Superposition de soudure Inconel en haut

Les pompes à haute énergie qui fonctionnent dans des conditions difficiles doivent être fabriquées en utilisant les meilleurs matériaux possibles pour assurer une fiabilité à long terme. Pour les applications impliquant l'eau de mer et l'eau produite, l'acier inoxydable super duplex est généralement spécifié comme matériau de fabrication principal en raison de sa résistance à la corrosion.

Cependant, le coût élevé de ce matériau peut devenir un facteur majeur lors de la conception de composants plus grands et les opérateurs peuvent demander que des alternatives soient évaluées pour leurs projets.

Dans le même temps, les applications de pompage peuvent changer et l'équipement impliqué doit être mis à niveau pour répondre aux nouvelles exigences. Pour les pompes existantes, cela peut créer plusieurs défis car les opérateurs doivent établir le moyen le plus rentable de fournir les nouvelles spécifications. Des pressions élevées peuvent exclure le super duplex comme matériau le plus approprié, une situation qui peut être résolue par une superposition de soudure inconel.

Caractérisation des matériaux

Le super duplex est un matériau couramment utilisé pour créer des corps de pompe pour l'eau de mer, l'eau produite et certaines applications pétrolières et gazières. Il fournit la résistance à la corrosion requise en corrélation avec le fluide que la pompe doit traiter.

Ce métal appartient aux matériaux résistants à la corrosion qui possèdent une résistance élevée aux piqûres, qui est calculée par une moyenne pondérée d'éléments clés, tels que le chrome, le molybdène et l'azote, en utilisant l'équation 1.

Équation 1

PREN = %Cr + 3,3 x

(%Mo + 0,5%W) + 16 x %N

Cela calcule la valeur connue sous le nom de nombre équivalent de résistance aux piqûres (PREN), qui représente la capacité du matériau à résister à la corrosion localisée sous forme de piqûres. Pour les applications citées ci-dessus, le PREN doit être supérieur à 40.

Cependant, bien que la composition chimique du super duplex offre une résistance élevée, une large gamme de résistance à la corrosion et une soudabilité modérée, elle présente certaines limites. La métallurgie des aciers inoxydables duplex est plus complexe que celle des aciers ferritiques ou austénitiques, ce qui les rend plus difficiles à produire et à fabriquer. Cela impacte les coûts matériels.

De plus, les aciers duplex peuvent former plusieurs phases intermétalliques indésirables, comme sigma et alpha prime, si le matériau n'est pas traité correctement, en particulier lors d'un traitement thermique. Les aciers super duplex sont particulièrement sujets à la fragilisation et à la réduction de la résistance à la corrosion lorsque la vitesse de refroidissement pendant la fabrication ou le soudage n'est pas suffisamment élevée. Cela peut réduire la gamme d'applications adaptées à ces matériaux.

Solutions haute pression

Enfin, les applications qui impliquent des pressions élevées nécessitent une plus grande épaisseur de paroi, ce qui est particulièrement pertinent pour les corps de pompe. Cependant, les matériaux super duplex ne sont qualifiés que dans une certaine mesure à cet effet, donc dans les situations de haute pression, les fabricants et ceux impliqués dans la réparation ou la modernisation des pompes doivent revoir leurs options.

Le thème des corps de pompe soudés est revenu sur le devant de la scène avec l'augmentation des exigences de pression pour les pompes. En 2011, une autre étude a obtenu des informations similaires sur l'enquête précédente. Comme des pressions de fonctionnement allant jusqu'à 10000 livres par pouce carré (psi) (690 bar) étaient requises dans certaines applications, le super duplex était moins préféré que l'option avec une conception de boîtier soudé, ce qui a conduit aux projets successeurs du prototype.

À ce niveau de pression de fluide, le corps de pompe doit être plus épais, mais cela dépasse l'épaisseur de paroi pour laquelle le matériau forgé super duplex a été qualifié. Dans le même temps, les coûts de préparation à l'usinage de la soudure et du soudage lui-même, y compris la qualification de la soudure, peuvent parfois être compensés par le prix de marché plus élevé du super duplex.

Développer des alternatives

Une alternative possible consiste à utiliser un acier au carbone ou faiblement allié pour le boîtier et à souder toutes les surfaces mouillées par le procédé avec un revêtement résistant à la corrosion, tel que l'Inconel 625. La décision d'utiliser ce procédé pour revêtir les boîtiers avec ce matériau à base de nickel dépend des prix actuels des matières premières et des limites de taille et de poids des grandes pièces super duplex.

Un matériau faiblement allié contenant 2,25 % de chrome et 1 % de molybdène est devenu un matériau de base accepté dans l'industrie pour les pièces soudées avec l'Inconel 625. Il a également été sélectionné, car il offre une résistance matérielle similaire à celle du super duplex si le traitement thermique approprié est appliqué.

La méthode de superposition de soudure est généralement la mieux adaptée lorsque le super duplex n'est pas le choix de matériau le plus approprié en raison de la limitation liée au processus de traitement thermique. Une trempe efficace et efficace pendant le traitement thermique est un défi pour les composants super duplex plus épais ; il existe un risque de fragilisation et une résistance à la corrosion réduite. Le super duplex n'est donc pas qualifié pour les pièces plus épaisses avec une limitation d'épaisseur de paroi à environ 250 millimètres (mm). Pour protéger les matériaux moins nobles, comme l'acier au carbone ou l'acier faiblement allié, avec un revêtement de soudure résistant à la corrosion, il devient une alternative intéressante.

En 2008, une société d'ingénierie des fluides a développé sa première conception de pompe utilisant ce processus de superposition de soudure. Une zone qui avait été recouverte d'Inconel était le contour mouillé par le processus à l'intérieur des corps de pompe (Image 1). Ce prototype a permis une enquête approfondie sur la faisabilité de l'utilisation de composants de pompe comprenant des superpositions de soudure.

Techniquement, une large gamme d'aciers au carbone ou faiblement alliés peut être utilisée comme matériau de base, réduisant considérablement le coût des composants. Une partie de l'enquête a consisté à élaborer sur les différents candidats pour le matériau de base des tubages et sur la conception du profil du tubage qui doit être protégé par le recouvrement de soudure. Ces investigations s'accompagnaient de considérations de coût, qui affecteraient la viabilité du procédé à long terme.

Processus de soudage et exigences de processus techniques

En termes généraux, un projet de superposition de soudure se compose de trois étapes. Tout d'abord, le matériau de base est usiné pour créer l'espace pour accueillir le recouvrement de soudure. Un soudeur spécialisé est ensuite utilisé pour appliquer le métal de spécification plus élevée, tel que l'Inconel 625, avant que le composant ne soit renvoyé à l'atelier d'usinage pour le dimensionnement final.

Le développement des procédures de superposition de soudure a impliqué un procédé de soudage mécanisé à l'arc au tungstène (GTAW), qui a été utilisé dans les projets qui ont suivi les premiers essais de soudage.

La configuration de soudage contient une électrode de tungstène non consommable qui génère l'arc, dont la chaleur doit être suffisante pour faire fondre les métaux.

Dans ce cas, l'Inconel 625 est le métal qui sera fusionné avec le matériau du boîtier en acier faiblement allié. Un fil Inconel est alimenté en continu vers l'arc de soudage et la pièce à usiner. L'arc de soudage est protégé par un écran de gaz inerte qui empêche la contamination de la zone de soudage (Image 2).

Plusieurs défis se posent avec le processus de soudage. Cependant, la société d'ingénierie des fluides s'est associée à un soudeur spécialisé qualifié qui a pu réaliser la soudure de haute qualité requise et manipuler des corps de pompe pesant plusieurs tonnes. Trois exigences de la spécification de soudure seront abordées.

Composition du fer

La dilution et la teneur en fer dans la soudure doivent être soigneusement contrôlées. Deux classes de composition sont spécifiées pour les alliages à base de nickel N06625 selon l'American Petroleum Institute (API) 6A (International Organization for Standardization [ISO] 10423) pour les analyses chimiques : Fe5 et Fe10.

Les abréviations représentent la teneur maximale en fer admissible accumulée à 3,2 millimètres (mm) du matériau de base (image 3). Toute augmentation de la teneur en fer de la couche de soudure au-delà de celle spécifiée augmente le risque de corrosion.

Épaisseur de soudure

Une autre exigence spécifie qu'au moins deux couches de soudure doivent être appliquées sur le matériau de base. La vue à travers l'alésage du carter (image 4) révèle l'aspect légèrement sillonné de la couche soudée.

Une fois le soudage terminé, un traitement thermique post-soudage (PWHT) est effectué pour assurer les propriétés requises du matériau et pour libérer les contraintes résiduelles.

Dans ce cas, la société d'ingénierie des fluides a décidé d'obtenir une épaisseur de soudure finale usinée de 5 mm. L'intention était de compenser tout écart en termes de tolérances de fabrication et d'usure par érosion potentielle pouvant survenir pendant le fonctionnement.

Plusieurs étapes de fabrication sont nécessaires pour obtenir la géométrie finale de la soudure et l'une des ambitions du projet était de minimiser au maximum l'écart, en termes d'épaisseur de soudure, pour réduire le temps nécessaire à l'usinage final. Pour viser une épaisseur de soudure finale de 5 mm, il fallait concevoir l'usinage de préparation de la soudure et l'usinage final qui suivait la soudure et fixer ses tolérances dimensionnelles.

Petits alésages

Il existe d'autres défis en ce qui concerne le soudage des alésages. L'accessibilité du soudage aux alésages du tubage est limitée par la taille de l'outil de soudage.

Des alésages plus petits peuvent être établis avec des tuyaux solides en Inconel qui sont soudés dans une ouverture pré-percée et légèrement plus grande dans le boîtier. Une autre option consisterait à insérer un cylindre solide en Inconel dans une ouverture. L'usinage final se fera ensuite en perçant un alésage dans ce noyau soudé.

Exécution

Trois groupes motopompes avec corps revêtus d'Inconel ont été réalisés depuis les premiers essais de soudure réalisés sur ce type de composants de pompes. La première conception concernait une installation sous-marine dans le golfe du Mexique. La deuxième commande concernait un projet pétrolier et gazier au Moyen-Orient et la troisième demande concernait une pompe traitant du dioxyde de carbone (CO2). Les projets impliquaient le soudage de la zone de traitement de corps de pompe plus grands (voir image 5).

Les plus gros corps de pompe mesuraient plus de trois mètres de long. La taille et le poids de ces composants, qui font pencher la balance à plusieurs tonnes, ont ajouté à la complexité du projet.

Suivant la procédure décrite ci-dessus, le forgeage initial a été transmis à l'atelier d'usinage, puis au soudeur pour le processus de rechargement et enfin usiné pour obtenir les dimensions finales sur les surfaces soudées.

En raison de la taille de ces pompes, les corps ont été positionnés verticalement (Images 6 et 7) pour le processus de rechargement de soudure, permettant d'aligner la torche de soudage avec la précision requise.

Deux des pompes sont livrées avec une exigence de soudure spécifique liée aux rainures de joint des raccords de tuyauterie à bride qui sont disposés à l'extérieur du corps de pompe. L'interface sur le corps de pompe comprend des rainures usinées dont le but est de recevoir les joints métalliques.

La sélection du matériau pour les joints est standardisée et en corrélation avec le matériau de remplissage de la soudure. Le joint et le revêtement soudé sont en Inconel 625. Le projet nécessitait le revêtement de toutes les rainures du joint (image 8). Le but de la soudure était d'empêcher la corrosion galvanique entre le joint et le matériau de base moins noble, qui est le corps de pompe décrit dans cet article.

L'utilisation d'un revêtement de soudure sur les composants de la pompe peut être une alternative efficace à la sélection conventionnelle de matériaux de base résistants à la corrosion, tels que le super duplex, pour les pompes qui fonctionnent dans un environnement corrosif. Cependant, une estimation des coûts doit précéder la sélection finale des matériaux car les prix du super duplex et de l'acier faiblement allié peuvent fluctuer, tout comme le délai de livraison des matières premières forgées individuelles.

La tendance vers des classes de pression plus élevées et, par conséquent, des pièces retenant la pression plus épaisses, a favorisé le choix du matériau avec la composition faiblement alliée 2,25 % chrome 1 % molybdène. La qualification des corps de pompe en super duplex est limitée à une certaine épaisseur de forgeage. Au fur et à mesure que cette tendance se poursuivra, la demande de revêtement soudé augmentera, soit pour moderniser les pompes existantes, soit pour créer de nouveaux actifs.

Le développement de ce procédé par la société d'ingénierie des fluides s'est avéré un succès, les procédures de fabrication et de soudage étant affinées pour les unités de pompage décrites. Ceci a été réalisé parce que les différentes étapes de fabrication, y compris le forgeage, le pré-usinage, le soudage et l'usinage final, ont été bien alignées ensemble dans le cadre d'une collaboration avec un partenaire de soudage spécialisé.

Benedikt Trottmann est ingénieur développement chez Sulzer. Pour plus d'informations, rendez-vous sur sulzer.com.