Le tuyau en acier composite revêtu de céramique, également appelé tuyau composite résistant à l'usure revêtu de corindon et tuyau en acier composite céramique ou encore tuyau résistant à l'usure en céramique, est fabriqué selon un procédé de synthèse centrifuge à haute température auto-propagée. Il se compose d'une couche interne en céramique de corindon (α-Al₂O₃), d'une couche de transition, et d'un tuyau extérieur en acier. Ce produit est principalement utilisé dans les systèmes de transport de matériaux en vrac des secteurs de l'énergie, de la métallurgie, des mines et du charbon, pour transporter des matériaux très abrasifs tels que le sable, la poussière de charbon et les cendres, ainsi que des milieux corrosifs.

La couche céramique interne possède une dureté Mohs de 9,0 et offre une résistance à l'usure supérieure à 20 fois celle des tuyaux en acier au carbone. Elle résiste à la corrosion par les acides et les alcalis ainsi qu'à la formation de tartre, et peut fonctionner de manière stable dans des températures allant de -50°C à 700°C. La paroi intérieure lisse du tuyau et son faible coefficient de dilatation thermique réduisent la résistance à l'écoulement et offrent une résistance supérieure aux chocs thermiques par rapport aux céramiques ordinaires. Le tuyau en acier extérieur est fabriqué selon une structure spéciale de contrainte, soit par calcination thermite-centrifuge, soit par calcination monolithique, assurant ainsi une liaison solide entre la céramique et le métal et offrant une forte résistance aux chocs mécaniques. Ce tuyau supporte diverses méthodes de raccordement, notamment le soudage et les brides, et présente un coût global inférieur à celui des matériaux traditionnels résistants à l'usure. Il est largement utilisé dans des applications telles que le transport à longue distance du charbon et le remblayage des mines.

Domaines d'application

En raison de sa résistance à l'usure, à la corrosion et à la chaleur, ce tuyau est largement utilisé dans les secteurs de l'énergie, de la métallurgie, des mines, du charbon et de l'industrie chimique pour transporter des matériaux granulaires abrasifs et des milieux corrosifs, tels que le sable, la pierre, le charbon pulvérisé, les cendres et l'aluminium fondu. C'est un tuyau résistant à l'usure par excellence.

1. Applications dans les secteurs de la métallurgie et de l'énergie
L'industrie de la métallurgie et de l'énergie consomme annuellement une grande quantité de tuyaux métalliques pour transporter du charbon pulvérisé, des cendres, des boues, des boues de gypse calcaire ainsi que d'autres liquides. L'utilisation de tuyaux en composite céramique plutôt que d'autres types de conduites offre une haute résistance à l'usure, une longue durée de vie, une installation facile, ainsi que des avantages économiques significatifs. Après exploitation industrielle dans la centrale thermique Liaocheng Changrun, la centrale électrique Liaocheng Zhonghua, le groupe Beijing Beixin Building Materials, la centrale électrique Henan Hebi, la centrale électrique Gansu Pingliang, l'usine de préparation du charbon de Taiyuan, la centrale électrique Hunan Shimen, la société Hebei Jinniu Energy Co., Ltd. – usine de préparation du charbon Gequan, l'usine de préparation du charbon Xingtai, etc., leur durée de service est supérieure à dix fois, voire même plusieurs dizaines de fois, celle des tuyaux en acier.

2. Application dans l'industrie minière et charbonnière

(1) Exploitation minière : Le remplissage des mines, ainsi que le transport du concentré en poudre et des résidus, provoquent une usure importante des canalisations. La durée de vie des pipelines utilisés pour le transport de la poudre de minerai, comme ceux des mines de Panzhihua et de Daye par le passé, est inférieure à un an. Le remplacement par ce tuyau peut augmenter la durée de service d'environ 5 fois.

(2) Charbon : La préparation du charbon et le transport par pipeline à longue distance du charbon utilisent généralement un transport humide, ce qui exige que le tuyau de transport soit à la fois résistant à l'usure et résistant à la corrosion. L'utilisation de ce tuyau permet d'obtenir un conduit de transport à longue durée de vie offrant des avantages économiques considérables.

3. Autres

(1) Ce tuyau ne pollue pas et n'adhère pas à l'aluminium fondu. Il constitue un matériau idéal pour la fabrication d'équipements de fusion de l'aluminium, de canalisations de transport de l'aluminium liquide ainsi que de conduites verticales destinées aux liquides, sensibles à la pollution par le fer et nécessitant un travail intensif pour leur organisation et leur réparation après utilisation. (2) Le tuyau offre une bonne résistance à l'usure et à la corrosion thermique. Il convient au transport de matériaux corrosifs contenant des particules solides, de gaz corrosifs à haute température, d'eau géothermique contenant du soufre, ainsi que d'autres milieux corrosifs. Caractéristiques du processus : Tuyau en céramique résistant à l'usure par patchage : la méthode aluminothermique-centrifuge utilise une technique permettant d'associer organiquement céramique et métal. Cette méthode aluminothermique-centrifuge est employée pour fabriquer des tubes en acier revêtus de céramique. La haute température générée par la réaction elle-même provoque la fusion des produits de réaction, qui se séparent ensuite sous l'effet de la force centrifuge, formant ainsi un tube en acier doublé d'une céramique d'alumine. Tuyau composite auto-propagé : une poudre céramique + une poudre d'oxyde de fer + une poudre d'oxyde de magnésium sont mélangées selon une proportion précise (le composant principal étant l'oxyde de fer, de couleur noire). Les deux extrémités du tuyau sont scellées, puis la poudre est introduite ; le tuyau est mis en rotation, avant d'être allumé électroniquement, ce qui permet à la poudre de sinter sur la paroi interne du tuyau grâce à la méthode centrifuge. Tuyau en céramique calciné intégral : selon un moule, la poudre céramique est frittée pour former un tuyau en céramique, qui est ensuite assemblé au tuyau en acier. La paroi extérieure du tube en céramique et la paroi intérieure du tube en acier sont jointes en versant dans le tube en acier une matière spéciale de remplissage (ciment ou résine époxy), suivie d'un pressage isostatique.

Performance et caractéristiques

1. Excellente résistance à l'usure

Le revêtement intérieur du tube en composite céramique est composé de céramique de corindon (a-Al₂O₃), atteignant une dureté Mohs de 9,0, équivalente à plus de HRC90. Cela le rend extrêmement résistant aux milieux abrasifs utilisés dans des industries telles que la métallurgie, la production d'énergie, l'exploitation minière et l'extraction du charbon. Les opérations industrielles ont prouvé qu'il offre une durée de vie contre l'usure supérieure, voire des dizaines de fois supérieure, à celle de l'acier trempé.

2. Résistance à la corrosion et au dépôt de tartre

Parce que la couche en acier-céramique est constituée d'(a-Al₂O₃), elle possède des propriétés neutres. Elle résiste à la corrosion par les acides, les alcalis et l'eau de mer, et présente également des propriétés anti-incrustation.

3. Faible résistance de fonctionnement

Les tubes en composite céramique SHS présentent une surface intérieure lisse et résistante à la rouille, et ils ne comportent pas les lignes hélicoïdales convexes que l'on trouve sur les tuyaux en acier sans soudure. Les tests de rugosité de la surface interne ainsi que les propriétés de résistance à l'eau claire effectués par des organismes de contrôle compétents ont révélé que la lissitude de la surface interne du tuyau dépasse celle de tout autre tuyau métallique. Son coefficient de résistance à l'eau claire est de 0,0193, légèrement inférieur à celui du tuyau sans soudure. Ce tuyau offre donc une faible résistance au fonctionnement, ce qui permet de réduire les coûts d'exploitation.

4. Excellente résistance aux températures et résistance aux chocs thermiques

Parce que la céramique de corindon (a-Al₂O₃) possède une structure cristalline unique et stable, le tuyau composite peut fonctionner normalement sur une plage de températures allant de -50°C à 700°C pendant de longues périodes. Le coefficient de dilatation linéaire du matériau est de 6 à 8 × 10⁻⁶/°C, soit environ la moitié de celui d'un tuyau en acier. Le matériau présente une excellente stabilité thermique.

5. Faible coût du projet

Les tuyaux en composite céramique sont légers et abordables. Ils sont 50 % plus légers que les tuyaux en pierre moulée de même diamètre intérieur, et 20 à 30 % plus légers que les tuyaux en alliage résistants à l'usure. Ils offrent également une excellente résistance à l'usure et à la corrosion, et leur longue durée de vie permet de réduire les coûts liés au support, à la manutention, à l'installation et au fonctionnement. Une comparaison des budgets de projet et des résultats réels de construction effectuée par des instituts de conception et des entreprises de construction compétents a révélé que le coût de construction de ce tuyau est comparable à celui du tuyau en pierre moulée et environ 20 % inférieur à celui du tuyau en alliage résistant à l'usure.

6. Installation et construction faciles

En raison du faible poids du tuyau et de son excellente soudabilité, il peut être installé par soudage, avec des brides ou par des méthodes à connexion rapide, ce qui facilite l'installation et réduit les coûts d'installation.

Principe et Fonction

Les tuyaux en acier céramique diffèrent fondamentalement des tuyaux en acier traditionnels, des tuyaux en acier moulé allié résistant à l'usure, des tuyaux en pierre moulée ainsi que des tuyaux acier-plastique et acier-caoutchouc. Les tuyaux en acier céramique possèdent une couche extérieure en acier et une couche intérieure en corindon. Cette couche de corindon présente une dureté Vickers de 100 à 1500 (dureté Rockwell de 90 à 98), équivalente à celle de l'or dur au tungstène-cobalt. Sa résistance à l'usure est plus de 20 fois supérieure à celle des tuyaux en acier au carbone, ce qui les rend largement supérieurs aux meules conventionnelles en corindon aggloméré. Pourtant, les meules en corindon restent les principales meules utilisées dans diverses machines de rectification destinées à l'acier trempé. Or, la couche de corindon présente dans les tuyaux en acier céramique peut user progressivement ces mêmes meules en corindon. La résistance à l'usure des tuyaux en acier céramique repose principalement sur une couche interne épaisse de plusieurs millimètres, composée de corindon, dont la dureté Mohs atteint 9 – seule la diamante et le carbure de silicium affichent une dureté supérieure, faisant du corindon l'oxyde le plus dur de tous.

Les tuyaux en acier résistants à l'usure revêtus de céramique sont fabriqués selon un procédé centrifuge par synthèse autogénératrice à haute température (SHS). Le point de fusion du corindon présent dans les tuyaux en acier céramique est de 2045°C. Grâce à la structure et au champ de contraintes uniques des couches de corindon et d'acier, ce procédé est particulier : à température ambiante, la couche céramique est soumise à une contrainte de compression, tandis que la couche d'acier subit une contrainte de traction, entraînant ainsi une expansion qui maintient les couches de céramique et d'acier dans un état d'équilibre libre. Lorsque la température monte jusqu'à 900°C et que le tuyau en acier résistant à l'usure revêtu de céramique est immergé à plusieurs reprises dans de l'eau froide, la couche composite reste intacte, sans se fissurer ni se briser, démontrant ainsi une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques comparée aux céramiques ordinaires. Cette propriété est particulièrement avantageuse dans le domaine de la construction. En effet, grâce à sa couche extérieure en acier et à sa couche interne toujours résistante aux fissures même à des températures élevées, il devient possible de souder ou de raccorder directement les brides, les orifices de purge, les portes antidéflagrantes et autres composants lors de la construction. Cela permet de surpasser nettement les tuyaux en pierre moulée résistants à l'usure, les tuyaux en acier moulé résistants à l'usure, les tuyaux en acier résistants à l'usure contenant des terres rares, les tuyaux composites bimétalliques, les tuyaux acier-plastique et les tuyaux acier-caoutchouc, dont la soudure est souvent difficile voire impossible durant la construction. De plus, le tuyau en acier résistant à l'usure revêtu de céramique offre également une excellente résistance aux impacts mécaniques. La couche composite conserve ainsi sa capacité à résister aux fissures et à ne pas se détacher pendant le transport, l'installation et les déformations dues à la flexion provoquées par son propre poids entre deux supports.

Des dizaines de centrales thermiques ont démontré que les tuyaux en acier résistant à l'usure revêtus de céramique offrent une grande résistance à l'usure et une forte résistance à l'érosion par les fluides. Les coudes des conduits d'air primaire sont les plus susceptibles d'être soumis à l'usure, et les coudes revêtus de céramique présentent une résistance à l'usure supérieure à cinq fois celle des coudes en acier moulé résistant à l'usure à parois épaisses.

En pratique, les tuyaux en acier résistant à l'usure revêtus de céramique, lorsqu'ils sont ouverts et inspectés après un à deux ans d'utilisation, ne présentent aucun signe notable d'usure ni de décollement de la couche composite. Pour des tuyaux de mêmes spécifications et de longueur unitaire, les tuyaux en acier résistant à l'usure revêtus de céramique pèsent environ la moitié moins lourds que les tuyaux en acier moulé résistant à l'usure ou que les tuyaux composites bimétalliques, ce qui réduit le coût de construction par mètre de 30 à 40 %. Ils ne pèsent qu'environ deux cinquièmes du poids des tuyaux en pierre moulée et des tuyaux en acier résistant à l'usure aux terres rares, ce qui abaisse le coût de construction par mètre de plus de 20 %.

Le transport par pipelines fluides est utilisé non seulement dans l'industrie énergétique, mais également dans un large éventail d'industries, notamment la métallurgie, le charbon, le pétrole, les produits chimiques, les matériaux de construction et la machinerie. Lors du transport de matériaux très abrasifs (tels que les cendres, la poussière de charbon, le concentré minéral et les résidus de ciment), les pipelines peuvent s'user rapidement, en particulier les coudes. De même, lorsque des gaz, liquides ou solides hautement corrosifs sont transportés, les pipelines peuvent être attaqués par la corrosion et s'endommager rapidement. Pour les matériaux à haute température, les tuyaux en acier résistant à la chaleur sont excessivement coûteux. L'apparition de tuyaux en acier résistant à l'usure revêtus de céramique a permis de résoudre ces problèmes.

Notes :
1. Les spécifications des tuyaux en acier dans ce tableau font référence à la norme GB8163-87 et sont fabriquées en acier 20#.
2. Les longueurs sont fabriquées selon les spécifications du client. Les longueurs de plus de 3 mètres sont soudées (à bride ou à raccord rapide).
3. L'épaisseur de la couche de céramique est généralement de 3 à 6 mm.
4. D (le diamètre extérieur de notre tuyau en acier) et le poids théorique indiqués dans le tableau ne servent qu'à titre indicatif.
5. D'autres spécifications peuvent être fabriquées selon les spécifications du client.