Vannes de service pour acides : NACE MR0175, H2S et guide de sélection des matériaux

Le service acide est l’un des problèmes de sélection de matériaux les plus importants dans l’approvisionnement en vannes pour le pétrole et le gaz. Le sulfure d'hydrogène, ou H2S, peut créer des conditions dans lesquelles certains aciers et alliages deviennent vulnérables à la fissuration provoquée par l'environnement, même lorsque la vanne a une pression nominale suffisante et a réussi les tests de pression normaux en usine.

C'est pourquoi une vanne ne peut pas être considérée comme adaptée au service acide simplement parce qu'elle est en acier au carbone, en acier inoxydable, forgée, haute pression ou fournie avec un certificat de matériau standard.

L'examen technique doit prendre en compte l'environnement réel contenant du H2S ainsi que la qualité du matériau, l'état métallurgique, la dureté, le traitement thermique, le soudage, le travail à froid, la fonction des composants, le niveau de contrainte et les spécifications du projet.

Pour les acheteurs industriels, la question clé en matière d’approvisionnement n’est donc pas simplement « Cette vanne est-elle NACE ? » Une meilleure question est : Quelle norme de service acide s'applique, à quels composants de vannes, dans quelles limites environnementales et quelles preuves le fournisseur doit-il fournir ?

Qu'est-ce que les vannes de service acide ?

Une vanne de service acide est une vanne industrielle dont les composants métalliques contenant de la pression et autres composants spécifiés ont été sélectionnés, fabriqués et documentés pour un service dans un environnement contenant du H2S conformément aux exigences applicables du projet.

Un service dégradé peut survenir dans :

• Systèmes de production de pétrole et de gaz.
• Installations de traitement et d’adoucissement du gaz naturel.
• Pipelines de collecte et de production.
• Systèmes de traitement en tête de puits et en amont.
• Unités de raffinerie contenant du H2S humide.
• Systèmes de processus pétrochimiques ou connexes où une spécification de service acide est invoquée.

Pour la sélection de vannes pour le transport de gaz, les stations de compression, le traitement du gaz, l'isolation, le contrôle et les applications associées au gaz naturel, consultez notre Solutions de vannes pour gaz naturel.

La définition exacte de l'environnement et les restrictions applicables aux matériaux dépendent de la norme en vigueur et des conditions réelles du processus. Un fournisseur ne doit pas classer une vanne comme service acide en raison de la seule concentration de H2S sans examiner la base complète du projet.

NACE MR0175 / ISO 15156 contre NACE MR0103 / ISO 17945

L’une des erreurs les plus courantes lors de l’achat de vannes pour service acide est de considérer toutes les normes NACE pour service acide comme interchangeables.

La norme NACE MR0175/ISO 15156 ne doit pas être automatiquement spécifiée pour chaque vanne de raffinerie en aval. De même, la NACE MR0103 ne devrait pas remplacer automatiquement la MR0175/ISO 15156 pour les équipements de production en amont.

L'acheteur, l'entrepreneur EPC ou l'ingénieur en matériaux du projet doivent identifier la norme correcte en fonction de l'installation, de l'environnement du processus et des spécifications régissant le projet.

L'ISO 15156 complète également plutôt qu'elle ne remplace le code de conception des vannes, la norme de matériaux, les exigences de pression-température et d'autres règles de construction pertinentes. Une vanne a toujours besoin d'une norme de conception, d'une pression nominale, d'une spécification de matériau, de tests et d'une documentation appropriés.

Pourquoi « vanne conforme à la NACE » n'est pas une spécification complète

L'expression « conforme à la NACE » est largement utilisée dans les devis de vannes, mais elle peut être ambiguë en soi.

Cela peut laisser des questions sans réponse telles que :

• MR0175/ISO 15156 ou MR0103/ISO 17945 ?
• Quelle édition est contractuellement applicable ?
• Quels composants de valve sont inclus ?
• Seules les pièces sous pression mouillées sont-elles incluses, ou la tige, les boulons, les garnitures, les ressorts, les goupilles et d'autres composants sont-ils également concernés ?
• Quelle condition matérielle et quel traitement thermique sont requis ?
• Quelles restrictions de dureté s'appliquent à chaque matériau ?
• Les soudures de réparation sont-elles autorisées ?
• La procédure de soudage ou les contrôles de dureté des soudures sont-ils nécessaires ?
• Le test HIC est-il requis ?
• Les tests de qualification SSC sont-ils requis ?
• Quels certificats de matériaux et dossiers d'inspection sont requis ?

Une bonne spécification d’achat de services acides devrait répondre à ces questions avant le début de la fabrication.

Comment le H2S peut endommager les matériaux des vannes

Les environnements aqueux contenant du H2S peuvent contribuer à plusieurs formes de fissuration assistée par l’environnement. Le mécanisme exact dépend du matériau, des contraintes, de la microstructure, de l'environnement et des conditions métallurgiques.

Fissuration sous contrainte de sulfure (SSC)

Le SSC est une forme de fissuration associée à un matériau sensible, à une contrainte de traction et à un environnement contenant du H2S. Une dureté élevée, une résistance élevée, un traitement thermique inapproprié, un travail à froid, des effets de soudage et des contraintes résiduelles peuvent augmenter la sensibilité de certains aciers et composants.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les spécifications de service acide contrôlent souvent non seulement la qualité nominale de l'alliage, mais également la dureté et l'état métallurgique.

Fissuration induite par l'hydrogène (HIC)

La fissuration induite par l'hydrogène peut se développer lorsque l'hydrogène généré par la corrosion pénètre dans l'acier sensible et s'accumule au niveau des éléments internes tels que les inclusions ou d'autres sites de piégeage.

HIC et SSC ne sont pas le même mécanisme, et une déclaration générale selon laquelle un matériau est « conforme à la NACE » ne signifie pas automatiquement qu'un test HIC distinct, spécifique au projet, a été effectué.

Fissuration induite par l'hydrogène orientée sous contrainte (SOHIC)

SOHIC implique une fissuration liée à l’hydrogène influencée par une contrainte de traction appliquée ou résiduelle. Les régions soudées et les zones affectées par la chaleur peuvent nécessiter une attention particulière lorsque les spécifications du projet identifient un risque SOHIC.

Fissuration par corrosion sous contrainte et autres dommages liés au H2S

Pour les alliages et autres matériaux résistants à la corrosion, l’environnement acide applicable peut impliquer des considérations supplémentaires en matière de fissuration environnementale. La sélection des matériaux doit donc respecter les limites et conditions environnementales autorisées définies par la norme applicable plutôt qu'une hypothèse générique de résistance à la corrosion.

Quelles données de service les acheteurs doivent-ils fournir ?

La sélection des matériaux acides nécessite plus d’informations que la déclaration « média : gaz naturel ».

Selon le projet et la norme applicable, l'examen technique peut nécessiter des informations telles que :

• Milieu de traitement et composition.
• Présence d'eau libre ou de phase aqueuse.
• Teneur en H2S et base utilisée par le projet pour évaluer l'environnement acide.
• Pression de fonctionnement et de conception.
• Température de fonctionnement et de conception.
• pH le cas échéant.
• Concentration de chlorure lorsqu'elle est pertinente pour l'alliage sélectionné.
• CO2 et autres constituants corrosifs le cas échéant.
• Soufre élémentaire ou autres contaminants spéciaux, le cas échéant.
• Emplacement de la vanne et fonction de service.
• Conditions de perturbation ou d’arrêt pouvant créer un environnement plus sévère.

Le fournisseur ne doit pas inventer des conditions de service manquantes. Si le projet ne fournit pas suffisamment d'informations environnementales pour confirmer l'adéquation des matériaux, des éclaircissements doivent être demandés avant la sélection finale des matériaux.

Sélection des matériaux de la vanne de service acide par composant

Une vanne est un assemblage de différents composants métalliques et non métalliques. L’adéquation du service acide doit donc être examinée composant par composant.

Corps et Bonnet

L'acier au carbone, l'acier faiblement allié, l'acier inoxydable, l'acier inoxydable duplex, les alliages de nickel et d'autres matériaux peuvent être utilisés en fonction des conditions de service et des exigences du projet.

Pour les pièces sous pression en acier au carbone et en acier faiblement allié, la résistance du matériau, la dureté, le traitement thermique, le soudage, l'état de réparation et les limites de service acide applicables doivent être vérifiés ensemble.

Pour des principes plus larges de sélection des matériaux de carrosserie, voir le Guide de sélection des matériaux de vanne.

Tige, boule, portail, disque, bouchon, anneau de siège et autres garnitures

Les pièces internes des vannes peuvent subir à la fois des contraintes mécaniques et une exposition directe au processus. Un matériau de corps approprié ne garantit pas que la tige, la bille, la cale, le disque, le bouchon, la bague de siège, le ressort, la goupille ou le guide soient adaptés au même environnement acide.

Par exemple, les matériaux de tige plus résistants peuvent nécessiter un examen attentif, car la résistance, la dureté, le traitement thermique et les limites environnementales peuvent affecter la résistance à la fissuration.

La sélection des matériaux de garniture doit donc être basée sur le composant et le service réels plutôt que sur une seule description générique de « garniture NACE ». Voir le Guide de sélection des matériaux des garnitures de soupape pour un contexte de sélection de garniture plus large.

Boulonnage

Le boulonnage nécessite une attention particulière car tous les boulons ne sont pas soumis à la même exposition au processus.

Le boulonnage interne, le boulonnage en contact avec le fluide, le boulonnage externe exposé à un environnement acide fuyant et le boulonnage externe complètement isolé peuvent avoir des exigences de projet différentes.

L'acheteur doit indiquer si les exigences de service s'appliquent au boulonnage externe plutôt que de supposer que chaque fournisseur interprétera le champ d'application de la même manière.

Soudures et soudures de réparation

Le soudage peut modifier la dureté locale, les contraintes résiduelles, la microstructure et les propriétés des zones affectées par la chaleur. Les projets de services sourds peuvent donc imposer des exigences sur :

• Qualification des procédures de soudage.
• Matériau de base et matériau de remplissage.
• Traitement thermique de préchauffage et de post-soudage si nécessaire.
• Emplacements des relevés de dureté.
• Réparation de soudure.
• CND après soudage ou réparation.
• Traçabilité des zones réparées.

Le soudage de réparation ne doit pas être accepté ou interdit par hypothèse. Les spécifications matérielles applicables et les exigences du projet doivent définir ce qui est autorisé.

Rechargement et superposition

Un revêtement dur et un revêtement résistant à la corrosion peuvent améliorer les performances en matière d'usure ou de corrosion, mais le système complet nécessite encore un examen technique pour un service acide.

Le matériau de base, la dilution, l'apport de chaleur, la dureté, l'alliage déposé, l'usinage final, la procédure de soudage et la compatibilité environnementale peuvent tous être pertinents.

Sièges, joints, garnitures et joints

Les normes NACE MR0175/ISO 15156 et MR0103/ISO 17945 concernent principalement les matériaux métalliques. Les sièges, joints, joints toriques, garnitures et joints non métalliques doivent encore être sélectionnés en fonction du milieu de traitement réel, de l'exposition au H2S, de la pression, de la température, du comportement à la décompression, de la compatibilité chimique et des spécifications du projet.

Un examen des matériaux métalliques ne qualifie pas automatiquement les élastomères ou les polymères pour le service contre les gaz corrosifs.

Contrôle de la dureté : pourquoi un numéro HRC universel est dangereux

La dureté est l’une des exigences les plus visibles en matière d’approvisionnement en services aigre-doux, et c’est aussi l’une des plus souvent simplistes à l’extrême.

De nombreuses applications de service acide au carbone et en acier faiblement allié imposent des restrictions de dureté, mais la valeur exacte autorisée dépend du matériau, de la forme du produit, du traitement thermique, des conditions de soudage, du composant et de la norme en vigueur.

Par conséquent, les acheteurs doivent éviter de supposer qu’un seul indice de dureté s’applique universellement aux corps de vannes, aux chapeaux, aux pièces forgées, aux tiges, aux boulons, au métal soudé, aux zones affectées par la chaleur, à l’acier inoxydable ou aux alliages résistants à la corrosion.

Une meilleure exigence d'achat identifie la norme de service acide en vigueur et l'état du matériau applicable, puis exige une vérification de la dureté lorsque cela est spécifié par cette norme ou le projet.

Le traitement thermique et l’état des matériaux sont importants

Deux composants ayant la même qualité nominale de matériau peuvent avoir une aptitude au service acide différente si leur traitement thermique, leur dureté, leur écrouissage, leur microstructure ou leur historique de fabrication sont différents.

L'examen du projet peut devoir confirmer les conditions normalisées, normalisées et trempées, trempées et revenues, recuites en solution ou autres conditions requises ; travail à froid maximum autorisé, le cas échéant ; traitement thermique après soudage si nécessaire ; enregistrements de traitement thermique ; et dureté finale après fabrication ou soudage.

C'est pourquoi la désignation du matériau sur un MTC ne devrait pas être le seul contrôle d'acceptation en service non conforme.

Les tests HIC sont-ils requis pour chaque vanne de service acide ?

Non.

Les tests HIC ne sont pas automatiquement requis pour chaque vanne simplement parce que la norme NACE MR0175/ISO 15156 est spécifiée.

Lorsqu'un projet nécessite spécifiquement une évaluation de la résistance de l'acier au carbone ou faiblement allié à la fissuration induite par l'hydrogène, une méthode d'essai reconnue telle que NACE TM0284 peut être invoquée pour les formes de produits applicables et les conditions du projet.

L'acheteur doit définir quel matériau nécessite des tests HIC, la méthode de test et l'édition applicables, la base d'échantillonnage, les critères d'acceptation, les exigences de test spécifiques à la chaleur le cas échéant, la qualification du laboratoire et les exigences en matière de reporting.

Ne présumez pas qu'un MTC standard prouve la résistance HIC à moins que les résultats de test et d'acceptation HIC requis ne soient réellement documentés.

Tests de qualification SSC

NACE TM0177 fournit des méthodes de laboratoire standardisées utilisées pour évaluer la résistance des métaux à la fissuration sous contrainte par sulfure et à la fissuration par corrosion sous contrainte dans les environnements H2S.

Cependant, TM0177 est une norme de méthode de test. La question de savoir si des tests de qualification sont requis, quelle méthode est utilisée, quelle condition de l'échantillon s'applique et quelle base d'acceptation est requise doivent provenir de la procédure de qualification des matériaux ou des spécifications du projet applicable.

Les vannes de production de routine ne doivent pas être soumises à des tests ponctuels en laboratoire sur les gaz corrosifs simplement parce qu'une demande de prix contient les mots « NACE requise ».

Vérification des matériaux PMI, MTC et Sour-Service

L'identification positive des matériaux peut aider à vérifier l'identité de l'alliage lorsque cela est nécessaire, mais le PMI ne prouve pas la conformité totale du service acide.

PMI peut confirmer la chimie de l'alliage pour des composants sélectionnés, tandis que l'adéquation au service acide peut également dépendre de la qualité du matériau, de la forme du produit, du traitement thermique, de la dureté, du travail à froid, des conditions de soudage, des limites environnementales et des tests de qualification requis.

Pour connaître la portée et les limites du PMI, consultez le Guide de test PMI des vannes.

Quelle documentation faut-il demander ?

Le dossier de documentation requis dépend du projet, mais les commandes de vannes à service acide peuvent nécessiter une combinaison de :

• Certificats d'essai de matériaux pour les composants sous pression et spécifiés en contact avec le fluide.
• Numéro de chauffe ou traçabilité des lots.
• Liste de matériaux ou nomenclature identifiant les composants de service sourd.
• Dossiers de traitement thermique si nécessaire.
• Dossiers d'inspection de dureté.
• Rapports PMI là où cela est spécifié.
• Dossiers WPS, PQR ou de soudage si nécessaire.
• Enregistrements de dureté de soudure là où cela est spécifié.
• Rapports CND pour les pièces moulées, les pièces forgées, les soudures ou les réparations applicables.
• Rapports de tests HIC lorsque cela est requis contractuellement.
• Dossiers de qualification SSC lorsque cela est requis contractuellement.
• Rapports de tests de pression et d’étanchéité des sièges.
• Fiche technique et dessin approuvés.
• Dossiers de libération ITP et d’inspection.
• Déclaration de conformité spécifique au projet si nécessaire.

Un certificat générique indiquant « conforme à la NACE » sans traçabilité des composants, sans norme applicable, état des matériaux ou documents justificatifs peut être insuffisant pour l'approbation du document EPC.

Pour un aperçu plus large du package de documents, voir Certificats de vannes et documents de qualité.

Comment les exigences de service sourd devraient apparaître dans l'ITP

Les contrôles importants du service acide doivent être planifiés avant la fabrication plutôt que examinés uniquement lors de l'inspection finale.

L'ITP approuvé peut inclure l'examen des spécifications des matériaux et des MTC, la vérification du traitement thermique, l'inspection de la dureté, le PMI si nécessaire, l'examen des procédures de soudage et de réparation, le CND après réparation ou soudage si spécifié, l'examen des rapports de qualification HIC ou SSC si nécessaire, les tests de pression et l'examen et la publication du document final.

Si l'acheteur ou l'inspecteur tiers doit assister à une inspection spécifique, le point d'intervention doit être établi dans le Plan d'inspection et de test des vannes avant que l'activité ait lieu.

Erreurs courantes d'approvisionnement en vannes à service acide

1. Écrire uniquement « Valve NACE requise »

Cela n’identifie pas la norme correcte, la portée des composants, les restrictions matérielles ou les exigences en matière de documentation.

2. Traiter MR0175 et MR0103 comme la même norme

Ils s'adressent à différents environnements d'application principaux. Le projet doit identifier la norme correcte.

3. Appliquer une limite de dureté à chaque matériau

Les exigences de dureté dépendent du matériau, de la forme du produit, du composant, du traitement thermique et de la norme en vigueur.

4. Vérification uniquement du matériau du corps

La tige, les garnitures, les boulons, les soudures, les ressorts, les broches et autres pièces métalliques exposées peuvent également nécessiter un examen en service non conforme.

5. En supposant que l’acier inoxydable convient automatiquement

Les alliages résistants à la corrosion présentent des limites environnementales et métallurgiques. Le nom de l’alliage à lui seul n’établit pas l’adéquation au service acide.

6. En supposant que le PMI prouve la conformité à la NACE

PMI vérifie principalement la chimie des alliages. Il ne vérifie pas la dureté, le traitement thermique, la résistance à la fissuration, l'état de soudage ou la qualification environnementale complète.

7. Demander des tests HIC sans définir le matériau et la base d'acceptation

Les tests HIC doivent être liés à la forme du produit, à la méthode de test, au plan d'échantillonnage et aux critères d'acceptation du projet applicables.

8. Ignorer la portée du boulonnage externe

L'acheteur doit préciser si le boulonnage externe doit répondre aux exigences de service acide en fonction de l'exposition et de la philosophie du projet.

9. Examen des exigences de service sour uniquement chez FAT

Par FAT, l'approvisionnement en matériaux, le traitement thermique, le soudage et la fabrication des composants sont déjà terminés. Les exigences critiques doivent être confirmées avant la production.

10. Accepter un « certificat NACE » intraçable

Les preuves de conformité doivent relier les composants de vanne réellement fournis aux enregistrements de matériaux et d'inspection requis par le bon de commande.

Liste de contrôle de la demande de prix pour les vannes de service acides

Normes clés pour les projets de vannes anti-acides

L’ensemble de normes exact dépend du projet. Les références courantes incluent :

• NACE MR0175 / ISO 15156 : Sélection et qualification de matériaux métalliques pour les environnements contenant du H2S dans la production pétrolière et gazière et le traitement du gaz naturel dans le cadre défini.
• NACE MR0103 / ISO 17945 : Exigences relatives aux matériaux métalliques pour la résistance à la fissuration sous contrainte des sulfures dans les environnements de raffinage du pétrole acide et de traitement connexes applicables.
• NACETM0177 : Tests en laboratoire des métaux pour la résistance à la fissuration sous contrainte par sulfure et à la fissuration par corrosion sous contrainte dans des environnements H2S.
• NACETM0284 : Évaluation des aciers applicables pour les pipelines et les appareils sous pression en termes de résistance à la fissuration induite par l'hydrogène.
• Normes de conception et de test de vannes applicables : Les normes API, ASME, ISO ou spécifiques au projet restent nécessaires en plus des exigences en matière de matériaux de service sourd.

Étant donné que ces normes sont maintenues et que les éditions du projet peuvent différer, le bon de commande doit identifier l'édition contractuellement applicable. Ne copiez pas les limites de dureté, les limites environnementales ou les restrictions d'alliage provenant de projets non liés.

Recommandations finales pour les acheteurs industriels

L'achat de vannes antiacides est avant tout un problème de contrôle des matériaux et de l'environnement, et non un problème de sélection d'étiquettes.

Une commande techniquement défendable doit relier l'état réel de service du H2S à la norme correcte, puis définir les matériaux requis, la portée des composants, l'état métallurgique, la dureté, les contrôles de soudage, les tests, l'inspection et la documentation.

Pour les devis de vannes pour service acide, fournissez le type de vanne, la taille, la classe de pression, les données de service H2S, les conditions de fonctionnement et de conception, la norme NACE/ISO applicable, les exigences en matière de matériaux du corps et des garnitures, les exigences de dureté, les restrictions de soudage, les tests spéciaux, les points d'inspection et la portée de la documentation finale avec la demande de prix.

FAQ

Qu'est-ce qu'une vanne de service acide ?

Une vanne de service acide est une vanne dont les composants métalliques spécifiés sont sélectionnés et contrôlés pour un environnement contenant du H2S conformément à la norme de service acide applicable et aux exigences du projet. L'exigence complète peut inclure la qualité du matériau, le traitement thermique, la dureté, le soudage, les tests, la traçabilité et la documentation.

A quoi sert la NACE MR0175 / ISO 15156 ?

La norme NACE MR0175/ISO 15156 traite de la sélection et de la qualification des matériaux métalliques pour les environnements contenant du H2S dans la production pétrolière et gazière et le traitement du gaz naturel dans son domaine d'application défini. Il complète plutôt qu’il ne remplace les normes applicables en matière de conception et de construction des vannes.

Quelle est la différence entre la NACE MR0175 et la NACE MR0103 ?

La norme MR0175/ISO 15156 est principalement associée à la production pétrolière et gazière et au traitement du gaz naturel. La norme MR0103/ISO 17945 concerne le raffinage du pétrole acide et les environnements de traitement associés. Le projet devrait identifier quelle norme s’applique plutôt que de les traiter comme interchangeables.

La conformité NACE signifie-t-elle toujours 22 HRC maximum ?

Non. Il n’est pas prudent d’appliquer une valeur de dureté universelle à chaque matériau et composant de vanne. Les exigences de dureté dépendent du matériau, de la forme du produit, du traitement thermique, du composant, des conditions de soudage, de la norme applicable et des spécifications du projet.

Est-ce que chaque vanne de service acide nécessite un test HIC ?

Non. Les tests HIC ne sont requis que lorsque les spécifications du projet ou du matériau applicable l'invoquent. L'acheteur doit définir le matériau, la méthode d'essai, l'échantillonnage, les critères d'acceptation et les exigences en matière de reporting.

Le PMI prouve-t-il qu'une vanne est conforme à la NACE ?

Non. PMI peut vérifier la chimie des alliages lorsque cela est spécifié, mais l'adéquation au service acide peut également dépendre de la dureté, du traitement thermique, du travail à froid, du soudage, de l'état des matériaux, des limites environnementales et des tests de qualification.

Quels documents dois-je demander pour une vanne de service acide ?

Selon le projet, les documents peuvent inclure des MTC, une traçabilité thermique, des enregistrements de traitement thermique, des rapports de dureté, des rapports PMI, des enregistrements de soudage, des rapports CND, des rapports de qualification HIC ou SSC si nécessaire, des rapports d'essais de pression, des dessins approuvés, des enregistrements ITP et une documentation de conformité spécifique au projet.