Les composants en carbure de tungstène utilisés dans les équipements chimiques et pétrochimiques peuvent être exposés à des particules abrasives, à des milieux corrosifs, à des variations de température et à des sollicitations mécaniques répétées. Le choix d’une nuance adaptée exige de considérer ces conditions dans leur ensemble.
La dureté seule ne suffit pas. La taille des grains de WC, la composition et la teneur du liant, la qualité de fabrication et la conception du composant doivent favoriser à la fois la résistance à l’usure et la fiabilité en service dans le milieu prévu.
1. Commencer par la composition chimique du milieu
Le carbure de tungstène cémenté est constitué de grains durs de carbure de tungstène (WC) liés par un liant métallique, généralement à base de cobalt, de nickel ou d’un alliage. L’exposition chimique peut affecter le liant, la phase carbure ou les deux.
Dans certains milieux aqueux, la corrosion préférentielle du liant fragilise la surface et facilite le détachement des grains de carbure sous l’effet de l’usure. Les milieux fortement alcalins peuvent également attaquer la phase WC. Ces mécanismes dépendent du milieu chimique précis : le pH seul ne permet pas d’établir la compatibilité, et les indications fondées sur le pH en milieu aqueux ne doivent pas être appliquées directement aux fluides de procédé non aqueux.
Avant de choisir une nuance, documentez :
- La composition du fluide, les concentrations et la teneur en eau
- Les températures et les pressions de fonctionnement normales et maximales
- Le pH, lorsqu’il est pertinent pour le fluide de procédé
- Les chlorures, les gaz dissous, les constituants oxydants et les autres substances potentiellement réactives
- Les produits de nettoyage, leurs concentrations, les températures et les durées d’exposition
- Les changements pendant le démarrage, l’arrêt, le rinçage ou les perturbations du procédé
Une nuance adaptée au fonctionnement normal peut nécessiter une évaluation complémentaire si le nettoyage ou les conditions perturbées entraînent des expositions chimiques différentes.
2. Comparer les nuances dans leur ensemble, au-delà du nom du liant
Les nuances WC-Co offrent un équilibre utile entre dureté, résistance à l’usure et ténacité. Lorsque la corrosion est un enjeu, les liants à base de nickel ou d’autres liants alliés résistants à la corrosion peuvent être plus performants que les liants conventionnels à base de cobalt seul. Leur adéquation dépend toutefois du milieu de procédé et de la formulation complète de la nuance.
Un carbure à liant nickel doit donc être considéré comme un candidat à évaluer, plutôt que comme une solution systématique. Tout changement de système liant exige également de revoir les propriétés mécaniques et thermiques de la nuance.
Comparez les nuances candidates à partir des éléments suivants :
- La composition chimique et la teneur du liant
- La taille des grains de WC et l’homogénéité de la microstructure
- Les données de dureté, de ténacité à la rupture et de résistance mécanique, avec les méthodes d’essai correspondantes
- Les résultats pertinents en matière de corrosion et d’usure
- Le retour d’expérience dans des conditions de service comparables
Les désignations de fournisseurs telles que YG et YN ne suffisent pas, à elles seules, à établir la compatibilité chimique ou l’équivalence entre fournisseurs. Comparez les propriétés et les compositions documentées plutôt que les seuls noms des nuances.
3. Équilibrer la taille des grains et la teneur en liant
Pour des nuances à base de WC par ailleurs comparables, des grains de WC plus fins et une teneur en liant plus faible augmentent généralement la dureté et la résistance à certaines formes d’abrasion. Une teneur en liant plus élevée et des grains plus grossiers améliorent souvent la ténacité à la rupture, mais peuvent réduire la dureté. Il s’agit de tendances générales, et non d’un classement universel applicable à tous les systèmes liants et procédés de fabrication.
Le meilleur équilibre dépend du mécanisme de dégradation. L’abrasion par des particules fines, les impacts de particules à grande vitesse, le contact glissant et les chocs mécaniques intermittents ne favorisent pas nécessairement la même nuance.
Réduire la teneur en liant ne remplace pas le choix d’un liant chimiquement compatible. De même, une nuance plus tenace ne compense pas une corrosion sévère du liant. Comparez les valeurs de dureté mesurées sur la même échelle et dans des conditions d’essai comparables. La résistance à la rupture transversale et la ténacité à la rupture décrivent des propriétés différentes et ne doivent pas être considérées comme interchangeables.
4. Évaluer conjointement la corrosion et l’usure par les particules
Les fines de catalyseur, le sable, les particules de coke et d’autres solides peuvent provoquer de l’érosion ou de l’abrasion en présence d’une exposition chimique. La corrosion peut dégrader le liant qui maintient les grains de carbure, tandis que l’usure mécanique peut exposer du matériau neuf au fluide de procédé. La résistance à la corrosion en conditions statiques ne permet donc pas, à elle seule, d’établir la résistance à l’érosion-corrosion combinée.
Pour les applications contenant des solides, relevez la composition, la dureté, la distribution granulométrique, la forme et la concentration des particules, ainsi que la vitesse locale d’écoulement et les angles et zones d’impact probables. Déterminez si les dommages se produisent dans une suspension en écoulement, à une interface de glissement ou au niveau d’une restriction locale de l’écoulement.
Lorsque les mécanismes d’usure combinés sont importants, appuyez le choix de la nuance sur des essais représentatifs ou sur un retour d’expérience documenté dans des conditions comparables. Un résultat obtenu avec une composition de suspension ou un régime d’écoulement donné ne doit pas être supposé applicable à un autre.
Si des pompes, des vannes ou des zones de restriction présentent des piqûres localisées, recherchez une éventuelle cavitation, en plus de l’érosion par les particules et de la corrosion. La cavitation implique la formation et l’implosion de bulles et peut nécessiter une modification des conditions de fonctionnement ou de la conception de l’écoulement, en complément du choix du matériau.
5. Tenir compte de la température et des cycles thermiques
Examinez les températures normales de fonctionnement, les écarts maximaux, ainsi que la rapidité et la fréquence des variations de température pendant le nettoyage, le démarrage, l’arrêt et les perturbations du procédé.
La température peut modifier le comportement à la corrosion et les propriétés du matériau. Des variations rapides de température peuvent également créer des contraintes thermiques, tandis que les différences de dilatation thermique entre le carbure et les matériaux environnants peuvent modifier les contraintes d’assemblage et les ajustements. La dureté à température ambiante ne doit pas être interprétée comme une indication de la température admissible en service.
Pour des conditions thermiques exigeantes, obtenez des données propres à la nuance et examinez l’ensemble du montage, notamment le support, l’ajustement, les matériaux en contact et, lorsque cela est pertinent, les conditions de fonctionnement à sec ou de perte de refroidissement.
6. Adapter la nuance aux sollicitations mécaniques et à la fonction du composant
Les sièges de vanne, les bagues d’étanchéité, les chemises, les douilles et les inserts de buse sont soumis à des sollicitations différentes. Le choix de la nuance doit refléter la fonction réelle du composant, sa géométrie et son support.
Évaluez :
- Les charges de contact, d’étanchéité et celles dues aux différences de pression
- Les chocs, les vibrations et les sollicitations répétées
- L’alignement, les jeux et le support du composant
- La géométrie des arêtes, l’épaisseur des parois et les concentrations locales de contraintes
- Les matériaux en contact, la lubrification et le refroidissement, selon l’application
- Les procédures de montage et de démontage
La dureté et la ténacité doivent être considérées ensemble. Choisir une nuance plus dure sans examiner les charges et la géométrie peut accroître le risque d’écaillage ou de rupture.
Pour les bagues d’étanchéité et les autres composants de contact de précision, l’état de surface, la planéité lorsqu’elle est spécifiée et le matériau de la pièce en contact font également partie de l’évaluation. Des dommages de manutention, un support irrégulier ou des efforts de montage inappropriés peuvent compromettre un composant pourtant adapté.
7. Utiliser des données pertinentes pour l’application
Le choix du matériau doit s’appuyer sur les données du fournisseur, l’historique de service documenté, l’examen des pièces retournées et des essais représentatifs. Examinez la qualité de fabrication en plus de la composition nominale, notamment la porosité, les défauts microstructuraux et l’état des surfaces fonctionnelles finies.
Pour les milieux chimiques peu connus ou exigeants, des essais d’exposition peuvent aider à comparer les nuances candidates. En présence de solides, des essais combinés d’érosion-corrosion ou d’abrasion-corrosion peuvent également être nécessaires.
Les conditions d’essai doivent refléter les caractéristiques importantes de l’application, notamment la composition chimique, la température, la durée d’exposition, les solides et le mouvement du fluide. Selon le cas, évaluez les dommages de surface et les variations dimensionnelles en plus de la perte de masse. Les mesures électrochimiques peuvent contribuer à l’évaluation, mais ne doivent pas servir seules à prévoir la durée de vie du composant.
Les résultats de laboratoire permettent de comparer les candidats dans des conditions définies ; ils ne garantissent pas directement leur durée de vie en service. Lorsque cela est possible, réalisez un essai en service contrôlé, avec des critères d’inspection convenus, avant une utilisation plus large.
Lorsque la pureté du produit est importante, intégrez à l’évaluation les limites de relargage de métaux ou de contamination par des particules d’usure.
Informations à fournir pour une demande de sélection de nuance
Fournissez les éléments suivants, dans la mesure où ils sont disponibles :
- Le type d’équipement et la fonction du composant
- La composition du fluide de procédé, y compris les expositions pendant le nettoyage et les perturbations du procédé
- Les températures, les pressions, les conditions d’écoulement et le cycle de fonctionnement
- La teneur en solides et les caractéristiques des particules
- Le matériau ou la nuance de carbure actuellement utilisé
- L’usure, la corrosion, les piqûres, l’écaillage ou les fissures observés, avec leur localisation
- L’historique de service, les intervalles de maintenance et la raison du remplacement
- Les plans, les tolérances, les exigences d’état de surface et les photographies
- Les détails des pièces en contact, du support, de l’ajustement et de l’installation
- La quantité estimée et les éventuelles exigences de pureté du procédé
Pour les pièces de remplacement, distinguez les dimensions du plan d’origine des mesures relevées sur les surfaces usées. Des photographies du composant endommagé et de sa position dans l’équipement peuvent aider à comprendre les conditions de service.
L’accompagnement technique d’EnduraCarbide
EnduraCarbide Solutions fabrique des composants sur mesure en carbure de tungstène à partir de plans ou d’échantillons. Nous aidons à examiner les nuances de carbure et les systèmes liants candidats en fonction de la composition chimique du milieu, de la teneur en particules abrasives, de la température et des charges mécaniques, avec des dimensions, des tolérances et des états de surface adaptés à l’application.
Pour les expositions chimiques peu connues, le choix de la nuance peut nécessiter des données de compatibilité complémentaires ou des essais propres à l’application.
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