Les aciers à haute résistance offrent de nombreux avantages à l'industrie des pipelines. Ces aciers permettent l'utilisation de tuyaux plus minces à des pressions de service plus élevées. Ces aciers peuvent également réduire les coûts de construction totaux. Cependant, alors que les propriétaires et les concepteurs de pipelines se tournent vers ces nouveaux aciers, ils présentent un défi pour l'industrie du soudage et de la fabrication qui doit répondre par des moyens rentables de les assembler. Pour compliquer les choses, ces aciers hautes performances ont surpassé le métal de soudure fabriqué de manière conventionnelle en termes de résistance à la fissuration par l'hydrogène et de ténacité à la rupture.

La dernière évolution de ces aciers pour tubes à haute résistance est le X-80, avec un rendement minimum spécifié de 80 ksi. Avec des aciers encore plus avancés attendus prochainement, des opportunités uniques sont créées pour l'industrie du soudage à l'arc pour introduire de nouveaux consommables et procédés de soudage capables de souder ces aciers à haute résistance. La priorité de l’industrie du soudage est la qualité. Tous les fabricants de pipelines doivent fournir des soudures reproductibles et de haute qualité - la première fois.

Puisque le SMAW a été adéquat pour produire des pipelines sûrs et économiques, l'industrie a tardé à adopter les progrès les plus récents dans le développement des procédés de soudage. Les électrodes SMAW, c'est-à-dire cellulosiques, sont restées le processus le plus courant pour le soudage de pipelines et ont une plus grande capacité que d'autres processus à s'adapter à des conditions non idéales telles qu'un mauvais ajustement à un changement de terrain. Cependant, au fur et à mesure que la résistance de l'acier augmente, le risque de défaillance augmente, soit en raison de la fissuration à l'hydrogène, soit d'une ténacité réduite. C'est ce risque de fissuration à l'hydrogène qui est le principal problème avec les électrodes cellulosiques SMAW dans les applications à haute résistance.

L'hydrogène se dissout dans la flaque d'eau fondue pendant le soudage. Lors du refroidissement, diffusable, par opposition à lié chimiquement, l'hydrogène peut provoquer une porosité pendant la solidification et la fissuration dans la soudure finie. Cette humidité provient principalement de l'humidité et des composants organiques. Les tentatives d'adaptation des procédés et procédures de soudage au X-80 et aux aciers à plus haute résistance doivent être évaluées. Pour tirer parti de la résistance du tuyau, le métal de soudure doit correspondre à la résistance du tuyau ou la dépasser. Le processus de soudage et les consommables doivent être contrôlés pour minimiser le risque de rupture fragile de la soudure pendant la fabrication du pipeline et le risque résultant de fissuration par l'hydrogène. De plus, les exigences d'une productivité plus élevée


introduction
Des procédés manuels à faible teneur en hydrogène adaptés au soudage de la circonférence des conduites sont disponibles depuis un certain temps, mais malgré leur disponibilité et leurs avantages en termes de sensibilité aux fissures réduite, ils ont rarement été utilisés en production jusqu'à présent.

Avec l'avènement des nouveaux aciers à haute résistance tels que le X-80, tout grand projet de pipeline considérera, sinon utiliser, ces nuances d'acier pour tuyaux, et par conséquent, les entrepreneurs et les ingénieurs doivent accepter les progrès des procédés de soudage.

Les nouveaux aciers à haute résistance offrent de nombreux avantages à l'industrie des pipelines. Ces aciers permettent l'utilisation de tuyaux plus minces à des pressions de service plus élevées. Ces aciers peuvent également réduire les coûts de construction totaux. Cependant, alors que les propriétaires et les concepteurs de pipelines se tournent vers ces nouveaux aciers, ils présentent un défi pour l'industrie du soudage et de la fabrication qui doit répondre par des moyens rentables de les assembler. Pour compliquer les choses, ces aciers hautes performances ont surpassé le métal de soudure fabriqué de manière conventionnelle en termes de résistance à la fissuration par l'hydrogène et de ténacité à la rupture.

Fabriqué en utilisant une combinaison de traitement thermique et de traitement mécanique qui produit une résistance plus élevée sans alliage plus élevé significatif. De telles avancées dans le traitement thermomécanique des aciers (TMCP) permettent d'atteindre l'équilibre entre résistance et ténacité, mais avec une plus grande résistance à la fissuration des zones affectées thermiquement.

Avec tous les facteurs positifs concernant les matériaux à plus haut rendement, le plus grand défi est de savoir comment souder ces aciers. L'acier tubulaire n'est plus le facteur métallurgique limitant. Par exemple, les aciers ne sont plus aussi sensibles à la fissuration à l'hydrogène que les matériaux de soudure conventionnels. C'est pourquoi il est important d'examiner la fissuration à l'hydrogène et les solutions potentielles en relation avec le métal de soudure.



Craquage d'hydrogène
C'est le principal problème des électrodes cellulosiques SMAW dans les applications à haute résistance. Cet hydrogène provient principalement de la combustion du revêtement d'électrode, qui contient de l'humidité et des composants organiques. L'hydrogène se dissout dans la flaque fondue pendant le soudage. Lors du refroidissement, diffusable, par opposition à lié chimiquement, l'hydrogène peut provoquer une porosité pendant la solidification et la fissuration dans la soudure finie. C'est pourquoi il est essentiel que les niveaux d'hydrogène soient minimisés pour que la soudure soit considérée comme saine.

En ce qui concerne la question de l'hydrogène, l'enjeu est de minimiser le risque de fissuration du métal de soudure en contrôlant les facteurs connus pour être influents.

1. Minimisez la quantité d'hydrogène disponible grâce à une sélection judicieuse des commandes de consommables et / ou de procédés de soudage.

2. Minimisez les contraintes, tant résiduelles qu'appliquées.

3. Minimisez la résistance du métal de soudure, contrôlant ainsi la susceptibilité de la microstructure. Certaines industries ont utilisé avec succès des métaux de soudure de résistance inférieure, en fonction des exigences de conception.

Il est à noter qu'en ce qui concerne l'hydrogène, le risque de fissuration peut être minimisé, mais il est impossible à éliminer. Étant donné que toutes les microstructures en acier sont quelque peu sensibles à la fissuration, il s'agit simplement de contrôler simultanément les niveaux d'hydrogène et de contrainte.

Un rapport publié en 1996 par The Welding Institute intitulé «Évaluation des procédés à faible teneur en hydrogène pour la construction de pipelines en acier à haute résistance» (PR-164-9330) qui a étudié les procédés appropriés pour le soudage des tuyaux de qualité X80 a rapporté,

        «Les performances de soudage de racine les plus réussies ont été obtenues en utilisant la source d'alimentation Lincoln Electric STT® et le fil d'électrode LA90. La source d'alimentation STT a fourni un contrôle très précis du transfert de métal en court-circuit, ce qui a entraîné de bonnes caractéristiques de manipulation, des billes bien fusionnées, un minimum des projections et des émissions de fumée plus faibles. Le soudeur TWI impliqué dans les essais déposait des perles de racine satisfaisantes dans les deux heures suivant leur introduction dans la machine à souder. Les vitesses de soudage des racines étaient comparables à celles du cellulosique. "

Quelle est la bonne façon de joindre un tuyau?
Cela dépend de nombreuses variables, y compris l’aménagement, l’accessibilité, le terrain, s’il s’agit d’un raccordement ou d’un croisement, qu’il s’agisse d’une soudure de réparation, de la compétence du soudeur et d’un certain nombre d’autres facteurs.

Chaque procédé de soudage possible a ses propres mérites, et il n'y a pas de réponse claire unique pour chaque application. Les tentatives d'adaptation des procédés de soudage pour les aciers à plus haute résistance doivent être envisagées. De plus, les exigences de productivité et de qualité accrues sont toujours présentes.


Soudage à la racine
Traditionnellement, le soudage de la racine et de la passe à chaud était réalisé à l'aide d'une électrode cellulosique à haute teneur en hydrogène.
Cependant, sur les matériaux de type X-80, des restrictions s'appliquent. Le dépôt de petites passes de soudure à des vitesses de déplacement élevées est possible avec un contrôle suffisant de la température de préchauffage.

Le préchauffage est nécessaire pour ralentir la vitesse de refroidissement de la soudure, permettant ainsi à l'hydrogène de se diffuser, en outre, l'utilisation du préchauffage peut également aider à contrôler les contraintes résiduelles dans la zone de soudure.

Bien que cette approche ne sacrifie rien en termes de taux de dépôt par rapport aux pratiques actuelles sur les tuyaux à faible rendement, la nécessité de niveaux potentiellement élevés de préchauffage peut limiter la productivité globale.

Il est actuellement déconseillé de souder avec des électrodes cellulosiques sur du X-80 de plus de 10 mm d'épaisseur.

L'utilisation d'électrodes à revêtement basique «à faible teneur en hydrogène» pour le soudage passe-racine est un problème de productivité. Bien qu'ils puissent produire un dixième du niveau d'hydrogène par rapport à une électrode cellulosique, le principal inconvénient est que le processus est lent par rapport à tout autre processus, à l'exception du soudage à l'arc au gaz tungstène (GTAW).

Alors que le SMAW a été utilisé et peut être utilisé pour créer des assemblages soudés de qualité acceptable dans les aciers à haut rendement, les problèmes de productivité rendent le SMAW moins attrayant que le soudage avec un processus de fil continu. Puisqu'il existe un plafond de résistance pour les électrodes cellulosiques en raison des niveaux d'hydrogène élevés et des faibles niveaux de productivité avec les électrodes basiques à faible teneur en hydrogène, des alternatives sont nécessaires.


Productivité de soudage
Pour le soudage sur site de pipelines, il s'agit du temps écoulé pour retirer le collier de serrage, qui est l'indicateur critique de la productivité du soudage. Le temps écoulé dépendra d'un certain nombre de facteurs, notamment la résistance du dépôt de soudure, la dimension du ligament soudé et le niveau d'hydrogène présent.

La vitesse de soudage passe-fond détermine l'avancement de la construction et c'est donc le point focal qui se prête le mieux aux avancées technologiques. Les systèmes mécanisés peuvent souder plus rapidement que les systèmes manuels ou semi-automatiques, à condition que les précautions nécessaires soient prises dans la préparation et le montage des joints pour assurer un contrôle approprié du processus.


Préparation et présentation
En soudage manuel et semi-automatique, les compagnons ou le tuyauteur ont une tolérance dans laquelle le soudeur peut compenser la variation de l'ajustement du joint. Dans le soudage automatique, cette tolérance est plus critique, c'est pourquoi la géométrie du biseau, l'alignement et l'espacement doivent être traités mécaniquement.

Préparation - Machines à dresser les tuyaux (PFM). La rondeur et la consistance du joint sont plus importantes lors de la réalisation de soudures à l'aide d'un système automatisé. Par conséquent, l'utilisation d'un PFM sur le terrain est essentielle au succès et à la qualité de la soudure, que l'on utilise une machine de passe de racine interne ou externe.

Présentation - Après préparation, deux approches peuvent être adoptées. Une approche consiste à faire souder la passe de racine en mode arc court à l'intérieur du tuyau avec plusieurs torches. Les cadences de production peuvent être élevées, mais le processus nécessite un grand soin dans la préparation et le montage des joints. Si ce n'est pas parfait, il y a plus de chances que de nombreuses soudures de mauvaise qualité soient effectuées dans un laps de temps très court.

Une deuxième option consiste à souder la passe de racine de l'extérieur en utilisant une pince d'écartement d'alignement interne, illustrée ci-dessus. La séquence de fonctionnement est quelque peu différente de celle des pinces internes conventionnelles, car le collier de serrage interne / entretoise est d'abord situé dans le tuyau et le premier jeu de mandrins internes est élargi en un mandrin dur. Cela aligne la pince avec l'ID du tuyau et supprime toute ovalité.

La deuxième étape consiste à rapprocher la section suivante du tuyau. Le deuxième jeu de mandrins est alors engagé, qui saisit le morceau de tuyau dans un mandrin souple. Une fois dans un mandrin souple, la pince est espacée, ce qui force les deux tuyaux ensemble.

Avec un jeu de mandrins dans un état souple, ils permettent au tuyau de se déplacer, de sorte que les deux faces du tuyau sont aboutées ensemble. Le deuxième ensemble de mandrins est ensuite actionné dans un mandrin dur, qui supprime à nouveau toute ovalité. La dernière étape consiste à espacer la pince, en donnant aux compagnons / monteur un espace uniforme prédéterminé autour du tuyau.

Les procédés de soudage semi-automatique / automatique à l'arc de métal à gaz offrent une opportunité pour une productivité et des taux de dépôt accrus en raison de moins d'arrêts / démarrages. Cependant, traditionnellement le mode court-circuit a été identifié comme présentant un risque d'absence de fusion.

Le soudage à l'arc court normal est considéré comme un faible apport de chaleur. Cependant, le courant, qui est proportionnel à la vitesse d'alimentation du fil, peut être augmenté pour donner une entrée plus élevée et une pénétration accrue. Cela peut aboutir à un juste équilibre entre trop peu et trop, et nécessite une compétence considérable de l'opérateur afin d'éviter des défauts comme des «moustaches» internes. Il doit y avoir suffisamment de chaleur pour fusionner les bords intérieurs, mais pas au point de «souffler». L'opérateur doit chevaucher la flaque d'eau avec l'arc pour obtenir la pénétration correcte et n'a pas beaucoup de place pour la déviation.

Ces défauts peuvent être facilement détectés par une évaluation non destructive standard de l'industrie, telle que la radiographie et l'inspection par ultrasons. D'un autre côté, GMAW a ses avantages. Étant donné que les niveaux d'hydrogène avec GMAW sont généralement faibles, les exigences de préchauffage sont minimes et la fissuration est rarement un problème.

Transfert de court-circuit contrôlé (STT)
Un domaine d'innovation récente qui, en tant qu'avantage opérationnel sur les tuyaux à haute résistance, concerne le passage de racine à espace ouvert externe utilisant le mode de transfert contrôlé de court-circuit

Le mode de transfert contrôlé sur court-circuit est différent à plusieurs égards du processus CV conventionnel. La source d'alimentation STT ne fonctionne ni en courant constant (CC) ni en tension constante (CV), il s'agit plutôt d'une machine à large bande et à courant contrôlé dans laquelle la puissance de l'arc est basée sur les exigences instantanées de l'arc.

En principe, il s'agit d'une source d'alimentation, qui a la capacité de fournir et de changer le courant d'électrode de l'ordre de la microseconde.

Comment ça marche?
Le courant d'électrode fourni par la source d'alimentation SurfaceTension Transfer est guidé par l'état de la tension d'arc.

Courant de fond (T0 - T1). Il s'agit du niveau de courant de l'arc avant le court-circuit au bain de fusion. C'est un niveau de courant constant entre 50 et 100A
Temps de balle (T1 - T2). Lorsque les électrodes sont initialement court-circuitées, le détecteur de «tension d'arc» fournit un signal indiquant que «l'arc» est court-circuité. Le fond est encore réduit à 10 A pendant environ 0,75 m / s
Mode pincement (T2 - T3). Après le temps de balle, un courant élevé est appliqué à l'électrode court-circuitée sous la forme d'une rampe croissante à double pente. Cela accélère le transfert du métal fondu de l'électrode au bain de fusion en appliquant des forces de pincement électrique.
Calcul dv / dt (T2-T3). Ce calcul est inclus dans le mode pincement. C'est le calcul du taux de variation de l'électrode court-circuitée en fonction du temps, lorsque ce calcul indique qu'une valeur dv / dt spécifique a été atteinte, indiquant que la séparation du fusible est sur le point de se produire, le courant est alors réduit à 50 A en microsecondes. (Notez que cet événement se produit avant que l'électrode court-circuitée ne se sépare. T4 indique que la séparation s'est produite, mais à un courant faible)
Amplification plasma (T5 - T6). Ce mode suit immédiatement la séparation de l'électrode du bain de fusion. C'est une période de courant d'arc élevé où l'électrode est rapidement "fondue"
Plasma (T6 - T7). C'est la période du cycle où le courant d'arc est réduit de l'amplification du plasma au niveau de courant de fond

Le processus peut être appliqué à des applications semi-automatiques ou automatiques. Il fonctionne dans la région des courts-circuits avec divers mélanges de gaz de protection, dont 100% de dioxyde de carbone pour l'acier doux, ainsi que divers mélanges d'argon / oxygène, d'argon / dioxyde de carbone et d'argon / hélium pour l'acier inoxydable.

Soudage de remplissage et de colmatage
Les électrodes recouvertes de cellulosique peuvent encore être utilisées si l'on prend soin de contrôler les températures de préchauffage et d'interpass, avec une épaisseur de paroi de tuyau allant jusqu'à 10 mm inclus sur le X-80. Il n'est actuellement pas conseillé d'essayer de souder sur une épaisseur supérieure à 10 mm, car des vitesses de retenue et de refroidissement accrues devraient augmenter le risque de fissuration à l'hydrogène du métal de soudure.
Les électrodes verticales à faible teneur en hydrogène ne sont normalement pas utilisées pour les soudures de production de canalisations de transmission, en raison de la faible productivité.

 

Il est maintenant plus courant, en particulier en Europe, d'utiliser les électrodes verticales Down basiques à faible teneur en hydrogène pour la soudure de tuyaux à haut rendement. Les électrodes LH-D sont conçues pour toute application de soudage vertical vers le bas où un métal de soudure à faible teneur en hydrogène est requis, comme le soudage de tuyaux à haute résistance. Bien que ceux-ci soient conçus spécifiquement pour le soudage vertical des joints de tuyaux, les LH-D sont utiles dans toute application verticale descendante où un dépôt à faible teneur en hydrogène est nécessaire.

Les propriétés d'impact à basse température sont supérieures aux électrodes cellulosiques qui possèdent le même niveau de résistance. En tant qu'électrodes descendantes, elles ont des taux de dépôt significativement plus élevés que les électrodes verticales montantes et les électrodes cellulosiques descendantes de même diamètre; cela augmente le potentiel d'une plus grande productivité, tout en répondant aux exigences de haute résistance.

Semi-automatique
Les processus peuvent être classés en deux catégories: protection gazeuse et protection étagère.

Le bouclier anti-gaz GMAW est généralement entièrement mécanisé, car la zone de soudage doit être protégée des éléments. Si l'entrepreneur est prêt à protéger la zone de soudage, il est plus possible d'utiliser une configuration entièrement automatique.

Cela laisse FCAW-S (auto-blindé) comme le seul soudage semi-automatique sérieux à prendre en compte, l'avantage évident est que vous bénéficiez de la réduction des démarrages d'arrêt, sans avoir besoin de blindage auxiliaire.

Processus mécanisés
GMAW et FCAW-G sont les moyens les plus courants de soudage mécanisé pour les passes de remplissage et de bouchage sur les tuyaux. Les techniques actuelles sont basées sur un transfert à arc court ou par pulvérisation pulsée avec des vitesses de dévidage de fil élevées.

L'avancement et le développement de la technologie des sources de courant de soudage pourraient en théorie améliorer considérablement la productivité
Parallèlement aux améliorations et aux caractéristiques de soudage des électrodes pleines ou fourrées, il sera possible d'améliorer les performances de soudage et le dépôt.

Le GMAW mécanisé présente un énorme potentiel pour l'avenir, car il nécessite moins de formation et entraîne des niveaux d'hydrogène plus faibles, une productivité plus élevée et une meilleure qualité.

Conclusions
La direction de la communauté du soudage doit suivre deux canaux clairement définis:

   1. Amélioration des procédés de soudage actuels: en faisant progresser les conceptions des consommables manuels et semi-automatiques de base actuels à faible teneur en hydrogène, pour mieux contrôler l'hydrogène, la résistance et la ténacité. Bien que cette méthodologie puisse s'avérer réussie pour les applications X-80, la demande croissante pour un meilleur contrôle de l'hydrogène et une plus grande ténacité conduira probablement l'industrie à de nouvelles avancées technologiques dans les consommables et les processus.

   2. Innovation dans les consommables de soudage et la conception des sources de courant de soudage. Les entrepreneurs et fabricants de tuyaux ont beaucoup à gagner en adoptant ces nouvelles technologies:

Le développement du transfert de court-circuit contrôlé utilise la dernière technologie pour permettre un contrôle auparavant inaccessible sur plusieurs variables d'arc

Les progrès dans l'espacement des tuyaux, le serrage, les systèmes de bogues et de bandes et les équipements à arc multiple peuvent gagner du temps, augmenter la qualité et réduire les coûts des projets de pipeline

Les progrès des électrodes solides et noyées limiteront l'hydrogène et permettront une flexibilité de fabrication

Avec la qualité et la productivité à l'esprit, Lincoln Electric est à l'avant-garde des procédés de soudage de tuyaux et recherche constamment des solutions pour ces défis liés à l'acier à haute résistance.



Les références

TWI: Évaluation des processus à faible teneur en hydrogène pour la construction de pipelines en acier à haute résistance - PR-164-9330

Elliot K. Stava: 1993 La source d'alimentation Surface Tension Transfer®, une nouvelle machine de soudage à l'arc à faible projection. Journal de soudage 72 (1): 25-29