L'acier résistant à la chaleur est un acier qui fonctionne à haute température et qui possède une excellente résistance thermique et une bonne stabilité thermique. La résistance thermique désigne la capacité à résister au fluage et à la rupture à haute température, et la stabilité thermique désigne la capacité à résister à l'oxydation et à la corrosion des milieux gazeux à haute température. L'acier résistant à la chaleur avec résistance thermique est généralement appelé acier résistant à la chaleur et l'acier résistant à la chaleur avec stabilité thermique est appelé acier stable à la chaleur. Les aciers résistants à la chaleur sont principalement utilisés dans l'ingénierie de l'énergie et de l'électricité, notamment dans la fabrication d'équipements de raffinage du pétrole, de chaudières, de cuves nucléaires, de turbines à vapeur, de cuves pour produits chimiques synthétiques, d'équipements aérospatiaux et d'autres équipements de traitement à haute température. Il convient de noter que de nombreux aciers inoxydables (309, 310H) présentent également une résistance à la chaleur et sont parfois appelés "aciers inoxydables résistants à la chaleur".

Les joints soudés de acier résistant à la chaleur doit avoir sensiblement la même résistance à l'oxydation à haute température que le métal de base. La composition de l'alliage et la teneur du métal soudé doivent être fondamentalement cohérentes avec le métal de base, comme le Cr, le Mo, le W et d'autres éléments majeurs, tandis que les impuretés comme le P et le S doivent être contrôlées à un niveau aussi bas que possible pour réduire la tendance à la fissuration à chaud. Afin d'améliorer la soudabilité, la teneur en C du matériau de soudage peut être légèrement inférieure à celle du métal de base pour garantir la performance à haute température. La résistance du métal soudé doit être similaire à celle du métal de base à souder. Les joints soudés en acier résistant à la chaleur doivent non seulement avoir une résistance à court terme à température ambiante et à haute température pratiquement égale à celle du métal de base, mais aussi, et surtout, des propriétés de fluage à haute température similaires à celles du métal de base. Les exigences de performance des nouveaux joints en acier thermorésistant pour les chaudières ultra-supercritiques sont indiquées dans le tableau suivant.

Notes	T.S σb MPa	Y.Sσs MPa	Élongation δ％	AkvJ	Contrainte admissible à la température de fonctionnement, MPa	Dureté, HB
P122	630	530	17%	31	64 (620℃)	225～270
P92	630	530	17%	31	70(620℃)	-
HR3C	655	-	30	-	69(650℃)	-
Super304H	590	-	35	-	91(620℃)78(650℃)	225～270

Although most of heat resistant steel welding structure is working under high temperature, but the final inspection for pressure vessels and piping requirements, usually at room temperature to 1.5 times the working pressure experiment hydraulic or pneumatic pressure test, the operation of pressure equipment or maintenance have to undergo the cold start process, so the heat resistant steel welding joint is also should have certain resistance to brittle fracture. For martensite and austenite heat resistant steels, the content of δ Ferrite in the deposited metal should be strictly controlled to ensure the creep property of the welded joints during the long time running at high temperature.

Soudage des aciers martensitiques P92/T92, P122/T122

Le P92 et le P122 sont des aciers martensitiques qui ont tendance à se fissurer à froid et à chaud pendant le soudage. Afin d'éviter les fissures à froid lors du soudage, il est nécessaire de préchauffer l'acier avant le soudage. La température de préchauffage n'est pas inférieure à 150℃ pour le soudage TIG et pas inférieure à 200℃ pour le soudage à l'arc à l'électrode et le soudage à l'arc submergé. Afin d'éviter les fissures à chaud et les gros grains, l'énergie de la ligne de soudage doit être strictement contrôlée pendant le processus de soudage, la température entre les couches doit être inférieure à 300℃, et le soudage à l'arc à l'électrode de tungstène et à l'argon avec un faible apport de chaleur de soudage est préférable. Le soudage multicouche et multi-passe doit être pris en compte lors du soudage à l'arc à l'électrode. L'épaisseur de la passe de soudage ne doit pas être supérieure au diamètre de l'électrode. La largeur de la passe de soudage ne doit pas être supérieure à 3 fois le diamètre de l'électrode et il est recommandé que le diamètre de l'électrode ne soit pas supérieur à 4 mm. Pour les pièces à paroi épaisse, le soudage à l'arc submergé peut être utilisé pour le soudage, mais le soudage à l'arc submergé à fil fin doit être utilisé, et le diamètre du fil de soudage doit être inférieur à 3 mm. Lors du soudage de tubes T122 et T92 de petit diamètre, la face arrière doit être remplie d'argon pendant toute la durée du processus de soudage. Pour les tubes de grand diamètre à paroi épaisse, une protection par argon est nécessaire à l'arrière des trois premières couches de soudure à la racine. Après le soudage, utiliser l'isolation d'amiante et le refroidissement lent et rester entre 100 ~ 150℃ pendant au moins 1 ~ 2 heures, jusqu'à ce que la métallographie est complètement transformé en martensite, puis peut effectuer le traitement thermique post-soudure. Pour l'épaisseur de la paroi de la pièce est supérieure à 40mm, après le soudage avec l'isolation d'amiante refroidissement lent, 100 ~ 150℃ au moins rester 1 ~ 2 heures, si pas immédiatement le traitement thermique, devrait être chauffé à 200 ~ 300℃ isolation 2 heures et puis refroidissement lent à la température ambiante.

SUPER 304H, SA-213 TP310HCBN Soudage d'acier austénitique

L'acier austénitique a une bonne soudabilité et n'a pas tendance à se fissurer à froid, il n'a donc pas besoin d'être préchauffé. Cependant, l'acier austénitique a tendance à se fissurer à chaud pendant le soudage, et il convient donc de veiller au contrôle de l'apport de chaleur pour le soudage et de la température entre les couches. Dans le processus de soudage, la méthode de soudage de l'énergie de la ligne de soudage est plus petite, comme le soudage TIG manuel, le soudage TIG automatique à fil froid ou le soudage TIG à fil chaud. En général, la température entre les couches ne doit pas dépasser 150℃. Pour le soudage TIG automatique à fil froid ou le soudage TIG à fil chaud, le processus de soudage continu nécessite un refroidissement à l'eau de la soudure entre les couches. Afin de prévenir la corrosion intergranulaire, la teneur en ions chlorure de l'eau de refroidissement doit être contrôlée. Afin d'éviter l'oxydation des éléments d'alliage dans la zone à haute température, la surface arrière doit être remplie d'argon pendant toute la durée du processus de soudage. Afin d'assurer une bonne fusion des deux côtés de la rainure, l'angle de la rainure de l'acier austénitique doit être plus grand que celui de l'acier ferritique général. Pour le soudage d'acier dissemblable avec des matériaux ferrites, il est recommandé d'utiliser un fil ou une électrode de soudage ernicR-3 ou EnICRFE-2. Lorsque de l'acier dissemblable est soudé (avec de l'acier ferritique) et utilisé à des températures élevées, le coefficient de dilatation des deux matériaux doit être pris en compte.

 

La forme de connexion du tube d'échange thermique et de la plaque tubulaire comprend principalement l'expansion, le soudage, le soudage d'expansion, etc. Le joint d'expansion se réfère à l'expansion de la performance d'étanchéité et de la résistance à la traction de la connexion entre le tube d'échange de chaleur et la plaque tubulaire. Il s'appuie sur la déformation plastique de l'extrémité du tube pour résister à la force de traction. La contrainte résiduelle après l'expansion du tube s'affaiblit progressivement lorsque la température augmente, de sorte que les performances d'étanchéité et la résistance de la connexion entre le tube et la plaque tubulaire diminuent. Par conséquent, l'expansion de la force convient à la pression de conception est inférieure ou égale à 4MPa, la température de conception est inférieure ou égale à 300℃. L'expansion de la résistance ne doit pas être utilisée en cas de vibration sévère, de grande différence de température ou de corrosion sous contrainte évidente pendant le fonctionnement.

Lors de l'expansion du tube, la dureté du tube doit être inférieure à celle de la feuille de tube. L'écart entre le tuyau et le tuyau et la rugosité du tuyau influent sur la qualité du tuyau à expansion. La surface rugueuse du trou du tuyau peut produire une grande force de friction et n'est pas facile à arracher, mais il est facile de produire des fuites. Il est strictement interdit d'avoir une rainure longitudinale à la surface du trou du tube. La surface lisse du trou du tube n'est pas facile à fuir, mais facile à arracher. En général, la rugosité de la surface doit être inférieure ou égale à 12,5μm. Il existe deux types de trous de tube : les trous et le rainurage annulaire, le premier étant illustré dans la figure (a) ci-dessous, et le second dans les figures (b) et (c) ci-dessous.

Après le rainurage, le tubes en acier sont comprimés dans les rainures lors de l'expansion, ce qui peut améliorer la résistance à l'arrachement et les performances d'étanchéité. Le nombre de fentes annulaires dans le trou du tube dépend de l'épaisseur de la plaque tubulaire. En règle générale, une fente est ouverte lorsque l'épaisseur est inférieure à 25 mm, et deux fentes sont ouvertes lorsque l'épaisseur est supérieure à 25 mm. Lorsque la plaque tubulaire est épaisse ou pour éviter la corrosion des interstices, la structure présentée dans la figure suivante (d) peut être utilisée, la plaque tubulaire composite et le tube d'échange de chaleur peuvent également être élargis, lorsque le revêtement est supérieur ou égal à 8 mm, il doit être placé dans la rainure du trou tubulaire, la structure est présentée dans la figure suivante (e).

Le soudage de résistance vise à assurer l'étanchéité et la résistance à la traction du tube d'échange thermique et de la connexion de la plaque tubulaire ; il s'agit du type de connexion de plaque tubulaire le plus utilisé. La fabrication du soudage de résistance est simple, la capacité de traction est forte, en cas de défaillance de la partie soudée, il est possible de procéder à une réparation secondaire par soudage, ce qui est plus pratique pour le tube d'échange thermique. L'utilisation du soudage par résistance n'est pas limitée par la pression et la température, mais il n'est pas adapté aux vibrations importantes ou à la corrosion des interstices. La forme générale du soudage de résistance est illustrée dans la figure (a) ci-dessous. Afin d'éviter l'accumulation de liquide autour de l'extrémité du tuyau, la structure illustrée à la figure (b) ci-dessous est souvent utilisée. La structure illustrée à la figure (c) ci-dessous est généralement utilisée lorsque la tôle tubulaire est en acier inoxydable.

La performance d'étanchéité du joint entre le tube et la plaque tubulaire doit être élevée, ou il y a de la corrosion de dégagement, résister à de fortes vibrations et à d'autres occasions, l'expansion ou le soudage seul ne peut pas répondre aux exigences, la combinaison des deux peut fournir une résistance suffisante et une bonne performance d'étanchéité. La combinaison de l'expansion et du soudage peut être divisée en deux types selon la séquence d'expansion et de soudage : l'expansion et le soudage après l'expansion. La méthode d'expansion générale entraîne inévitablement des taches d'huile dans la fente du joint, qui sera soudée après l'expansion. Ces taches d'huile et l'air présent dans l'espace réduisent la qualité de la soudure.

Souder avant la dilatation risque d'endommager la soudure. À l'heure actuelle, il n'existe aucune disposition uniforme concernant le choix des deux ordres. Si le premier soudage a lieu après l'expansion, il convient de limiter la position d'expansion de l'extrémité du tube, généralement en contrôlant la surface de la plaque tubulaire à 15 mm au-dessus de l'étendue de l'expansion. La première expansion et le soudage adoptent généralement la forme de l'expansion de résistance et du soudage d'étanchéité. L'expansion de la résistance assure la performance d'étanchéité du tube et de la plaque tubulaire, en fournissant une résistance à la traction suffisante, et le soudage du joint assure encore la performance d'étanchéité du tube et de la plaque tubulaire. La structure est illustrée dans la figure (a). Le soudage de résistance assure la performance d'étanchéité du tube et de la plaque tubulaire, en fournissant une résistance à la traction suffisante, et l'expansion par collage élimine l'espace entre le tube et le trou du tube pour assurer la performance d'étanchéité. La structure est illustrée à la figure (b).

Par essence, l'expansion explosive est également une sorte d'expansion de la force, cette dernière adopte généralement l'expansion à rouleaux, la première utilise l'explosif dans un laps de temps très court pour produire une onde de choc de gaz à haute pression afin de fixer fermement le tuyau à l'orifice du tube. Expansion explosive et efficacité de connexion élevées, pas besoin d'huile de lubrification, facile à souder après l'expansion, grande résistance à la traction, faible élongation et déformation axiale.

L'expansion explosive convient aux tubes à paroi mince, aux tubes de petit diamètre et à l'expansion des feuilles de tubes de grande épaisseur, aux fuites à l'extrémité des tubes d'échange thermique, l'expansion mécanique est difficile à réparer.

Le tubage de pétrole est composé d'un collier et d'un corps de tuyau. Un seul corps de tube est raccordé au filetage du collier et transporté sur le site du gisement de pétrole avec un raccordement bout à bout pour faciliter le transport et l'utilisation après avoir atteint la longueur requise. Afin de renforcer la résistance et le contrôle anti-desserrage du raccord fileté, il est nécessaire de souder le raccord avec le corps du tuyau après le raccord fileté. Il est donc très important d'analyser les performances de soudage et de formuler un processus de soudage raisonnable. API 5A J55 est l'un des matériaux de tubage les plus couramment utilisés, et nous avons analysé sa soudabilité en fonction de son équivalent en carbone.

Composition chimique de l'API 5CT J55

Grade	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo
API 5CT J55	0.34-0.39	0.20-0.35	1.25-1.50	0.020	0.015	0.15	0.20	0.20	/

Selon la formule de l'équivalent carbone de l'Institut international de la soudure :

CE＝C＋Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

CE＝0,69＞0,4

Son équivalent carbone est supérieur à 0,4 et sa soudabilité est médiocre. Pour obtenir une bonne qualité de soudage, une température de préchauffage élevée et des mesures technologiques strictes sont nécessaires.

Sa soudabilité a été analysée en fonction de l'influence de la teneur en éléments de l'alliage J55 sur la microstructure et les propriétés :

• J55 tube d'enveloppe a une teneur élevée en carbone, soit 0,34%~0,39%, ce qui fait que la courbe de transition de l'austénite surfondue de l'acier se déplace vers la droite et augmente ; l'ajout de Cr, Mn, Ni, Cu et d'autres éléments d'alliage fait que la courbe de transition de l'austénite surfondue se déplace vers la droite, ce qui renforce la stabilité de l'austénite surfondue et augmente le point MS (le point de départ de la formation de la martensite). Tous ces effets augmentent la tendance à la trempe de J55, et des fissures de soudage sont apparues.
• J55 a une grande tendance à la fissuration à froid, principalement à la trempe et à la fragilisation. En raison de sa résistance élevée, de la valeur maximale élevée de la dureté de la zone affectée par la chaleur du soudage et du refroidissement rapide, la martensite est facilement générée. Lors du soudage, essayez de choisir une énergie de ligne et un courant de soudage importants, et ne réduisez pas excessivement la vitesse de soudage. Afin de réduire la vitesse de refroidissement, de prolonger le temps de refroidissement du joint soudé de 800 ℃ à 500℃, d'améliorer la microstructure du métal soudé et de la zone affectée par la chaleur, et de réduire la dureté maximale de la zone affectée par la chaleur, un préchauffage avant le soudage et un revenu après le soudage sont nécessaires.
• La tendance à la fissuration à chaud de J55 n'est pas élevée car sa conductivité thermique ne permet pas de générer facilement un eutectique à faible fusion ; la tendance à la fissuration de réchauffage n'est pas importante car il ne contient pas de carbure fort. Le fil de soudage ER55-G est sélectionné en fonction de sa résistance. Le fil de soudage présente d'excellentes performances en matière de processus de soudage, une teneur élevée en nickel, une forte résistance à la fissuration à froid et d'excellentes propriétés mécaniques globales du métal déposé.
• En raison de l'important apport de chaleur nécessaire au soudage J55, la valeur de résistance du matériau de base et du matériau de soudage est élevée, et la contrainte interne pendant le soudage est extrêmement importante. Pendant le soudage, il est nécessaire de marteler la soudure. Après le soudage, un traitement thermique est effectué pour éliminer la contrainte interne et éviter la fissuration post-soudure causée par une contrainte excessive. Le traitement thermique après soudage peut également améliorer les propriétés de la microstructure de soudage.

Procédé de soudage du J55

Méthode de soudage 1Soudage : 80% Ar+20%CO2 sous protection gazeuse. Matériel de soudage : fil de soudage ER55-G, diamètre Φ3.2mm. Paramètres de soudage : courant 250~320A, tension 26 ~30V ; vitesse de soudage 35~50cm/min ;

La température de préchauffage est de 100℃, et la température intercalaire n'est pas inférieure à la température de préchauffage, mais elle ne doit pas être supérieure à la température de préchauffage de 30℃.

Traitement post-soudage : refroidissement à l'air sans traitement thermique.

Résultats : L'essai de traction a été qualifié. Les valeurs d'impact des trois échantillons dans la zone affectée thermiquement sont 26, 47, 23, non qualifiées. Les quatre échantillons de flexion latérale présentent respectivement des fissures de 3,75 mm, 4 mm, 1,38 mm et 0,89 mm, qui ne sont pas qualifiées. Ce schéma technologique n'est pas raisonnable.

Méthode de soudage 2Soudage au gaz : 80%Ar+20%CO2. Matériel de soudage : fil de soudage ER55-G, diamètre Φ3.2mm. Paramètres de soudage : courant 250~320A, tension 26 ~30V ; Vitesse de soudage 35~50cm/min ; La température de préchauffage est 100℃, et la température intercalaire n'est pas inférieure à la température de préchauffage, mais il n'est pas permis d'être plus élevé que la température de préchauffage de 30℃.

Traitement post-soudage : traitement de trempe, température 600±20℃, temps de maintien 4h ; taux de chauffage 50℃/h, taux de refroidissement 50℃/h.

Résultats : L'essai de traction a été qualifié. Les valeurs d'impact des trois échantillons dans la zone affectée thermiquement sont respectivement de 51, 40 et 40, ce qui est qualifié.

Essai de flexion latérale, qualifié ; L'expérience prouve que ce schéma technologique est raisonnable. Le traitement thermique post-soudage peut améliorer la microstructure et les propriétés du soudage, ce qui est l'un des facteurs importants pour que le soudage J55 permette d'obtenir des joints soudés qui répondent aux exigences techniques.

L'environnement difficile du tubage API 5A J55 exige la qualité du tuyau lui-même, ainsi que la qualité du soudage. L'analyse et le test de soudage décrits ci-dessus permettent d'obtenir un processus de soudage capable de répondre aux exigences, ce qui fournit une base théorique et expérimentale pour le soudage correct des gaines de pétrole.

Les joints d'isolation sont principalement utilisés dans la protection de l'étanchéité des installations pétrolières et gazières. gazoducs et de prévenir la corrosion électrochimique. Ils sont principalement composés de joints courts, de brides en acier, de bagues de fixation, de joints, de plaques d'isolation, de manchons d'isolation et de matériaux d'isolation de remplissage. Le type d'étanchéité peut être le joint torique, le joint en U et le joint composite en forme de "O + U", bien que la structure d'étanchéité soit différente, ils ont le même principe d'étanchéité. Le principe d'étanchéité est que la bague d'étanchéité, sous l'action de la précharge externe, produit une déformation élastique et la force d'étanchéité nécessaire pour garantir l'absence de fuite du fluide dans la canalisation. Voici un exemple de joint isolé X80 DN1200 /PN120 pour illustrer son processus de soudage.

Le matériau du joint isolant dans cette expérience est le suivant API 5L X80Les dimensions sont de 1219 mm x 27,5 mm. Le corps principal est en acier forgé sous pression (bride, anneau fixe), matériau F65, classe Ⅳ ; la partie d'étanchéité est un anneau d'étanchéité en U en caoutchouc fluoré, qui présente les caractéristiques suivantes : étanchéité fiable, faible absorption d'eau, résistance élevée à la compression, bonne élasticité et isolation électrique. Le matériau de la plaque d'isolation présente de bonnes performances d'isolation électrique, une résistance à la pénétration des fluides et une faible absorption d'eau. Les brides forgées sont conformes à la norme ASTM A694 pour F65, à la teneur en C, Mn, P, S et à l'équivalent carbone, à l'indice de résistance à la fissuration, à la dureté et aux exigences en matière d'énergie d'impact. Après essai, la structure métallographique est perlite + ferrite, structure uniforme, pas de ségrégation, la taille moyenne des grains est de 8 grades. La taille de grain plus fine garantit la résistance et la ténacité élevées des pièces forgées.

Procédure de soudage

Pour le soudage de ce produit, après traitement de détensionnement, essais de traction, de flexion, d'impact, de dureté, métallographie et analyse spectrale, les résultats sont conformes aux spécifications.

1. Rainure de soudage

• En fonction des propriétés des matériaux et de l'épaisseur de la paroi des raccords de tuyauterie et des brides, choisir la forme et la taille de la rainure appropriée, à savoir la rainure en double "V".
• Lors de la conception de la taille et du type de rainure de soudage, l'influence de l'apport de chaleur de soudage sur la performance des éléments d'étanchéité est prise en compte, et l'apport de chaleur le plus faible est adopté pour le soudage afin de garantir que la bague d'étanchéité en caoutchouc proche de la soudure ne sera pas brûlée au cours du processus de soudage. La rainure d'espacement étroite est déterminée en fonction de nos années d'expérience dans le soudage de robinets à tournant sphérique entièrement soudés.

2. Méthode de soudage

La méthode de soudage "soudage à l'arc à l'argon + soudage à l'arc submergé avec remplissage et recouvrement". Conformément au principe de sélection des matériaux de soudage pour les aciers fortement alliés avec différentes nuances d'acier stipulé dans le code et la norme de soudage des appareils à pression, les matériaux de soudage correspondant à la nuance d'acier F65 ont été sélectionnés, ce qui permet non seulement de répondre aux exigences de résistance des matériaux F65 et X80, mais aussi d'avoir une bonne ténacité.

Soudage bride-mamelon

Les brides et les joints de tuyaux sont soudés à l'arc sous argon et à l'arc submergé automatique. Le soudage à l'arc sous argon est utilisé pour le soudage du support, puis le soudage automatique à l'arc submergé pour le soudage de remplissage et de recouvrement.

1. Matériel de soudage

Machine à souder automatique à l'arc submergé : vitesse 0,04 ~ 2r/min, plage de serrage de la pièce Φ330 ~ 2 700mm, longueur maximale de la pièce à souder 4500mm, profondeur maximale du cordon de soudure 110mm, peut supporter un poids de 30t.

Le soudage à l'arc submergé présente les avantages d'une qualité de soudage fiable, d'une belle formation de cordon de soudure, d'un taux de dépôt élevé, et peut être largement utilisé dans les joints d'isolation de grand diamètre, les vannes à bille enterrées entièrement soudées, etc.

2. Méthode de soudage

Méthode de soudage GTAW+SAW. Tout d'abord, nous utilisons le soudage à l'arc sous argon pour soutenir la racine et la remplir à chaque fois afin de garantir la fusion de la racine, puis nous utilisons la méthode de soudage multicouche automatique à l'arc submergé pour compléter le remplissage et le recouvrement.

Traitement thermique post-soudure

Afin de réduire la contrainte résiduelle de la soudure et d'empêcher la fissuration ou la déformation sous contrainte de la soudure, il est nécessaire de la déstresser et de la tremper après le soudage. Un chauffage électrique à câble de type SCD (18,5 m de long) et un boîtier de contrôle de la température de type LWK-3×220-A sont utilisés pour le traitement thermique. Le thermocouple blindé de type K est choisi comme équipement de mesure de la température. La température de traitement thermique était 550℃, et le temps de conservation de la chaleur était 2 heures.