Applications et avantages technologiques des tubes en acier inoxydable dans le secteur du raffinage pétrochimique

I. Introduction

L’industrie du raffinage pétrochimique, en tant qu’industrie centrale pour la production d’énergie et de matières premières chimiques, traite des milieux complexes tels que le pétrole brut, le pétrole lourd et divers intermédiaires chimiques. Elle est confrontée à des conditions extrêmes, notamment une teneur élevée en soufre (teneur en H₂S ≤ 15 000 ppm), une teneur élevée en chlore (teneur en Cl⁻ ≤ 5 000 ppm), des températures élevées (≤ 550 °C), des pressions élevées (≤ 15 MPa) ainsi qu’à la corrosion par les acides mixtes. Cela impose des exigences de premier plan en matière de résistance à la corrosion, de stabilité mécanique et de sécurité d’étanchéité des matériaux de tuyauterie. Les tubes en acier inoxydable – fabriqués à partir de 316L, d’acier duplex 2205, d’acier résistant à la chaleur 310S et d’acier super austénitique 904L, contenant au moins 16 % de Cr et 8 % de Ni, et auxquels sont partiellement ajoutés des éléments tels que Mo, N et Si – sont devenus des matériaux clés dans les procédés essentiels de réaction, de séparation et de transport des installations de raffinage et de chimie, grâce à leur large spectre de résistance à la corrosion, leur adaptabilité aux hautes températures et aux hautes pressions, ainsi qu’à leur fiabilité à long terme.

Alors que l’industrie du raffinage évolue vers un modèle de « transformation approfondie, à forte valeur ajoutée et respectueux de l’environnement et faiblement carboné », les tubes en acier inoxydable, grâce à la modernisation des matériaux et à l’innovation des procédés, assurent en permanence le fonctionnement sûr et efficace des installations de raffinage et de chimie. II. Caractéristiques essentielles des tubes en acier inoxydable : adaptation aux besoins de l’industrie du raffinage et de la chimie Résistance extrême à la corrosion par les milieux agressifs : la couche de passivation dense formée par l’alliage chrome-nickel résiste aux sulfures et aux chlorures présents dans le pétrole brut, aux acides mixtes tels que l’acide sulfurique et l’acide fluorhydrique utilisés au cours du processus de raffinage, ainsi qu’à la corrosion par la vapeur d’eau à haute température. La résistance à la corrosion par les milieux contenant du soufre du 316L est trois fois supérieure à celle du 304 ; l’acier duplex 2205 peut supporter une corrosion par les ions chlorure à des concentrations supérieures à 3 000 ppm ; l’acier super-inoxydable 904L est adapté aux conditions de corrosion extrêmes caractérisées par une teneur élevée en soufre et en chlorure ; et l’acier résistant à la chaleur 310S résiste à l’oxydation à haute température jusqu’à 550 °C.

Capacité de charge à haute température et à haute pression : limite d’élasticité de 205 à 550 MPa, résistance à la traction de 480 à 800 MPa. Il peut fonctionner en continu dans une plage de températures allant de –20 °C à 550 °C et sous des conditions de pression comprises entre 0,1 et 15 MPa, sans subir de déformation ni de dégradation des performances. Convient aux unités à haute température et à haute pression, telles que le craquage catalytique et l’hydrotraitement.

Fiabilité en matière d’étanchéité et de résistance à la fatigue : La paroi intérieure de la canalisation est lisse (rugosité Ra ≤ 0,4 μm), ce qui entraîne une faible résistance à l’écoulement et réduit le risque de coke formation et d’encrassement carboné. Les joints soudés font l’objet d’un traitement spécial, atteignant une résistance supérieure à 95 % de celle du matériau de base et présentant une excellente résistance à la fatigue (durée de vie en cycles ≥ 10⁶ cycles), ce qui élimine le risque de fuites au niveau des soudures sous des conditions de haute pression.

Propriétés anti-incrustation et faciles à nettoyer : la surface non poreuse n’absorbe ni les asphaltènes ni les colloïdes présents dans le fluide, ce qui réduit les dépôts et les obstructions et diminue la fréquence des opérations de nettoyage des équipements ; la paroi intérieure lisse garantit une efficacité stable de la transmission du fluide, répondant aux exigences d’exploitation continue des raffineries et des usines chimiques.

Protection de l’environnement et rentabilité durables : durée de service de 15 à 25 ans, largement supérieure à celle des tuyaux en acier au carbone (3 à 5 ans), et 100 % recyclables ; réduction de la fréquence de remplacement et de maintenance des tuyaux, diminution des pertes liées aux arrêts de production, conformité à la tendance de transformation verte et bas carbone de l’industrie du raffinage et de la chimie, ainsi que respect de la norme GB/T 14976 « Tuyaux sans soudure en acier inoxydable pour le transport de fluides ».

III. Scénarios d’application typiques dans le domaine du raffinage pétrochimique

(I) Système d’unité de réaction : le « passage sécurisé » pour les réactions du cœur

Unité d’hydrotraitement/hydrocraquage :

Tuyauterie d’alimentation de la réaction : tuyau sans soudure en acier inoxydable duplex 316L/2205 (diamètre DN25–DN200), résistant à la corrosion par le pétrole brut à haute teneur en soufre (teneur en H₂S de 8 000 à 15 000 ppm), adapté aux conditions de service de 300 à 400 °C et de 8 à 12 MPa, afin d’éviter la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les sulfures ;

Collecteur d’entrée/sortie du réacteur : tuyau en acier inoxydable duplex 2205, limite d’élasticité ≥ 450 MPa, résistant à la haute pression et à la corrosion par fragilisation hydrogène, garantissant une distribution uniforme du milieu de réaction.

Unité de craquage catalytique :

Tuyauterie des gaz de combustion du régénérateur : réalisée en tuyau d’acier inoxydable résistant à la chaleur de type 310S (diamètre DN300–DN800), résistant à l’oxydation par les gaz de combustion à haute température jusqu’à 550 °C ainsi qu’à l’abrasion des particules de catalyseur, avec un taux de maintien de la résistance à haute température d’au moins 90 % ;

Tuyauterie d’alimentation de la tour de fracturation : réalisée en tuyau en acier inoxydable 316L, résistant aux vapeurs d’huile à haute température (350–400 °C) et à la corrosion par les milieux acides, ce qui prévient le colmatage et l’encrassement des conduites.

Unité de réforme :

Réhabilitation des conduites d’alimentation du réacteur : réalisées en tuyauterie en acier inoxydable 316L/904L, elles résistent à la corrosion par le chlorure d’hydrogène (teneur en Cl⁻ de 2 000 à 5 000 ppm) ainsi qu’à la corrosion à haute température (450 à 500 °C) générée au cours du processus de reformage, garantissant ainsi l’efficacité de la réaction de reformage.

(II) Système de séparation et d’échange thermique : le « vecteur clé » d’un transfert efficace de masse et de chaleur Faisceaux de tubes d’échangeur thermique et tuyauterie côté enveloppe : Faisceaux de tubes d’échangeur à tubes et à enveloppe : utilisant des tubes en acier inoxydable sans soudure 316L/2205 (épaisseur de paroi de 1,5 à 4 mm), résistants à la corrosion causée par l’huile de transfert de chaleur, la vapeur et les milieux de refroidissement acides, avec une efficacité de transfert de chaleur accrue de 30 % par rapport à l’acier au carbone, adaptés aux applications de refroidissement du pétrole brut et de chauffage des fluides de procédé ; Canaux d’écoulement des échangeurs thermiques à plaques : sélection de tubes en acier inoxydable 316L à paroi mince (épaisseur de paroi de 0,8 à 1,2 mm), dotés d’une surface ondulée formée avec précision pour augmenter la surface de transfert de chaleur, résistants à la corrosion par les milieux acides et alcalins, adaptés aux processus de séparation des hydrocarbures légers et de récupération des solvants.

Fracturation et rectification des internes de colonne :

Descendeur et bac de réception : fabriqués en tube d’acier inoxydable 316L, résistants aux hautes températures (300 à 400 °C) et à la corrosion causée par les milieux acides et alcalins, ce qui empêche les impuretés de se détacher et de contaminer le produit ;

Tuyauterie de reflux de la colonne de rectification : elle utilise des tubes en acier inoxydable 316L, résistants à la corrosion causée par les acides organiques et les sulfures présents dans le milieu de reflux, ce qui garantit la pureté du produit distillé.

(III) Système de transport et de stockage des fluides : « Chaîne de sécurité » pour les pipelines de transport des matières raffinées contenant du soufre – pétrole brut et produits intermédiaires : pipeline principal de transport du pétrole brut : utilisation de tuyaux en acier inoxydable duplex 2205 (diamètre DN500–DN1000), résistants à la corrosion par le pétrole brut à forte teneur en soufre et aux contraintes du sol, adaptés au transport sur de longues distances, avec un taux de fuites proche de zéro ; pipelines de transport du gaz liquéfié et du propylène : sélection de tuyaux sans soudure en acier inoxydable 316L, résistants aux hautes pressions (≤10 MPa) et aux basses températures (–20 °C à 50 °C), sans risque de rupture fragile, garantissant un transport sûr des fluides inflammables et explosifs.

Tuyauterie de stockage et de distribution des matières premières chimiques :

Tuyauterie de transport de solvants (benzène, toluène, éthanol) : réalisée en tubes d’acier inoxydable 304/316L, résistants à la corrosion par les solvants organiques, sans migration de métaux lourds, garantissant la pureté des matières premières ;

Raccordements du réservoir de stockage d’acides et d’alcalis : utilisation de tuyaux en acier inoxydable super 904L, résistants à la corrosion des acides concentrés (acide sulfurique, acide nitrique) et des alcalis forts (hydroxyde de sodium), avec une étanchéité de classe IP68 pour prévenir les fuites du réservoir.

(iv) Système de protection de l’environnement : une « barrière de purification » pour les équipements de désulfuration et de dénitrification dans le raffinage vert : canalisation de pulvérisation de la tour de désulfuration : fabriquée en acier inoxydable 316L/2205, résistante à la corrosion par les solutions d’ammoniaque et de sulfate d’ammonium, adaptée aux procédés de désulfuration par voie humide, avec une durée de vie cinq fois supérieure à celle de l’acier au carbone ; canalisation de réaction de dénitrification : fabriquée en acier inoxydable résistant à la chaleur 310S, résistante à la corrosion par les fumées de combustion à haute température (350–400 °C) ainsi que par le réactif de dénitrification (solution d’urée), garantissant l’efficacité de la dénitrification. Canalisations de traitement des eaux usées huileuses : canalisations de transport des eaux usées : réalisées en acier inoxydable 304/316L, résistantes à la corrosion par les eaux usées huileuses à forte teneur en sels et à fort DCO, prévenant la pollution secondaire et convenant aux procédés de traitement biochimique et de séparation membranaire ; canalisations de transport des boues : réalisées en acier inoxydable duplex 2205, résistantes à l’abrasion due aux particules solides contenues dans les boues ainsi qu’à la corrosion par les ions chlorure, prévenant les obstructions et les fuites des canalisations.

IV. Technologies clés de traitement et adaptation

Procédés de formage et de soudage :

Formage sans soudure : Les tubes en acier inoxydable sans soudure sont fabriqués par extrusion à chaud et étirage à froid, ce qui élimine les défauts de soudure et les rend adaptés aux conditions de haute pression et de forte corrosion (comme les conduites d’alimentation des unités d’hydrogénation) ;

Formage par soudage : Les tubes en acier inoxydable soudés sont fabriqués par soudage TIG et par soudage à l’arc immergé. Les cordons de soudure sont décapés et passivés, ce qui confère aux pièces une résistance à la corrosion proche de celle du matériau de base, les rendant ainsi adaptés aux canalisations de moyenne et basse pression ;

Formage de tubes à paroi épaisse : pour les conditions de haute pression (≥10 MPa), on recourt aux procédés de forgeage et de laminage, avec une tolérance de ±5 % sur l’homogénéité de l’épaisseur de paroi, garantissant ainsi la stabilité de la tenue en pression.

Procédés de traitement anti-corrosion et de surface :

Traitement de passivation : Tous les tubes en acier inoxydable sont immergés dans une solution de passivation à l’acide nitrique et à l’acide fluorhydrique avant leur sortie d’usine, afin de former un film de passivation dense d’une épaisseur d’au moins 0,006 mm. La résistance à la corrosion selon le test de brouillard salin est d’au moins 3 000 heures.

Traitement de décapage à l’acide : les soudures des tubes soudés sont décapées à l’acide afin d’éliminer la calamine, de restaurer l’intégrité du film de passivation et d’améliorer la résistance à la corrosion.

Polissage de la surface intérieure : pour les applications sujettes à la formation de coke (telles que les conduites de craquage catalytique), on recourt au polissage électrolytique, qui permet d’obtenir une rugosité de la paroi intérieure Ra ≤ 0,2 μm, réduisant ainsi la formation de coke et l’accumulation de carbone.

Processus de test et de contrôle qualité :

Essais des matériaux : L’analyse spectroscopique vérifie la teneur en éléments Cr, Ni, Mo, N et Si afin de garantir la conformité du matériau et d’éviter les risques liés à une résistance à la corrosion et à la chaleur insuffisantes ;

Essai de pression : essai hydrostatique (pression d’essai égale à 1,5 fois la pression de service), maintien de la pression pendant 30 minutes sans fuite ; essai pneumatique (pression d’essai égale à 1,15 fois la pression de service), adapté aux canalisations transportant des fluides inflammables et explosifs ;

Essais non destructifs : les essais par ultrasons, l’inspection par rayons X et les essais par liquides pénétrants (PT) garantissent que les soudures sont exemptes de défauts tels que la porosité et les fissures ; les essais de corrosion (essais par courants de Foucault) vérifient l’homogénéité de l’épaisseur de la paroi des tubes ;

Essai de performance à haute température : pour les tubes en acier inoxydable résistant à la chaleur, un essai de traction à 550 °C est effectué afin de garantir que la résistance à haute température respecte les normes.

V. Cas d’application et tendances de développement Cas typiques Unité d’hydrocraquage d’une grande entreprise de raffinage et de chimie : des tubes sans soudure en acier inoxydable duplex 2205 sont utilisés comme canalisation d’alimentation de la réaction. Le diamètre du tuyau est de DN150, l’épaisseur de paroi de 8 mm, adaptés aux conditions de service de 400 °C et 12 MPa, résistants à la corrosion par H₂S à 12 000 ppm, et ont fonctionné pendant 6 ans sans fuite ni rouille. Les coûts de maintenance sont réduits de 80 % par rapport aux tuyaux en acier au carbone. Unité de désulfuration d’une entreprise pétrochimique : la canalisation de pulvérisation utilise des tuyaux en acier inoxydable 316L, d’une longueur totale de 5 km. Elle résiste à la corrosion par l’ammoniac et les solutions de sulfate d’ammonium, et sa résistance à la corrosion par brouillard salin atteint 4 000 heures. L’équipement fonctionne depuis 5 ans sans obstructions ni perforations par corrosion. Canalisation de reflux de la tour de distillation d’une entreprise de chimie fine : on utilise de l’acier inoxydable 904L. Ces tuyaux en super acier inoxydable résistent au chlorure d’hydrogène et à la corrosion à haute température (450 °C). Après 3 ans de service, aucune incrustation ne se forme sur la paroi intérieure, et la pureté des produits distillés reste supérieure à 99,9 %. Tendances futures Amélioration de la résistance à la corrosion et à la chaleur : mise au point d’aciers super duplex (comme le 2507) et de tuyaux en acier inoxydable à base d’alliages au nickel (comme l’Inconel 625) présentant une teneur plus élevée en Mo, Cu et N, adaptés aux conditions extrêmes de raffinage caractérisées par une forte teneur en soufre et des températures ultra‑élevées (supérieures à 600 °C), ce qui prolonge les cycles de maintenance des équipements ; Haute résistance et allègement : promotion de tuyaux en acier inoxydable à haute résistance, de 500 MPa et plus, permettant de réduire l’épaisseur de paroi de 15 à 20 %, ce qui diminue la consommation de matériau ainsi que les coûts de transport et d’installation, tout en améliorant la résistance des tuyaux aux vibrations et aux déformations ; Intégration fonctionnelle : développement de tuyaux composites « résistance à la corrosion + résistance à l’usure + isolation thermique ». Les tuyaux en acier inoxydable à revêtement composite, dont la surface est recouverte d’un revêtement céramique obtenu par technologie de projection plasma, sont adaptés au transport de milieux contenant des particules solides (comme les catalyseurs et les boues), réduisant ainsi l’usure. Intégration de la surveillance intelligente : des capteurs de corrosion, de température et de pression sont intégrés dans la paroi intérieure des tuyaux en acier inoxydable ; combinés à la technologie de l’Internet des objets, ils permettent une surveillance en temps réel du niveau de corrosion des canalisations et des paramètres du milieu, améliorant ainsi le niveau de gestion de la sécurité des installations de raffinage et de chimie. Fabrication écologique et recyclage : les tuyaux en acier inoxydable sont produits selon une technologie de fusion à procédé court, réduisant les émissions de carbone et mettant en place un système de recyclage et de réutilisation des tuyaux en acier inoxydable usagés (avec un taux de recyclage supérieur à 99 %), en adéquation avec les objectifs « double carbone » de l’industrie du raffinage et de la chimie. VI. Conclusion Grâce à leurs avantages fondamentaux – « résistance extrême à la corrosion, adaptabilité aux hautes températures et aux hautes pressions, étanchéité fiable et durabilité à long terme » –, les tuyaux en acier inoxydable ont mis en place un système d’application complet dans le raffinage pétrochimique, couvrant les phases de réaction, de séparation et de transport jusqu’au traitement environnemental, et sont devenus un support matériel essentiel pour assurer le fonctionnement continu, sûr et efficace des installations de raffinage et de chimie. À mesure que l’industrie du raffinage et de la chimie se transforme vers le traitement en profondeur, la création de valeur ajoutée élevée et des pratiques vertes et bas carbone, et avec la mise en service continue d’unités opérant dans des conditions extrêmes, les tuyaux en acier inoxydable hautement résistants à la corrosion, aux hautes températures, à haute résistance et intelligents continueront de repousser les limites d’application, apportant un soutien crucial au développement innovant d’unités clés telles que l’hydrocraquage, le reformage catalytique ainsi que la désulfuration et la dénitrification, et aidant l’industrie du raffinage et de la chimie à évoluer vers une voie plus sûre, plus efficace et plus respectueuse de l’environnement.