Quelles sont les limitations d'application des tubes en acier inoxydable 304/304L dans le système LNG ?

Le tube en acier inoxydable 304/304L, en raison de sa certaine ténacité à basse température et de sa résistance à la corrosion, est utilisé dans certains domaines à basse température. Cependant, dans le système GNL (gaz naturel liquéfié, avec une température de fonctionnement d'environ -162°C), ses performances présentent des défauts significatifs et son application est strictement limitée. Les points suivants sont détaillés en termes de ténacité à basse température, de risque de corrosion et de propriétés mécaniques 

1. Ténacité à basse température insuffisante, avec un risque de rupture fragile

Problème clé : Dans les conditions de fonctionnement du GNL à -162°C, la ténacité au choc du 304/304L ne répond pas aux exigences de sécurité. 

La température de transition fragile (DBTT) de l'acier inoxydable 304 (acier non stabilisé) est relativement élevée, généralement comprise entre -100°C et -70°C. Lorsque la température tombe à -162°C, son énergie d'absorption au choc (Ak) diminuera brusquement en dessous de 20J (voire en dessous de 10J), ce qui est bien en dessous de l'exigence Ak ≥ 40J pour les systèmes GNL (selon les normes ASME B31.3 et autres). Cela le rend susceptible de se briser de manière fragile sans déformation plastique, ce qui peut entraîner des accidents graves tels que des fuites.

La ténacité à basse température du 304L (type à bas carbone) est légèrement meilleure que celle du 304, mais elle ne peut toujours pas surmonter complètement le problème de transition fragile. La performance d'impact à -162°C fluctue considérablement, et la ténacité de la zone affectée thermiquement (HAZ) du soudage est encore plus prononcée, rendant difficile le passage des essais d'impact à basse température (tels que l'essai d'impact à entaille V). 

Comparaison : Les matériaux couramment utilisés dans les systèmes GNL, tels que le 304Lmod (304L modifié), le 316L et l'acier à 9 % de Ni, ont une DBTT (Température de décomposition induite par la déformation) aussi basse que sous -196°C. À -162°C, l'énergie d'impact reste supérieure à 80J, évitant efficacement le risque de rupture fragile. 

2. Résistance limitée à la corrosion à basse température, sensible à l'érosion par les impuretés

Bien que le méthane soit le composant principal dans le système GNL, il peut contenir des traces de H₂S, de CO₂, d'humidité, etc. À basse température, il a tendance à former des milieux corrosifs (tels que le mélange d'eau liquide et de H₂S formant une solution acide). La résistance à la corrosion du 304/304L est insuffisante pour faire face à cela : 

Fissuration par corrosion sous contrainte par sulfure (SSCC) : Bien que la teneur en Cr (18-20 %) dans le 304/304L puisse former un film passif, dans un environnement à basse température et haute pression avec de l'H₂S présent, le film passif est susceptible d'être détruit, et sa structure austénitique a une plus grande sensibilité à la SSCC. Une utilisation à long terme peut entraîner des fissures intergranulaires ou transgranulaires.

Corrosion par piqûres et corrosion interstitielle : Si le système contient une trace d'ions chlorure (tels que ceux apportés par une fuite de refroidissement par eau de mer), l'équivalent de résistance à la piqûration (PREN ≈ 18-20) du 304/304L est relativement faible, beaucoup plus faible que celui du 316L (PREN ≈ 24-26). Il est plus susceptible de subir des piqûres à basse température (avec une plus grande activité ionique), en particulier au niveau des interstices des brides et des vannes. 

III. Limitations des propriétés de soudage et de transformation

Émbrittlement des joints de soudure : Lors du soudage du 304/304L, si une protection adéquate n'est pas assurée, il est susceptible de former une structure de Widmanstätten ou une ségrégation de ferrite, entraînant une diminution supplémentaire de la ténacité du joint de soudure à basse température. De plus, la résistance à la corrosion de la zone soudée peut être réduite en raison de la perte de Cr et de Ni, devenant un point faible vis-à-vis de la corrosion.

L'influence du durcissement par écrouissage : Les pipelines de GNL nécessitent souvent des opérations de cintrage et de mise en forme à froid. Après traitement à froid, le 304/304L a tendance à générer des contraintes résiduelles, et la structure austénitique peut se transformer partiellement en martensite (en particulier le 304), ce qui entraîne une détérioration de la ténacité à basse température et augmente le risque de fissuration par corrosion sous contrainte. 

IV. Limitations claires des normes et spécifications

Les normes internationales pour la conception des systèmes de GNL (telles que ASME B31.3, EN 13480, API 620) ont des exigences strictes en matière de matériaux : 

La demande spécifique est que la ténacité au choc à basse température de l'acier utilisé pour l'équipement à basse température doit répondre à -196°C : Ak ≥ 27J (valeur minimale), et le 304/304L ne répond généralement pas à cette norme.

Pour les pipelines en contact avec du GNL contenant du soufre, il faut utiliser de l'acier faiblement allié à haute résistance résistant au SSCC ou des alliages à base de nickel. Le 304/304L est exclu des choix principaux en raison de sa sensibilité au SSCC. 

Résumé : Les scénarios d'application de 304/304L dans les systèmes GNL sont limités.

Il ne peut être utilisé que dans les sections auxiliaires non essentielles, à basse pression et à cycle court (telles que les tuyaux de connexion des accessoires de température constante des réservoirs de stockage de GNL et les tuyaux d'instruments éloignés de la zone cryogénique), et il est nécessaire de contrôler strictement la pureté du milieu (sans H₂S, Cl⁻) et la température de fonctionnement (pas inférieure à -100°C).

Les systèmes essentiels (tels que les réservoirs de stockage cryogéniques, les tuyaux de transport principaux, les tuyaux de connexion des pompes et vannes) doivent utiliser de l'acier cryogénique spécial (tel que l'acier à 9% de Ni) ou de l'acier inoxydable à haute teneur en alliages (tel que 316L, 304Lmod) pour garantir la sécurité et la fiabilité.