Comment les tubes duplex en acier inoxydable fabriqués de manière additive permettent-ils d'obtenir des profils d'épaisseur de paroi optimisés ?

Selon le point de contrainte le plus défavorable, un tube d'échangeur de chaleur est généralement étiré avec la même épaisseur de paroi d'un bout à l'autre. Cette limitation est éliminée par la fabrication additive, qui permet l'impression d'un tube en acier inoxydable duplex avec une paroi plus épaisse près de la plaque tubulaire, où les contraintes sont concentrées, et une paroi fine-comme un rasoir au centre, où seul le confinement de la pression est important, éliminant jusqu'au dernier morceau de performance thermique. La conception de petits échangeurs de chaleur à haut rendement-pour les plates-formes offshore, les usines chimiques et les applications aérospatiales évolue en raison de la possibilité d'ajuster l'épaisseur de paroi sur toute la longueur du tube.

La limitation traditionnelle : une épaisseur de paroi constante partout
Les tubes duplex traditionnels en acier inoxydable (tels que 2205 et 2507) sont fabriqués par laminage, étirage ou extrusion. Ces procédures aboutissent à des tubes dont les parois ont partout la même épaisseur. L'emplacement de la contrainte maximale-généralement aux extrémités du tube, là où le tube est roulé ou soudé dans la plaque tubulaire, ou là où les contraintes de flexion sont les plus fortes-est utilisé pour déterminer l'épaisseur de la paroi. La section centrale du tube est donc sur-conçue pour un confinement pur sous pression. Le poids, le coût et la résistance thermique sont tous augmentés par l’excès de métal. Un tube uniformément épais réduit l'efficacité car la transmission de chaleur à travers la paroi d'un tube est inversement proportionnelle à l'épaisseur (pour un matériau et des conditions de fluide donnés).

Profils à épaisseur de paroi variable : la solution de fabrication additive
La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est utilisée dans la fabrication additive pour créer des conceptions optimales pour les tubes duplex en acier inoxydable. Couche par couche, une fine poudre d'acier inoxydable duplex (comme UNS S31803 ou S32750) est fondue sélectivement par un laser haute-puissance. La procédure est basée sur un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnel-dimensionnel{{6}qui spécifie le diamètre intérieur, le diamètre extérieur et les variations d'axe du tube. L'épaisseur de la paroi peut être modifiée en permanence, contrairement aux techniques traditionnelles.

Les techniques d'optimisation courantes consistent à :

Extrémités plus épaisses : davantage de couches de métal sont appliquées sur les premiers 50 à 100 mm du tube près de chaque extrémité, là où il entre en contact avec la plaque tubulaire, augmentant ainsi l'épaisseur de la paroi. Les contraintes locales élevées dues au roulement, à la dilatation, aux vibrations et aux moments de flexion sont gérées par cette zone renforcée.

Section médiane plus fine : l'épaisseur minimale nécessaire pour se conformer au code de conception sous pression (tel que ASME Section VIII, Division 1 ou 2) est imprimée dans la zone médiane, qui subit uniquement la contrainte du cerceau due à la pression interne. Comparé à un tube étiré traditionnel du même matériau et du même niveau de pression, ce milieu est parfois 30 à 50 % plus fin.

Transition progressive : pour éviter une concentration rapide des contraintes, le changement d'épaisseur de paroi est progressif sur une courte distance (par exemple 20 à 30 mm).

Le produit final est un composant fonctionnellement classé, avec du métal soigneusement positionné là où il améliore l'intégrité mécanique et éliminé là où il ne fait qu'ajouter du poids et de la résistance à la chaleur.

Transmission thermique améliorée et masse diminuée
L'approche des murs variables - présente deux avantages mesurables :

Coefficient de transfert de chaleur total (U) amélioré : une paroi de tube plus fine réduit la résistance conductrice dans les mêmes conditions de fluide interne et externe. L'acier inoxydable duplex a une conductivité thermique d'environ 15 à 17 W/m·K. La résistance thermique conductrice est réduite d'environ 40 % lorsque l'épaisseur de la paroi est réduite de 2,0 mm à 1,2 mm (une réduction de 40 %), ce qui augmente la valeur globale U- d'une marge notable (généralement 10 à 15 %, en fonction des coefficients du film).

Réduction de poids : le centre à paroi fine-d'un long tube (par exemple, 6 m) constitue la majorité de sa longueur. Un tube comparable étiré de manière conventionnelle avec une épaisseur homogène et fabriqué pour les mêmes charges d'extrémité peut peser globalement 25 à 40 % de plus qu'un tube construit de manière additive. Pour les plates-formes offshore et les applications aérospatiales où chaque kilogramme compte, les économies de poids cumulées dans un ensemble d'échangeurs de chaleur comportant des centaines de tubes sont significatives.

Avantages métallurgiques de la fabrication additive pour le duplex
La microstructure produite par LPBF en acier inoxydable duplex diffère considérablement de celle du matériau corroyé. Une combinaison très fine et uniforme d'austénite et de ferrite, souvent avec des tailles de grains de l'ordre du micromètre ou du submicromètre, est produite par la solidification extraordinairement rapide (vitesses de refroidissement jusqu'à 10 degrés/s). Cette structure exquise peut offrir :

une plus grande limite d'élasticité (généralement 20 à 30 % plus élevée que les équivalents corroyés à l'état tel-imprimé).

forte résistance aux chocs avec un traitement thermique approprié.

ségrégation minimale des éléments d'alliage, ce qui réduit la possibilité de développement de phase intermétallique pendant l'impression.

Cependant, la plupart des composants duplex construits de manière additive nécessitent une solution de recuit et de trempe après-processus pour obtenir le meilleur équilibre de phase et la meilleure résistance à la corrosion. Le cycle normal de traitement thermique est le suivant :

Chauffer à 1 050-1 100 degrés, selon le grade.

Tenir pendant une brève période (par exemple, 30 minutes pour chaque 25 mm d'épaisseur de section).

Pour éviter la précipitation de la phase sigma et d'autres intermétalliques, trempez rapidement avec de l'eau ou du gaz.

L'acier inoxydable duplex produit de manière additive correspond ou dépasse la résistance aux piqûres (PREN > 40 pour le super duplex) de son homologue corroyé après un traitement thermique approprié.

L'effet de la finition de surface sur les performances
Il y a deux effets contradictoires de cette rugosité :