ISO/TR 22694:2008
(Main)Gas cylinders — Methods for establishing acceptance/rejection criteria for flaws in seamless steel and aluminium alloy cylinders at time of periodic inspection and testing
Gas cylinders — Methods for establishing acceptance/rejection criteria for flaws in seamless steel and aluminium alloy cylinders at time of periodic inspection and testing
The aim of ISO/TR 22694:2008 is to establish a technical basis for developing quantitative, allowable flaw sizes and for setting acceptance/rejection limits for cylinders at the time of periodic inspection and testing based on the performance and mechanical properties of the cylinders.
Bouteilles à gaz — Méthodes d'établissement des critères d'acceptation/de rejet des défauts dans les bouteilles en acier et en alliages d'aluminium, sans soudure, lors des contrôles et essais périodiques
L'ISO/TR 22694:2008 vise à établir une base technique permettant de déterminer des dimensions admissibles de défaut et de définir des limites d'acceptation/de rejet des bouteilles lors des contrôles et essais périodiques en se basant sur les caractéristiques de performance et sur les propriétés mécaniques des bouteilles.
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 22694
First edition
2008-05-01
Gas cylinders — Methods for establishing
acceptance/rejection criteria for flaws in
seamless steel and aluminium alloy
cylinders at time of periodic inspection
and testing
Bouteilles à gaz — Méthodes d'établissement des critères
d'acceptation/de rejet des défauts dans les bouteilles en acier et en
alliages d'aluminium, sans soudure, lors des contrôles et essais
périodiques
Reference number
ISO/TR 22694:2008(E)
©
ISO 2008
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ISO/TR 22694:2008(E)
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Published in Switzerland
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ISO/TR 22694:2008(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Technical approach . 3
3 Normative references . 1
4 Terms and definitions. 1
5 Cylinder symbols. 2
6 Modelling and analysis of flaw sizes . 4
6.1 Basis and theory. 4
6.2 Summary of the fitness-for-service method of analysis. 5
7 Experimental results. 7
8 Verification of the flaw size analysis . 8
8.1 Seamless steel cylinders . 8
8.2 Seamless aluminium alloy cylinders . 12
8.3 Critical flaw size analysis and verification. 16
9 Allowable flaw size analysis and verification . 23
10 Discussion. 37
10.1 Significance of analysis . 37
10.2 Significance of critical flaw size (CFS) . 38
10.3 Significance of allowable flaw sizes . 38
10.4 Significance of other failure modes. 38
10.5 Considerations for establishing acceptance/rejection criteria. 38
11 Summary and conclusions . 39
Annex A (informative) Tests conducted on seamless steel cylinders for fitness-for-service
analysis. 40
Bibliography . 55
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ISO/TR 22694:2008(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TR 22694 was prepared by Technical Committee ISO/TC 58, Gas cylinders, Subcommittee SC 4,
Operational requirements for gas cylinders.
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ISO/TR 22694:2008(E)
Introduction
Seamless steel cylinders and seamless aluminium-alloy cylinders used to transport high pressure gases are
required to meet safety requirements based on ISO standards and the requirements of national authorities.
These requirements cover the design, materials, manufacturing, initial inspection and testing, and periodic
inspection and testing of the cylinders. As part of these requirements, the cylinders need to be periodically
inspected and tested at regular intervals during their lifetime.
Periodic inspection and testing has traditionally been performed by a combination of visual inspection (internal
and external) and hydrostatic pressure testing (sometimes including volumetric expansion measurements
during pressurization). Using these traditional methods of retesting, the cylinders are rejected due to
excessive volumetric expansion, excessively large surface flaws detected by visual examination, leaking or
bursting. The maximum allowable size of surface flaws to cause rejection of the cylinders was essentially
qualitative and was established from past service experience. None of the rejection criteria were based on
quantitative assessment of the cylinder’s performance or mechanical characteristics.
However, recently, methods of periodic inspection and testing the cylinders using ultrasonic inspection have
been developed. These new retesting methods permit the quantitative determination of the cylinder wall
thickness and the size of the flaws that are present in the cylinders. The ISO standards for periodic inspection
and the requirements of certain national authorities permit the use of ultrasonic test methods for retesting
seamless steel and aluminium-alloy cylinders. These ultrasonic test methods permit the quantitative
determination of the size of any flaws that are detected in the cylinders. However, to use the ultrasonic test
methods, it is required that quantitative “allowable flaw sizes” be established to set acceptance/rejection limits
for the cylinders at the time of periodic inspection and testing.
NOTE The main conclusions and acceptance/rejection criteria are based on those provided by the United States
Department of Transportation (DOT-designed cylinders) that have a working pressure to test-pressure ratio of 3:5.
Application to ISO-designed cylinders, which use a working pressure to test-pressure ratio of 2:3, needs a further
calculation.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 22694:2008(E)
Gas cylinders — Methods for establishing acceptance/rejection
criteria for flaws in seamless steel and aluminium alloy
cylinders at time of periodic inspection and testing
1 Scope
The aim of this Technical Report is to establish a technical basis for developing quantitative, allowable flaw
sizes and for setting acceptance/rejection limits for cylinders at the time of periodic inspection and testing
based on the performance and mechanical properties of the cylinders.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
API RP 579, Recommended Practice for Fitness-for-Service
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms, acronyms and definitions apply.
3.1
allowable flaw size
largest flaw that will not grow to the critical flaw size during the periodic inspection and testing interval of the
cylinder
3.2
burst
opening of the cylinder due to the internal pressure with substantial extension of the flaw
3.3
cluster of pits
small, approximately round, flaws that are close together in a limited area
3.4
corrosion
general loss of wall thickness of either the interior or exterior surface of the cylinder, or localized corrosion
which may form a narrow longitudinal or circumferential line or strip, or isolated craters or pits that are almost
connected in a line
3.5
crack
split in the metal
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ISO/TR 22694:2008(E)
3.6
critical flaw size
CFS
flaw size that causes the cylinder to fail at a designated pressure
3.7
cut/gouge
sharp impression on the exterior of the cylinder where metal has been removed or redistributed and whose
depth exceeds 5 % of the cylinder wall thickness
3.8
failure by plastic collapse
failure of the cylinder containing a flaw due to internal pressure in the cylinder by failure of the remaining
ligament below the flaw without substantial extension of the flaw
3.9
fatigue crack growth rate
average flaw growth amount for each cycle of pressure loading
3.10
fracture
unstable extension of a flaw in the cylinder
3.11
fracture toughness
generic term for measure of resistance to extension of a crack
3.12
leak
release of gas pressure from the cylinder without significant extension of the flaw
NOTE This can occur due to internal pressure or due to corrosion.
3.13
local thin area
LTA
area of reduced wall thickness, the length and width of which are approximately equal
NOTE LTAs can be circular or rectangular.
3.14
notch
nominally a two-dimensional, long, narrow flaw with the width much smaller than the length
3.15
periodic inspection and testing
reference to a visual and/or ultrasonic examination and/or pressure test
3.16
residual strength factor
RSF
ratio of the failure pressure of a cylinder containing a flaw to the failure pressure of the same cylinder without a
flaw
4 Cylinder symbols
A flaw area
a flaw depth
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ISO/TR 22694:2008(E)
a initial flaw depth
i
C flaw width (circumferential dimension of the flaw)
D nominal outside diameter of the cylinder
da /dN fatigue crack growth rate
ID inside cylinder diameter
K (J) fracture toughness obtained from J integral test method
IC
L flaw length (longitudinal dimension of flaw)
M stress magnification factor for “part through flaw”
p
M Folias stress magnification factor for “through-wall flaw”
t
N number of pressure cycles
p failure pressure for cylinder without a flaw
b
p failure pressure for a cylinder with a flaw
f
1)
p /p residual strength factor
f b
p cylinder test pressure
h
p cylinder working pressure
s
R minimum guaranteed value of yield strength
e
R actual value of tensile strength as determined by tensile test
m
(R + R )/2 flow stress
m e
R remaining wall thickness ratio (t /t)
t mm
t measured minimum wall thickness
t actual wall thickness at the flaw
a
t calculated minimum design wall thickness
d
t minimum ligament (material below the flaw) thickness
mm
5 Technical approach
In this Technical Report, the performance of selected cylinders was evaluated based on the principles of
structural integrity analysis. The effect of various types and sizes of flaws on the performance of seamless
steel and aluminium-alloy cylinders was evaluated by analytical modelling that was verified by using data from
other studies that involved testing of steel and aluminium-alloy cylinders containing artificially induced flaws.
1) Residual strength factor is sometimes referred to as the failure pressure ratio.
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ISO/TR 22694:2008(E)
The periodic inspection of seamless cylinders requires that allowable flaw sizes be established for each type
of flaw. Typical flaws that can occur in high-pressure seamless gas cylinders during service are cuts or
gouges, cracks, general corrosion, local corrosion (LTA) and chain/line/pitting corrosion. To establish
allowable flaw sizes, an assessment of typical flaws that (e.g. of an LTA) occur in seamless cylinders was
carried out using the analytical procedures described in the API Recommended Practice for Fitness-for-
Service (API RP 579, hereafter referred to as API 579). The analytical assessments were subsequently
verified by experimental testing.
In using these procedures, first the critical flaw size(s) (CFS) are determined. The CFS is defined as the size
(e.g. depth and length or area) of the flaw that will cause the cylinders to fail at a specified pressure, such as
the test pressure or the working pressure of the cylinder. API 579 was used to calculate the CFS for a range
of cylinder sizes and strength levels. Next, the allowable flaw sizes are determined by adjusting the CFS to
account for any time-dependent degradation that can occur in service, such as crack growth by fatigue or
corrosion.
Firstly, to determine the CFS, the procedures described in API 579 were used to predict, by analysis, the
effect of various sizes of LTAs, pits, notches and cracks on the calculated cylinder burst pressure for selected
sizes and strength levels of cylinders. Then, to verify the API 579 analysis procedures, experimental data from
a number of hydrostatic burst tests on selected cylinders with various sizes of flaws were compared with the
analytical results. These results showed that the analysis conducted according to API 579 reliably estimated
the actual measured burst pressure of the cylinders for all flaw sizes and types.
CFSs were determined for various types of flaws at (1) the designated working pressure and (2) the
hydrostatic test pressure of the cylinder. This establishes the CFS (depth versus area or length) for each type
of flaw in any cylinder. The CFS calculated at the designated working pressure predicts the size of the flaws
that could be expected to cause the cylinder to fail in service. The CFS calculated at the hydrostatic test
pressure predicts the size of flaws that could be expected to cause the cylinder to fail during the hydrostatic
pressure test.
After calculating the CFS to cause failure of the cylinders at both the test and working pressures, the allowable
flaw sizes to be used as the acceptance or rejection criteria during periodic inspection and testing were
established for a wide range of cylinder types and strength levels. This was done by modifying (reducing) the
size of the CFS for each cylinder by adjusting for time-dependent degradation, such as fatigue crack growth or
corrosion that may occur during the use of the cylinder. In the preparation of this Technical Report, only the
effects of fatigue crack growth were evaluated. The fatigue procedure that was used to make this adjustment
involved 3 500 cycles (approximately once per day filling for the 10 year retest interval) at the cylinder’s
designated working pressure. This resulted in the allowable flaw size that may be used to establish the
acceptance or rejection criterion for the cylinders during periodic inspection and testing. The final acceptance
or rejection criteria that are used during periodic inspection and testing may also take into account other
factors, such as the capability of the inspection instruments and procedures.
The allowable flaw sizes are based on the assumption that there is no free moisture in the interior of the
cylinder and consequently no risk of corrosion.
6 Modelling and analysis of flaw sizes
6.1 Basis and theory
The approach used to define allowable flaw sizes for seamless cylinders was to determine the effect of
various types and sizes of flaws on the performance of the cylinders. In particular, the reduction in the failure
pressure of the cylinders containing flaws was determined by analytical modelling. These analytical results
were then verified by using data from studies involving the experimental testing of selected cylinders
containing flaws.
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ISO/TR 22694:2008(E)
To evaluate the significance of flaws in cylinders, the principles of structural integrity analysis are used.
Several general theoretical, empirical or semi-empirical methods of analysis have been developed to model
flaws in pressure vessels, such as cylinders, and to evaluate the significance of the flaws. The purpose of
these methods of analysis is to determine how much the failure pressure of a cylinder containing a flaw is
reduced compared to a similar cylinder that does not contain any flaws. Failure of the cylinder may occur by
bursting, by fracture, by leaking or other failure modes. These methods of analysis can be used to make an
assessment of the current state of the cylinder, that is, the current failure pressure of the cylinder. These
methods of analysis can also be used to determine a projected future state of the cylinder due to increases in
the size of the flaws over time by such mechanisms as fatigue, corrosion, stress corrosion, or other time-
dependent degradation.
After reviewing the methods of analysis that have been developed to evaluate the significance of flaws in
pressure vessels, the methods of analysis described in API 579 were chosen to evaluate the cylinders used in
the preparation of this Technical Report and to develop CFS and allowable flaw sizes for seamless cylinders.
The fitness-for-service method of analysis provides a quantitative evaluation of cylinders containing flaws to
determine their suitability for continued use.
The fitness-for-service method of analysis can be used to evaluate all types of flaws commonly found in
cylinders. Methods of analysis are available for analysing various types of flaws such as general corrosion,
localised corrosion area (LTA), widespread pitting, localized pitting, cracks and crack-like flaws. Brittle fracture,
fatigue cracking and environmental cracking can be evaluated.
6.2 Summary of the fitness-for-service method of analysis
6.2.1 Application of API 579 fitness-for-service method of analysis
The application of the API 579 fitness-for-service method of analysis requires the following steps:
1) identification of the type of flaw (crack, LTA, pit, etc.) and the type of damage that caused the flaw
(corrosion, fatigue, cracking, cuts, gouges, etc.);
2) identification of the failure mode (brittle fracture, burst, leak);
3) selection of the specific method of analysis (fracture analysis, burst analysis, leak analysis, etc.);
4) obtaining the necessary data (material properties, applied stresses, flaw characterization and size, etc.);
5) selection of the level of assessment;
6) selection of the appropriate acceptance criteria;
7) evaluation of the remaining life of cylinder due to enlargement of the flaws.
6.2.2 Step 1, identification of type of flaw
The types of flaws that can occur in seamless steel cylinders and aluminium-alloy cylinders have been
identified in ISO 6406, and ISO 10461 respectively. The types of flaws that have been identified are cracks,
notches, gouges, general corrosion, localised corrosion area (e.g. corrosion of an LTA), pitting corrosion
including isolated pit and multiple pits (i.e. line corrosion), arc burns and fire damage.
However, in this Technical Report, the only flaws evaluated are
⎯ LTA,
⎯ cracks,
⎯ notches,
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ISO/TR 22694:2008(E)
⎯ general/local corrosion, and
⎯ corrosion pits.
Therefore, in this Technical Report, the only types of damage evaluated are from flaws caused either by
corrosion or mechanical damage subsequently propagated by fatigue.
6.2.3 Step 2, identification of failure mode
The failure modes that can cause seamless cylinders to fail in service are burst or leak type. Cylinders can fail
by bursting when a flaw of sufficient size is present in the cylinder wall. The failure stress is dependent on the
material's fracture toughness and flow strength properties. For relatively high-toughness material, which is the
case for the high-pressure cylinders, the cylinder burst stress is primarily controlled by flow stress. Cylinders
can fail by leaking when the flaw is sufficiently deep such that the remaining wall ruptures. Cylinders can fail in
service by fracturing or fragmenting when the combination of a sufficiently large flaw and a high enough wall
stress exceeds the fracture toughness of the cylinder.
6.2.4 Step 3, selection of specific method of analysis
Each of the different failure modes can be reliably evaluated by the fitness-for-service analysis procedures.
However, each failure mode (burst or leak) must be analysed by a different analytical model. The selection of
which failure mode is most likely to occur depends on the cylinder design, its material properties, and the size
of the flaws in the cylinder. The only failure mode evaluated was failure by bursting due to the internal
pressure in the cylinders.
6.2.5 Step 4, obtaining necessary data
The data required to conduct the fitness-for-service analysis of flaws in cylinders are (1) the material
properties (i.e. yield strength, tensile strength, fracture toughness, etc.); (2) the applied stress due to the
pressure in the cylinder; and (3) the size, shape and location of the flaws to be evaluated. Only applied
stresses caused by the internal pressure in the cylinders are considered. When exact values of some of the
necessary data are not available for the specific cylinder being evaluated, the necessary data may have to be
assumed or generic data for a typical cylinder may have to be used.
6.2.6 Step 5, selection of level of assessment
The selection of the level of assessment depends on the available data and on the accuracy of the evaluation
that is required. For example, the API 579 methods of analysis, Section 5 (Assessment of Local Metal Loss)
permit three levels of assessment depending on the available data and on the accuracy of the evaluation that
is required.
The Level 1 assessment requires a minimum amount of data on the flaw size, the applied stress and the
material properties. This level of assessment is the easiest to use, but the predicted failure pressure of a
cylinder with a specified flaw size may be significantly less than the actual measured failure pressure of the
flawed cylinder.
The Level 2 assessment requires additional, more detailed data than the Level 1 assessment for the flaw size,
the applied stress and the material properties. This level of assessment uses more calculations that are
complex and gives a more exact prediction of the failure pressure of the cylinder. That is, the predicted failure
pressure of a cylinder with a specified flaw size is closer to the actual measured failure pressure of the flawed
cylinder.
The Level 3 assessment requires the use of advanced stress analysis and material modelling procedures and
exact measurements of the flaw size. This level of assessment generally results in a good prediction of the
failure pressure of the cylinder. That is, the predicted failure pressure of a cylinder with a specified flaw size is
very close to the actual measured failure pressure of the flawed cylinder. However, because of the increased
demands for additional data and the increased complexity of the calculations, the Level 3 assessment is used
only in very demanding and specialized applications.
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ISO/TR 22694:2008(E)
With regard to seamless cylinders, the Level 1 assessment procedures, which are conservative and concise,
were used for the flaw size analysis.
6.2.7 Step 6, selection of appropriate basis for the acceptance criteria
The next step in using the fitness-for-service assessment procedures is the choice of the basis for the
acceptance criteria. The basis for the acceptance criteria is chosen for each specific case that is analysed.
The acceptance criteria may be (1) the maximum allowable stress, (2) the RSF, or (3) the failure assessment
diagram.
The maximum allowable stress criterion is used where the design is based on a specified fraction of the yield
strength or tensile strength. This is the criterion used to specify the wall thickness in the design of new
cylinders. This criterion has limited use in the fitness-for-service analysis because suitable maximum
allowable stress levels cannot easily be established for cylinders containing flaws. The only place where the
criterion can be used is in evaluation of general corrosion where the stress in the remaining wall can be
calculated and related to the maximum allowable wall stress.
The RSF can be used for the analysis of most types of flaws in cylinders. The acceptance criterion is then
specified as a fixed value of RSF. This was the criterion primarily used in the preparation of this Technical
Report.
For crack-like flaws, it is necessary to use the failure assessment diagram criterion.
Cylinders containing crack-like flaws can fail either by unstable fracture or by plastic collapse. Plastic collapse
occurs in cylinders with relatively large flaws that are made from high-toughness materials. Most seamless
steel gas cylinders containing crack-like flaws fail by the plastic collapse mechanism. The steel cylinders
containing flaws that were evaluated in this Technical Report failed by plastic collapse. (This statement is valid
for the flaws that are in the acceptance range in this Technical Report.)
6.2.8 Step 7, evaluation of remaining life of cylinder
After an assessment is made of the present state of the cylinder (i.e. the predicted failure pressure of the
cylinder) containing a flaw, the fitness-for-service method of analysis may also be used to assess the
remaining life of the cylinder, if required. The remaining-life assessment is used to ac
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 22694
Première édition
2008-05-01
Bouteilles à gaz — Méthodes
d'établissement des critères
d'acceptation/de rejet des défauts dans
les bouteilles en acier et en alliages
d'aluminium, sans soudure, lors des
contrôles et essais périodiques
Gas cylinders — Methods for establishing acceptance/rejection criteria
for flaws in seamless steel and aluminium alloy cylinders at time of
periodic inspection and testing
Numéro de référence
ISO/TR 22694:2008(F)
©
ISO 2008
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ISO/TR 22694:2008(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2008 – Tous droits réservés
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ISO/TR 22694:2008(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Symboles relatifs aux bouteilles. 3
5 Approche technique . 4
6 Modélisation et analyse des dimensions des défauts. 5
6.1 Base et théorie . 5
6.2 Résumé de la méthode d'analyse d'aptitude au service . 5
7 Résultats expérimentaux . 8
8 Vérification de l'analyse des dimensions des défauts. 9
8.1 Bouteilles en acier sans soudure. 9
8.2 Bouteilles en alliages d'aluminium sans soudure. 13
8.3 Analyse et vérification des tailles de défauts critiques. 17
9 Analyse et vérification des dimensions admissibles de défaut . 24
10 Discussion. 38
10.1 Signification de l'analyse . 38
10.2 Signification des tailles de défauts critiques (CFS) . 39
10.3 Signification des dimensions admissibles de défaut . 39
10.4 Signification des autres modes de défaillance. 39
10.5 Considérations relatives à la détermination des critères d'acceptation/de rejet. 40
11 Résumé et conclusions. 40
Annexe A (informative) Essais effectués sur des bouteilles en acier sans soudure pour l'analyse
d'aptitude au service . 41
Bibliographie . 57
© ISO 2008 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 22694:2008(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (cela pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique, par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 22694 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 58, Bouteilles à gaz, sous-comité SC 4,
Contraintes de service des bouteilles à gaz.
iv © ISO 2008 – Tous droits réservés
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ISO/TR 22694:2008(F)
Introduction
Il est requis que les bouteilles en acier sans soudure et les bouteilles en alliages d'aluminium sans soudure
utilisées pour transporter des gaz sous haute pression obéissent aux exigences de sécurité fondées sur des
normes ISO et aux exigences des autorités nationales. Ces exigences couvrent la conception, les matériaux,
la fabrication, les contrôles et essais initiaux, et les contrôles et essais périodiques des bouteilles. Dans le
cadre de ces exigences, les bouteilles ont besoin d'être contrôlées périodiquement et soumises à essai à
intervalles réguliers pendant leur durée de vie.
Les contrôles et essais périodiques ont traditionnellement été réalisés en combinant un contrôle visuel
(interne et externe) et des épreuves de pression hydrostatique (comprenant parfois des mesures de
l'expansion volumétrique pendant la mise en pression). En utilisant ces méthodes traditionnelles de contre-
épreuve, les bouteilles sont rejetées en raison d'une expansion volumétrique excessive, de défauts de surface
excessivement grands détectés par un contrôle visuel, d'une fuite ou d'un éclatement. Les dimensions
maximales admissibles des défauts de surface à l'origine d'un rejet des bouteilles étaient essentiellement
qualitatives et étaient déterminées sur la base d'un retour d'expérience passée. Aucun des critères de rejet
n'était fondé sur une évaluation quantitative des caractéristiques de performance ou des caractéristiques
mécaniques de la bouteille.
Néanmoins, des méthodes de contrôles et d'essais périodiques des bouteilles faisant appel à un contrôle par
ultrasons ont été récemment mises au point. Ces nouvelles méthodes de contre-épreuve permettent la
détermination quantitative de l'épaisseur de paroi des bouteilles et des dimensions des défauts présents dans
les bouteilles. Les normes ISO relatives aux contrôles périodiques et les exigences de certaines autorités
nationales permettent l'utilisation de méthodes d'essai par ultrasons pour la contre-épreuve des bouteilles en
acier et en alliages d'aluminium sans soudure. Ces méthodes d'essai par ultrasons permettent la
détermination quantitative des dimensions de tout défaut détecté dans les bouteilles. Néanmoins, pour utiliser
les méthodes d'essai par ultrasons, il est nécessaire de déterminer des «dimensions admissibles de défaut»
quantitatives pour définir les limites d'acceptation/de rejet des bouteilles lors des contrôles et essais
périodiques.
NOTE Les principales conclusions et les critères d'acceptation/de rejet sont fondés sur ceux fournis par le
Département des transports américain (bouteilles DOT), qui ont un rapport pression de service/pression d'épreuve de 3:5.
L'application aux bouteilles ISO, utilisant un rapport pression de service/pression d'épreuve de 2:3, nécessite des calculs
ultérieurs.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 22694:2008(F)
Bouteilles à gaz — Méthodes d'établissement des critères
d'acceptation/de rejet des défauts dans les bouteilles en acier
et en alliages d'aluminium, sans soudure, lors des contrôles et
essais périodiques
1 Domaine d'application
Le présent Rapport technique vise à établir une base technique permettant de déterminer des dimensions
admissibles de défaut et de définir des limites d'acceptation/de rejet des bouteilles lors des contrôles et essais
périodiques, en se fondant sur les caractéristiques de performance et sur les propriétés mécaniques des
bouteilles.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
API RP 579, Recommended Practice for Fitness-for-Service
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes, acronymes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
dimension admissible d'un défaut
défaut le plus important qui ne se développera pas jusqu'à la taille de défaut critique lors de l'intervalle des
contrôles et des essais périodiques de la bouteille
3.2
éclatement
rupture de la bouteille due à la pression interne sans extension importante du défaut
3.3
amas de piqûres
petits défauts approximativement ronds qui sont proches les uns des autres dans une zone limitée
3.4
corrosion
perte générale d'épaisseur de paroi sur la surface intérieure ou extérieure de la bouteille, ou corrosion
localisée pouvant former une ligne ou bande longitudinale ou circonférentielle étroite, ou cratères ou piqûres
isolés qui sont presque réunis en une ligne
3.5
fissure
fente dans le métal
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3.6
dimension critique de défaut
CFS
dimension d'un défaut qui provoque une rupture de la bouteille à une pression désignée
3.7
entaille/goujure
empreinte nette sur l'extérieur de la bouteille où le métal a été enlevé ou redistribué et dont la profondeur
dépasse 5 % de l'épaisseur de paroi de la bouteille
3.8
rupture par déformation plastique
rupture de la bouteille comportant un défaut due à la pression interne dans la bouteille par rupture du ligament
résiduel sous le défaut sans extension importante du défaut
3.9
vitesse de propagation d'une fissure de fatigue
ampleur moyenne du développement d'un défaut pour chaque cycle de charge de pression
3.10
cassure
extension instable d'un défaut dans la bouteille
3.11
ténacité à la rupture
terme générique pour la mesure de la résistance à la propagation d'une fissure
3.12
fuite
décharge de gaz de la bouteille sans extension significative du défaut
NOTE Elle peut être due à la pression interne ou à la corrosion.
3.13
zone de faible épaisseur
LTA
zone d'épaisseur de paroi réduite dont la longueur et la largeur sont approximativement égales
NOTE Les LTA peuvent être circulaires ou rectangulaires.
3.14
entaille
défaut normalement bidimensionnel, long et étroit, dont la largeur est beaucoup plus petite que la longueur
3.15
contrôles et essais périodiques
mention à un contrôle visuel et/ou par ultrasons et/ou à une épreuve de pression
3.16
facteur résiduel de résistance
RSF
rapport suivant: pression de rupture d'une bouteille comportant un défaut divisée par pression de rupture de la
même bouteille sans défaut
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4 Symboles relatifs aux bouteilles
A surface du défaut
a profondeur du défaut
a profondeur initiale du défaut
i
C largeur du défaut (dimension circonférentielle du défaut)
D diamètre nominal extérieur de la bouteille
da/dN vitesse de propagation d'une fissure de fatigue
ID diamètre intérieur de la bouteille
K (J) ténacité à la rupture déterminée par la méthode d'essai de l'intégrale J
IC
L longueur du défaut (dimension longitudinale du défaut)
M facteur d'amplification des contraintes pour un «défaut traversant partiel»
p
M facteur d'amplification des contraintes de Folias pour un «défaut traversant la paroi»
t
N nombre de cycles de pression
p pression de rupture pour une bouteille sans défaut
b
p pression de rupture pour une bouteille comportant un défaut
f
1)
p / p facteur résiduel de résistance
f b
p pression d'épreuve de la bouteille
h
p pression de service de la bouteille
s
R valeur minimale garantie de la limite d'élasticité
e
R valeur réelle de résistance à la traction déterminée par un essai de traction
m
(R + R )/2 contrainte d'écoulement
m e
R rapport d'épaisseur de paroi résiduelle (= t /t)
t mm
t épaisseur minimale de paroi mesurée
t épaisseur réelle de paroi au niveau du défaut
a
t épaisseur minimale calculée de conception de la paroi
d
t épaisseur minimale du ligament (matériau sous le défaut)
mm
1) Le facteur résiduel de résistance est parfois appelé rapport de pression de rupture.
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5 Approche technique
Dans le présent Rapport technique, les performances des bouteilles sélectionnées ont été évaluées en se
fondant sur les principes d'une analyse de l'intégrité structurale. L'effet de différents types et dimensions de
défauts sur les performances des bouteilles en acier et en alliages d'aluminium, sans soudure, a été évalué
par une modélisation analytique qui a été vérifiée en utilisant les données issues d'autres études ayant donné
lieu à des essais de bouteilles en acier et en alliages d'aluminium contenant des défauts induits
artificiellement.
Le contrôle périodique des bouteilles sans soudure nécessite la détermination des dimensions admissibles de
défauts pour chaque type de défaut. Les défauts types pouvant apparaître dans des bouteilles à gaz sans
soudure sous haute pression pendant le service sont des entailles ou goujures, des fissures, une corrosion
générale, une zone de faible épaisseur (LTA) et une corrosion en chaîne/linéaire/par piqûres. Pour déterminer
les dimensions admissibles des défauts, une évaluation des défauts types, apparaissant dans les bouteilles
sans soudure, a été réalisée en utilisant les procédures analytiques décrites dans la publication de l'API
Recommended Practice for Fitness-for-Service (API RP 579, ci-après dénommée API 579). Les évaluations
analytiques ont ensuite été vérifiées par des essais expérimentaux.
À l'aide de ces procédures, la ou les taille(s) de défauts critiques (CFS) ont tout d'abord été déterminées. La
CFS est définie par la dimension (par exemple profondeur et longueur ou surface) du défaut qui entraînera
une défaillance des bouteilles à une pression spécifiée, telle que la pression d'épreuve ou la pression de
service de la bouteille. Dans la présente étude, l'API 579 a été utilisée pour calculer la CFS pour une gamme
de dimensions et de niveaux de résistance des bouteilles. Les dimensions admissibles des défauts sont
ensuite déterminées en ajustant la CFS pour tenir compte de toute dégradation dans le temps susceptible de
se produire en service, par exemple la propagation de fissures par fatigue ou corrosion.
Tout d'abord, pour déterminer la CFS, les procédures décrites dans l'API 579 ont été utilisées pour prédire,
par une analyse, l'effet de différentes dimensions de corrosions localisées, piqûres, entailles et fissures sur la
pression d'éclatement de la bouteille, calculée pour les dimensions et les niveaux de résistance sélectionnés
des bouteilles. Ensuite, pour vérifier les méthodes d'analyse de l'API 579, les données expérimentales
obtenues lors de nombreux essais de rupture sous pression hydrostatique, réalisés sur des bouteilles
sélectionnées comportant des défauts de différentes dimensions, ont été comparées aux résultats d'analyse.
Ces résultats ont montré que l'analyse réalisée selon l'API 579 avait permis d'estimer de manière fiable la
pression d'éclatement réelle mesurée des bouteilles pour toutes les dimensions et tous les types de défauts.
Les CFS ont été déterminées pour différents types de défauts (1) à la pression de service désignée et (2) à la
pression d'épreuve hydrostatique de la bouteille. Cela détermine les CFS (profondeur en fonction de la
surface ou de la longueur) pour chaque type de défaut dans une bouteille. Les CFS calculées à la pression de
service désignée prédisent les dimensions des défauts susceptibles de provoquer une rupture de la bouteille
en service. Les CFS calculées à la pression d'épreuve hydrostatique prédisent les dimensions des défauts
susceptibles de provoquer une rupture de la bouteille pendant l'épreuve de pression hydrostatique.
Après avoir calculé les CFS susceptibles de provoquer une rupture des bouteilles aux pressions d'épreuve et
de service, les dimensions admissibles de défauts devant être utilisées comme critères d'acceptation ou de
rejet, lors des contrôles et essais périodiques, ont été déterminées pour une vaste gamme de types et de
niveaux de résistance des bouteilles. Pour cela, les valeurs des CFS ont été modifiées (réduites) pour chaque
bouteille pour tenir compte de la dégradation dans le temps, telle que la propagation de fissure de fatigue ou
la corrosion susceptible d'apparaître pendant l'utilisation de la bouteille. Lors de la préparation du présent
Rapport technique, seuls les effets de la propagation des fissures de fatigue ont été évalués. Le mode
opératoire d'essai de fatigue utilisé pour réaliser cet ajustement comprenait 3 500 cycles (environ un
remplissage par jour pour l'intervalle de contre-épreuve de 10 ans) à la pression de service désignée de la
bouteille. Les dimensions admissibles de défauts ainsi obtenues peuvent être utilisées pour déterminer les
critères d'acceptation ou de rejet des bouteilles, lors des contrôles et essais périodiques. Les critères
d'acceptation ou de rejet final(e) utilisés lors des contrôles et essais périodiques peuvent également tenir
compte d'autres facteurs tels que la capacité des instruments et des méthodes de contrôle.
Les dimensions admissibles des défauts sont fondées sur l'hypothèse qu'il n'y a pas d'humidité libre à
l'intérieur de la bouteille et donc pas de risque de corrosion.
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6 Modélisation et analyse des dimensions des défauts
6.1 Base et théorie
L'approche adoptée pour définir les dimensions admissibles des défauts pour les bouteilles sans soudure a
consisté à déterminer l'effet de différents types et dimensions de défauts sur les performances des bouteilles.
En particulier, la réduction de la pression de rupture des bouteilles contenant des défauts a été déterminée
par une modélisation analytique. Ces résultats d'analyse ont ensuite été vérifiés en utilisant les données
obtenues lors d'études ayant donné lieu à des essais expérimentaux de bouteilles sélectionnées contenant
des défauts.
Pour évaluer l'importance des défauts dans les bouteilles, les principes d'une analyse de l'intégrité structurale
sont appliqués. Plusieurs méthodes d'analyse générale, théorique, empirique et semi-empirique, ont été
mises au point pour modéliser les défauts dans des récipients sous pression, tels que des bouteilles, et pour
évaluer l'importance des défauts. Le but de ces méthodes d'analyse est de déterminer dans quelle mesure la
pression de rupture d'une bouteille contenant un défaut est réduite par rapport à une bouteille similaire ne
contenant pas de défaut. La rupture de la bouteille peut se manifester par un éclatement, une cassure, une
fuite ou d'autres modes de défaillance. Ces méthodes d'analyse peuvent être utilisées pour évaluer l'état
courant de la bouteille, c'est-à-dire la pression de rupture courante de la bouteille. Ces méthodes d'analyse
peuvent également être utilisées pour déterminer un état futur prévu de la bouteille, dû à l'augmentation de la
dimension des défauts dans le temps par des mécanismes tels que la fatigue, la corrosion, la corrosion sous
contrainte ou une autre dégradation dans le temps.
Après avoir examiné les méthodes d'analyse qui ont été mises au point pour évaluer l'importance des défauts
dans des récipients sous pression, les méthodes d'analyse décrites dans l'API 579 ont été choisies pour
évaluer les bouteilles utilisées dans la préparation du présent Rapport technique et pour déterminer les CFS
et les dimensions admissibles des défauts pour des bouteilles sans soudure. La méthode d'analyse d'aptitude
au service fournit une évaluation quantitative des bouteilles contenant des défauts permettant de déterminer
leur aptitude à une utilisation continue.
La méthode d'analyse d'aptitude au service peut être utilisée pour évaluer tous les types de défauts
généralement rencontrés dans les bouteilles. Des méthodes d'analyse sont disponibles pour analyser
différents types de défauts, tels qu'une corrosion générale, une zone de corrosion localisée (LTA), des
piqûres de corrosion étendues, des piqûres de corrosion localisées, des fissures ou des défauts de type
fissure. Il est possible d'évaluer la rupture fragile, la fissuration par fatigue et la fissuration sous contrainte due
à l'environnement.
6.2 Résumé de la méthode d'analyse d'aptitude au service
6.2.1 Application de la méthode d'analyse d'aptitude au service de l'API 579
L'application de la méthode d'analyse d'aptitude au service de l'API 579 nécessite les étapes suivantes:
1) identification du type de défaut (c'est-à-dire fissure, LTA, piqûre, etc.) et du type de dommage ayant
engendré le défaut (c'est-à-dire corrosion, fatigue, fissuration, entailles, goujures, etc.);
2) identification du mode de défaillance (c'est-à-dire rupture fragile, éclatement, fuite, etc.);
3) sélection de la méthode d'analyse spécifique (c'est-à-dire analyse de la cassure, analyse de l'éclatement,
analyse de la fuite, etc.);
4) obtention des données nécessaires (c'est-à-dire propriétés des matériaux, contraintes appliquées,
caractérisation et dimensions des défauts, etc.);
5) sélection du niveau d'évaluation;
6) sélection des critères d'acceptation appropriés;
7) évaluation de la durée de vie résiduelle d'une bouteille en raison de l'élargissement des défauts.
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6.2.2 Étape 1, identification du type de défaut
Les types de défauts qui peuvent apparaître dans des bouteilles en acier et en alliages d'aluminium sans
soudure ont été respectivement identifiés dans l'ISO 6406 et l'ISO 10461. Les types de défauts qui ont été
identifiés sont les fissures, les entailles, les goujures, la corrosion générale, une zone de corrosion localisée
(c'est-à-dire la corrosion d'une LTA), la corrosion par piqûres comprenant une piqûre isolée et des piqûres
multiples (c'est-à-dire une corrosion linéaire), les brûlures d'arc et les dommages causés par le feu.
Néanmoins, dans cette étude, les seuls défauts évalués sont
⎯ la LTA,
⎯ les fissures,
⎯ les entailles,
⎯ la corrosion générale/localisée, et
⎯ les piqûres de corrosion.
Par conséquent, dans le présent Rapport technique, les seuls types de dommages évalués sont liés à des
défauts causés par la corrosion ou par un dommage mécanique se propageant ensuite par fatigue.
6.2.3 Étape 2, identification du mode de défaillance
Les modes de défaillance susceptibles de provoquer une rupture en service des bouteilles sans soudure sont
de type éclatement ou fuite. Les bouteilles peuvent éclater lorsqu'un défaut de dimensions suffisantes est
présent dans la paroi de la bouteille. La contrainte de rupture dépend des propriétés de ténacité à la rupture
et de résistance à l'écoulement du matériau. Pour un matériau ayant une ténacité relativement élevée, ce qui
est le cas pour les bouteilles sous haute pression, la contrainte d'éclatement de la bouteille est principalement
contrôlée par la contrainte d'écoulement. Les bouteilles peuvent fuir lorsque le défaut est suffisamment
profond pour que la paroi restante se rompe. Les bouteilles peuvent se casser ou se fragmenter en service
lorsque la combinaison d'un défaut suffisamment grand et d'une contrainte suffisamment élevée sur la paroi
excède la ténacité à la rupture de la bouteille.
6.2.4 Étape 3, sélection d'une méthode d'analyse spécifique
Chacun des différents modes de défaillance peut être évalué de façon fiable par les méthodes d'analyse
d'aptitude au service. Néanmoins, chaque mode de défaillance (éclatement ou fuite) doit être analysé par un
modèle analytique différent. La sélection du mode de défaillance le plus probable dépend de la conception de
la bouteille, des propriétés de ses matériaux et des dimensions des défauts dans la bouteille. Le seul mode
de défaillance évalué était la rupture par éclatement due à la pression interne dans les bouteilles.
6.2.5 Étape 4, obtention des données nécessaires
Les données nécessaires pour conduire l'analyse d'aptitude au service de bouteilles contenant des défauts
sont (1) les propriétés des matériaux (c'est-à-dire la limite d'élasticité, la résistance à la traction, la ténacité à
la rupture, etc.); (2) la contrainte appliquée due à la pression dans la bouteille; et (3) les dimensions, la forme
et l'emplacement des défauts devant être évalués. Seules les contraintes appliquées dues à la pression
interne dans les bouteilles sont prises en compte. Lorsque les valeurs exactes de certaines des données
nécessaires ne sont pas disponibles pour la bouteille spécifique évaluée, il peut s'avérer nécessaire de
supposer les données nécessaires ou d'utiliser des données génériques pour une bouteille type.
6.2.6 Étape 5, sélection du niveau d'évaluation
La sélection du niveau d'évaluation dépend des données disponibles et de l'exactitude exigée pour
l'évaluation. Par exemple, les méthodes d'analyse décrites dans la Section 5 de l'API 579 (Assessment of
Local Metal Loss) permettent trois niveaux d'évaluation selon les données disponibles et l'exactitude exigée
pour l'évaluation.
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L'évaluation de Niveau 1 nécessite une quantité minimale de données sur les di
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