Brides forgées à col soudé standard ANSI : spécifications et applications

Un Bride forgée à col à souder standard ANSI est le choix préféré pour les applications de tuyauterie exigeantes car son Le moyeu conique assure une transition douce des contraintes de la face de la bride à la paroi du tuyau, éliminant ainsi la discontinuité abrupte qui provoque des turbulences et une rupture par fatigue dans d'autres types de brides. . La bride est fixée au tuyau par une soudure bout à bout à pénétration complète à l'extrémité du moyeu, créant un joint aussi solide que le tuyau lui-même et pouvant être inspecté radiographiquement pour vérifier l'intégrité de la soudure. Cette caractéristique de conception, combinée à l'orientation du flux de grains obtenue grâce au processus de forgeage, fait de la bride à col soudé le seul type de bride universellement accepté pour les services critiques à haute pression, haute température et à chargement cyclique dans les industries pétrolière, pétrochimique et de production d'électricité. Lorsqu'elles sont spécifiées selon une norme ANSI (le plus souvent ASME B16.5 pour les tuyaux allant jusqu'à 24 pouces et ASME B16.47 pour les diamètres plus grands), les dimensions des brides, les valeurs de pression et de température et les exigences en matière de matériaux sont entièrement standardisées, garantissant l'interchangeabilité avec les vannes, raccords et équipements de n'importe quel fabricant dans le monde.

L'avantage du forgeage : pourquoi le flux de grains est important

Le processus de forgeage modifie fondamentalement la structure interne de l’acier d’une manière que le moulage ou l’usinage à partir de plaques ne peuvent pas reproduire. Une bride forgée commence comme une billette d'acier (un lingot coulé ou une fleur coulée en continu qui a été travaillée à chaud pour fermer la porosité interne) et est façonnée sous l'immense force de compression entre les matrices de forgeage. Cette déformation allonge les inclusions non métalliques et les joints de grains dans le sens de l'écoulement du métal, créant ainsi un modèle d'écoulement continu des grains qui suit le contour de la bride . La structure des grains alignés résiste à la propagation des fissures perpendiculairement à la contrainte appliquée, conférant à la bride forgée une résistance à la fatigue et une ténacité aux chocs supérieures à celles d'une bride moulée ou découpée en plaques où l'orientation des grains est aléatoire ou perpendiculaire à la direction de la contrainte principale.

Pour une bride à col soudé en particulier, le processus de forgeage est conçu de telle sorte que les lignes d'écoulement des grains s'étendent en continu depuis la face de la bride vers le haut à travers le moyeu conique et dans le biseau de soudure. Cela signifie que lorsque la bride est soudée bout à bout à un tuyau, le flux de grains dans la bride et dans le tuyau est aligné, créant ainsi un joint métallurgiquement homogène . L’absence d’une couche limite faible – une caractéristique des structures coulées où la zone de refroidissement de surface rencontre la zone de grain en colonne – signifie qu’il n’y a pas de chemin de rupture préférentiel. Pour les services critiques tels que le service de l'hydrogène, le traitement des gaz corrosifs ou la vapeur à haute température, cette structure de grain continue est essentielle pour éviter la fragilisation et la fissuration qui peuvent s'initier au niveau des discontinuités microstructurelles.

Classe de pression et système de dimensions ANSI/ASME B16.5

La norme ANSI qui régit les brides à col soudé, désormais publiée par l'ASME sous le nom ASME B16.5 -organise les brides en classes de pression qui définissent la pression de service maximale autorisée à une température donnée pour un matériau donné. Les classes de pression standard pour les brides à col soudé sont 150, 300, 400, 600, 900, 1 500 et 2 500. Le numéro de classe n'est pas la pression de service en psi ; il s'agit d'une désignation qui correspond à un tableau d'évaluation pression-température. Une bride de classe 300 en acier au carbone (ASTM A105) à température ambiante a une limite de pression de service d'environ 740 psi (51 bars) , tandis que la même bride à 400 °C (750 °F) est déclassée à environ 635 psi (44 bar). À l'extrémité, une bride de classe 2500 en acier allié peut résister à des pressions supérieures à 6 000 psi à température ambiante.

Les caractéristiques dimensionnelles qui distinguent chaque classe de pression sont les l'épaisseur de la bride, le diamètre du moyeu à la base, le diamètre du cercle de boulons ainsi que le nombre et la taille des trous de boulons . À mesure que la classe de pression augmente, ces dimensions augmentent pour supporter les charges mécaniques plus importantes, même si la taille nominale du tuyau reste la même. Le tableau ci-dessous illustre l'échelle des dimensions clés en fonction de la classe de pression pour une bride à col à souder courante de 4 pouces (DN 100).

L'alésage d'une bride à col soudé est usiné pour correspondre au épaisseur nominale de la paroi du tuyau du tuyau de raccordement. Cela signifie que pour une taille nominale de tuyau donnée, des brides avec différents diamètres d'alésage sont disponibles pour correspondre aux programmes de tuyaux standard, extra-résistants (XS) et doublement extra-résistants (XXS). La tolérance d'alésage est spécifiée dans la norme et le biseau de soudure à l'extrémité du moyeu est usiné à un angle de 37,5 degrés avec une face de racine d'environ 1,6 mm, conformément à l'ASME B16.25, pour créer une rainure en V standard pour le joint soudé bout à bout.

Catégories de matériaux et leur enveloppe température-pression

Le matériau à partir duquel une bride à col soudé est forgée détermine les limites de température et de pression du composant fini ainsi que sa résistance à des mécanismes de corrosion spécifiques. ASME B16.5 fait référence aux spécifications des matériaux ASTM et les tableaux d'évaluation pression-température sont organisés par groupe de matériaux. Le choix du matériau est une décision basée sur température de conception, pression de conception, chimie du fluide et potentiel de mécanismes de fissuration environnementaux telles que la fissuration sous contrainte des sulfures en service acide ou la fissuration par corrosion sous contrainte des chlorures dans les aciers inoxydables austénitiques exposés à des chlorures chauds.

Les matériaux de forgeage les plus couramment spécifiés pour les brides à col soudé ANSI et leurs enveloppes d'application typiques sont :

• ASTM A105 (acier au carbone) : Le matériau standard pour un service industriel général de -29°C à 425°C (-20°F à 800°F). Ne convient pas à une exposition prolongée au-dessus de 425°C en raison de la graphitisation, ni à des températures inférieures à zéro en dessous de la température de transition ductile à fragile sans essai d'impact. Utilisé pour les services de vapeur, d’eau, de pétrole et d’hydrocarbures non corrosifs. Il s'agit du matériau de bride forgée le plus courant et le plus économique, représentant la majorité des brides à col soudé installées en service non corrosif.
• ASTM A350 LF2 (acier au carbone basse température) : Un acier au carbone avec une chimie contrôlée et une pratique à grain fin, test d'impact Charpy à -46°C (-50°F). Utilisé pour les systèmes de tuyauterie fonctionnant dans des climats froids et dans la manipulation de gaz liquéfiés où l'A105 risquerait de se fracturer. La face de la bride est généralement dotée d'une face surélevée ou d'un joint de type anneau selon les spécifications.
• ASTM A182 F304/F304L et F316/F316L (Acier inoxydable austénitique) : Les matériaux standard pour les applications chimiques corrosives, de transformation des aliments et pharmaceutiques. Les qualités « L » (faible teneur en carbone, maximum 0,03 % de carbone) sont spécifiées pour les fabrications soudées et pour un service au-dessus de 425°C où les qualités non stabilisées sont sensibles à la sensibilisation et à la corrosion intergranulaire. Le F316/F316L, avec son ajout de molybdène de 2 à 3 %, offre une résistance améliorée à la corrosion par piqûre dans les environnements contenant du chlorure par rapport au F304.
• ASTM A182 F11 et F22 (acier allié chrome-molybdène) : Les matériaux de référence pour le service à haute température dans les raffineries et les centrales électriques, avec des teneurs de 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) et 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Ces matériaux conservent leur résistance à la traction à des températures allant jusqu'à 600 °C (1 100 °F) et résistent aux attaques de l'hydrogène en service à haute température lorsqu'ils sont utilisés dans les courbes de Nelson pour la nuance d'alliage spécifique. Les brides d'une unité d'hydrotraitement de raffinerie fonctionnant à 450°C avec une pression partielle d'hydrogène élevée sont généralement des pièces forgées F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (acier inoxydable duplex et super duplex) : Utilisé dans les environnements pétroliers et gaziers offshore, de manipulation de l'eau de mer et de processus chimiques où la combinaison d'une résistance élevée et d'une résistance exceptionnelle aux piqûres de chlorure est requise. Le F53 (super duplex, 25 % Cr) a un PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) supérieur à 40, offrant une immunité à la corrosion caverneuse par l'eau de mer à température ambiante.

Types de faces de bride et sélection de joints

Le revêtement de la bride (la géométrie de la surface d'étanchéité sur la face de la bride) est sélectionné en fonction de la classe de pression, des caractéristiques du fluide et du type de joint. La norme ANSI définit plusieurs types de revêtement, chacun avec un domaine d'application spécifique. Les revêtements les plus courants sur les brides à col soudé sont :

Face surélevée (RF)

Le parement standard pour les brides des classes 150 et 300, constitué d'un plateau surélevé d'environ 1,6 mm (1/16 pouce) de hauteur pour les classes 150 et 300 et 6,4 mm (1/4 pouce) de hauteur pour la classe 400 et supérieure. La face surélevée concentre la charge du boulon sur une zone de joint plus petite, augmentant ainsi la pression de contact et améliorant l'étanchéité. L'état de surface de la face surélevée est spécifié par la norme comme étant motif de rainures concentriques ou en spirale dentelée avec une rugosité de surface de 3,2 à 6,3 µm Ra (125 à 250 micropouces AA). Cette finition dentelée mord dans le matériau souple du joint et l'empêche d'être extrudé hors du joint de bride sous pression.

Joint de type anneau (RTJ)

Le revêtement standard pour les brides haute pression de la classe 600 à la classe 2500 en service critique. La face de la bride est dotée d'une rainure usinée avec précision qui accepte un joint annulaire métallique solide, généralement ovale ou octogonal en section transversale, fabriqué à partir d'un matériau plus souple que le matériau de la bride. Lorsque les boulons sont serrés, le joint annulaire est déformé plastiquement dans la rainure, créant ainsi un joint métal sur métal capable de contenir des pressions supérieures à 10 000 psi et des températures supérieures à 500 °C . Le joint RTJ est le seul type de joint accepté pour les services de vapeur haute pression, d'eau d'alimentation de chaudière et d'hydrocarbures où une éruption de joint aurait des conséquences catastrophiques. Les matériaux de joint annulaire standard sont le fer doux (pour les brides en acier au carbone), l'acier inoxydable 304 ou 316 et divers alliages de nickel pour les services corrosifs et à haute température.

Face plate (FF)

Utilisé principalement pour les brides en fonte de classe 125 et pour les connexions aux buses d'équipement à face plate où une bride à face surélevée plierait et fissurerait la bride en fonte d'accouplement lorsque les boulons sont serrés. Un joint intégral, s'étendant jusqu'au cercle de boulons, est utilisé avec des brides à face plate pour répartir uniformément la charge du boulon sur toute la surface de la face.

La procédure de soudage bout à bout et le contrôle des zones affectées par la chaleur

L'installation d'une bride à collerette à souder sur un tuyau nécessite un soudure bout à bout à rainure en V simple, pénétration totale qui relie le biseau usiné à l'extrémité du moyeu de bride au biseau correspondant à l'extrémité du tuyau. La soudure est généralement réalisée à l'aide du procédé de soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) pour la passe de racine afin de garantir une pénétration complète et une surface de racine propre et sans oxyde, suivi d'un soudage à l'arc avec métal blindé (SMAW) ou d'un soudage à l'arc fourré (FCAW) pour les passes de remplissage et de bouchage. La spécification de la procédure de soudage (WPS) doit être qualifiée selon la section IX de l'ASME, et le soudeur doit être qualifié pour le matériau, l'épaisseur et la position spécifiques.

La considération critique en matière de soudage pour les brides à col soudé est la contrôle de la zone affectée thermiquement (ZAT) dans le moyeu à bride . Le moyeu de la bride à proximité de la soudure est soumis à un cycle thermique complexe qui peut altérer sa microstructure, induire des contraintes résiduelles et, pour certains aciers alliés, créer une zone martensitique dure et cassante si la vitesse de refroidissement est trop rapide. Pour les brides en acier allié chrome-molybdène (ASTM A182 F11, F22), le préchauffage à 200°C à 300°C (400°F à 575°F) est obligatoire avant le soudage pour ralentir la vitesse de refroidissement et empêcher la formation de martensite, et un traitement thermique après soudage (PWHT) entre 675 °C et 730 °C (1 250 °F et 1 350 °F) pendant une heure par 25 mm d'épaisseur de soudure est nécessaire pour tempérer la ZAT, soulager les contraintes résiduelles et restaurer la ténacité du matériau. Le PWHT d'un ensemble bride-tuyau soudé est effectué sur la soudure terminée, et la dureté de la HAZ est vérifiée par des tests de dureté portables selon ASTM E110 pour confirmer que la dureté est inférieure au maximum spécifié, généralement 225 HBW pour P-No. 4 et P-No. Aciers alliés 5A en service en raffinerie.

Inspection, tests et documentation qualité

Une bride à col soudé fabriquée selon une norme ANSI est fournie avec un ensemble de documents de qualité obligatoires et facultatifs qui vérifient sa conformité aux spécifications matérielles et dimensionnelles. Le Rapport d'essai de matériaux (MTR) ou le certificat d'usine est le document principal, certifiant l'indice thermique de la pièce forgée, sa composition chimique, sa résistance à la traction, sa limite d'élasticité, son allongement et sa réduction de surface suite à un essai de traction, ainsi que sa dureté. Pour les brides en acier au carbone à basse température (A350 LF2), le MTR inclut également les résultats du test d'impact Charpy V-notch à la température de test spécifiée. Pour les brides en acier inoxydable, le MTR inclut les résultats des tests de corrosion intergranulaire lorsque cela est spécifié. Le MTR doit être traçable jusqu'à la bride par le numéro de chaleur, qui est estampé sur la périphérie de la bride avec la qualité du matériau, la classe de pression, la taille nominale du tuyau et la marque d'identification du fabricant conformément aux exigences de marquage de l'ASME B16.5.

L'examen non destructif de la bride finie comprend inspection visuelle des surfaces usinées, du parement et du chanfrein de soudure pour les recouvrements, les joints, les fissures et autres discontinuités de surface selon MSS SP-55. Pour les brides à service critique, une END supplémentaire est spécifiée : examen par ressuage (PT) ou examen par magnétoscopie (MT) de la face de la bride, de la transition moyeu-face et du biseau de soudure conformément à l'ASME B16.5 paragraphe 8.3 ; et examen par ultrasons (UT) de l'ensemble du volume de forgeage selon ASTM A388 ou la spécification de forgeage ASTM applicable pour détecter les défauts internes tels que les inclusions, les vides ou les stratifications. Les critères d'acceptation de ces examens sont définis par la norme de forgeage ASTM applicable et les exigences supplémentaires de l'acheteur.

Couple de boulon, compression du joint et assemblage sans fuite

L'assemblage d'un joint à bride à col soudé ANSI nécessite serrage contrôlé des boulons à un couple ou une contrainte de boulon spécifié pour obtenir la compression du joint nécessaire pour un joint sans fuite sans surcharger la bride, les boulons ou le joint. Les boulons sont serrés selon une séquence croisée, également appelée motif en étoile, en au moins trois passes de couple croissant : 30 %, 60 % et 100 % du couple cible. Ce serrage progressif garantit une compression uniforme du joint et évite que la bride ne s'arme, ce qui créerait un espace en forme de coin que le joint ne pourrait pas combler.

Le couple cible du boulon est calculé à partir de la contrainte d'assise du joint, de la zone de contact du joint, de la limite d'élasticité du matériau du boulon et du coefficient de frottement des filetages du boulon et de la surface d'appui de l'écrou. La contrainte du boulon cible est généralement 40 % à 70 % de la limite d'élasticité du matériau du boulon pour les joints standard, l'extrémité inférieure de la gamme étant utilisée pour les joints souples comme la fibre comprimée ou le PTFE et l'extrémité supérieure pour les joints métalliques et enroulés en spirale. La lubrification des filetages des boulons et des surfaces d'appui des écrous avec un composé antigrippant haute pression est essentielle pour obtenir une relation constante entre le couple et la tension des boulons ; les filetages non lubrifiés peuvent consommer 50 % ou plus du couple appliqué en friction, ce qui entraîne une précharge du boulon nettement inférieure à la valeur calculée. Pour les joints à brides critiques dans la tuyauterie de procédé ASME B31.3, la procédure de serrage des boulons est une partie documentée du processus d'assurance qualité, et les valeurs de couple des boulons sont enregistrées sur un rapport d'intégrité des joints de bride.