc à -196°C pour garantir que le matériau ne se fracture pas à la température de l'azote liquide (indicateur clé, par exemple, la norme GB/T 18984 exige KV₂ ≥ 27J) ;

Resistance et plasticité : La résistance à la traction et la limite d'élasticité à température ambiante doivent répondre aux normes (par exemple, pour l'acier 304, la résistance à la traction ≥ 520MPa, la limite d'élasticité ≥ 205MPa), et le taux d'allongement ≥ 35%, garantissant la capacité de déformation plastique à basse température.

2. Dimensions et tolérances

Tolérance sur le diamètre extérieur : Classe ordinaire ±0,75mm, classe supérieure ±0,5mm (pour garantir l'étanchéité de la connexion) ;

Tolérance d'épaisseur de paroi : ±10 % (il est nécessaire de calculer l'épaisseur minimale de la paroi en fonction de la pression de travail, formule de référence GB 50316 « Code de conception des pipelines métalliques industriels »);

Rectitude : ≤1 mm par mètre, évitant la concentration des contraintes d'installation.

3. Qualité de surface

La paroi intérieure doit être lisse (Ra ≤ 1,6 μm), réduisant la résistance à l'écoulement de l'azote liquide et l'accumulation d'impuretés ;

Aucune fissure, pliure, décollement, etc. sur les surfaces intérieure et extérieure, il est nécessaire de procéder au décapage acide et à la passivation (enlever la couche d'oxyde, former un film de passivation, améliorer la résistance à la corrosion).

4. Exigences de soudage

Les matériaux de soudage doivent être compatibles avec le matériau de base (par exemple, pour le 304, utiliser une électrode de soudage E308L), évitant la migration du carbone entraînant une corrosion intergranulaire ;

Les joints de soudure doivent passer le test d'impact à basse température de -196 °C (énergie d'impact non inférieure à 70 % du matériau de base) ;

Utiliser le soudage à l'arc sous argon comme couche de base + le soudage à l'arc électrique comme couche de remplissage, assurer la pénétration complète de la racine, après le soudage, il est nécessaire de procéder à un contrôle radiographique (RT) ou ultrasonore (UT) à 100 %, aucun défaut tel que non pénétration, fissures, etc. n'est autorisé.

5. Étanchéité et résistance à la pression

Les connexions de pipeline utilisent de préférence le soudage (réduire les points de fuite). Les connexions par brides doivent utiliser des joints d'étanchéité à basse température (tels que l'amiante revêtu de cuivre, les joints enveloppés d'acier inoxydable, l'utilisation de joints en caoutchouc est interdite pour éviter les fissures à basse température);

Il est nécessaire de réaliser des essais de pression : essai hydrostatique à température ambiante (la pression d'essai est 1,5 fois la pression de conception), ou essai pneumatique (1,15 fois la pression de conception), maintenir la pression pendant 30 minutes sans fuite.

6. Contrôle des déformations à basse température

Pendant l'installation du pipeline, il faut prendre en compte le retrait à basse température (le coefficient de dilatation linéaire de l'acier inoxydable austénitique est d'environ 17×10⁻⁶/℃, le retrait à -196℃ est important), il est nécessaire de installer des dispositifs de compensation (tels que les dispositifs de compensation à soufflets) pour éviter les fissures dues à des contraintes excessives. 

IV. Scénarios d'application supplémentaires

Si utilisé pour des équipements de stockage d'azote liquide (tels que le tuyau de sortie de la citerne de stockage), il doit également respecter les exigences supplémentaires pour les récipients cryogéniques stipulées dans GB 150 "Récipients sous pression";

Pour les scénarios de niveau d'hygiène tels que les applications alimentaires et médicales, il est nécessaire de répondre en outre aux exigences du polissage électrolytique de la paroi interne (Ra ≤ 0,8 μm) et de la conception sans angles, conformément à la norme GB 16798 « Tuyaux en acier inoxydable pour l'industrie alimentaire ».

En conclusion, le cœur de l'utilisation de tuyaux en acier inoxydable pour l'azote liquide réside dans la ténacité du matériau (résistance aux chocs à basse température), la performance d'étanchéité et la qualité du soudage. Les grades de tuyaux spécifiques doivent être sélectionnés en fonction des conditions de travail spécifiques (pression, température, pureté du milieu), et les normes pertinentes pour les pipelines à basse température doivent être strictement respectées.