1. Aperçu de l'acier cryogénique
1) Les exigences techniques pour l'acier à basse température sont généralement : une résistance et une ténacité suffisantes dans un environnement à basse température, de bonnes performances de soudage, des performances de traitement et une résistance à la corrosion, etc. Parmi elles, la ténacité à basse température, c'est-à-dire la capacité prévenir l’apparition et l’expansion d’une fracture fragile à basse température est le facteur le plus important. Par conséquent, les pays stipulent généralement une certaine valeur de résistance aux chocs à la température la plus basse.
2) Parmi les composants de l'acier à basse température, on pense généralement que des éléments tels que le carbone, le silicium, le phosphore, le soufre et l'azote détériorent la ténacité à basse température, et le phosphore est le plus nocif, donc une déphosphoration précoce à basse température devrait être effectué lors de la fusion. Des éléments tels que le manganèse et le nickel peuvent améliorer la ténacité à basse température. Pour chaque augmentation de 1 % de la teneur en nickel, la température de transition critique fragile peut être réduite d'environ 20 °C.
3) Le processus de traitement thermique a une influence décisive sur la structure métallographique et la granulométrie de l'acier à basse température, qui affecte également la ténacité de l'acier à basse température. Après traitement de trempe et de revenu, la ténacité à basse température est évidemment améliorée.
4) Selon les différentes méthodes de formage à chaud, l'acier à basse température peut être divisé en acier moulé et en acier laminé. Selon la différence de composition et de structure métallographique, l'acier à basse température peut être divisé en : acier faiblement allié, acier à 6 % de nickel, acier à 9 % de nickel, acier austénitique au chrome-manganèse ou chrome-manganèse-nickel et acier inoxydable austénitique au chrome-nickel attendez. L'acier faiblement allié est généralement utilisé dans une plage de température d'environ -100°C pour la fabrication d'équipements de réfrigération, d'équipements de transport, de salles de stockage de vinyle et d'équipements pétrochimiques. Aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Japon et dans d'autres pays, l'acier à 9 % de nickel est largement utilisé dans les structures à basse température à 196°C, telles que les réservoirs de stockage pour le stockage et le transport de biogaz liquéfié et de méthane, les équipements de stockage d'oxygène liquide. et la fabrication d'oxygène liquide et d'azote liquide. L'acier inoxydable austénitique est un très bon matériau de construction à basse température. Il présente une bonne ténacité à basse température, d'excellentes performances de soudage et une faible conductivité thermique. Il est largement utilisé dans les domaines à basse température, tels que les camions-citernes et les réservoirs de stockage d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide. Cependant, comme il contient plus de chrome et de nickel, il est plus cher.
2. Aperçu de la construction de soudage en acier à basse température
Lors de la sélection de la méthode de construction par soudage et des conditions de construction de l'acier à basse température, le problème se concentre sur les deux aspects suivants : empêcher la détérioration de la ténacité à basse température du joint soudé et empêcher l'apparition de fissures de soudage.
1) Traitement du biseau
La forme de rainure des joints soudés en acier à basse température n'est pas différente en principe de celle de l'acier au carbone ordinaire, de l'acier faiblement allié ou de l'acier inoxydable, et peut être traitée comme d'habitude. Mais pour le 9Ni Gang, l'angle d'ouverture de la rainure n'est de préférence pas inférieur à 70 degrés, et le bord émoussé n'est de préférence pas inférieur à 3 mm.
Tous les aciers basse température peuvent être coupés au chalumeau oxyacétylène. C'est juste que la vitesse de coupe est légèrement plus lente lors du coupage au gaz de l'acier 9Ni que lors du coupage au gaz de l'acier de construction au carbone ordinaire. Si l'épaisseur de l'acier dépasse 100 mm, le tranchant peut être préchauffé à 150-200°C avant le coupage au gaz, mais pas à plus de 200°C.
Le coupage au gaz n'a aucun effet néfaste sur les zones affectées par la chaleur de soudage. Cependant, en raison des propriétés d'auto-durcissement de l'acier contenant du nickel, la surface coupée durcira. Afin de garantir des performances satisfaisantes du joint soudé, il est préférable d'utiliser une meule pour meuler la surface de la surface coupée avant le soudage.
Le gougeage à l'arc peut être utilisé si le cordon de soudure ou le métal de base doit être retiré pendant la construction par soudage. Cependant, la surface de l'encoche doit toujours être poncée avant de réappliquer.
Le gougeage à la flamme oxyacétylène ne doit pas être utilisé en raison du risque de surchauffe de l'acier.
2) Sélection de la méthode de soudage
Les méthodes de soudage typiques disponibles pour l'acier à basse température comprennent le soudage à l'arc, le soudage à l'arc submergé et le soudage à l'arc à l'argon avec électrode fondue.
Le soudage à l'arc est la méthode de soudage la plus couramment utilisée pour l'acier à basse température et peut être soudé dans diverses positions de soudage. L'apport de chaleur de soudage est d'environ 18 à 30 KJ/cm. Si une électrode de type à faible teneur en hydrogène est utilisée, un joint soudé tout à fait satisfaisant peut être obtenu. Non seulement les propriétés mécaniques sont bonnes, mais la ténacité est également très bonne. De plus, la machine de soudage à l'arc est simple et bon marché, et l'investissement en équipement est faible et n'est pas affecté par la position et la direction. avantages tels que les limites.
L'apport thermique du soudage à l'arc submergé de l'acier à basse température est d'environ 10 à 22 KJ/cm. En raison de son équipement simple, de son efficacité de soudage élevée et de son fonctionnement pratique, il est largement utilisé. Cependant, en raison de l’effet d’isolation thermique du flux, la vitesse de refroidissement sera ralentie, ce qui entraînera une plus grande tendance à générer des fissures chaudes. De plus, des impuretés et du Si peuvent souvent pénétrer dans le métal fondu à partir du flux, ce qui encouragera encore cette tendance. Par conséquent, lorsque vous utilisez le soudage à l’arc submergé, faites attention au choix du fil de soudage et du flux et opérez avec précaution.
Les joints soudés par soudage sous protection gazeuse CO2 ont une faible ténacité, ils ne sont donc pas utilisés dans le soudage de l'acier à basse température.
Le soudage à l'arc tungstène-argon (soudage TIG) est généralement effectué manuellement et son apport thermique de soudage est limité à 9-15KJ/cm. Par conséquent, bien que les joints soudés aient des propriétés tout à fait satisfaisantes, ils sont totalement inadaptés lorsque l’épaisseur de l’acier dépasse 12 mm.
Le soudage MIG est la méthode de soudage automatique ou semi-automatique la plus utilisée pour le soudage des aciers à basse température. Son apport thermique de soudage est de 23 à 40 KJ/cm. Selon la méthode de transfert de gouttelettes, elle peut être divisée en trois types : le processus de transfert par court-circuit (apport de chaleur inférieur), le processus de transfert par jet (apport de chaleur plus élevé) et le processus de transfert par jet pulsé (apport de chaleur le plus élevé). Le soudage MIG de transition en court-circuit présente le problème d'une pénétration insuffisante et un défaut de mauvaise fusion peut survenir. Des problèmes similaires existent avec d’autres flux MIG, mais à des degrés différents. Afin de rendre l'arc plus concentré pour obtenir une pénétration satisfaisante, plusieurs pour cent à des dizaines de pour cent de CO2 ou d'O2 peuvent être infiltrés dans l'argon pur comme gaz de protection. Les pourcentages appropriés doivent être déterminés par des essais pour l'acier particulier à souder.
3) Sélection des matériaux de soudage
Les matériaux de soudage (y compris la baguette de soudage, le fil et le flux de soudage, etc.) doivent généralement être basés sur la méthode de soudage utilisée. Forme du joint et forme de la rainure et autres caractéristiques nécessaires à choisir. Pour l'acier à basse température, la chose la plus importante à laquelle il faut prêter attention est de donner au métal soudé une ténacité à basse température suffisante pour correspondre au métal de base et de minimiser la teneur en hydrogène diffusible.
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(1) Acier désoxydé en aluminium
L'acier désoxydé à l'aluminium est une nuance d'acier très sensible à l'influence de la vitesse de refroidissement après soudage. La plupart des électrodes utilisées dans le soudage manuel à l'arc de l'acier désoxydé à l'aluminium sont des électrodes Si-Mn à faible teneur en hydrogène ou des électrodes à 1,5 % Ni et 2,0 % Ni.
Afin de réduire l'apport de chaleur de soudage, l'acier désoxydé à l'aluminium adopte généralement uniquement un soudage multicouche avec des électrodes minces de ≤¢3 ~ 3,2 mm, de sorte que le cycle thermique secondaire de la couche supérieure de soudure puisse être utilisé pour affiner les grains.
La résistance aux chocs du métal fondu soudé avec l'électrode de la série Si-Mn diminuera fortement à 50 ℃ avec l'augmentation de l'apport thermique. Par exemple, lorsque l’apport de chaleur passe de 18 KJ/cm à 30 KJ/cm, la ténacité perdra plus de 60 %. Les électrodes de soudage des séries 1,5 % Ni et 2,5 % Ni ne sont pas trop sensibles à cela, il est donc préférable de choisir ce type d'électrode pour le soudage.
Le soudage à l'arc submergé est une méthode de soudage automatique couramment utilisée pour l'acier désoxydé à l'aluminium. Le fil de soudage utilisé dans le soudage à l'arc submergé est de préférence du type contenant 1,5 à 3,5 % de nickel et 0,5 à 1,0 % de molybdène.
Selon la littérature, avec un fil de soudage 2,5%Ni—0,8%Cr—0,5%Mo ou 2%Ni, associé à un flux approprié, la valeur moyenne de ténacité Charpy du métal fondu à -55°C peut atteindre 56-70J (5,7 ~7,1Kgf.m). Même lorsque du fil de soudage à 0,5 % de Mo et un flux basique en alliage de manganèse sont utilisés, tant que l'apport de chaleur est contrôlé en dessous de 26KJ/cm, un métal soudé avec ν∑-55=55J (5,6Kgf.m) peut toujours être produit.
Lors de la sélection du flux, il convient de prêter attention à la correspondance du Si et du Mn dans le métal fondu. Preuve de test. Les différentes teneurs en Si et Mn dans le métal fondu modifieront considérablement la valeur de ténacité Charpy. Les teneurs en Si et Mn avec la meilleure valeur de ténacité sont de 0,1 à 0,2 % de Si et de 0,7 à 1,1 % de Mn. Lors de la sélection du fil de soudage, soyez-en conscient lors du soudage.
Le soudage à l’arc au tungstène et à l’argon et le soudage à l’arc sous argon métallique sont moins utilisés dans l’acier désoxydé à l’aluminium. Les fils de soudage ci-dessus pour le soudage à l'arc submergé peuvent également être utilisés pour le soudage à l'arc sous argon.
(2) Acier 2,5Ni et 3,5Ni
Le soudage à l'arc submergé ou le soudage MIG de l'acier 2,5Ni et de l'acier 3,5Ni peut généralement être soudé avec le même fil de soudage que le matériau de base. Mais tout comme le montre la formule de Wilkinson (5), le Mn est un élément inhibiteur de fissuration à chaud pour l'acier à basse température à faible teneur en nickel. Maintenir la teneur en manganèse dans le métal fondu à environ 1,2 % est très bénéfique pour éviter les fissures à chaud telles que les fissures de cratère d'arc. Ceci doit être pris en compte lors du choix de la combinaison fil de soudage et flux.
L'acier 3,5Ni a tendance à être revenu et fragilisé, donc après un traitement thermique après soudage (par exemple, 620°C × 1 heure, puis refroidissement du four) pour éliminer les contraintes résiduelles, ν∑-100 chutera fortement de 3,8 Kgf.m à 2,1Kgf.m ne peut plus répondre aux exigences. Le métal fondu formé par soudage avec un fil de soudage de la série 4,5 % Ni-0,2 % Mo a une tendance beaucoup plus faible à la fragilisation par trempe. L'utilisation de ce fil de soudure peut éviter les difficultés ci-dessus.
(3) Acier 9Ni
L'acier 9Ni est généralement traité thermiquement par trempe et revenu ou deux fois par normalisation et revenu pour maximiser sa ténacité à basse température. Mais le métal fondu de cet acier ne peut pas être traité thermiquement comme ci-dessus. Par conséquent, il est difficile d’obtenir un métal fondu ayant une ténacité à basse température comparable à celle du métal de base si des consommables de soudage à base de fer sont utilisés. À l'heure actuelle, les matériaux de soudage à haute teneur en nickel sont principalement utilisés. Les soudures déposées par de tels matériaux de soudage seront complètement austénitiques. Bien qu'il présente les inconvénients d'une résistance inférieure à celle du matériau de base en acier 9Ni et de prix très élevés, la rupture fragile ne constitue plus un problème sérieux pour ce matériau.
De ce qui précède, on peut savoir que le métal fondu étant complètement austénitique, la ténacité à basse température du métal fondu utilisé pour le soudage avec des électrodes et des fils est tout à fait comparable à celle du métal de base, mais la résistance à la traction et la limite d'élasticité sont inférieur au métal de base. L'acier contenant du nickel est auto-durcissant, c'est pourquoi la plupart des électrodes et des fils veillent à limiter la teneur en carbone afin d'obtenir une bonne soudabilité.
Mo est un élément de renforcement important dans les matériaux de soudage, tandis que Nb, Ta, Ti et W sont des éléments de renforcement importants, qui ont fait l'objet d'une attention particulière lors de la sélection des matériaux de soudage.
Lorsque le même fil de soudage est utilisé pour le soudage, la résistance et la ténacité du métal fondu du soudage à l'arc submergé sont pires que celles du soudage MIG, ce qui peut être causé par le ralentissement de la vitesse de refroidissement de la soudure et l'infiltration possible d'impuretés ou de Si. du flux de.
3. Soudage de tuyaux en acier à basse température A333-GR6
1) Analyse de soudabilité de l'acier A333-GR6
L'acier A333 – GR6 appartient à l'acier à basse température, la température minimale de service est de -70 ℃ et il est généralement fourni dans un état normalisé ou normalisé et revenu. L'acier A333-GR6 a une faible teneur en carbone, de sorte que la tendance au durcissement et à la fissuration à froid sont relativement faibles, le matériau a une bonne ténacité et plasticité, il n'est généralement pas facile de produire des défauts de durcissement et de fissuration et a une bonne soudabilité. Le fil de soudage à l'arc à l'argon ER80S-Ni1 peut être utilisé avec l'électrode W707Ni, utiliser le soudage de joints électriques à l'argon ou utiliser le fil de soudage à l'arc à l'argon ER80S-Ni1 et utiliser le soudage à l'arc à l'argon complet pour assurer une bonne ténacité des joints soudés. La marque de fil et d'électrode de soudage à l'arc sous argon peut également choisir des produits ayant les mêmes performances, mais ils ne peuvent être utilisés qu'avec l'accord du propriétaire.
2) Processus de soudage
Pour les méthodes détaillées du processus de soudage, veuillez vous référer au manuel d'instructions du processus de soudage ou au WPS. Pendant le soudage, un joint bout à bout de type I et un soudage à l'arc sous argon complet sont adoptés pour les tuyaux d'un diamètre inférieur à 76,2 mm ; pour les tuyaux d'un diamètre supérieur à 76,2 mm, des rainures en forme de V sont réalisées et la méthode de soudage combiné argon-électrique avec amorçage à l'arc sous argon et remplissage multicouche est utilisée ou la méthode de soudage à l'arc sous argon complet. La méthode spécifique consiste à sélectionner la méthode de soudage correspondante en fonction de la différence de diamètre du tuyau et d'épaisseur de paroi du tuyau dans le WPS approuvé par le propriétaire.
3) Processus de traitement thermique
(1) Préchauffage avant soudage
Lorsque la température ambiante est inférieure à 5 °C, la soudure doit être préchauffée et la température de préchauffage est de 100 à 150 °C ; la plage de préchauffage est de 100 mm des deux côtés de la soudure ; il est chauffé avec une flamme oxyacétylène (flamme neutre) et la température est mesurée. Le stylo mesure la température à une distance de 50 à 100 mm du centre de la soudure et les points de mesure de la température sont uniformément répartis pour mieux contrôler la température. .
(2) Traitement thermique après soudage
Afin d'améliorer la ténacité des aciers à basse température, les matériaux généralement utilisés ont été trempés et revenus. Un traitement thermique inapproprié après soudage détériore souvent ses performances à basse température, auxquelles il convient d'accorder suffisamment d'attention. Par conséquent, sauf dans les conditions de grande épaisseur de soudure ou de conditions de contrainte très sévères, le traitement thermique après soudage n'est généralement pas effectué pour l'acier à basse température. Par exemple, le soudage de nouveaux pipelines GPL en CSPC ne nécessite pas de traitement thermique après soudage. Si un traitement thermique après soudage est effectivement requis dans certains projets, la vitesse de chauffage, le temps de température constante et la vitesse de refroidissement du traitement thermique après soudage doivent être strictement conformes aux réglementations suivantes :
Lorsque la température dépasse 400 ℃, la vitesse de chauffage ne doit pas dépasser 205 × 25/δ ℃/h et ne doit pas dépasser 330 ℃/h. Le temps de température constante doit être de 1 heure pour 25 mm d'épaisseur de paroi et d'au moins 15 minutes. Pendant la période de température constante, la différence de température entre la température la plus élevée et la plus basse doit être inférieure à 65 ℃.
Après température constante, la vitesse de refroidissement ne doit pas être supérieure à 65 × 25/δ ℃/h et ne doit pas dépasser 260 ℃/h. Le refroidissement naturel est autorisé en dessous de 400 ℃. Équipement de traitement thermique de type TS-1 contrôlé par ordinateur.
4) Précautions
(1) Préchauffez strictement conformément à la réglementation et contrôlez la température intermédiaire, et la température intermédiaire est contrôlée à 100-200 ℃. Chaque cordon de soudure doit être soudé en une seule fois et s'il est interrompu, des mesures de refroidissement lent doivent être prises.
(2) Il est strictement interdit à la surface de la soudure d'être rayée par l'arc. Le cratère de l'arc doit être comblé et les défauts doivent être meulés avec une meule lorsque l'arc est fermé. Les joints entre les couches de soudure multicouche doivent être décalés.
(3) Contrôlez strictement l’énergie de la ligne, adoptez un faible courant, une basse tension et un soudage rapide. La longueur de soudage de chaque électrode W707Ni d'un diamètre de 3,2 mm doit être supérieure à 8 cm.
(4) Le mode de fonctionnement à arc court et sans oscillation doit être adopté.
(5) Le processus de pénétration complète doit être adopté et doit être effectué en stricte conformité avec les exigences de la spécification du processus de soudage et de la carte du processus de soudage.
(6) Le renforcement de la soudure est de 0 ~ 2 mm et la largeur de chaque côté de la soudure est ≤ 2 mm.
(7) Des tests non destructifs peuvent être effectués au moins 24 heures après la qualification de l'inspection visuelle des soudures. Les soudures bout à bout des pipelines doivent être soumises à la norme JB 4730-94.
(8) Norme « Appareils à pression : Essais non destructifs des appareils à pression », qualifiée Classe II.
(9) La réparation des soudures doit être effectuée avant le traitement thermique après soudage. Si une réparation est nécessaire après le traitement thermique, la soudure doit être réchauffée après réparation.
(10) Si la dimension géométrique de la surface de soudure dépasse la norme, le meulage est autorisé et l'épaisseur après meulage ne doit pas être inférieure à l'exigence de conception.
(11) Pour les défauts généraux de soudure, un maximum de deux réparations est autorisé. Si les deux réparations ne sont toujours pas qualifiées, la soudure doit être coupée et ressoudée selon le processus de soudage complet.
Heure de publication : 21 juin 2023
