Évolution microstructurale à haute température et propriétés mécaniques d'aciers austénitiques Fe-Cr-Ni

par Raluca Voicu

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Jacques Lacaze et de Eric Andrieu.

Soutenue en 2008

à Toulouse, INPT .


  • Résumé

    Les aciers austénitiques inoxydables HP40 1010 Nb sont utilisés pour la fabrication des tubes reformeurs utilisés dans l'industrie pétrochimique et en particulier par Air Liquide pour la réaction de craquage de l'hydrogène. Ces tubes constituent les composants essentiels des usines productrices d'hydrogène. La conception des tubes prévoit une durée d'exploitation d'environ 11 ans. Cependant, le fonctionnement des installations dans des conditions plus sévères diminue fortement la durée de vie de ces composants. La combinaison de facteurs tel que des surchauffes locales, un champ de contrainte complexe (induit par la thermique, la pression interne des gaz et le poids des tubes), un environnement corrosif à l'intérieur et oxydant à l'extérieur des tubes peut conduire à la rupture prématurée de ces pièces. L'objectif de cette étude est donc de comprendre les couplages entre le vieillissement microstructural et le comportement mécanique en fluage afin d'établir un nouveau critère de fin de vie des tubes reformeurs. Les examens microstructuraux des structures vieillies ont permis de souligner l'effet de plusieurs facteurs importants dont la composition chimique et de l'environnement ainsi que d'établir un diagramme TTT pour ces nuances d'aciers. L'étude systématique du comportement mécanique en fluage nous a permis de mettre en évidence plusieurs facteurs qui influencent la durée de vie de ces alliages dont le vieillissement et un changement de mécanisme de fluage au passage des fortes aux faibles contraintes. Les observations métallographiques et la quantification de l'endommagement ont confirmé les résultats de fluage. Un critère de fin de vie a pu être établi en intégrant ces données. Enfin, nous avons proposé deux protocoles de chargement thermique afin d'optimiser le temps à rupture.

  • Titre traduit

    Microstructure evolution at high temperature and mechanical properties of Fe-Cr-Ni austenitic stainless steels


  • Résumé

    The HP40-Nb modified austenitic stainless-steels are used for reformer tubes fabrication in the refining, petrochemical and fertilizer industries, and especially by Air Liquide for cracking reaction of hydrogen. These tubes are the main components of hydrogen production plants. The tubes are designed for exploitation duration of around 11 years. Nevertheless, the operation of the facilities under more severe conditions leads to a greatly decreases the lifetime of these components. These tubes are prone to various degradation mechanisms. The combination of factors such as local overheating, a complex stress field (induced by the heat, the internal gas pressure and weight of the tubes), a corrosive environment inside and an oxidant atmosphere outside of the tubes can lead to premature rupture, braking of these parts. The objective of this study is to understand the coupling between the microstructural aging and mechanical behaviour in creep regime in order to establish a new criterion for end of life of reformer tubes. Microstructural examinations of aged structures have allowed to highlight the effect of several important factors, like the chemical composition and the environment, and to establish a TTT diagram for these steel grades. The systematic study of the creep mechanical behaviour has enabled to identify several factors that influence the lifetime of these alloys, like aging and a change of creep mechanism when passaging from high to low stress levels. Metallographic observations and quantification of the damage confirmed the creep tests results. A criterion for the end of life has been established by integrating these data. Finally, we proposed two thermal loading protocols to optimize the time to rupture of these tubes.

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  • Détails : 1 vol. (XIX-230 p.)
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  • Cote : 2008INPT132G
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