Comment sélectionner la procédure de soudage correcte pour les tubes duplex en acier inoxydable afin d'éviter la perte de résistance à la corrosion ?

Quelques minutes de soudage médiocre peuvent détruire complètement les qualités de résistance à la corrosion-d'un tube en acier inoxydable duplex. Chaque joint fabriqué en atelier ou sur le terrain doit soigneusement préserver la microstructure distincte à deux phases -qui confère au duplex sa solidité et sa résistance. Il est plus important de maintenir la résistance à la corrosion durement acquise de l'alliage dans des conditions difficiles de chlorure et d'acide que de simplement prévenir les fuites.

Les fondements métallurgiques : ce qui rend Duplex unique
Un mélange équilibré d'environ 50 % d'austénite et 50 % de ferrite se trouve dans les aciers inoxydables duplex (tels que UNS S32205, S31803 ou 2205). Cette structure en deux-phases propose :

Haute résistance mécanique (environ deux fois celle du 316L).

Résistance exceptionnelle à la fissuration par corrosion sous contrainte causée par le chlorure (SCC).

Un PREN (indice équivalent de résistance aux piqûres) de 34 à 36 indique une bonne résistance à la corrosion par piqûres et fissures.

Le matériau fond et se solidifie rapidement pendant le processus de soudage. L'équilibre final des phases dans le métal fondu et la zone affectée thermiquement (ZAT) est déterminé par la vitesse de refroidissement et l'historique thermique. Deux choses préjudiciables peuvent se produire si le processus n’est pas effectué correctement :

Surproduction de ferrite : lorsque la ferrite prédomine en raison d'un refroidissement lent ou d'un apport thermique élevé, la ténacité et la résistance à la corrosion sont diminuées.

Précipitation des phases intermétalliques, en particulier la phase sigma (σ) (FeCrMo) et la phase chi (χ), qui se développent entre 600 et 900 degrés. Le développement de ces phases épuise la matrice environnante de ces éléments d'alliage essentiels car riches en chrome et en molybdène. Il en résulte une fragilisation sévère et une forte diminution de la résistance à la corrosion par piqûre.

D’un autre côté, trop d’austénite peut être produite par un apport de chaleur insuffisant ou un refroidissement extrêmement rapide, ce qui diminuerait la résistance. En conséquence, une fenêtre de traitement limitée doit être respectée.

Éléments cruciaux d’un processus de soudage duplex en acier inoxydable
Les facteurs suivants sont contrôlés avec précision par une technique appropriée de prévention de la corrosion des tubes en acier inoxydable avec méthode de soudage duplex.

1. Sélection du métal d’apport
Pour préserver l’équilibre des phases et la résistance à la corrosion, la teneur en alliage du métal d’apport doit être égale ou supérieure à celle du métal de base. La charge standard pour le duplex 2205 est ER2209 (UNS S39209). La production d'austénite dans le dépôt de soudure est encouragée par sa composition, qui est quelque peu sur-alliée en nickel et en azote par rapport au métal de base. Cela compense l'effet favorisant la ferrite-d'une solidification rapide.

Le métal d'apport comme l'ER2594 est utilisé pour les qualités super duplex (comme le 2507). Sur les métaux de base duplex, n'utilisez jamais de charge austénitique (telle que 308L ou 316L) ; la soudure résultante aura des caractéristiques de corrosion incorrectes et pourrait se fissurer.

2. Contrôle de l’apport de chaleur
La vitesse de déplacement, la tension et le courant affectent tous l’apport de chaleur. La plage d’apport de chaleur suggérée pour les aciers inoxydables duplex se situe généralement entre 0,5 et 2,5 kilojoules par millimètre. Un apport thermique trop important favorise un refroidissement lent, ce qui permet la formation de phase sigma et le grossissement de la ferrite ; un apport de chaleur trop faible risque d'entraîner une fusion incomplète ou un excès de ferrite.

Le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) des tubes 2205 vise généralement 0,5 à 1,5 kJ/mm. Si la température entre passes est étroitement régulée, des plages un peu plus grandes (jusqu'à 2,0 kJ/mm) peuvent être acceptables pour le soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW) avec transfert par pulvérisation pulsée.

3. Passage intermédiaire de température
Il est nécessaire de maintenir la température entre les passes-la température de la zone de soudure avant le passage suivant-en dessous de 150 degrés, et fréquemment en dessous de 100 degrés lors des passes initiales. La chaleur est accumulée par des températures élevées entre les passes, ce qui allonge la période de refroidissement et favorise la précipitation de la phase sigma. Le refroidissement naturel par air entre les passes peut être suffisant pour les tubes à parois minces (par exemple 2 à 3 mm). Un refroidissement à air forcé ou des temps d'attente encore plus longs entre les passes sont nécessaires pour les portions plus épaisses.

4. Purge arrière et blindage
La face de soudure et le côté racine des soudures duplex en acier inoxydable doivent être protégés de l’oxygène ambiant. Concernant le soudage des tubes :

L'argon avec 1 à 3 % d'azote est un gaz de protection primaire courant. Une infime quantité d'azote, un stabilisant austénitique, ajoutée au gaz de protection aide à préserver l'équilibre des phases prévu dans le métal fondu.

Purge arrière : pour empêcher la perle de racine de s'oxyder, de l'argon pur (ou de l'argon avec 2 à 5 % d'azote) est purgé de l'intérieur du tube. Les incrustations d'oxyde de chrome, produites par la pollution par l'oxygène, entraînent une diminution du chrome et une réduction de la résistance à la corrosion.

5. Méthode et procédure de soudage
Pour les tubes duplex, les méthodes à arc pulsé (GTAW pulsé ou GMAW pulsé) sont utilisées car elles

Utilisez un courant de crête élevé suivi d'un faible courant de fond pour réduire l'apport de chaleur.

Améliorez la gestion des bains de fusion et réduisez les risques de brûlure-sur les murs étroits.

Créez une microstructure plus cohérente et plus fine.

Au lieu d'utiliser des cordons à tissage large, qui augmentent l'apport de chaleur et ralentissent le refroidissement, des cordons de serrage (passage droit sans tissage) sont utilisés pour le soudage manuel.

Le nettoyage après-soudure (décapage et passivation) est l'étape cruciale
Une teinte thermique (échelle d'oxyde) apparaîtra sur la surface de la soudure et sur la ZAT environnante même si l'apport de chaleur est idéal. Étant donné que le chrome interagit préférentiellement avec l'oxygène, laissant le métal sous-jacent avec moins de chrome, cette couche d'oxyde est appauvrie en chrome-. La corrosion par piqûres et fissures en service de chlorure s'initie facilement dans cette zone déficiente.

Un nettoyage après soudage est nécessaire. Il existe deux méthodes efficaces :

Élimination chimique (décapage)
Pâte ou bain de décapage : la teinte thermique est dissoute et la couche appauvrie en chrome-est éliminée à l'aide d'une solution d'acide nitrique (HNO₃) et d'acide fluorhydrique (HF). La pâte de décapage est appliquée sur la soudure et la zone des tubes affectée par la chaleur, laissée pendant une durée prédéterminée (par exemple 15 à 60 minutes), puis complètement rincée à l'eau.

Décapage par immersion : Bien qu'il nécessite un équipement spécifique, l'immersion de petits assemblages de tubes ou de pièces de bobine dans un bain de décapage chauffé est plus uniforme.

Passivation après nettoyage mécanique
Meulage ou brossage : des tampons abrasifs fins ou des brosses non-métalliques (telles que des brosses métalliques en acier inoxydable, qui ne sont utilisées que sur le duplex et jamais sur l'acier au carbone) peuvent être utilisées pour éliminer la teinte thermique. Sans laisser de particules de fer incrustées, toute la couche teintée doit être éliminée par meulage.

Passivation : Pour rétablir le revêtement passif d'oxyde de chrome, une solution d'acide nitrique ou citrique est appliquée sur la surface après un nettoyage mécanique. Le meulage en lui-même peut maculer le métal et produire une surface moins protectrice, cette étape est donc cruciale.

Après un décapage approprié, la soudure et la ZAT doivent avoir la même apparence et la même résistance à la corrosion que le tube parent puisqu'une bonne soudure est imperméable à la corrosion. La soudure sera le premier point de rupture si la teinte thermique persiste.

Mesure de ferrite pour la vérification de la qualité des soudures
Un oscilloscope à ferrite, un dispositif à induction magnétique, est utilisé pour mesurer la teneur en ferrite du métal fondu et la ZAT afin de vérifier que le processus de soudage a maintenu le bon équilibre de phase. Pour les aciers inoxydables duplex, une teneur en ferrite de 30 à 70 % (austénite d'équilibrage) est souvent acceptable. De nombreuses spécifications visent 40 à 60 %.

La résistance est diminuée par un excès d'austénite, ce qui est indiqué par des valeurs inférieures à 30 %.

Un excès de ferrite est indiqué par des valeurs supérieures à 70 %, ce qui réduit la ténacité et peut suggérer l'existence d'une phase sigma (le sigma n'est pas-magnétique, mais le pourcentage de ferrite diminue à mesure que le sigma se produit ; une lecture de ferrite inhabituellement faible ou incohérente peut être un indice).

Dans les applications critiques, un coupon soudé peut subir une analyse microstructurale (métallographie) pour détecter les phases intermétalliques. Au sein des grains de ferrite, la phase sigma se manifeste sous la forme d’un précipité aciculaire ou en blocs.

Erreurs typiques et comment les éviter
Prévenir les conséquences des erreurs
L'utilisation d'un métal d'apport de type 308L ou 316LWeld est susceptible de se fissurer et présente une mauvaise résistance à la corrosion. Utilisez à tout moment un enduit duplex correspondant (ER2209 pour 2205).
Surchauffe (plus de 2,5 kJ/mm) Faible PREN, fragilisation et précipitation dans la phase sigma Déterminez l'apport de chaleur, utilisez un arc pulsé et définissez une limitation de vitesse.
Passage de température supérieur à 150 degrés L'accumulation de chaleur encourage le sigma. Utilisez un thermocouple pour mesurer ; laissez-le refroidir entre les passes.
Pas de purge de la racine du tubeAppauvrissement en chrome, oxydation des billes de racine et corrosion caverneuseUtilisez de l'argon ou une combinaison d'argon-azote pour purger
Laisser la teinte thermique en placeAu bord de la soudure, une corrosion localisée commence.Décaper ou passiver à l'aide d'une machine.
Utilisation de meules ou de brosses en acier au carbone La corrosion galvanique est causée par la pollution ferreuse. Utilisez des outils spécialisés en acier inoxydable, idéalement uniquement pour le duplex.
Spécification de qualification et de procédure de soudage (WPS)
Une spécification formelle de procédure de soudage (WPS) doit être créée et qualifiée conformément à un code tel que ASME Section IX, AWS D1.6 ou ISO 15614 pour toute application industrielle. Les éléments suivants doivent être clairement indiqués dans le WPS pour les tubes duplex en acier inoxydable :

plage d'épaisseur et qualité du métal de base.

Classification du métal d'apport (par exemple, ER2209).

Techniques de soudage GTAW, GMAW ou SMAW.

composition et débit des gaz de protection.

gaz et technique de rétro-purge.

Plage d’apport de chaleur et paramètres électriques (tension, courant et vitesse de déplacement).

dépasser la restriction de température, par exemple un maximum de 150 degrés.

Le préchauffage n'est généralement pas nécessaire pour le duplex, sauf si la température ambiante est inférieure à 5 degrés.

La pâte de décapage, l'immersion ou la mécanique + passivation sont des méthodes de nettoyage après-soudure.

Normes d'acceptation de la teneur en ferrite (par exemple, 30 à 70 % de ferrite dans le métal fondu).

Les essais de traction et de pliage ainsi que les essais de corrosion (tels que l'essai de piqûre de chlorure ferrique selon ASTM G48) sont des exemples d'essais de qualification. Une inspection par courants de Foucault ou un essai hydrostatique peut également être nécessaire pour les soudures de tubes.

Considérations relatives au soudage sur site
Le contrôle environnemental étant plus difficile, le soudage de tubes duplex sur le terrain (pour des raccordements ou des réparations, par exemple) est plus difficile que le soudage en atelier. Une attention particulière doit être accordée à :

L’utilisation de lentilles et d’écrans à gaz pour arrêter les perturbations du gaz de protection est connue sous le nom de protection contre le vent.

Surveillance de la température : utilisez des pyromètres à contact ou des thermomètres infrarouges pour mesurer la température entre les passes.

Purge : il peut ne pas être possible de vider toute la longueur des tubes de grand -diamètre ; à la place, un barrage de purge limité constitué de bouchons en caoutchouc gonflables peut être utilisé.

Décapage : Pour éviter tout déversement sur les équipements à proximité, les pâtes de décapage sur site doivent être appliquées et neutralisées avec soin.

En conclusion, la qualité du matériau dépend des mains qui le travaillent.
Pour les tubes duplex en acier inoxydable, le choix de la bonne technique de soudage est crucial pour éviter une perte désastreuse de résistance à la corrosion. Un apport de chaleur excessif, des températures entre passes élevées, des métaux d'apport incompatibles ou la présence d'une teinte thermique appauvrie en chrome -peuvent tous nuire à la microstructure équilibrée d'austénite -ferrite qui confère au duplex sa solidité et sa résistance aux piqûres. La zone de soudure conserve les mêmes performances de corrosion que le tube parent grâce à un processus méthodique qui contrôle l'apport de chaleur (généralement 0,5 à 2,5 kJ/mm), une température entre les passes inférieure à 150 degrés, un enduit ER2209 pour le métal de base 2205, une purge arrière inerte et un décapage rigoureux après -soudure. Le succès est confirmé par la mesure de la ferrite (30 à 70 % de ferrite). Une soudure bien faite-est insensible à la corrosion ; le matériau est aussi bon que les mains qui le joignent.