Les aciers pour appareils soumis à pression

Les aciers pour appareils soumis à pression sont destinés aux équipements contenant un fluide sous pression.

La crainte de risques, notamment l’explosion, a concouru depuis longtemps à un encadrement de la conception des équipements sous pression par un ensemble de règles contenues pour l’Europe dans :

• un ensemble de directives (voir dans la partie « Pour aller plus loin ») comportant des exigences essentielles notamment dans le chapitre sur les matériaux (caractéristiques appropriées, vieillissement, adaptation aux procédures de traitement…) ;
• un code de construction (CODAP voir dans la partie « Pour aller plus loin ») ;
• des fiches CLAP(Comité de liaison des Appareils à Pression) pour le suivi et l’adaptation de la mise en œuvre ;
• des normes pour les matériaux, dont certaines dites « harmonisées » sont reconnues comme apportant présomption de conformité avec les Exigences Essentielles de Sécurité (dénommées ESRs en abrégé, en anglais) dans la limite des données techniques relatives aux matériaux spécifiés.
  Les exigences essentielles stipulent l’accompagnement des matériaux par un document de contrôle (voir fiche sur le sujet).

Les équipements peuvent faire l’objet d’un marquage (CE ou PI).

A l’origine, les textes normatifs spécifiques aux aciers pour appareils à pression concernaient uniquement les tôles. Ces dernières étaient connues sous le nom usuel « d’aciers chaudières », et étaient considérées comme leaders des produits sidérurgiques de qualité, de grande diffusion.

Des normes spécifiques sont ensuite apparues pour les produits longs :

• depuis les années 1990 pour les appareils à pression simple ;
• depuis les années 2000 pour tous les appareils à pression.

Les normes concernant les tubes existaient dans le catalogue français depuis la fin des années 1970.

Tous ces produits font dorénavant l’objet de normes européennes (voir dans la partie « Pour aller plus loin »).

Quels sont les différents aciers pour appareils soumis à pression ? Existe-t-il une classification de ces aciers ?

Plusieurs éléments entrent en ligne de compte pour déterminer les règles applicables à un acier pour appareils soumis à pression (Voir le tableau de synthèse des normes européennes/françaises applicables en fonction des critères) :

• Le produit et son stade de fabrication (plat [tôle/plaque ; laminé à chaud ; laminé à froid] – long) ;
• La classification de l’acier (non allié, allié, inoxydable – voir la fiche sur ce sujet pour approfondir cette notion) ;
• La température d’utilisation (ambiante, température élevée, basse température) ;
• La structure (acier soudable à grains fins) et l’état de traitement thermique de livraison ou un état équivalent ;
• L’usage ou destination :
• Appareils à pression dont réservoirs et chaudières ;
• Appareils à pression simple [1];
• Bouteilles à gaz ou autres récipients soudés ;
• Tubes ;
• Aciers pour éléments de fixation ;
• Aciers pour équipements sous pression transportables (notamment dans le cas des matières dangereuses).

Le respect des exigences permanentes et optionnelles incluses dans ces textes normatifs, ont valeur de présomption de conformité aux directives. Elles sont à préciser dans les documents contractuels (appel d’offres, commande),

[1] Pour simplifier on retiendra qu’il s’agit de récipient soudé soumis à pression intérieure relative supérieure à 0,5 bar, qui est destiné à contenir de l’air ou de l’azote et qui n’est pas destiné à être soumis à la flamme. On trouvera la définition exhaustive dans l’Annexe A de la norme NF EN 10207:2005.

Quels sont les principales caractéristiques recherchées ?

Les textes normatifs font le plus souvent référence à des aciers calmés avec un état de livraison tel que :

• L’état normalisé ou un état équivalent obtenu par laminage normalisant (appareils à pression simple) ;
• L’état brut de laminage (le refroidissement ultérieur éventuellement thermomécanique permet d’obtenir des garanties de tenue à faible température et un soudage amélioré). Les bouteilles à gaz soudées font l’objet d’un traitement ultérieur de normalisation.
• L’état trempé (certains cas concernant les aciers pour fixations)

On peut évoquer également :

• L’aptitude au formage mécanique et la résistance aux contraintes mécaniques de fonctionnement : elles s’évaluent grâce à des caractéristiques mécaniques (données en général pour un essai à la température ambiante avec parfois la prise en compte d’une dimension comme l’épaisseur ou le diamètre). On ajoute éventuellement des propriétés concernant le pliage. Il s’agit en fait d’un compromis entre la résistance et les aptitudes aux déformations plastiques. La composition chimique, notamment la teneur en manganèse, influe notablement sur ces propriétés. Les valeurs sont le plus souvent déterminées pour un état de référence comme par exemple pour les aciers pour appareils à pression, en général à l’état normalisé, et dans le cas des aciers inoxydables à plusieurs états de traitement thermique ;
• L’aptitude à une température d’utilisation :
• Hautes températures : Ces aciers font notamment l’objet de la norme NF EN 10028-2 mais on peut se référer également à l’évolution de la limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % (et 1 % dans le cas des aciers inoxydables), en tenant compte de la température et éventuellement d’une dimension telle que  l’épaisseur. Pour les aciers pour fixations, on vérifiera également les résultats d’essai de traction à chaud.
• Basses températures : Ces aciers font particulièrement l’objet de la norme NF EN 10028-4. L’aptitude est liée surtout à la résistance à une rupture fragile déterminée par des essais de flexion par choc à des températures fixées. Le produit doit avoir une épaisseur supérieure à 6 mm pour conserver une représentativité de l’essai. Les éprouvettes sont prélevées dans la direction transversale et éventuellement dans la direction longitudinale.
  Certains aciers inoxydables austénitiques à l’état  hypertrempé conviennent pour les applications à température cryogénique (inférieure à -75 °C). On prévoit pour ces aciers des limites concernant l’énergie de rupture en flexion par choc à -196 °C.
  La composition du métal joue sur sa propreté (minimisation du soufre évitant les composés manganèse-soufre qui influent sur la fragilisation)
• L’aptitude au soudage : elle est déterminée principalement par le carbone équivalent calculé d’après la composition chimique avec des limites tenant compte de l’épaisseur dans le cas des appareils à pression. On stipule également dans certains cas une recommandation par rapport aux valeurs critiques (P_crit.) pour le détensionnement et le temps de maintien.
  Des indications générales sur le soudage sont données dans les normes NF EN 1011-1 et NF EN 1011-2.
  Les normes concernant les tubes soudés explicitent les procédés de fabrication.
  Les risques de fissuration à froid sont particulièrement examinés, pour les aciers laminés thermomécaniquement  ou trempés revenus.
• La résistance au fluage (tenue en sollicitation continue sur longue période [déformation plastique ou rupture]) particulièrement pour certains aciers inoxydables austénitiques ou les aciers pour fixations.
• La résistance à la corrosionspécialement intergranulaire, à l’état de livraison et éventuellement après soudage, pour certains aciers inoxydables. Pour les aciers carbone et faiblement alliés, on examine la susceptibilité à la fissuration lors d’une exposition à des environnements contenant de l’H₂S corrosif (service acide).
• Le niveau de vieillissement (évolution des caractéristiques avec la diffusion du carbone ou de l’azote libre) qui dépend du mode de désoxydation. Il s’apprécie surtout par rapport aux teneurs d’éléments utilisés pour le calmage (aluminium) ou pour fixer l’azote (niobium, titane). Il doit rester compatible aux conditions d’utilisation.
• On précise que l’état de surface doit être exempt de défauts détectables visuellement (tubes) ou préjudiciables à l’emploi. On utilise parfois une référence comme dans le cas des normes de la série NF EN 10028, les classes de la norme NF EN 10163-2. De même la notion de santé interne (absence de défauts internes) peut être considérée. Ils peuvent être vérifiés par des contrôles comme ceux du type ultrasonore. Les contrôles non destructifs doivent être effectués par du personnel certifié notamment dans le cas des tubes.
• Des caractéristiques telles que la résistance à la fissuration induite par l’hydrogène ou la mesure de la fragilisation des aciers chrome molybdène par exemple peuvent faire l’objet d’options complémentaires.

Outre les caractéristiques ci-dessus facilement accessibles dans la norme on trouve dans des annexes informatives des précisions, par exemple sur la résistance au fluage en fonction de la température dans la norme NF EN 10269.

Quels sont les secteurs utilisateurs d’aciers pour appareils soumis à pression ?

Le secteur industriel des équipements sous pression concerne un grand nombre d’appareils. Il couvre des produits de consommation tels que les extincteurs et les cocottes-minutes, mais aussi les installations industrielles imposantes (réservoirs et sphères de stockage) et complexes. Il englobe les chaudières de centrales électriques ou les tubes à pression ou à vapeur.

On retrouve donc l’usage des aciers concernés dans de nombreux segments d’activités comme celui de l’industrie chimique ou de l’exploitation des ressources fossiles (gaz, pétrole …).

Quelques applications particulières concernent les appareils à pression simple (comme les réservoirs d’air pour le freinage des véhicules) et les bouteilles à gaz soudées ou légères.

Quels sont les producteurs d’aciers pour appareils soumis à pression ?

• Produits plats et plaques en aciers non alliés et alliés :
  • ArcelorMittal Europe Flat Products (voir sur son site la page concernant l’offre de ce groupe notamment sur ce segment de produits) ;
  • Industeel, filiale d’ArcelorMittal (voir la page dédiée sur le site et l’offre ) ;
  • Le groupe Dillinger Hütte (voir la page dédiée sur le site ).
• Produits longs en aciers carbone et alliés :
  • La Branche Long Carbone Europe du groupe ArcelorMittal (nuance 16Mo3 [en relation avec les normes NF EN 10028-2 et NF EN 10273] voir sur son site la page concernant l’offre ) ;
  • Le groupe Experton (Tél. : 04 76 65 15 15 Contact : bonpertuis@acieries-bonpertuis.fr).
• Produits plats en aciers inoxydables : voir le site d’Aperam et notamment l’offre générale ou l’option contact .
• Produits longs en aciers inoxydables : voir le site d’Ugitech et notamment son espace téléchargement ou l’option contact .
• Tubes : Se rapprocher du Syndicat de l’Industrie Française du Tube d’Acier SIFTA (info@orange.fr) et parmi nos adhérents :
  • ArcelorMittal (ArcelorMittal Tubular products) ;
  • Aperam (Stainless tubes Europe) ;
  • Vallourec (vmtubes.com).

Pour aller plus loin

Pour approfondir le sujet vous pouvez consulter :

• Les dossiers sur le site « Techniques de l’ingénieur » concernant les aciers pour appareils à pression;
• Le Livre de l’Acier – Lavoisier TEC&DOC – Editeurs scientifiques : Gérard Béranger, Guy Henry, Germain Sanz (pages 1032-1044) ;
• La collection de normes en vigueur dédiées aux aciers pour appareils à pression (NF EN 10028-1 à 7 ; NF EN 10207 ; NF EN 10272 ; NF EN 10273 ; NF A 36-210 ; NF A 36-215 ; NF EN 10269 et pour les tubes : NF 10216-1 à 5 et NF EN 10217-1 à 7) ;
• La directive européenne 2014/68/UE du 15 mai 2014 venant modifier la synthèse sur les directives européennes pour les équipements sous pression.
  Pour mémoire la synthèse de l’INERIS sur le texte de la directive de 1997 et la version de 1987  de la directive relative aux appareils à pression simple, disponible sur le site de l’INERIS ;
• le code CODAP, diffusé par le SNCT (Syndicat de la Chaudronnerie, Tuyauterie & Maintenance Industrielle) et sur le site du SNCT ;
• Le site de l’Association Française des Ingénieurs en Appareils à Pression ainsi que les sites de certains de ses membres fondateurs, le CETIM et l’Institut de Soudure;
• Un guide technique tubes et robinetterie.

[1] Pour simplifier on retiendra qu’il s’agit de récipient soudé soumis à pression intérieure relative supérieure à 0,5 bar, qui est destiné à contenir de l’air ou de l’azote et qui n’est pas destiné à être soumis à la flamme. On trouvera la définition exhaustive dans l’Annexe A de la norme NF EN 10207:2005.

 

Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de A3M; leur usage ne peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.