Brevet FR2625559A1 — publié le 19890707

La présente invention concerne un procédé de contrôle non-destructif d'une soudure réalisée par un soudage par pression de deux pièces métalliques. Un procédé de soudage par pression, en particulier à température de forgeage, de deux pièces métalliques consiste, après rapprochement et mise en contact des deux pièces, à les chauffer au niveau de leur surface de jonction ou plan de joint jusqu'à une certaine température, puis à appliquer une pression de forgeage telle une contrainte de compression prédéterminée, perpendiculairement au plan de Joint pendant le refroidissement. Les procédés de soudage par pression, connus en soi, sont largement utilisés dans de nombreux domaines de l'industrie, en particulier pour le soudage des tubes métalliques et des rails de chemin de fer par exemple. Cependant, leur utilisation dans certains domaines n'est pas sans poscr des problèmes liés & des réglementations à respecter. C'est le cas notamment pour le soudage de conduites sous-marines ou terrestres haute pression pour le transport de pétrole ou de gaz, o ces réglementations sont très sévères pour des raisons évidentes de sécurité. D'une manière générale, toutes ces réglementations imposent, après soudage, un contrôle nôn-destructif de la soudure pour en déceler les défauts, et plus particulièrement les défauts de compacité comme par exemple des manques de fusion en des endroits de la soudure, la présence de fissures, d'inclusions contenant des produits polluants tels que des laitiers, du tungstène, du cuivre,.... de poches de gaz, etc. Les dimensions acceptables pour chacun de ces defauts sont très précisément spécifiées par ces réglementations pour déterminer l'acceptation ou le rejet d'une soudure en considérant, pour chaque défaut décelé, sa nature, son étendue ou son volume et sa répétition. A titre indicatif, ces réglementations sont connues par les abréviations API 1104 pour les Etats- Unis d'Amérique, DNV 1981 pour l'exploitation des fonds marins en Mer du Nord, BS 4515 1984 pour la Grande- Bretagne et dénommées GAZ DE FRANCE pour la France. Des systèmes de contrôl61e de soudures, notamment par rayons X ou GAMMA, ou par ultrasons, ont été mis au point et ils permettent d'obtenir une image de la soudure dont l'analyse permet de décider de son acceptation ou de son rejet selon les valeurs spécifiées par les réglementations, décision qui peut être éventuellement complétée par des tests mécaniques. Cependant, si tous ces systèmes de contrôle connus à ce jour, s'appliquent avec succès aux soudures obtenues, avec apport de matière, par progression d'un bain de fusion, comme par exemple les soudures à l'arc électrique, ces systèmes de contrôle s'avèrent inefficaces dans le cas de soudures obtenues par des procédés de soudage par pression. En effet, l'application d'une contrainte de compression après chauffage à une température prédéterminée voisine de 1100'C pour l'acier, fait que les défauts de soudage provenant d'un manque de liaison entre les deux faces à souder sont fortement comprimés et deviennent plans. L'expérience montre que les systèmes de contrôle précités basés notamment sur l'existence de variations de densité permettent de déceler des défauts volumiques, c'est-à-dire présentant un certain volume, mais ne permettent pas de déceler ces mêmes défauts une fois comprimés. Le but de l'invention est de resoudre le problème d'un contrôle non-destructif d'une soudure réalisée par pression, en particulier à température de forgeage, en rendant les défauts de la soudure parfaitement détectables. A cet effet, l'invention propose un procédé de contrôl61e non-destructif d'une soudure réalisée par un soudage par pression de deux pièces métalliques, ce type de soudage consistant a chauffer lesdites pièces au niveau de leur surface de jonction ou plan de joint à une température prédéterminée et à appliquer une pression de forgeage telle une contrainte de compression prédéterminée perpendiculairement au plan de joint, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer ensuite une contrainte de traction perpendiculairement au plan de joint, de part et d'autre de ce plan pour agrandir les défauts présents dans le plan de joint, et à détecter ces défauts par un système de contrôle connu en soi. Selon une autre disposition de l'invention, le procédé consiste a appliquer une contrainte de traction à une valeur Voisine de la limite élastique du métal constituant les pièces métalliques. Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, le procédé consiste, lors de l'opération de soudage, à élever la température du plan de joint des pièces à souder à une température de l'ordre de 1100'C par exemple, et à appliquer une contrainte de traction à chaud lorsque la température du plan de joint est redescendue à une température comprise entre 400 et 800'C, notamment pour des pièces métalliques en acier par exemple. Grâce à ces différentes dispositions, l'invention permet d'utiliser des systèmes connus au contrôle des soudures réalisées par des procédés de soudage par pression, notamment à température de forgeage, et d'appliquer ces procédés de soudage à la construction de gazoducs et d'oléoducs formes par l'assemblage de conduites haute pression. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront à partir de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective schématique du procédé conforme à l'invention pour le soudage de deux conduites métalliques, - la figure 2 est un graphique dont la courbe représente les variations du rapport entre la valeur de la limite élastique d'un acier au carbone à la température T et la valeur de la limite élastique de ce même acier à froid. - la figure 3 est un graphique dont les différentes courbes montrent l'évolution de la température dans le plan de joint des conduites au cours de l'opération de soudage, et - la figure 4 est un graphique dont les différentes courbes montrent la répartition des températures, à différents instants, de part et d'autre du plan de Joint des conduites. Le procédé conforme à l'invention va être appliqué, à titre d'exemple, au contrôle des soudures d'un oléoduc par exemple formé de l'assemblage successif de pièces métalliques tubulaires en acier ou conduites soudées 33 bout à bout par un procédé de soudage par pression, connu en soi, et plus particulièrement par un procédé de soudage par pression à température de forgeage. En référence à la figure 1 et pour illustrer schématiquement le principe du procédé de contrôle conforme à l'invention dans une application du type précité, il a été représenté la dernière conduite soudée 2 d'un oléoduc 1, à laquelle est raccordée la conduite suivante 3 comme décrit ci-après. Le procedé de soudage consiste, dans un premier temps ou temps de chauffage, a positionner la conduite 3 dans l'axe de la conduite 2, à les mettre en contact l'une avec l'autre et à chauffer leur surface de Jonction ou de contact 4, délimitant un plan de joint P, jusqu'à une température déterminée comprise entre OO1100'C et 1300'C, c'est-à-dire à une température proche de la fusion de l'acier. Le chauffage est effectué par des procédés classiques comme par exemple: par résistance, par induction, par étincelage ou par friction. Une fois cette température de chauffage atteinte, sensiblement au bout de 60 secondes,.on procède dans un deuxième temps à l'opération de forgeage qui consiste à appliquer au niveau de la surface de Jonction 4 pendant quelques secondes, une pression de forgeage telle une contrainte de compression de l'ordre de 10 kg/mm2 perpendiculairement au. plan de joint P, comme indiqué par les flèches Fl de la figure 1. Apres application de la pression de forgeage, des défauts 5 éventuellement présents dans la zone soudée de part et d'autre du plan de Jonction P des conduites 2, S sont comprimés et deviennent des défauts plans. A titre d'exemple, ces défauts sont essentiellement des défauts de compacité tels des zones de fusion incomplètes, la présence de fissures, d'inclusions de produits polluants tels des laitiers ou oxydes formés au cours de la fusion, de poches de gaz, etc. Bien que ces défauts soient de nature différente, ils ont éte regroupés sur la figure 1 sous la référence 5. Selon le procédé de contrôle conforme à l'invention, après chauffage et application de la contrainte de compression, le procédé consiste à effectuer un traitement mécanique de la surface de Jonction 4 entre - les conduites 2 et 3 afin d'obtenir une décohésion des zones mal soudées pour transformer les défauts plans 5 en défauts volumiques. Ce traitement mécanique est avantageusement une contrainte de traction appliquée perpendiculairement à la surface de contact 4 entre les conduites 2 et 3, comme indiqué par les flèches F2 à la figure 1. De manière avantageuse, cette contrainte de traction est appliquée à chaud pendant quelques secondes à une valeur voisine de la limite élastique du métal et est exercée lorsque la température de la surface de contact 4 entre les conduites 2 et 3 est redescendue à une température comprise entre 400 et 800'C pour de l'acier par exemple. En effet, il est avantageux d'exercer la contrainte de traction à chaud pour des raisons qui vont être explicitées en référence aux figures 2 à 4. Sur la figure 2. la courbe A montre l'évolution de la valeur du rapport E entre la limite élastique à la température T et la valeur de la limite élastique à froid d'un acier au carbone. L'examen de la courbe A montre que la valeur de ce rapport diminue en fonction de la température et que, vers 600'C, la limite élastique de l'acier est environ 30% de sa valeur à 'C. Autrement dit, l'application de la contrainte de traction à une température de l'ordre de 600'C a pour avantage de limiter la valeur de la contrainte de traction à une valeur de 15 kg/mm2 par exemple, alors que cette valeur devrait être de 45 kg/mmx à une température ambiante de 20'C, c'est-à-dire à la fin de la période de refroidissement de la surface de contact 4. D'une manière générale, la contrainte de traction est appliquée à chaud entre une température maximum correspondant à la température de soudage, c'est-à-dire la température à laquelle est portée la surface de contact 4 avant application de la contrainte de compression, et une température minimum telle- que la limite élastique du métal soit environ 80% de la limite élastique de ce métal à froid. Autrement dit, la contrainte de traction est appliquée à chaud, mais à une température qui varie en fonction des aciers utilisés. Le contrôle de la soudure étant de type non- destructif, il s'ensuit que la valeur de la contrainte de traction exercée à la surface de contact 4 ne doit pas dépasser une certaine valeur ou valeur limite au- delà de laquelle il y a risque de rupture de la soudure entre les conduites 2 et 3. De préférence, la valeur de la contrainte de traction appliquée se situe au voisinage de la limite élastique du métal à la température de la zone soudée, en étant légèrement soit en-deça, soit audelà de cette limite élastique, mais dans tous les cas inférieure à la valeur de rupture. A la figure 3, les différentes courbes B1 à B5 montrent l'évolution dans le temps de la température & la surface de jonction 4 (courbe B1) et de part et d'autre de la surface de contact 4 en s'éloignant de celle-ci de 0,5cm Sur la figure 4, les différentes courbes C1 à C5 montrent respectivement la répartition des températures de part et d'autre de la surface de jonction 4 entre les conduites 2 et 3 à différents instants, l'instant initial correspondant à la fin de- l'opération de chauffage de la surface de Jonction 4. Les courbes C1-C5 correspondent respectivement à des temps écoulés de 60s, 80s, 95s, IlOs et 125s. L'examen des courbes des figures 3 et 4 montre, en fonction de l'évolution de la température à la surface de contact 4, c'est-à-dire de la zone soudée; (figure 3) et de la répartition des températures de part et d'autre de la surface de contact 4 (figure 4), que pour une contrainte de traction donnée on obtient l'effet d'élongation souhaité principalement à la surface de contact 4, c'est-à-dire dans la zone soudée qui présente la température la plus élevee. L'application de la contrainte de traction permet donc de transformer les défauts plans 5 en des défauts volumiques qui s'avèrent être parfaitement détectables par des systèmes de contrôle connus en soi. Ces systèmes sont par exemple des contrôles par rayonnement de rayon X ou de rayon GAMMA, par ultrasons, par ressuage, par magnetoscopie, etc. Ces différents systèmes examinent la soudure et donnent une image dont l'analyse visuelle permet de déterminer si les défauts détectés satisfont ou non en fonction de leurs dimensions les valeurs spécifiées par les réglementations pour décider de l'acceptation ou du rejet de la soudure. Les moyens nécessaires pour la mise en oeuvre du procédé conforme & l'invention sont à la portée de l'homme de metier. A titre d'exemple, un des moyens pour appliquer la contrainte de pression à chaud après l'opération de forgeage aciers constituant les conduites 2 et 3. Le procédé de con-tr6le conforme à l'invention applique à la construction des oléoducs et gazoducs, et plus généralement, aux soudures des conduites haute pression, ouvre des perspectives très intéressantes, notamment en ce qui concerne les moyens nécessaires à sa mise en oeuvre et qui n'alourdissent pas les moyens lourds et coûteux déjà nécessités pour une telle construction. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple qui a été décrit précédemment, mais inclut toutes les variantes basées sur le principe qui consiste, par une contrainte de traction, à agrandir les défauts d'une soudure suite à l'opération de forgeage dans le cas d'un soudage par pression. En particulier, il a été précisé que la contrainte de- traction est avantageusement appliquée à chaud, mais cette opération peut être également envisagée à froid. De plus, le procédé conforme à l'invention a été appliqué plus particulièrement & un procédé de soudage par pression à température de forgeage, mais d'une manière générale l'invention s'applique à tous les procédés de soudage par pression de deux pièces métalliques, la surface de jonction entre ces deux pièces pouvant être quelconque. REVENDICATIONS 1.- Procédé de contrôl61e non-destructif d'une soudure réalisée par un soudage par pression de deux pièces métalliques, ce type de soudage consistant à chauffer lesdits, dces au niveau de leur surface de jonction & une température prédéterminée et à appliquer une pression de forgeage telle une contrainte de compression prédéterminée perpendiculairement à ladite surface de jonction, caractérisé en ce qu'il consiste ensuite à appliquer une contrainte de traction (F2) perpendiculairement à ladite surface de jonction (4), de part et d'autre de celle-ci pour agrandir les défauts (5) présents A ladite surface de jonction (4>, et à détecter ces défauts (5) par un système de contrôle connu en soi. 2.- Procédé de contrôl61e selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer ladite contrainte de traction (F2) à une valeur voisine de la limite élastique du métal constituant lesdites pièces métalliques (2,3). 3.- Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à élever la température desdites pièces (2,3) à une température déterminée ou température de soudage, et à appliquer ladite contrainte de traction (F2) à chaud entre une température maximum égale à la température de soudage et une température minimum telle que la limite élastique du métal constituant lesdites pièces (2,3) soit environ 80% de la limite élastique de ce métal a froid. 4.- Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à élever la température desdites pièces (2,3) à une température de l'ordre de 1100'C et à appliquer ladite contrainte de traction (F2) à chaud lorsque la température de la surface de Jonction 5.- Procédé de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites pièces métalliques (2,3) sont en acier.