Monel® et 316L – Des matériaux intéressants pour la cryogénie

De nombreux matériaux sont fragiles à basse température, mais deux sont robustes, même s’ils sont généralement utilisés dans des environnements chauds comme les centrales électriques.

Des températures particulièrement basses, parfois bien inférieures à -150°C, sont nécessaires pour les matériaux supraconducteurs dans de nombreux domaines de la médecine, de l’industrie, de la recherche et des sciences. Voici quelques exemples intéressants :

– Accélérateurs de particules, réacteurs de fusion nucléaire et imagerie par résonance magnétique : des températures extrêmement basses sont nécessaires pour faire fonctionner des aimants supraconducteurs. De même :

– Ordinateurs quantiques : l’approche la plus connue utilise de minuscules circuits constitués de matériaux supraconducteurs qui peuvent transporter le courant électrique sans résistance lorsqu’ils sont refroidis à des températures extrêmement basses.

– Stockage de matériel biologique : les cryotanks sont utilisés pour stocker des ovules, du sperme, des échantillons de tissus et même de petits organes ou des embryons. Les environnements froids sont également essentiels pour la spectroscopie à haute résolution.

Par ailleurs, les gaz sont liquéfiés à très basse température pour refroidir les machines et les environnements dans les expériences scientifiques. Le GNL et les carburants pour fusées tels que l’hydrogène et l’oxygène sont également refroidis. Les applications sont diverses, il pourrait donc être intéressant de se pencher sur les matériaux utilisés dans de tels environnements et applications. De nombreux matériaux sont fragilisants à très basse température, mais deux semblent suffisamment robustes, même s’ils sont utilisés pratiquement en sens inverse : dans des environnements très chauds comme les centrales thermiques (nucléaires, au charbon ou au gaz) et dans les moteurs de fusées : le Monel® et l’acier inoxydable 316L.

La cryogénie exige des matériaux capables de résister à des températures extrêmement basses sans perdre leur intégrité structurelle. Parmi les différents matériaux utilisés en cryogénie, l’acier 316L et le Monel® se distinguent par leurs propriétés exceptionnelles. Cet article examine les propriétés, les avantages et les applications de l’acier 316L et du Monel® en cryogénie.

Acier inoxydable 316L

Le 316L est une variante à faible teneur en carbone de l’alliage d’acier inoxydable 316, qui se compose principalement de fer, de chrome, de nickel et de molybdène. Le « L » dans 316L signifie « low carbon », ce qui améliore sa résistance à la corrosion et sa soudabilité.

– Résistance à la corrosion : L’ajout de molybdène augmente la résistance à la corrosion par piqûres et caverneuses, ce qui le rend très adapté aux environnements exposés aux chlorures et autres substances corrosives.

– Résistance cryogénique : l’acier 316L conserve sa résistance même à des températures aussi basses que -269°C (4K !), proches du zéro absolu. Il ne devient pas cassant, ce qui est crucial pour les applications cryogéniques.

– Propriétés mécaniques : Il présente une bonne résistance à la traction, une limite d’élasticité et une ductilité, ce qui lui permet de résister aux contraintes physiques rencontrées dans les applications cryogéniques.

L’acier 316L est largement utilisé dans la construction de cuves cryogéniques, de pipelines et de réservoirs de stockage, en particulier lorsqu’une exposition à des environnements corrosifs est prévue. Il est également utilisé dans les pièces forgées pour les vannes cryogéniques (hydrogène, hélium), les échangeurs de chaleur et d’autres composants qui doivent supporter des cycles thermiques répétés. La forgeabilité et la soudabilité du matériau améliorent encore son adéquation aux formes et structures complexes des systèmes cryogéniques.

Superalliage Monel®

Il s’agit d’un groupe d’alliages nickel-cuivre, le Monel®400 et le Monel®K-500 étant les plus utilisés dans les applications cryogéniques. Il doit son nom à Ambrose Monell, ancien président du producteur de nickel VALE. Il s’agit aujourd’hui d’une marque déposée de Special Metals Corporation, USA. Ces alliages contiennent environ 63 % de nickel, 28 à 34 % de cuivre et de petites quantités de fer, de manganèse, de carbone et de silicium.

– Résistance à la corrosion : Monel® est très résistant à la corrosion dans une large gamme d’environnements, notamment l’eau de mer, les acides et les alcalis. Cela le rend particulièrement utile dans les applications cryogéniques impliquant des substances corrosives.

– Résistance cryogénique : Similaires à l’acier 316L, les alliages Monel® conservent leurs propriétés mécaniques à des températures cryogéniques, notamment une résistance et une ténacité élevées. Ils sont également résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte.

– Propriétés mécaniques : Monel® possède d’excellentes propriétés mécaniques, avec une résistance à la traction et une limite d’élasticité élevées à pratiquement toutes les températures.

La résistance supérieure à la corrosion en fait un excellent choix pour les applications impliquant non seulement de basses températures, mais également une exposition à des environnements hautement corrosifs, tels que ceux que l’on trouve dans les usines de traitement chimique et les applications marines. Le Monel® est souvent utilisé dans la production de pompes cryogéniques, de vannes et de raccords forgés, où la résistance et la résistance à la corrosion sont primordiales. Le choix entre l’acier 316L et le Monel® en cryogénie se résume souvent à des exigences d’application spécifiques, telles que la résistance à la corrosion, la résistance mécanique et le coût.

– Résistance à la corrosion : Bien que les deux matériaux offrent une excellente résistance à la corrosion, le Monel a l’avantage dans les environnements hautement corrosifs, en particulier ceux impliquant des produits chimiques agressifs ou de l’eau de mer.

– Propriétés mécaniques : Les deux matériaux conservent leur intégrité mécanique à des températures cryogéniques, mais le Monel®K-500 offre une résistance à la traction supérieure à celle du 316L, ce qui le rend préférable pour les applications exigeant une résistance structurelle plus élevée.

– Coût : Le Monel est généralement plus cher que l’acier 316L en raison de sa teneur en nickel plus élevée et de sa résistance supérieure à la corrosion. Ce facteur de coût influence souvent le choix du matériau, en particulier dans les applications à grande échelle où les contraintes budgétaires sont importantes.

Conclusion

L’acier 316L et les alliages Monel® sont tous deux des matériaux essentiels dans le domaine de la cryogénie, chacun offrant des avantages uniques. Le 316L est souvent choisi pour son équilibre entre résistance à la corrosion, ténacité et rentabilité, ce qui le rend adapté à une large gamme d’applications cryogéniques. D’autre part, les alliages Monel® sont privilégiés dans les environnements où une résistance extrême à la corrosion et une résistance plus élevée sont requises, malgré leur coût plus élevé.

L’auteur, Thomas Henneke, est PDG d’une petite forge hautement certifiée en Allemagne de l’Ouest et écrit régulièrement des articles scientifiques populaires sur l’acier et ses diverses applications.

KB Schmiedetechnik GmbH est une forge ouest-allemande hautement certifiée, située à Hagen (Westphalie) – entre la région historique des « lames et du métal » de Solingen et la « ville du football » de Dortmund – spécialisée dans la production en petites séries de pièces forgées en matrice fermée importantes pour la sécurité, de 200 g à 130 kg de poids unitaire de toutes les nuances d’acier forgeables, y compris les aciers inoxydables duplex, à base de nickel, de titane et de superalliages selon les normes et certifications suivantes :

– Equipements sous pression : DESP 2014/68/UE, AD 2000-W0, ASME

– Construction de chaudières/tuyauterie : Alstom, Babcock, CNIM, MHPS

– Technologie nucléaire : KTA (Allemagne), EDF/RCC-M (France)

– Construction navale/Ingénierie océanique : ABS, BV, ClassNK, DNV, LR

Pièces forgées en matrice fermée – Fabriquées en Allemagne en acier de qualité européenne !

Les exemples sont les pièces sous pression pour les équipements sous pression : pièces de vannes forgées comme les corps de vannes et les culasses/bonnets, les raccords de tubes, les bouchons de collecteurs de chaudières, les raccords forgés, les brides, les collecteurs, les pièces en L, les pièces en Y, les bifurcations, les culasses/tuyaux forgés et les composants mécaniques de sécurité forgés comme les pièces de chaîne, les rouleaux, les roulements, les pièces de connexion, les attaches, les crochets, les douilles, les anneaux de levage, les élingues, les palans, les écrous de vis spéciaux, les composants hydrauliques, les ébauches de pignons et d’engrenages, etc.

Contact
KB Schmiedetechnik GmbH – une forge allemande
Thomas Henneke
Rue Buschmühlen 62
58093 Hagen (NRW)
+492331350855