Minimiser les risques dans le soudage à l'arc submergé offshore
L'augmentation des taux de dépôt dans le soudage à l'arc submergé nécessite une sélection appropriée des consommables pour obtenir une ténacité constante et des dépôts de soudure d'hydrogène peu diffusibles

par Ben Schaeffer et Teresa Melfi, The Lincoln Electric Company



L'intégrité, la qualité et l'uniformité des soudures sont compatibles avec une productivité de soudage plus élevée et des coûts de fabrication plus faibles, à condition que les facteurs clés soient pris en compte. L'effet de l'hydrogène diffusible, la sélection des systèmes d'alliage et le choix des modes opératoires de soudage jouent tous un rôle crucial dans le maintien de la haute qualité et de la cohérence des soudures offshore.

Les soudeurs et les ingénieurs en soudage sont confrontés à des défis distincts à une époque de contrôle accru par les réglementations gouvernementales, les représentants des propriétaires et les sociétés de classification des agences. Les représentants des propriétaires surveillent de près l'activité de soudage des chantiers, recherchant généralement un taux de défaut inférieur à 1% dans la performance globale du soudage avant l'attribution des contrats. Cela exige que les entreprises de conception, de fabrication et de construction repensent la marge de sécurité dans leurs procédés de soudage. Pour atteindre le premier pétrole ou gaz en eau profonde, les conceptions incorporant des matériaux plus résistants sont de plus en plus courantes, tout comme les procédures de soudage à productivité plus élevée, même dans les processus automatisés tels que le soudage à l'arc submergé (SAW). Cependant, les modifications des variables de soudage peuvent également augmenter la teneur en hydrogène, ce qui influe davantage sur le risque de fissuration retardée. Le craquage lié à l'hydrogène est connu pour être fonction de la quantité d'hydrogène, de la susceptibilité de la microstructure et des contraintes résiduelles sur le métal. Les procédures et pratiques de soudage influençant la diffusion de l'hydrogène sont souvent négligées. Une productivité accrue dans le soudage se traduit presque toujours par des passes de soudure individuelles plus épaisses et plus de passes de soudage par heure (pour moins de temps entre les passes). Il en résulte des distances de diffusion plus grandes, des périodes de temps plus courtes pour que l'hydrogène s'échappe et un risque accru de fissuration liée à l'hydrogène. Ces facteurs, en particulier lorsqu'ils sont combinés avec les microstructures des aciers à plus haute résistance communs à l'industrie du soudage offshore, nécessitent un nouveau regard sur le contrôle de l'hydrogène dans tous les aspects du soudage.

En plus d'un risque accru de fissuration par l'hydrogène, les propriétés mécaniques telles que le déplacement d'ouverture de la pointe de fissure (CTOD) souffrent souvent lorsque des cordons de soudure plus gros sont déposés avec des consommables et des procédés de soudage conventionnels. Cet article quantifie les facteurs de risque au-delà de ceux explorés dans les tests normalisés d'hydrogène diffusible et de CTOD, dissipant certaines croyances courantes et en proposant d'autres. À partir de là, des options sont établies pour atténuer ces risques dans l'environnement réel des structures offshore lourdes. En tant que tel, il est important que les entreprises offshore augmentent leurs exigences techniques pour les soudures et se tournent vers de nouvelles technologies et stratégies pour maintenir l'uniformité et la qualité des propriétés des dépôts de soudure ainsi que pour atteindre une productivité plus élevée. Pour SAW, cela est réalisé grâce à des mises à niveau des procédures de soudage en combinaison avec une sélection appropriée des consommables de soudage.

 

Augmentation de la productivité grâce à la technologie AC
La fabrication de plates-formes et de composants offshore nécessite un engagement sans faille pour la qualité du soudage mais aussi un engagement à des coûts et des calendriers de production soigneusement gérés. Une nouvelle technologie dans les sources d'alimentation SAW est le contrôle de forme d'onde CA. Comme le montre la Figure 1, la commande de forme d'onde CA permet des augmentations significatives des taux de dépôt d'électrodes, permettant une productivité de soudage plus élevée pour le même apport de chaleur moyen.

Les résultats sont des coûts de soudage et d'exploitation réduits et une productivité accrue de l'équipe de soudage dans les applications de soudage à un ou plusieurs arc. Et, avec des exigences de courant d'entrée réduites jusqu'à 50 pour cent pour certains des plus récents systèmes SAW basés sur des onduleurs, les utilisateurs signalent systématiquement des économies d'énergie significatives par rapport aux équipements SAW traditionnels. L'augmentation des taux de dépôt n'est cependant pas sans prix. Ce prix est un risque; en particulier, risque de dégradation des propriétés mécaniques (ténacité) et risque de fissuration liée à l'hydrogène.



Ténacité CTOD et sélection des consommables
Les augmentations de productivité fournies par le contrôle de forme d'onde AC SAW sont associées à des taux de dépôt plus élevés, souvent accompagnés de passes de soudure individuelles plus épaisses. De nombreux systèmes d'alliage développent une ténacité lorsque le métal de soudure tel que déposé est réchauffé et raffiné par des passes de soudure ultérieures (voir la figure 2). Des cordons de soudure plus épais résultant de taux de dépôt plus élevés peuvent affecter les propriétés mécaniques en augmentant le pourcentage de métal de soudure tel que déposé (non raffiné). Le métal de soudure non raffiné est associé à une microstructure à grains plus gros, plus de ferrite limite de grain et une ténacité plus faible dans les systèmes d'alliages Mn-Si (acier doux) et Mn-Si-Ni.

Figure 2: Raffinement soudé-métal dans une soudure à l'arc submergé

La taille et le placement du cordon de soudure ont une influence particulière sur la ténacité du dépôt de soudure lorsque ces ajouts d'alliage ne sont pas engagés. Des cordons de soudure plus petits et plus de passes garantissent une teneur plus élevée en métal de soudure raffiné mais limitent la productivité du soudage. Les progrès technologiques dans les flux de soudage à l'arc submergé permettent une meilleure ténacité dans le métal de soudure non raffiné des systèmes en acier doux et faiblement alliés sans faire de sacrifices traditionnels à l'hydrogène diffusible ou à la facilité de soudage à des taux de dépôt plus élevés. Le tableau 1 montre que la ténacité CTOD à -10 ° C du métal soudé principalement non raffiné (WCL + 5 mm, voir figure 2) s'approche de celle du métal soudé principalement raffiné (Weld Centerline (WCL), voir figure 2) pour l'acier doux et faiblement allié dépôts lors de l'utilisation d'un flux de soudage conçu en conséquence. Ces résultats montrent une ténacité constante tout au long d'un dépôt de soudure, même à une concentration globale plus élevée de métal de soudure non raffiné et impliquent qu'un risque réduit de défaillances liées à la ténacité est possible lors de la modification des conceptions de joint et des procédures de soudage pour améliorer la productivité.

Tableau 1: Valeurs CTOD d'épaisseur traversante à -10 ° C pour un dépôt de soudure d'acier doux; Weld Centerline (WCL) se compose principalement de métal de soudure raffiné et WCL + 5 mm se compose principalement de métal de soudure non raffiné, voir la figure 2 pour une représentation de l'emplacement de test CTOD

Des valeurs CTOD cohérentes pour un dépôt de soudure peuvent également servir d'amélioration de la productivité. Les valeurs CTOD quantifient la résistance d'une soudure à la propagation des fissures ductiles. Pendant le soudage à passes multiples de sections épaisses, des contraintes résiduelles s’accumulent, ce qui détériore la capacité d’une soudure à résister à la propagation de fissures ductiles (et réduit les valeurs CTOD). Le traitement thermique après soudage (PWHT) est souvent utilisé par les fabricants pour soulager les contraintes de soudure résiduelles. Selon la norme offshore DNV-OS-F101:

Un traitement thermique après soudage doit être effectué pour les assemblages soudés en C-Mn et en acier faiblement allié ayant une épaisseur de paroi nominale supérieure à 50 mm, à moins que les essais de ténacité à la rupture montrent des valeurs acceptables à l'état soudé.

Des valeurs CTOD cohérentes à l'état soudé éliminent le besoin de PWHT, ce qui réduit considérablement les coûts et améliore la productivité.



Sélection d'hydrogène diffusible et de consommables
Une sélection appropriée des consommables de soudage est également vitale à des taux de dépôt plus élevés pour résister à une défaillance courante - une fissuration à l'hydrogène retardée dans les cordons de soudure plus épais.

La qualification des matériaux et des procédures de soudage utilisés dans les applications structurelles critiques en mer et dans les pipelines comprend souvent un soudage et des tests approfondis dans des conditions de production pour la validation des propriétés mécaniques, y compris la ténacité CTOD. Le test d'hydrogène diffusible étant extrêmement difficile à quantifier en dehors d'un laboratoire, il n'en va pas de même pour sa validation. Le fait que la plupart des chantiers offshore se trouvent dans des zones très humides près de la mer complique encore davantage la situation. Ces facteurs rendent encore plus critique qu'une combinaison de fil et de flux SAW soit robuste dans sa capacité à déposer un métal de soudure à faible teneur en hydrogène - à la fois directement hors du sac et après exposition à des environnements humides.

Les classements des modes de défaillance utilisent la fréquence, la gravité et la détectabilité des défauts pour déterminer une cote de risque. Les fabricants diligents peuvent considérer que la fréquence du craquage de l'hydrogène est faible. La fissuration dans les soudures de tout pipeline ou composant sous-marin est un défaut grave, avec un risque accru de défaillance en service en raison de la difficulté associée à la détection des fissures d'hydrogène. Des fissures d'hydrogène peuvent apparaître immédiatement ou quelques jours après le soudage. La Figure 3 montre que bien que le volume mesuré d'hydrogène augmente avec les passes de soudage suivantes, l'hydrogène du métal de soudure a été mesuré comme étant le plus concentré (c'est-à-dire l'hydrogène pour 100 grammes de dépôt de soudure) dans les premières passes de soudure d'un joint à passes multiples. Dans ce cas, les fissures d'hydrogène peuvent être situées profondément dans un joint de soudure (les joints offshore courants mesurent jusqu'à 3 ou 4 pouces) nécessitant des techniques CND sophistiquées pour la détection et des frais de réparation élevés.

Figure 3: Hydrogène diffusible dans une soudure à passes multiples

La section transversale d'une fissure d'hydrogène (figure 4a) à partir d'une soudure à haute résistance indique que de telles fissures peuvent également commencer immédiatement. Il a été démontré que cette fissure provenait du premier passage d'une soudure à passes multiples. La surface exposée de la fissure (figure 4b) a confirmé une fissuration immédiate car une teinte thermique a été trouvée dans la première région de passage. Les facteurs de gravité et de détectabilité entraînent un risque élevé associé aux fissures d'hydrogène dans les soudures structurales offshore.

Figure 4: Exemple de fissuration à l'hydrogène dans une soudure à passes multiples

Comme le montre la Figure 5, l'augmentation du temps entre les passes de soudure (en particulier à la température entre passes) est efficace pour réduire la teneur en hydrogène diffusible. Bien que l'augmentation des températures de préchauffage et d'interpass contribue à atténuer le risque de fissuration par l'hydrogène, de telles pratiques peuvent également réduire la résistance du métal de soudure. D'autres méthodes de réduction de l'hydrogène diffusible (temps de maintien entre passes et trempages de déshydrogénation) réduisent la productivité. Là encore, éviter de telles pratiques rend la sélection et la manipulation des consommables particulièrement importantes.

Figure 5: Décroissance temporelle de l'hydrogène diffusible pour une soudure en un seul passage; plus d'une heure a été nécessaire pour qu'un spécimen (maintenu à 250 ° F) divise par deux sa teneur initiale en hydrogène diffusible

Tous les flux SAW (agglomérés et fusionnés) ont une corrélation unique entre la teneur en humidité et l'hydrogène diffusible. Les caractéristiques d'humidité du flux sont tout aussi importantes pour minimiser le risque de fissuration liée à l'hydrogène. Cette relation limite la teneur minimale en hydrogène pouvant être atteinte pour un flux donné, même après la précuisson ou le pré-séchage du flux. La Figure 6 illustre la différence entre l'hydrogène diffusible obtenu à partir d'un flux de soudage considéré comme une norme industrielle pour une utilisation dans les applications de soudage offshore en Europe et en Asie par rapport à celle d'un flux conçu et fabriqué avec de nouvelles technologies. Un nouveau flux développé pour une utilisation dans les applications de soudage en mer - Lincolnweld® 842-H ™ - est unique sur le marché. Il a été conçu pour produire de l'hydrogène à très faible diffusion, généralement moins de 3 ml / 100 g de métal de soudure déposé sur la polarité CA et CC, réduisant ainsi le risque de fissuration à l'hydrogène du métal de soudure. Ceci est précieux pour l'industrie de la construction offshore où la cohérence de l'opérabilité, la résistance aux chocs et l'hydrogène à faible diffusion sont critiques.

Figure 6: Hydrogène diffusant à partir de deux échantillons de soudure; les échantillons ont été soudés et testés selon les mêmes procédures; les valeurs d'hydrogène diffusible correspondent à la condition «As-Received» de la figure 7

La possibilité d'utiliser un flux sans pré-conditionnement réduit les coûts et la complexité, tout en minimisant les risques d'erreur lors de la manipulation. La nouvelle technologie utilisée dans la conception, la fabrication et l'emballage du flux de soudage permet le soudage du Lincolnweld® 842-H ™ directement à partir de son emballage. Ici, la nouvelle technologie est à nouveau comparée à celle du flux «standard de l'industrie», et l'ampleur de la différence d'hydrogène diffusible après exposition est stupéfiante. Les fabricants et les inspecteurs sont souvent à l'aise avec un niveau d'hydrogène diffusible de 5 ml pour 100 g de métal soudé mais seraient à juste titre concernés par une valeur proche de 15 ml pour 100 g de métal soudé!

Figure 7: Hydrogène diffusible des flux lors de l'humidifcation; le potentiel d'hydrogène pour le flux As-Received ainsi que pour le flux exposé à une humidité élevée doit être minimal pour réduire le risque de fissuration liée à l'hydrogène

Conclusion
La spécification des consommables pour les applications SAW en eau profonde et en eau ultra-profonde nécessite de la prévoyance et de la diligence afin de produire des soudures robustes qui non seulement résistent aux environnements difficiles, mais répondent également aux normes de qualité et de test de plus en plus strictes de l'industrie, telles que les valeurs CTOD.

Le soudage avec contrôle de forme d'onde CA sur les dernières sources d'alimentation CA / CC à onduleur a le potentiel d'augmenter considérablement la productivité. Ceci, combiné à une ténacité élevée, un faible flux d'hydrogène peut atteindre les objectifs de réduction des coûts tout en diminuant les risques. Les nouvelles technologies appliquées à la source d'alimentation SAW et à la conception de flux rendent tout cela possible.



Publié à l'origine dans l'American Welding Society Welding Journal, mars 2013.