Abstrait
Aujourd'hui, il existe de nombreuses façons de souder des tuyaux à haut rendement sur le terrain. Il est nécessaire de comprendre ces différents processus pour s'assurer que le processus sélectionné répond aux exigences de qualité et de productivité d'un projet de pipeline. Plusieurs procédés sont discutés, en mettant l'accent sur le soudage à l'arc métallique blindé avec des électrodes cellulosiques et le soudage à l'arc fourré auto-blindé.

introduction
Dans le monde d’aujourd’hui, les pipelines de transport transnationaux doivent résoudre de nombreux problèmes, notamment des pressions de service plus élevées, des produits acides, de nouveaux aciers à haute résistance, des environnements d’exploitation plus sévères, des codes plus stricts et une multitude de problèmes environnementaux. Ces conditions doivent être contrebalancées par les besoins de l'entrepreneur du pipeline de contrôler les coûts et d'achever le projet en temps opportun tout en répondant à des exigences de qualité plus strictes. Une connaissance des procédés de soudage peut aider l'entrepreneur à répondre à ses besoins et à fournir la qualité requise. Ces mêmes connaissances peuvent aider l'ingénieur spécifiant à comprendre qu'il existe de nombreuses façons de répondre à ses besoins en matière de qualité et de conception sans imposer des coûts inutiles à l'entrepreneur.

Plusieurs procédés et combinaisons de procédés actuellement utilisés pour le soudage sur site de tuyaux de canalisation cross-country. Celles-ci incluent le soudage à l'arc métallique blindé (SMAW), le soudage à l'arc fourré auto-blindé (FCAW-S) et le soudage à l'arc gaz métal (GMAW). Avec le mode de transfert GMAW, il faut également prendre en compte un arc court, un arc court contrôlé comme dans le Surface Tension Transfer®, un spray et un globulaire. Une attention particulière sera accordée aux procédés qui se prêtent à un soudage sur site de haute qualité et à haute productivité avec un investissement en capital prudent.


Examen des aciers pour pipelines
Les aciers pour tubes d’aujourd’hui sont plus résistants que ceux utilisés auparavant et sont aujourd'hui conçus en tenant compte de la soudabilité. Les aciers les plus couramment utilisés pour les pipelines de pétrole et de gaz à travers le pays sont conformes à l'API 5LX ou à des normes similaires.

Les niveaux de résistance peuvent être atteints par plusieurs méthodes, y compris la chimie brute, le micro-alliage et l'expansion à froid du tuyau lorsqu'il est produit à l'usine de tuyaux. Dans les grades de résistance plus élevée, la tendance est d'utiliser l'expansion à froid et le micro-alliage afin que le carbone et le manganèse puissent être maintenus à des niveaux relativement bas, réduisant ainsi la dureté de la zone affectée par la chaleur et aidant à réduire, mais pas à éliminer, les préoccupations concernant l'hydrogène du métal de soudure. Par exemple, il est typique de voir des teneurs en carbone inférieures à 0,05% dans les aciers X70 et X80 modernes, certains aciers X80 ayant des valeurs Pcm inférieures à 0,20.

Processus de soudage
Évidemment, la première étape du soudage du tuyau consiste à exécuter le passage de racine. C'est peut-être la passe la plus critique sur une soudure de tuyau pour plusieurs raisons. Premièrement, il s'agit de la passe la plus difficile à réaliser sur une soudure de tuyau, nécessitant une bonne compétence de l'opérateur pour les processus appliqués manuellement, avec un bon contrôle du processus combiné à un bon alignement. Les processus appliqués automatiquement nécessitent des opérateurs dotés de compétences techniques élevées combinées à de bons systèmes d'alignement et de support. Le procédé automatisé de choix aujourd'hui est le soudage à l'arc gaz-métal et est généralement utilisé soit avec une bague d'appui interne en cuivre, soit, si le diamètre est suffisamment grand, avec un système de soudage interne. Ces deux approches ajoutent de la complexité au soudage sur site et imposent certaines restrictions à l'utilisation des modes de transfert GMAW traditionnels.

Avec les anneaux de sauvegarde, il y a la possibilité d'une prise de cuivre inacceptable dans le passage racine. Avec les systèmes de soudage internes, il existe un diamètre de tuyau minimum en dessous duquel les systèmes ne sont pas pratiques. Le procédé de soudage idéal permettrait de souder un cordon de racine sans anneaux de renfort et systèmes internes et aurait un cordon de racine avec un métal de soudure sain et juste assez d'accumulation pour assurer une soudure pleine épaisseur. Cette soudure n'aurait également aucune contre-dépouille interne, aucun manque de fusion, aucune porosité et de bonnes propriétés mécaniques.

La vitesse de soudage doit également être prise en compte lors de l'examen du soudage de la passe de fond. Le rythme de pose des tuyaux est déterminé par la rapidité avec laquelle le passage de racine peut être effectué. S'il est possible de gagner du temps en mettant plus d'opérateurs sur ce pass, il existe une limite pratique à cette approche. Par conséquent, des vitesses de déplacement élevées sont essentielles. La rapidité est nécessaire pour maintenir les horaires et contrôler les coûts de location des équipements.

Une grande partie du soudage de pipelines effectué aujourd'hui se fait dans les économies émergentes du monde, souvent dans des climats éloignés et inhospitaliers et doit faire appel à des bassins de main-d'œuvre locaux pour les soudeurs. Cela signifie que le procédé utilisé doit faire face à des conditions météorologiques défavorables, notamment le vent, les températures extrêmes et l'humidité. Les compétences nécessaires doivent soit exister dans la réserve de main-d'œuvre locale, soit être facilement acquises. L'équipement de soudage requis doit également être robuste, fiable et durable.

Lorsque tous les facteurs ci-dessus sont pris en compte, deux procédés de soudage apparaissent comme les principaux procédés, le soudage à l'arc métallique blindé et le soudage à l'arc auto-blindé fourré. Dans le cas du soudage à l'arc métallique blindé, figure 1, il y a des avantages à utiliser des électrodes cellulosiques orientées verticalement vers le bas au lieu d'utiliser des électrodes à faible teneur en hydrogène, même sur des aciers à plus haute résistance. Étant donné que les électrodes cellulosiques génèrent une quantité significative de gaz de protection en cours d'utilisation et ont un arc puissant focalisé, ces électrodes ont tendance à avoir de meilleures propriétés de passe de racine et un meilleur contrôle de passe de racine. La force de l'arc élevée aide à maintenir le contrôle des flaques d'eau et des scories en progression verticale descendante, tout en ayant des vitesses de déplacement élevées. Les électrodes à faible teneur en hydrogène utilisent principalement du laitier pour protéger le bain de fusion, ce qui peut entraîner une contamination du bain de fusion par l'arrière du cordon, ce qui réduit les propriétés de soudure et augmente les risques de porosité. La pénétration relativement faible des électrodes à faible teneur en hydrogène par rapport aux électrodes cellulosiques signifie également que des espaces radiculaires plus larges doivent être utilisés, ce qui augmente le temps de soudage et ralentit l'opération de soudage. Les électrodes cellulosiques peuvent effectuer des passes de racine à des vitesses qui dépassent 14 pouces par minute (356 mm par minute) et avec des accumulations internes cohérentes de moins de 1/16 pouce (1,6 mm).

Les problèmes de fissuration avec les électrodes cellulosiques sont résolus avec un préchauffage approprié et un contrôle de la température entre les passes et en utilisant des procédures qui assurent un ligament adéquat dans le passage radiculaire. Les températures de préchauffage et d'interpasse sont dictées par les compositions chimiques de l'acier qui sont aujourd'hui plus tolérantes qu'auparavant. L'utilisation de la taille d'électrode correcte passe dans la partie médiane à inférieure de la plage pour cette électrode permet d'assurer un ligament approprié. La fissuration du talon de racine peut également être minimisée en ne déplaçant pas la pince d'alignement tant que la deuxième passe n'est pas terminée.

Le soudage à l'arc fourré auto-blindé, Figure 2, présente les avantages du soudage à l'arc métallique blindé avec des électrodes cellulosiques, notamment une force d'arc élevée, une pénétration élevée et un excellent contrôle des flaques lors du soudage avec une progression verticale vers le bas. De plus, ce procédé présente les avantages des procédés automatisés, notamment des taux de dépôt élevés, des vitesses de déplacement élevées, des temps d'arc élevés et des niveaux d'hydrogène contrôlés. Souvent, l'auto-blindage est utilisé sur les passes de racine réalisées avec un soudage à l'arc métallique blindé. Il s'agit d'une approche du soudage de X80, où la fissuration à l'hydrogène dans l'acier de base n'est pas un problème pour le passage de racine, mais la fissuration à l'hydrogène du métal de soudure pourrait être une préoccupation lors des passes ultérieures.

Dans le soudage à l'arc métallique blindé, le blindage est généré par la décomposition du flux à l'arc. Dans le soudage à l'arc fourré auto-blindé, une électrode tubulaire continue contient des stabilisants et des matériaux de noyau qui généreront un blindage lorsqu'ils atteindront l'arc. Les deux processus fonctionnent à l'extérieur dans des conditions météorologiques extrêmes, notamment des températures extrêmes et des vents violents. De même, le soudage à l'arc métallique blindé avec des électrodes cellulosiques et le soudage à l'arc fourré auto-blindé sont faciles à apprendre par les opérateurs de soudage déjà qualifiés dans d'autres formes de soudage à l'arc métallique blindé. Par exemple, un instructeur a été récemment en mesure de former et de se qualifier selon l'API 1104 sur quatre-vingt-dix opérateurs de soudage qui ne connaissaient pas le soudage à l'arc à fil fourré auto blindé.

Notez dans le tableau ci-dessus que seul le processus de soudage à l'arc auto-blindé est recommandé pour le soudage de X80 une fois que la racine et les passes à chaud sont terminées.

Les deux processus sont capables de fournir des propriétés qui atteignent ou dépassent les propriétés minimales spécifiées pour les aciers parents, ce qui est tout ce que la plupart des codes en vigueur exigent. Voici quelques résultats de test pour deux nuances de tuyau avec le détail de joint de tuyau typique illustré à la figure 3.

Économie du soudage
La seule question qui n'a pas encore été abordée est celle de l'économie. De nombreux facteurs affectent le coût du soudage, y compris les coûts des matériaux, le coût de l'équipement, les taux de main-d'œuvre et une foule d'autres qui sortent du cadre de cet article. À des fins de comparaison, le temps nécessaire pour terminer un joint soudé sera utilisé pour un indicateur relatif du coût. L'hypothèse de base est que si les coûts d'équipement et les taux de main-d'œuvre sont similaires, le temps nécessaire pour terminer un joint de soudure sera une indication du coût, moins de temps se traduisant par des coûts inférieurs et une productivité plus élevée. Toutes les comparaisons seront effectuées en utilisant le détail de joint typique utilisé ci-dessus pour simplifier les résultats. En réalité, les préparations composées peuvent réduire le temps total sur un tuyau à paroi plus lourde. Les comparaisons de soudage utiliseront des tuyaux de 0,750 po (19 mm) de mur et de 48 po (1219 mm) de diamètre.

Ces temps représentent des minutes-homme de soudage. Le joint réalisé avec tout le soudage à l'arc fourré auto-blindé a le temps total le plus bas, mais la combinaison du soudage à l'arc métallique blindé avec un soudage à l'arc fourré auto-blindé entraînera la plus grande quantité de tuyaux posés un jour donné en raison du gain de temps dans la passe de racine. Cette combinaison se traduira par le meilleur compromis global entre un temps total réduit et un tuyau maximal posé sur une période de temps donnée.

Conclusions
Comme on peut le voir, le soudage à l'arc métallique blindé et le soudage à l'arc fourré auto-blindé présentent des moyens rentables de produire des soudures de qualité dans des conditions de terrain. De plus, la meilleure solution pour le soudage sur site des pipelines cross-country est souvent d'utiliser une combinaison de procédés de soudage.



Les références
Manuel de soudage, 8e édition, (1991) American Welding Society, Miami

The Procedure Handbook of Arc Welding, 13th Edition, (1994), Lincoln Electric Company, Cleveland