Brevet FR2959949A1 — publié le 20111118

La présente invention concerne un procédé de soudage de tubes en acier au carbone ou en acier inoxydable, en particulier de tubes pour l'industrie pétrolière ou nucléaire. Les tubes en acier au carbone ou en acier inoxydable, y compris en acier plaqué, sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels pour transporter différents fluides, tels les gaz, les liquides ou d'autres substances comme le pétrole. La fabrication d'un tube soudé se fait habituellement en deux étapes à partir d'une tôle métallique qui va constituer l'enveloppe tubulaire du tube. Après mise en forme de U puis de O par rapprochement des deux bords longitudinaux de ladite plaque, en particulier par déformation mécanique par exemple au moyen de galets presseurs ou de tout autre système analogue, de manière à obtenir un tube non soudé. De préférence, les bords longitudinaux sont préparés avant mise en forme. Ensuite, on réalise une soudure longitudinale entre les deux bords longitudinaux du tube de manière à créer un joint de soudure entre lesdits bords longitudinaux du tube et obtenir ainsi un tube soudé. Par ailleurs, lors de leur utilisation, ces tubes doivent être raboutés, c'est-à-dire mis bout à bout puis soudés les uns aux autres, de manière à constituer des lignes et/ou des réseaux de tubes, par exemple des pipelines pour transporter du pétrole, du gaz ou similaires. Pour ce faire, après la mise bout à bout de deux tubes en général de même diamètre, une soudure circulaire est réalisée à la jonction des deux tubes de manière à les unir l'un à l'autre. Actuellement, plusieurs techniques ou procédés de soudage sont utilisés au plan industriel pour réaliser ces soudages de type longitudinal ou de type circulaire (raboutage). Dans les deux cas, les bords à assembler sont chanfreinés de manière à former un talon qui est soudé le premier souvent en plusieurs passes, puis le chanfrein est rempli avec autant de passes de soudage que nécessaires. Le soudage du talon se fait classiquement par différents procédés de soudage. Ainsi, le document JP-A-62252682 enseigne d'opérer un soudage par plasma d'arc d'un tube en acier duplex, à partir de l'extérieur du tube. Par ailleurs, les documents JP-A-61253174 et JP-A-61172679 proposent de souder simultanément le côté interne du tube par un procédé de soudage TIG et l'extérieur du tube par plasma d'arc. Par ailleurs, le document EP-A-896853 propose de réaliser un soudage TIG multiélectrodes de l'extérieur du tube. D'une manière générale, les procédés de soudage existants ne sont pas totalement satisfaisants car ils nécessitent souvent la réalisation de plusieurs passes de fond pour fondre complètement le talon situé à la jonction des deux bords chanfreinés et, par ailleurs, nécessitent fréquemment la réalisation d'une passe de refusion par mise en oeuvre d'un procédé de soudage TIG, laquelle est opérée à l'intérieur du tube. En outre, il est également connu de réaliser un soudage longitudinal de tube par mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'arc submergé, par l'intérieur ou l'extérieur du tube. Toutefois, ce procédé n'est pas pratique car du fait de la dimension importante de la tête de soudage, lors d'un soudage par l'intérieur du tube, et du fait de la nécessité de réaliser une préparation en V ou en U avec ouverture importante, lors d'un soudage par l'extérieur du tube, avec ensuite application d'un nombre élevé de passes de soudage pour remplir le chanfrein en V et nécessité éventuelle de mies en place d'un support envers, voire d'une préparation de joint après la première passe de fond, ce qui est très long et coûteux.. Le problème est dès lors de pouvoir effectuer des soudures longitudinales ou circulaires (raboutage) de tubes en acier au carbone ou en acier inoxydable, en particulier en acier plaqué, avec une grande productivité, à savoir un gain de plus de 50% en productivité par rapport à l'art antérieur hors préparation mais passes de remplissage comprises, et de qualité élevée, notamment un bel aspect de joint, en particulier de tubes pour l'industrie pétrolière et nucléaire, ou des parties tubulaires d'appareils à pression ou analogues. L'invention porte dès lors sur un procédé pour réaliser une soudure selon un plan de joint longitudinal ou circulaire entre deux bords d'au moins un tube présentant un diamètre D interne d'au moins 12 cm, au moins l'un des bords à souder étant chanfreiné et présentant un talon du côté intérieur du tube, dans lequel on réalise une passe première passe de soudage entre lesdits bords à souder au moyen d'une torche de soudage à l'arc électrique de manière à fondre au moins une partie dudit talon, caractérisé en ce que : a) on introduit la torche de soudage à l'arc à l'intérieur du ou des tubes, et b) on opère une fusion progressive dudit talon du côté intérieur du ou des tubes par un arc plasma de type keyhole délivré par ladite torche, la torche étant progressivement déplacée le long du plan de joint à souder. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les bords à souder sont les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique qui ont été rapprochés l'un de l'autre de manière à former un tube. - les bords à souder sont les deux bords circulaires d'extrémité de deux tubes mis bout à bout. - le talon a une hauteur h2 entre 2 et 10 mm, de préférence de l'ordre de 3 à 7 mm. - postérieurement à l'étape b), on opère un remplissage de tout ou partie du chanfrein situés entre les deux bords en mettant en oeuvre un procédé de dépôt multi-passe de métal fondu depuis l'extérieur du ou des tubes. - le procédé de dépôt multi-passe de métal fondu est un procédé de soudage à l'arc 5 submergé ou MIG/MAG mettant en oeuvre au moins un fil d'apport fusible. - les deux bords à souder comporte une préparation de type chanfrein en Y, en V ou autre, de manière à obtenir le talon. - le tube a une épaisseur entre 2.5 mm et 50 mm. - le ou les tubes sont en acier au carbone ou en acier inoxydable. 10 - le ou les tubes sont en acier au carbone avec plaquage surfacique d'acier inoxydable, de nickel ou d'un alliage de nickel. La présente invention va être mieux comprise grâce à la description suivante d'un exemple de réalisation, faite en références aux figures annexées parmi lesquelles : - les Figure la et lb représentent des vues en coupe d'une préparation de tube avec 15 talon, avant soudage longitudinal et raboutage, respectivement, - les Figures 2 et 3 représentent une torche de soudage plasma insérée au sein du tube de la Figure la, - la Figure 4a illustre un joint de soudure, vu en coupe transversale, obtenu avec un procédé de soudage selon la présente invention, et 20 - et la Figure 4b illustre un joint de soudure, vu en coupe transversale, obtenu avec un procédé de soudage selon l'art antérieur. Comme on le voit sur la Figure la, les deux bords longitudinaux d'une plaque métallique, en particulier en acier au carbone ou en acier inoxydable, ont été rapprochés l'un de l'autre par déformation mécanique, par exemple au moyen de galets presseurs, de manière à 25 former un tube 1 présentant une section en «U », puis en «O », c'est-à-dire circulaire ou analogue (ovale). Le tube 1 à souder est donc de forme cylindrique et a un diamètre D interne d'au moins 12 cm. Les deux bords longitudinaux de la plaque ont été mis en contact ou un quasi-contact l'un avec l'autre de manière à former un plan de joint 3 à souder sur toute la longueur du tube 1 30 avec talon 2 d'environ 2 à 8 mm, typiquement de 3 à 7 mm, situé du côté interne 4 du tube 1. Préalablement à la mise en forme de tube 1, les deux bords longitudinaux de la plaque métallique font l'objet d'une préparation, par exemple la réalisation d'un chanfrein 5 en forme en « V » ou en « Y » de manière à former le talon 2 du côté interne 4 du tube (cf. Fig. 1 a ou lb) et durant le soudage subséquent, le plasma d'arc délivré par la torche 7 provoque une fusion 35 dudit talon 2, lequel se solidifie ensuite en refroidissant en donnant le joint de soudure 6 désiré. En fait, comme illustré sur la Figure 2 ou 3, une torche 7 de soudage à arc plasma est d'abord introduite à l'intérieur 4 du tube 1, puis on soude ensemble lesdits deux bords longitudinaux, le long du plan de joint 3 formé par les bords longitudinaux de la plaque, de manière à obtenir un tube 1 soudé. Selon l'invention, on réalise donc la première passe de soudage entre les bords longitudinaux du tube 1 par mise en oeuvre d'un jet de plasma en mode keyhole délivré par la torche à plasma 7 de manière à opérer un soudage proprement dit desdits bords avec fusion du talon 2 par le jet de plasma, la torche 7 étant déplacée le long du plan de joint 3 dans la direction de la flèche de la Figure 2. La torche 4 est de conception compacte, avec refroidissement efficace par fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, de toutes les parties actives de la torche, à savoir le corps de torche, l'électrode, la buse et la tuyère, pour garantir un fonctionnement fiable à fort courant à l'intérieur 4 du tube 1, typiquement à plus de 300 A environ. Pour ce faire, la torche 7 à arc plasma est supportée mécaniquement à l'intérieur 4 du tube 1 par bras ou un doigt-porteur permettant un positionnement précis de celle-ci par rapport au plan de joint 3. De préférence, la hauteur de la torche 7 est de 10 cm environ pour une largeur de 6 cm environ, ce qui permet de souder des diamètres D internes de tube 1 d'au moins 12 cm, typiquement de l'ordre de 12 cm à 20 cm. Après soudage de la première passe conduisant à la fusion du talon 2, le remplissage du chanfrein 9 est opéré ensuite depuis l'extérieur du tube 1, par exemple par mise en oeuvre d'un procédé de soudage MAG/MIG, à l'arc submergé ou autre, de manière à combler totalement le chanfrein 5, comme montré en Figures 3 et 4a. En d'autres termes, le remplissage du chanfrein 5 par dépôt de métal fondu provenant d'un ou plusieurs fils d'apport fusibles, se fait depuis l'extérieur du tube 1. Le procédé de l'invention a été testé en soudage à l'arc plasma d'un tube 1 en acier 304L de diamètre égal à 12 cm et comparé à un procédé de soudage selon l'art antérieur, à savoir un procédé de soudage TIG par l'extérieur du tube. Dans les deux cas, le remplissage du chanfrein se fait par procédé de soudage MAG avec fil d'apport fusible. Les paramètres de préparation du tube (avant soudage) nécessaires à la mise en oeuvre de ces deux procédés sont donnés dans le Tableau 1 ci-après. Tableau 1 : Préparation du tube Epaisseur du tube à Angle Ouverture Talon Section de métal souder déposée Art antérieur 15 mm 60° 2 mm 82 mm2 Selon l'invention 15 mm 60° 7 mm 31 mm2 Comme on le voit dans le Tableau 1 et illustré sur les Figures 4a et 4b, étant donné que le procédé de soudage plasma du talon selon l'invention permet d'obtenir une pénétration plus importante, il est possible de réaliser la passe de fond B sur un talon plus haut (hauteur h2 sur Figure 4a), donc nécessitant une préparation de chanfrein en V de largeur moindre, l'ouverture du chanfrein étant uniquement conditionnée par le procédé de remplissage. Ceci réduit, par là même, la section de chanfrein 5 à remplir par la suite, lors de la mise en oeuvre des passes de remplissage B, contrairement aux procédés antérieurs qui, comme illustré en Figure 4b, ne permettent pas de conserver un talon 2 haut (hl Tableau 2 : Soudage selon l'art antérieur Passe de fond par procédé TIG I U Gaz Diamètre Vitesse Vitesse Nombre Temps pour (Ar) de fil de fil soudage de souder 1 m passes de tube 200 A 13 V 201/min / / 0.2 m/min 1 5 min Remplissage par procédé MAG (section du chanfrein à remplir environ 80mm2) I U Gaz Diamètre Vitesse Vitesse Nombre Temps pour Ar/CO2 de fil de fil soudage de souder 1 m passes de tube 180 A 21.6 V 15 m/min 1.2 mm 5 m/min 0.5 m/min 8 16 min Temps total de soudage par mètre de joint (sans préparation) : 21 min Le gaz utilisé ici pour les passes de remplissage MIG/MAG contiendra une teneur en 5 CO2 comprise préférentiellement entre 2 et 20% en volume pour les aciers carbones et 1 à 3% en volume pour les aciers inoxydables. Comme on le voit, avec le procédé selon l'art antérieur, le temps total de soudage par mètre de joint est de l'ordre de 21 minutes. Le Tableau 3 donne les autres conditions opératoires nécessaires à la mise en oeuvre du 10 procédé plasma de l'invention avec, comme précédemment, remplissage du chanfrein par procédé de soudage MAG, ainsi que le temps nécessaire à chacune des opérations de soudage et le temps total pour réaliser une soudure de 1 mètre de longueur. Tableau 3 : Soudage selon l'invention Passe de fond par procédé plasma selon l'invention I U Gaz Plasma Gaz Dia fil Vitesse Vitesse Nombre Temps pour (Ar) annulaire de fil soudage de souder 1 m (Ar/H2) passes de tube 280 A 30 V 9 1/min 26 1/min 1.2 0.9 0.2 1 5 min mm m/min m/min Remplissage par procédé MAG (section du chanfrein à remplir environ 30mm2) I U Gaz Diamètre vitesse fil Vitesse de Nombre Temps pour Ar/CO2 de fil soudage de souder 1 m passes de tube 180A 21.6V 15 L/min 1.2 mm 5 m/min 0.5 m/min 3 6 min Temps total de soudage par mètre de joint (sans préparation) : 11 min Le gaz utilisé en gaz annulaire du procédé plasma selon l'invention contient une teneur en hydrogène comprise préférentiellement entre 2 et 7,5% en volume. Le gaz (argon) utilisé pour les passes de remplissage MAG contient une teneur en CO2 comprise préférentiellement entre 2 et 20% pour les aciers carbones et 1 à 3% en volume pour les aciers inoxydables. Comme on le voit, avec le procédé de l'invention, le temps total de soudage par mètre de joint est de l'ordre de 11 minutes, soit un gain principalement sur le remplissage d'environ 50% par rapport au procédé selon l'art antérieur. Par ailleurs, un examen visuel du cordon de soudage montre que la qualité de soudure à l'intérieur du tube ainsi que le profil sont améliorés et qu'aucun parachèvement post-soudure n'est nécessaire avec le procédé de l'invention. En outre, du fait d'un soudage en talon jointif, on assiste à une moindre déformation et à un retrait plus faible avec le procédé de l'invention qu'avec le procédé TIG selon l'art antérieur. Un autre avantage de la mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'arc plasma keyhole depuis l'intérieur de l'acier support formant le tube est de pouvoir maîtriser la position exacte de cette passe par rapport au plan de liaison placage/acier support et donc d'assurer l'épaisseur optimale de l'assemblage au niveau de l'acier support pour garantir sa tenue mécanique. Cet avantage est d'autant plus sensible que l'acier support à des performances mécaniques élevées et que l'écart de performance avec le placage est important (cf. Tableau 6). 8 Tableau 6 : Caractéristiques mécaniques comparatives acier support / placage Support Plaqué Acier X100 X120 304L 316L 625 Re (Mpa) 690 830 310 320 340 Rm (Mpa) 760 990 620 610 700 En d'autres termes, le procédé de soudage de l'invention permet le meilleur compromis entre l'épaisseur maximale reconstituée de l'acier support garantissant le meilleur dimensionnement mécanique et l'épaisseur minimale de reconstitution du placage permettant le positionnement d'une passe bloquant la migration des éléments carbone et fer de l'acier support vers le placage avant la passe de reconstitution finale. De manière générale, le procédé de soudage de l'invention est recommandé pour le soudage de tubes en acier carbone type X100 ou X120, que ce soit en longitudinal (fabrication du tube) ou en circulaire (raboutage de deux tubes). En particulier, le procédé de soudage de l'invention peut aussi être appliqué au soudage d'un tube en acier plaqué, où un acier carbone assure les performances mécaniques et un placage en acier inoxydable austénitique, type 304L ou 316L, ou base nickel de type 600 ou 625, d'épaisseur typiquement de 1 à 3 mm assure la tenue à la corrosion du tube, lorsqu'on véhicule des fluides agressifs dans ledit tube. Le procédé, selon l'invention, peut permettre également de procéder à une refusion interne d'un cordon interne sans métal d'apport pour en améliorer le profil si nécessaire ou à une reconstitution interne de placage en acier inoxydable ou avec une base nickel dans le cas de tubes plaqués avec ces matériaux. Le soudage des aciers plaqués commence par le soudage de l'acier support tel que décrit précédemment puis par la reconstitution du placage généralement en 2 couches (avec plusieurs passes par couche) par le procédé plasma arc constricté (non mode keyhole) avec métal d'apport adapté au placage. Dans ce cas, la première couche de reconstitution va limiter la dilution de l'acier support et les remontées de carbone et de fer. La deuxième couche va reconstituer le placage dans sa composition chimique pour un comportement similaire en corrosion La mise en oeuvre d'un arc plasma keyhole depuis l'intérieur du tube formé de l'acier support permet de maîtriser la position exacte de cette passe par rapport à la liaison placage/acier support et donc d'assurer l'épaisseur optimale de l'assemblage au niveau de l'acier support pour garantir sa tenue mécanique. REVENDICATIONS. 1. Procédé pour réaliser une soudure (6) selon un plan de joint (3) longitudinal ou circulaire entre deux bords d'au moins un tube présentant un diamètre (D) interne d'au moins 12 cm, au moins l'un des bords à souder étant chanfreiné (5) et présentant un talon (2) du côté intérieur (4) du tube (1), dans lequel on réalise une passe première passe de soudage entre lesdits bords à souder au moyen d'une torche (7) de soudage à l'arc électrique de manière à fondre au moins une partie dudit talon (2), caractérisé en ce que : a) on introduit la torche (4) de soudage à l'arc à l'intérieur (4) du ou des tubes (1), et b) on opère une fusion progressive dudit talon (2) du côté intérieur (4) du ou des tubes (1) par un arc plasma de type keyhole délivré par ladite torche (4), la torche (4) étant progressivement déplacée le long du plan de joint (3) à souder. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords à souder sont les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique qui ont été rapprochés l'un de l'autre de manière à former un tube (1). 3. Procédé la revendication 1, caractérisé en ce que les bords à souder sont les deux bords circulaires d'extrémité de deux tubes (1) mis bout à bout. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le talon a une hauteur (h2) entre 2 et 10 mm, de préférence de l'ordre de 3 à 7 mm. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 25 postérieurement à l'étape b), on opère un remplissage de tout ou partie du chanfrein (5) situés entre les deux bords en mettant en oeuvre un procédé de dépôt multi-passe de métal fondu depuis l'extérieur du ou des tubes (1). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé de dépôt 30 multi-passe de métal fondu est un procédé de soudage à l'arc submergé ou MIG/MAG mettant en oeuvre au moins un fil d'apport fusible. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux bords à souder comporte une préparation de type chanfrein (5) en Y ou en V. 35 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube(1) a une épaisseur entre 2.5 mm et 50 mm. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les tubes (1) sont en acier au carbone ou en acier inoxydable. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les tubes (1) sont en acier au carbone avec plaquage surfacique d'acier inoxydable, de nickel ou d'un alliage de nickel.