1. Présentation de l'acier cryogénique
1) Les exigences techniques pour l'acier à basse température sont généralement : une résistance suffisante et une ténacité suffisante 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 rupture 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 doit 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, ce qui affecte également la ténacité à basse température de l'acier.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 et de méthane liquéfiés, 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 structure à basse température.Il a 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, parce qu'il contient plus de chrome et de nickel, il est plus cher.
2. Vue d'ensemble 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 biseauté
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 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 découpés au chalumeau oxyacétylénique.C'est juste que la vitesse de coupe est légèrement plus lente lors de la coupe au gaz de l'acier 9Ni que lors de la coupe 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 l'oxycoupage, mais pas à plus de 200°C.
L'oxycoupage n'a pas d'effets néfastes sur les zones affectées par la chaleur de soudage.Cependant, en raison des propriétés auto-durcissantes de l'acier au nickel, la surface de coupe durcira.Afin d'assurer 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 oxyacétylénique 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 à électrode fondue.
Le soudage à l'arc est la méthode de soudage la plus couramment utilisée pour l'acier à basse température, et il peut être soudé dans diverses positions de soudage.L'apport de chaleur de soudage est d'environ 18-30KJ/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 à l'entaille est également assez bonne.De plus, la machine de soudage à l'arc est simple et bon marché, l'investissement en équipement est faible et n'est pas affecté par la position et la direction.avantages tels que les limitations.
L'apport de chaleur du soudage à l'arc submergé de l'acier à basse température est d'environ 10-22KJ/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, il y a donc une plus grande tendance à générer des fissures à chaud.De plus, des impuretés et du Si peuvent souvent pénétrer dans le métal fondu à partir du flux, ce qui encouragera davantage cette tendance.Par conséquent, lors de l'utilisation du soudage à l'arc submergé, faites attention à la sélection 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 de chaleur de soudage est limité à 9-15KJ/cm.Ainsi, si les joints soudés ont 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 largement utilisée dans le soudage de l'acier à basse température.Son apport de chaleur de soudage est de 23-40KJ/cm.Selon la méthode de transfert de gouttelettes, il peut être divisé en trois types : processus de transfert par court-circuit (apport de chaleur plus faible), processus de transfert par jet (apport de chaleur plus élevé) et 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 le défaut d'une mauvaise fusion peut se produire.Des problèmes similaires existent avec d'autres flux MIG, mais à un degré différent.Afin de rendre l'arc plus concentré pour obtenir une pénétration satisfaisante, plusieurs pour cent à des dizaines de pour cent de CO2 ou O2 peuvent être infiltrés dans de 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 de soudage et le flux, etc.) doivent généralement être basés sur la méthode de soudage utilisée.Forme de joint et forme de rainure et autres caractéristiques nécessaires à choisir.Pour l'acier à basse température, la chose la plus importante à laquelle il faut faire attention est de faire en sorte que le métal fondu ait une ténacité à basse température suffisante pour correspondre au métal de base et de minimiser la teneur en hydrogène diffusible qu'il contient.
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(1) Acier désoxydé à l'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 n'adopte généralement que le 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 soudé soudé avec une électrode de la série Si-Mn diminuera fortement à 50℃ avec l'augmentation de l'apport de chaleur.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 la ténacité Charpy du métal déposé à -55 °C peut atteindre 56-70 J (5,7 ~7.1Kgf.m).Même lorsqu'un fil de soudage à 0,5 % de Mo et un flux basique d'alliage de manganèse sont utilisés, tant que l'apport de chaleur est contrôlé en dessous de 26 KJ/cm, un métal de soudure avec ν∑-55=55J (5,6 Kgf.m) peut toujours être produit.
Lors de la sélection du flux, il convient de prêter attention à la concordance de Si et Mn dans le métal fondu.Preuve d'essai.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 ~ 0,2 % Si et 0,7 ~ 1,1 % Mn.Lors de la sélection du fil de soudage et Soyez conscient de cela lors de la soudure.
Le soudage à l'arc sous argon au tungstène et le soudage à l'arc sous argon métal 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 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), Mn est un élément inhibiteur de fissuration à chaud pour l'acier basse température à faible teneur en nickel.Maintenir la teneur en manganèse dans le métal fondu à environ 1,2 % est très bénéfique pour prévenir les fissures à chaud telles que les cratères d'arc.Ceci doit être pris en compte lors du choix de la combinaison de fil de soudage et de flux.
L'acier 3.5Ni a tendance à être trempé et fragilisé, donc après un traitement thermique post-soudage (par exemple, 620 ° C × 1 heure, puis refroidissement du four) pour éliminer les contraintes résiduelles, ν∑-100 chutera brusquement 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 soudage peut éviter les difficultés ci-dessus.
(3) Acier 9Ni
L'acier 9Ni est généralement traité thermiquement par trempe et revenu ou deux fois normalisé 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 avec 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 totalement 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 n'est plus un problème sérieux pour lui.
D'après ce qui précède, on peut savoir que, comme le métal fondu est 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 au nickel étant auto-durcissant, 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 dans 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'éventuelle infiltration d'impuretés ou 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 de service minimale est de -70 ℃ et il est généralement fourni à l'état normalisé ou normalisé et revenu.L'acier A333-GR6 a une faible teneur en carbone, de sorte que la tendance au durcissement et la tendance 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 argon ER80S-Ni1 peut être utilisé avec l'électrode W707Ni, utilisez le soudage par joint argon-électrique ou utilisez le fil de soudage à l'arc argon ER80S-Ni1 et utilisez le soudage à l'arc sous 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 offrant les mêmes performances, mais ils ne peuvent être utilisés qu'avec le consentement du propriétaire.
2) Processus de soudage
Pour des méthodes de processus de soudage détaillées, veuillez vous reporter au manuel d'instructions du processus de soudage ou au WPS.Pendant le soudage, le soudage bout à bout de type I et le 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 à l'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 de tuyau et d'épaisseur de paroi de 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 de part et d'autre de la soudure ;il est chauffé avec une flamme oxyacétylénique (flamme neutre), et la température est mesurée Le stylo mesure la température à une distance de 50-100 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 post-soudure
Afin d'améliorer la ténacité à l'entaille de l'acier basse température, les matériaux généralement utilisés ont été trempés et revenus.Un traitement thermique post-soudage inapproprié détériore souvent ses performances à basse température, auxquelles il convient d'accorder suffisamment d'attention.Par conséquent, à l'exception des 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 nouvelles canalisations de GPL en CSPC ne nécessite pas de traitement thermique post-soudage.Si un traitement thermique post-soudage est effectivement requis dans certains projets, la vitesse de chauffage, le temps de température constante et le taux de refroidissement du traitement thermique post-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 par épaisseur de paroi de 25 mm et pas moins de 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 une température constante, la vitesse de refroidissement ne doit pas être supérieure à 65 × 25/δ ℃/h et ne doit pas être supérieure à 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 selon les réglementations et contrôlez la température de la couche intermédiaire, et la température de la couche intermédiaire est contrôlée à 100-200 ℃.Chaque cordon de soudure doit être soudé en une 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 rempli 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 petit courant, une basse tension et un soudage rapide.La longueur de soudure de chaque électrode W707Ni de diamètre 3,2 mm doit être supérieure à 8 cm.
(4) Le mode de fonctionnement arc court et pas d'oscillation doit être adopté.
(5) Le processus de pénétration complète doit être adopté et il doit être effectué en stricte conformité avec les exigences de la spécification du procédé de soudage et de la carte de procédé 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) Les essais non destructifs peuvent être effectués au moins 24 heures après la qualification de l'inspection visuelle de la soudure.Les soudures bout à bout des pipelines doivent être soumises à JB 4730-94.
(8) Référentiel « Récipients à Pression : Essais Non Destructifs des Récipients à Pression », qualifié Classe II.
(9) La réparation par soudure doit être effectuée avant le traitement thermique post-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 de soudure généraux, 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 procédé de soudage complet.
Heure de publication : 21 juin 2023
