ISO 11114-4:2005
(Main)Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents — Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement
Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents — Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement
ISO 11114-4:2005 specifies test methods and the evaluation of results from these tests in order to qualify steels suitable for use in the manufacture of gas cylinders (up to 3 000 l) for hydrogen and other embrittling gases. ISO 11114-4:2005 only applies to seamless steel gas cylinders. The requirements of ISO 11114-4:2005 are not applicable if at least one of the following conditions for the intended gas service is fulfilled: the working pressure of the filled embrittling gas is less than 20 % of the test pressure of the cylinder; the partial pressure of the filled embrittling gas of a gas mixture is less than 5 MPa (50 bar) in the case of hydrogen and other embrittling gases, with the exception of hydrogen sulphide and methyl mercaptan in which cases the partial pressure shall not exceed 0,25 MPa (2,5 bar).
Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux des bouteilles et des robinets avec les contenus gazeux — Partie 4: Méthodes d'essai pour le choix de matériaux métalliques résistants à la fragilisation par l'hydrogène
L'ISO 11114-4:2005 spécifie des méthodes d'essai et l'évaluation des résultats de ces essais permettant de retenir les aciers pouvant être utilisés pour fabriquer des bouteilles à gaz (jusqu'à 3 000 l) pour l'hydrogène et d'autres gaz fragilisants. Elle s'applique uniquement aux bouteilles à gaz en acier sans soudure. Les exigences de l'ISO 11114-4:2005 ne s'appliquent pas si au moins l'une des conditions suivantes concernant l'utilisation avec le gaz prévu, est remplie: - la pression d'utilisation du gaz fragilisant dans la bouteille représente moins de 20 % de la pression d'épreuve de la bouteille; - la pression partielle du gaz fragilisant du mélange gazeux contenu dans la bouteille représente moins de 5 MPa (50 bar) dans le cas de l'hydrogène et d'autres gaz fragilisants, sauf pour le sulfure d'hydrogène et le méthyle de mercaptan pour lesquels la pression partielle ne doit pas dépasser 0,25 MPa (2,5 bar).
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11114-4
First edition
2005-08-01
Transportable gas cylinders —
Compatibility of cylinder and valve
materials with gas contents —
Part 4:
Test methods for selecting metallic
materials resistant to hydrogen
embrittlement
Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux des
bouteilles et des robinets avec les contenus gazeux —
Partie 4: Méthodes d'essai pour le choix de matériaux métalliques
résistants à la fragilisation par l'hydrogène
Reference number
ISO 11114-4:2005(E)
©
ISO 2005
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ISO 11114-4:2005(E)
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ISO 11114-4:2005(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols. 2
3.1 Terms and definitions. 2
3.2 Symbols . 3
4 General requirements. 3
5 Test methods. 4
5.1 Disc test (method A). 4
5.2 Fracture mechanic test (method B) . 9
5.3 Test method to determine the resistance to hydrogen assisted cracking of steel cylinders
(method C) . 13
5.4 Tensile tests . 16
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ISO 11114-4:2005(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.
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 11114-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 58, Gas cylinders.
ISO 11114 consists of the following parts, under the general title Transportable gas cylinders — Compatibility
of cylinder and valve materials with gas contents:
⎯ Part 1: Metallic materials
⎯ Part 2: Non-metallic materials
⎯ Part 3: Autogenous ignition test in oxygen atmosphere
⎯ Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement
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ISO 11114-4:2005(E)
Introduction
It is widely recognised that compressed hydrogen and some hydrogen bearing gases can have an embrittling
effect on metallic materials, especially steels. This embrittling effect has resulted in the failure of hydrogen
cylinders (including some bursts) that has led gas cylinder users and manufacturers to adopt specific
measures.
The adoption of these measures has eliminated all known failures of hydrogen cylinders from this
embrittlement phenomenon.
The basic recommendation was to minimise the stresses in the cylinder wall (see ISO 11114-1) and eliminate
harmful defects.
This tensile strength limit of 950 MPa was developed for quenched and tempered gas cylinders of 34 Cr Mo 4
type steels using steelmaking practices, chemistry and manufacturing techniques typical of those used during
the early 1980s and successfully used for filling pressures up to 300 bar. This practice has been in widescale
use up to the current time. Other higher pressures, although at lower tensile strength limits, have also been
used.
In recent years, improvements in steelmaking, e.g. by reducing the sulphur and phosphorus contents, have
indicated the possibility of increasing the tensile strength limit of 950 MPa for embrittling gas service, as a
result of improvements in the fracture toughness of the material.
Experimental work has shown that the relevant parameters affecting hydrogen embrittlement are the following:
a) microstructure resulting from the combination of the chemistry and the heat treatment;
b) mechanical properties of the material;
c) applied wall stress;
d) internal surface imperfections resulting in local stress concentrations;
e) characteristics of the gas contained (composition, quality, pressure, etc.).
When developing this part of ISO 11114 only the material aspects, a) and b) above, were considered. Other
essential features, c) and d), are covered by the relevant parts of ISO 9809.
This part of ISO 11114 specifies test methods to identify steels which, when combined with the cylinder
manufacturing requirements specified in ISO 9809 (all parts), will result in cylinders suitable for use in
embrittling gas service.
However, some low alloy steels other than 34 Cr Mo 4 may require tensile strength lower than 950 MPa to be
suitable for the manufacture of gas cylinders for embrittling gas service.
These tests have been developed following an extensive world-wide programme which incorporated
laboratory and full scale tests.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11114-4:2005(E)
Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and
valve materials with gas contents —
Part 4:
Test methods for selecting metallic materials resistant to
hydrogen embrittlement
1 Scope
This part of ISO 11114 specifies test methods and the evaluation of results from these tests in order to qualify
steels suitable for use in the manufacture of gas cylinders (up to 3 000 l) for hydrogen and other embrittling
gases.
This part of ISO 11114 only applies to seamless steel gas cylinders.
The requirements of this part of ISO 11114 are not applicable if at least one of the following conditions for the
1)
intended gas service is fulfilled :
⎯ the working pressure of the filled embrittling gas is less than 20 % of the test pressure of the cylinder;
⎯ the partial pressure of the filled embrittling gas of a gas mixture is less than 5 MPa (50 bar) in the case of
hydrogen and other embrittling gases, with the exception of hydrogen sulphide and methyl mercaptan in
which cases the partial pressure shall not exceed 0,25 MPa (2,5 bar).
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.
ISO 4287, Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions
and surface texture parameters
ISO 7539-1:1987, Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 1: General guidance on
testing procedures
ISO 7539-6:2003, Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 6: Preparation and use of
pre-cracked specimens for tests under constant load or constant displacement
ISO 9809-1, Gas cylinders — Refillable seamless steel gas cylinders — Design, construction and testing —
Part 1: Quenched and tempered steel cylinders with tensile strength less than 1 100 MPa
ISO 9809-2, Gas cylinders — Refillable seamless steel gas cylinders — Design, construction and testing —
Part 2: Quenched and tempered steel cylinders with tensile strength greater than or equal to 1 100 MPa
1) In such cases the cylinders may be designed as for ordinary (non embrittling) gases.
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ISO 11114-4:2005(E)
ISO 9809-3, Gas cylinders — Refillable seamless steel gas cylinders — Design, construction and testing —
Part 3: Normalized steel cylinders
ISO 11114-1:1997, Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve materials with gas
contents — Part 1: Metallic materials
ISO 11120, Gas cylinders — Refillable seamless steel tubes for compressed gas transport, of water capacity
between 150 l and 3 000 l — Design, construction and testing
3 Terms, definitions and symbols
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply. Some of the definitions used are
based upon those in ISO 7539-1:1987.
3.1.1
embrittling gases
gases listed in ISO 11114-1:1997, Table A.3, group 2 and Table A.12, group 11
3.1.2
hydrogen rupture pressure, P
H2
maximum pressure recorded during the hydrogen rupture pressure test
3.1.3
helium rupture pressure, P
He
maximum pressure recorded during the helium rupture pressure test
3.1.4
hydrogen embrittlement index
maximum value of the ratio P /P as a function of the pressure rise rate
He H2
3.1.5
environmentally-assisted cracking
synergistic effect on a metal caused by the simultaneous action of a particular environment and a nominally
static tensile stress, which results in the formation of cracking
3.1.6
threshold stress
stress above which a crack will initiate and grow, for the specified test conditions
3.1.7
plane strain stress intensity factor, K
1
function of applied load, crack length and specimen geometry having dimensions of stress × length
NOTE K uniquely defines the elastic stress field intensification at the tip of a crack subjected to opening mode
1
displacements.
3.1.8
threshold stress intensity factor for susceptibility to environmentally-assisted cracking, K
1H
stress intensity factor above which an environmentally-assisted crack will initiate and grow, for the specified
test conditions under conditions of high constraint to plastic deformation, i.e. under essentially plane strain
conditions
3.1.9
HAC
hydrogen assisted cracking
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ISO 11114-4:2005(E)
3.2 Symbols
For the purposes of this document, the following symbols apply.
a effective crack length measured from the crack tip to the loading plane
a average value of a
0
B specimen thickness
e the mean disc thickness
m
E modulus of elasticity
K applied elastic stress-intensity
IAPP
K threshold stress intensity factor
1H
m elastic displacement per unit load
P applied load
P actual rupture pressure
r
P ' corrected rupture pressure
r
P ' corrected hydrogen rupture pressure
r H2
P ' theoretical helium rupture pressure corresponding to the same pressure rise rate as for the hydrogen
r He
test, calculated by regression from the corrected helium rupture pressure
R actual value of tensile strength
m
R average of measured yield stress of three specimens from the test cylinder representing the HAC
P0,2
test specimen’s location at room temperature
V crack-mouth opening displacement (CMOD) defined as the mode 1 (also called opening-mode)
component of crack displacement due to elastic and plastic deformation, measured at the location on
a crack surface that has the greatest elastic displacement per unit load, m
W effective width of a compact specimen, measured from the back face to the loading plane
Y stress intensity factor coefficient derived from the stress analysis for a particular specimen geometry,
which relates the stress intensity factor for a given crack length to the load and specimen dimensions
4 General requirements
The test methods as described in Clause 5 are valid for working pressure up to 300 bar. For higher working
pressures additional verification shall be undertaken.
The tests shall be performed for selecting steels for hydrogen cylinders. Chromium–molybdenum steels,
quenched and tempered with a guaranteed maximum actual ultimate tensile strength of 950 MPa, do not need
to be tested and can safely be used for the construction of hydrogen cylinders. For carbon–manganese steels,
different limits may apply (see ISO 9809-1).
The tests described in Clause 5 are “qualification tests” for a given steel. This means that the tests need not
be repeated for each “type” of cylinder once a steel has been qualified for a specific design strength level.
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ISO 11114-4:2005(E)
The test samples shall be taken from a representative cylinder or from a piece of tube (for long cylinders
according to ISO 11120), representative of the relevant manufacturing process including heat treatment.
The test samples shall have a mechanical strength not lower than the maximum intended tensile strength to
be used for the cylinders to be manufactured. If it is intended later to increase the maximum strength of the
steel, a new qualification test shall be performed.
With respect to the possible variation of the chemical composition, the chemistry of the steel tested shall be
recorded in the qualification test report and the difference in chemistry for the steels actually used for the
cylinders shall not exceed the “permissible difference” according to ISO 9809-2. In addition, for sulphur and
phosphorus, these permissible differences are limited to 0,005 % and 0,010 %, respectively. In no case shall
the phosphorus content of either the qualification or the production cylinders exceed 0,015 %.
With respect to the heat treatment, the manufacturer shall specify the relevant temperatures and times, and
the quenching conditions (if relevant). Any modification to the heat treatment needing a new type approval
according to ISO 9809-2 requires a new qualification test.
For the qualification of a given steel for the manufacturing of gas cylinders, method A, B, or C can be used
(see 5.1, 5.2 and 5.3, respectively). Additionally, tensile tests shall be carried out (see 5.4).
5 Test methods
5.1 Disc test (method A)
5.1.1 Principle of test
A mounted test piece in the shape of a disc is subjected to an increasing gas pressure at constant rate to
burst or to crack. The embrittling effect of hydrogen is evidenced by comparing the hydrogen rupture
pressures P with the helium rupture pressures P , helium being chosen as a reference gas.
H2 He
The ratio P /P shall be determined.
He H2
The lower this ratio, the better will the steel type behave in the presence of hydrogen. This ratio is dependent
on the pressure rise rate, which shall remain constant during the whole test.
NOTE 1 Hydrogen rupture pressures also depend on the hydrogen purity. Oxygen or traces of water vapour can
partially inhibit the hydrogen embrittlement effect.
NOTE 2 The test can be carried out with any other embrittling gas or gas mixture (e.g. H S, hydrides).
2
The embrittlement index of the considered gas will then be defined similarly.
5.1.2 Test conditions and procedure
5.1.2.1 Sample disc
The sample disc shall be flat and ground (or machined to an equivalent surface finish), and shall have the
following characteristics.
Dimensions:
0
⎯ Diameter: 58 mm.
−0,5
⎯ Thickness: 0,75 mm ± 0,005 mm.
⎯ Flatness: less than 1/10 mm deflection.
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ISO 11114-4:2005(E)
Surface condition (both sides):
⎯ Roughness: Ra value (see ISO 4287) less than 0,001 mm. The roughness of the samples used for both
H and He tests shall be equivalent.
2
⎯ No trace of oxides.
The following operations shall be performed to verify the sample quality:
⎯ Immediately after the final preparation and prior to the testing, store the samples in a dry atmosphere, e.g.
a desiccator.
⎯ Degrease the sample and check thickness at 4 points taken 90° apart to define a mean thickness.
⎯ Determine the disc’s hardness (e.g. Vickers) over its outer circumference to verify that machining has not
altered the original material properties.
5.1.2.2 Cell and other apparatus
The cell (see Figure 1) is composed of 2 stainless steel flanges embedding the disc. A volume of
3
approximately 5 cm is provided below the disc. Above the disc a hi
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11114-4
Première édition
2005-08-01
Bouteilles à gaz transportables —
Compatibilité des matériaux des
bouteilles et des robinets avec les
contenus gazeux —
Partie 4:
Méthodes d'essai pour le choix de
matériaux métalliques résistants à la
fragilisation par l'hydrogène
Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve
materials with gas contents —
Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to
hydrogen embrittlement
Numéro de référence
ISO 11114-4:2005(F)
©
ISO 2005
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ISO 11114-4:2005(F)
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Fax. + 41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
ii © ISO 2005 – Tous droits réservés
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ISO 11114-4:2005(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes, définitions et symboles . 2
3.1 Termes et définitions. 2
3.2 Symboles . 3
4 Exigences générales . 4
5 Méthodes d'essai . 4
5.1 Essai au disque (méthode A). 4
5.2 Essai de mécanique de la rupture (méthode B) . 9
5.3 Méthode d'essai pour déterminer la résistance des bouteilles à gaz en acier à la
fissuration assistée par l'hydrogène (méthode C) . 13
5.4 Essais de traction . 16
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ISO 11114-4:2005(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.
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 11114-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 58, Bouteilles à gaz.
L'ISO 11114 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Bouteilles à gaz
transportables — Compatibilité des matériaux des bouteilles et des robinets avec les contenus gazeux:
Partie 1: Matériaux métalliques
Partie 2: Matériaux non métalliques
Partie 3: Essai d'auto-inflammation sous atmosphère d'oxygène
Partie 4: Méthodes d'essais pour le choix de matériaux métalliques résistants à la fragilisation par
l'hydrogène
iv © ISO 2005 – Tous droits réservés
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ISO 11114-4:2005(F)
Introduction
Il est généralement reconnu que l'hydrogène comprimé et certains gaz hydrogénés peuvent avoir un effet
fragilisant sur les matériaux métalliques et notamment sur les aciers. Cette action fragilisante a provoqué la
rupture de bouteilles à gaz (y compris l'explosion dans certains cas), ce qui a amené les utilisateurs et
fabricants de bouteilles à gaz à adopter des mesures spécifiques.
L'adoption de ces mesures a éliminé tous ces cas de rupture connus de bouteilles à hydrogène dus à ce
phénomène de fragilisation.
La recommandation fondamentale a consisté à minimiser les contraintes dans les fûts des bouteilles (voir
l'ISO 11114-1) et à éliminer les défauts dangereux.
La limite de résistance à la traction de 950 MPa a été élaborée pour les bouteilles à gaz trempées et revenues
en acier du type 34 Cr Mo 4 correspondant aux pratiques de fabrication d'acier, aux compositions chimiques
et aux techniques de fabrication types de celles qui étaient en vigueur au début des années 80, et qui ont été
utilisées avec succès pour des pressions de remplissage jusqu'à 300 bar. Cette pratique a largement été mise
en œuvre jusqu'à maintenant. D'autres pressions plus élevées, bien qu'avec des limites de résistance à la
traction plus faibles, ont également été utilisées.
Ces dernières années, des progrès dans la fabrication des aciers, par exemple en diminuant la teneur en
soufre et en phosphore, ont montré qu'il était possible d'accroître la limite de résistance à la traction de
950 MPa pour une utilisation avec du gaz fragilisant grâce à une amélioration de la ténacité à la rupture du
matériau.
Des travaux expérimentaux ont montré que les paramètres à prendre en compte pour la fragilisation à
l'hydrogène sont les suivants:
a) la microstructure résultant de l'effet combiné de la composition chimique et du traitement thermique;
b) les propriétés mécaniques des matériaux;
c) la contrainte appliquée sur les parois;
d) les défauts de surface internes aboutissant à une concentration locale de la contrainte;
e) les caractéristiques du gaz contenu (composition, qualité, pression, etc.).
Lors de la mise au point de la présente partie de l'ISO 11114, seuls les aspects portant sur le matériau, a) et
b) ci-dessus, ont été pris en compte. D'autres caractéristiques essentielles, c) et d), sont traitées dans les
parties correspondantes de l'ISO 9809.
La présente partie de l'ISO 11114 spécifie les méthodes d'essai qui, lorsqu'elles seront combinées avec les
exigences de fabrication des bouteilles stipulées dans l'ISO 9809 (toutes les parties), permettront d'obtenir
des bouteilles aptes à être utilisées avec un gaz fragilisant.
Toutefois, certains aciers faiblement alliés autres que le 34 Cr Mo 4 peuvent demander une résistance à la
traction inférieure à 950 MPa pour pouvoir être utilisés pour la fabrication de bouteilles à gaz destinées à
recevoir un gaz fragilisant.
Ces essais ont été mis au point suite à un important programme mondial ayant impliqué des essais en
laboratoire et des essais grandeur nature.
© ISO 2005 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 11114-4:2005(F)
Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux
des bouteilles et des robinets avec les contenus gazeux —
Partie 4:
Méthodes d'essai pour le choix de matériaux métalliques
résistants à la fragilisation par l'hydrogène
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 11114 spécifie des méthodes d'essai et l'évaluation des résultats de ces essais
permettant de retenir les aciers pouvant être utilisés pour fabriquer des bouteilles à gaz (jusqu'à 3 000 l) pour
l'hydrogène et d'autres gaz fragilisants.
La présente partie de l'ISO 11114 s'applique uniquement aux bouteilles à gaz en acier sans soudure.
Les exigences de la présente partie de l'ISO 11114 ne s'appliquent pas si au moins l'une des conditions
1)
suivantes concernant l'utilisation avec le gaz prévu, est remplie :
la pression d'utilisation du gaz fragilisant dans la bouteille représente moins de 20 % de la pression
d'épreuve de la bouteille;
la pression partielle du gaz fragilisant du mélange gazeux contenu dans la bouteille représente moins de
5 MPa (50 bar) dans le cas de l'hydrogène et d'autres gaz fragilisants, sauf pour le sulfure d'hydrogène et
le méthyle de mercaptan pour lesquels la pression partielle ne doit pas dépasser 0,25 MPa (2,5 bar).
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 (y compris les éventuels amendements) s'applique.
ISO 4287, Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Méthode du profil — Termes,
définitions et paramètres d'état de surface
ISO 7539-1:1987, Corrosion des métaux et alliages — Essais de corrosion sous contrainte — Partie 1: Guide
général des méthodes d'essai
ISO 7539-6:2003, Corrosion des métaux et alliages — Essais de corrosion sous contrainte — Partie 6:
Préparation et utilisation des éprouvettes préfissurées pour essais sous charge constante ou sous
déplacement constant
ISO 9809-1, Bouteilles à gaz — Bouteilles à gaz rechargeables en acier sans soudure — Conception,
construction et essais — Partie 1: Bouteilles en acier trempé et revenu ayant une résistance à la traction
inférieure à 1 100 MPa
1) Dans de tels cas, les bouteilles peuvent être conçues comme pour des gaz ordinaires (non fragilisants).
© ISO 2005 – Tous droits réservés 1
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ISO 11114-4:2005(F)
ISO 9809-2, Bouteilles à gaz — Bouteilles à gaz rechargeables en acier sans soudure — Conception,
construction et essais — Partie 2: Bouteilles en acier trempé et revenu ayant une résistance à la traction
supérieure ou égale à 1 100 MPa
ISO 9809-3, Bouteilles à gaz — Bouteilles à gaz rechargeables en acier sans soudure — Conception,
construction et essais — Partie 3: Bouteilles en acier normalisé
ISO 11114-1:1997, Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux des bouteilles et des
robinets avec les contenus gazeux — Partie 1: Matériaux métalliques
ISO 11120, Bouteilles à gaz — Tubes en acier sans soudure rechargeables d'une contenance en eau de
150 l à 3 000 l — Conception, construction et essais
3 Termes, définitions et symboles
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent. Certaines des
définitions employées sont basées sur celles de l'ISO 7539-1:1987.
3.1.1
gaz fragilisants
gaz cités dans l'ISO 11114-1:1997, Tableau A.3, groupe 2 et Tableau A.12, groupe 11
3.1.2
pression de rupture à l'hydrogène, P
H2
pression maximale enregistrée au cours de l'essai de rupture sous pression d'hydrogène
3.1.3
pression de rupture à l'hélium, P
He
pression maximale enregistrée au cours de l'essai de rupture sous pression d'hélium
3.1.4
indice de fragilisation à hydrogène
valeur maximale du rapport P /P en fonction de la vitesse de montée en pression
He H2
3.1.5
fissuration assistée par l'environnement
effet synergique sur un métal provoqué par l'action simultanée d'un environnement particulier et d'une
contrainte de traction principalement statique, aboutissant à la formation d'une fissure
3.1.6
contrainte limite
contrainte au-delà de laquelle s'amorcent et se développent des fissures, dans des conditions d'essai
spécifiées
3.1.7
facteur d'intensité de contrainte en régime de déformation plane, K
1
fonction de la charge appliquée, de la longueur de la fissure et de la géométrie de l'éprouvette, ayant les
dimensions du produit contrainte ¥ longueur
NOTE K définit de façon univoque l'intensification du champ de contrainte élastique à la pointe d'une fissure
1
soumise à des déplacements associés aux modes d'ouverture.
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3.1.8
facteur d'intensité de contrainte limite pour la sensibilité à la fissuration assistée par l'environnement,
K
1H
facteur d'intensité de contrainte au-delà duquel une fissuration assistée par l'environnement s'amorce et se
développe, dans des conditions d'essai prescrites correspondant à une forte résistance à la déformation
plastique, c'est-à-dire dans des conditions prédominantes de déformation plane
3.1.9
HAC
fissuration assistée par l'hydrogène
3.2 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles suivants s'appliquent.
a longueur effective de la fissure mesurée depuis l'extrémité de la fissure jusqu'au plan de mise en
charge
a valeur moyenne de a
0
B épaisseur de l'éprouvette
e épaisseur moyenne du disque
m
E module d'élasticité
K intensité de contrainte élastique appliquée
IAPP
K facteur d'intensité de contrainte limite
1H
m déplacement élastique par charge unitaire
P charge appliquée
P pression réelle de rupture
r
P ' pression de rupture corrigée
r
P ' pression de rupture corrigée sous hydrogène
r H2
P ' pression de rupture sous hélium théorique correspondant à la même vitesse de montée en pression
r He
que pour l'essai sous hydrogène, calculée par régression linéaire à partir de la pression de rupture
corrigée obtenue sous hélium
R valeur réelle de la résistance à la traction
m
R moyenne de la limite d'écoulement mesurée sur trois éprouvettes provenant de la bouteille d'essai
P0,2
représentant l'emplacement des éprouvettes pour l'essai HAC (fissuration assistée par l'hydrogène)
à température ambiante
V déplacement de l'ouverture du début de la fissure (CMOD) défini par le composant du mode 1
(également appelé mode d'ouverture) du déplacement de la fissure dû à la déformation élastique et
plastique, mesurée à l'emplacement sur la surface de la fissure qui a le déplacement élastique par
charge unitaire, m, le plus important
W largeur effective d'une éprouvette compacte, mesurée depuis sa face postérieure jusqu'au plan de
mise en charge
Y coefficient du facteur d'intensité de contrainte, dérivé de l'analyse de contrainte pour une géométrie
d'éprouvette particulière reliant le facteur d'intensité de contrainte pour une longueur de fissure
donnée à la charge et aux dimensions de l'éprouvette
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4 Exigences générales
Les méthodes d'essai décrites à l'Article 5 sont valables pour une pression de service allant jusqu'à 300 bar.
Pour les pressions de service supérieures, on doit procéder à des vérifications supplémentaires.
Les essais doivent être réalisés en vue de sélectionner les aciers pour bouteilles hydrogène. Les aciers au
chrome molybdène, trempés et revenus ayant une résistance à la traction maximale garantie de 950 MPa,
n'ont pas besoin de subir ces essais et peuvent être utilisés sans risque pour la construction de bouteilles à
hydrogène. Pour les aciers au carbone manganèse, différentes limites peuvent s'appliquer, voir l'ISO 9809-1.
Les essais décrits à l'Article 5 sont des «essais de qualification» pour un acier donné, ce qui signifie que les
essais n'ont pas à être répétés pour chaque «type» de bouteille, une fois que l'acier a reçu une qualification
pour un certain niveau de résistance.
Les éprouvettes doivent être prélevées sur une bouteille à gaz représentative ou sur un élément de tube (pour
les bouteilles longues en conformité avec l'ISO 11120) qui soit représentatif du processus de fabrication
approprié y compris pour le traitement thermique.
Les éprouvettes d'essai doivent avoir une résistance mécanique qui ne soit pas inférieure à la résistance
maximale que l'on prévoit d'utiliser pour les bouteilles à fabriquer. S'il est prévu ultérieurement d'accroître la
résistance maximale de l'acier, on doit alors réaliser un autre essai de qualification.
Concernant une éventuelle variation de composition chimique, la composition de l'acier soumis à l'essai doit
être notifiée dans le rapport d'essai et la différence de composition pour les aciers réellement utilisés pour les
bouteilles ne doit pas dépasser «la différence admissible», telle que définie dans l'ISO 9809-2. De plus, pour
le soufre et le phosphore, ces différences admissibles sont limitées respectivement à 0,005 % et à 0,010 %.
En aucun cas la teneur en phosphore, soit du prototype, soit des bouteilles fabriquées, ne doit dépasser
0,015 %.
Concernant le traitement thermique, le fabricant doit spécifier les températures et durées appropriées et les
conditions de trempe (le cas échéant). Toute modification du traitement thermique aboutissant à une nouvelle
homologation, telle que définie dans l'ISO 9809-2, oblige à un nouvel essai de qualification.
Pour la qualification d'un acier donné devant être utilisé pour la fabrication des bouteilles à gaz, il est possible
d'utiliser soit la méthode A, soit la méthode B, soit la méthode C (voir 5.1, 5.2 et 5.3). De plus, on doit réaliser
des essais de traction (voir 5.4).
5 Méthodes d'essai
5.1 Essai au disque (méthode A)
5.1.1 Principe de l'essai
Une éprouvette montée en forme de disque est soumise à une pression de gaz croissante à vitesse constante
jusqu'à l'éclatement ou la fissuration. L'effet fragilisant de l'hydrogène est mis en évidence en comparant les
pressions de rupture hydrogène P aux pressions de rupture hélium P , l'hélium étant choisi comme gaz de
H2 He
référence.
Le rapport P /P doit être déterminé.
He H2
Plus ce rapport sera faible, plus le comportement de l'acier sera bon en présence de l'hydrogène. Ce rapport
dépend de la vitesse de montée en pression qui doit rester constante pendant toute la durée de l'essai.
NOTE 1 Les pressions de rupture hydrogène dépendent aussi de la pureté de l'hydrogène. L'oxygène ou des traces de
vapeur d'eau peuvent en partie inhiber l'effet de fragilisation de l'hydrogène.
NOTE 2 Il est possible de réaliser l'essai avec tout autre gaz ou mélange gazeux fragilisant (par exemple H S,
2
hydrures). L'indice de fragilisation du gaz considéré sera alors défini de la même façon.
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5.1.2 Conditions d'essai et mode opératoire
5.1.2.1 Disque d'échantillon
Le disque échantillon doit être plan et rectifié (ou usiné pour obtenir un état de surface équivalent) et avoir les
caractéristiques suivantes:
Dimensions:
0
diamètre: 58 mm;
−0,5
épaisseur: 0,75 mm ± 0,005 mm;
planéité: flèche inférieure à 1/10 mm.
État de surface (des deux côtés):
rugosité: valeur Ra (voir l'ISO 4287) profondeur inférieure à 0,001 mm. La rugosité des échantillons,
utilisés pour les essais H et He doit être équivalente;
2
pas de trace d'oxydation.
Les opérations suivantes doivent être effectuées pour vérifier la qualité de l'échantillon:
immédiatement après la préparation finale et avant de procéder à l'essai, stocker les échantillons dans
une atmosphère sèche, par exemple un dessiccateur;
procéder à un dégraissage de l'échantillon et à une vérification de son épaisseur en 4 points pris avec un
espacement de 90° afin de définir une épaisseur moyenne;
déterminer la dureté du disque (Vickers par exemple) sur la totalité de la circonférence extérieure, afin de
vérifier que l'usinage n'a pas modifié les propriétés initiales du matériau.
5.1.2.2 Cellule et autre appareillage
La cellule (voir Figure 1) se compose de 2 brides en acier inoxydable encastrant le disque. Un volume de
3
5 cm environ se trouve sous le disque. Une bague en acier haute résistance (R W 1 100 MPa) est montée
m
au-dessus du disque. Le diamètre d'encastrement est de 25,5 mm et le rayon de courbure de la bague au
niveau du diamètre d'encastrement est de 0,5 mm.
Après rupture du disque, il peut y avoir échappement de gaz soit par le conduit du flasque bas, soit par celui
du flasque haut qui fait communiquer la cavité avec l'extérieur. Cela permet la mise sous vide de l'installation
ainsi que le contrôle de la pureté de l'hydrogène qui doit être exempt d'oxygène (O < 1 µl/l) et de vapeur
2
2)
d'eau (H O < 3 µl/l) . Cela permet aussi de contrôler le débit de gaz pour régler la vitesse de montée en
2
pression.
Le dispositif d'étanchéité doit être un joint torique en élastomère pour les essais réalisés sous hélium, et pour
les essais à l'hydrogène à des vitesses supérieures à 10 bar/min. Pour un essai à l'hydrogène n'excédant pas
10 bar/min, on doit utiliser des joints toriques en indium.
Pour l'assemblage des brides, il convient d'utiliser dix boulons en acier de haute résistance, de type M 10 ou
équivalent. Le couple de serrage doit être de 30 N◊m pour les joints en élastomère et de 100 N◊m pour les
joints en indium.
L'hydrogène et l'hélium doivent être stockés dans des récipients haute pression reliés aux cellules d'essai.
Une vanne de laminage située entre le réservoir et la cellule doit être utilisée pour régler la vitesse de montée
en pression.
2) 1 µl/l = 1 ppm. L'emploi de ppm est déconseillé.
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5.1.2.3 Mode opératoire
Les opérations suivantes doivent être effectuées pour obtenir des performances d'essai satisfaisantes:
pompage de la cellule pour éliminer toute trace d'air ou d'humidité absorbée sur les parois; on peut
effectuer également des cycles de balayage avec le gaz utilisé suivi d'un pompage sous vide pour
améliorer l'efficacité du nettoyage;
contrôle de la pureté du gaz avant essai;
réglage du débit de gaz pour obtenir la vitesse de montée en pression;
isolement de la cellule (au début de la montée en pression).
La vitesse de la montée en pression doit être suivie pendant toute la durée de l'essai. Cette montée en
pression doit être régulière et maintenue aussi constante que possible, à l'erreur près correspondant à la
variation du facteur de compressibilité du gaz en fonction de la pression.
Les pressions de rupture doivent être relevées en fin d'essai sur les enregistrements. Le capteur de pression
doit avoir une précision de ± 2 % de la pression de rupture à mesurer.
Les essais doivent être réalisés sous hydrogène (qualité, voir 5.2.2.3) et sous hélium (H O < 3 µl/l) pour une
2
gamme de vitesses de montée en pression régulièrement réparties entre 0,1 bar/min et 1 000 bar/min. Dans
cette gamme, la vitesse de montée en pression donnant la pression de rupture minimale doit être établie (voir
Figure 2). Cette valeur minimale doit être utilisée dans la conduite du reste des essais. On peut généralement
estimer qu'il est le plus souvent nécessaire de réaliser 6 essais sous hélium et 9 essais sous hydrogène (soit
au total 15 essais) pour qualifier correctement un matériau.
5.1.3 Exploitation et interprétation des résultats d'essai
5.1.3.1 Épaisseur des disques
On doit systématiquement corriger la pression de rupture, P , pour tenir compte de l'écart par rapport à la
r
valeur «idéale» correspondant à un essai sur un disque d'épaisseur standard.
La pression de rupture corrigée, P ', doit être donnée par la formule
r
P × 0,75
r
P' =
r
e
m
où e est l'épaisseur moyenne du disque.
m
5.1.3.2 Présentation et interprétation des résultats d'essai
Les pressions de rupture, corrigées comme indiqué en 5.1.3.1, doivent être reportées sur une courbe, en
fonction de la vitesse moyenne de montée en pression (pression réelle de rupture divisée par la durée de
l'essai), exprimées en bar/min (voir Figure 2).
Pour chaque essai sous hydrogène, on doit calculer le rapport
P ' /P '
r He r H2
où
P ' est la pression de rupture sous hélium théorique correspondant à la même vitesse de montée en
r He
pression que l'essai sous hydrogène, calculée par régression linéaire à partir de la pression de
rupture corrigée obtenue sous hélium;
P ' est la pression de rupture corrigée sous hydrogène.
r H2
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Les rapports P ' /P ' doivent être reportés sur une courbe en fonction de la vitesse de montée en pression
r He r H2
(voir Figure 3).
L'interprétation des résultats doit être faite en gardant à l'esprit que l'indice de fragilisation d'un matériau est la
valeur maximale de ce rapport et qu'un matériau doit être considéré comme utilisable pour les bouteilles
d'hydrogène comprimé si cet indice est inférieur ou égal à 2.
5.1.4 Rapport d'essai
Les conditions d'essai détaillées (pureté du gaz, pression de rupture, dureté de l'éprouvette, rapport
P ' /P ' , indice de fragilisation) et le dessin de conception de la bouteille, ainsi que les propriétés du
r He r H2
matériau, la composition chimique et les conditions de traitement thermique de la bouteille soumise à l'essai,
doivent figurer au rapport d'essai.
Légende
1 orifice pour mise sous vide et réglage du débit 6 disque
2 orifice pour échappement 7 joint torique
3 bride supérieure 8 bride inférieure
4 trou de boulon 9 entrée de gaz
5 bague en acier haute résistance
Figure 1 — Montage d'essai (cellule d'essai)
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X vitesse de montée en pression (bar/min)
Y pression de rupture corrigée (bar)
Légende
1 courbe de régression
2 pressions de rupture corrigées sous hélium (P ' )
r He
3 pressions de rupture corrigées sous hydrogène (P ' )
r H2
Figure 2 — Exemples de pressions de rupture corrigées sous hydrogène et sous hélium
en fonction de la vitesse de montée en pression
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X vitesse de montée en pression (bar/min)
Y P ' /P '
r He r H2
Légende
1 indice de fragilisation à l'hydrogène
Figure 3 — Exemples de rapports P ' /P ' en fonction de la vitesse de montée en pression
r He r H2
5.2 Essai de mécanique de la rupture (méthode B)
5.2.1 Principe de la méthode d'essai
Il s'agit d'une méthode de détermination du facteur d'intensité de contrainte limite (K ) concernant la
1H
sensibilité à la fissuration des matériaux métalliques au contact de l'hydrogène gazeux.
Le mode opératoire porte sur l'utilisation d'éprouvettes de tension compactes usinées, selon la description de
l'ISO 7539-6 permettant de déterminer le facteur d'intensité de contrainte limite, décrit dans l'ISO 7539-1.
L'essai porte sur l'utilisation d'une éprouvette contenant une entaille usinée. Cette entaille est agrandie par
une fissuration par fatigue sous une charge de traction augmentant par palier avec une exposition à un
environnement d'hydrogène gazeux sous pression. Le but est de quantifier les conditions dans lesquelles une
propagation de la fissure due à l'environnement peut se produire.
Si les échantillons satisfont aux conditions d'essai, le matériau est considéré comme acceptable pour des
bouteilles à gaz remplies d'hydrogène comprimé.
5.2.2 Mode opératoire
5.2.2.1 Type d'éprouvette
L'essai porte sur l'utilisation d'une d'éprouvette de type compacte pour essai en traction (CT) selon la
géométrie do
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.