Procédé pour assembler bout à bout deux tubes dont l'un au moins est en acier austénitique La présente invention a pour objet un procédé pour assembler bout à bout deux tubes dont l'un au moins est en acier austénitique à forte teneur en chrome-nickel et qui présente une épaisseur de paroi de 2,5 cm ou plus, lesdits tubes étant destinés à être soumis à de fortes pressions intérieures et à une tem pérature élevée.
Avec l'apparition des chaudières dites super critiques, dans lesquelles l'on rencontre des pressions de vapeur de plus de 350 kg/cm2 et des températures de plus de 6000 C, l'un des problèmes auxquels on se heurte est celui de la soudure en bout des tubes en acier austénitique à paroi épaisse qu'on est obligé d'utiliser dans de telles chaudières. On comprend que pour supporter ces très hautes pressions à ces tem pératures très élevées, les tubes doivent être faits d'un alliage d'acier à forte teneur en chrome, nickel, et peut-être d'autres métaux tels que molybdène, cobalt, niobium, etc ; en outre les parois de ces tubes doivent être extrêmement épaisses.
Or à mesure qu'on augmente l'épaisseur de paroi de ces tubes en acier austénitique, on augmente également la diffi- culté de les souder de façon satisfaisante, car il est extrêmement malaisé de réaliser, avec des parois d'environ 25 à 30 mm et plus, des joints soudés qui soient entièrement satisfaisants et qui ne cèdent pas.
La raison exacte de cet état de chose a fait le sujet de discussions de la part de nombreux ex perts, la conclusion générale étant qu'on ne sait pas quels facteurs précis entrant en jeu ni quel est l'effet exercé par chacun d'eux, mais que toutefois l'une des causes principales de défectuosité de ces joints réside dans la faible ductilité à chaud de l'acier austénitique inoxydable, cette faible ductilité ayant pour résultat l'apparition de fortes contraintes résiduelles de soudure lorsque le procédé employé est celui dans lequel la soudure est réalisée par des couches superposées de métal d'apport, procédé qui est le plus pratique pour réaliser la soudure des tubes en question.
Les tubes à paroi épaisse en alliage d'acier austénitique présentent une faible ductilité à chaud parce que le métal lui-même présente cette propriété lorsqu'il ne comporte pas un grain très fin et parce qu'on n'a pas encore trouvé de procédé permettant de réaliser la finesse de grain désirée dans les tubes à paroi épaisse. Comme les défauts se produisent dans la zone du joint soudé affectée par la chaleur, on admet en général qu'au cours du processus de soudure il se produit dans cette zone une sorte de modification métallique qui a pour ré sultat une sérieuse augmentation de la fragilité.
En outre quand on soude un acier austénitique forte ment allié, à un acier ferritique, la migration du carbone pendant le traitement à chaud ou pendant le service du tube provoque un affaiblissement dans le cordon de fusion. Il est donc important dans un tel cas de maintenir très faible la surface du joint et les contraintes résiduelles de soudure qui s'y trou vent, ce qui constitue un problème encore plus sé rieux. Ce problème n'existe pas avec une épaisseur de paroi de l'ordre de 12 mm, c'est-à-dire que les soudures de tubes bout à bout dont l'un au moins est en acier auténitique ne cèdent généralement pas.
Au contraire avec une épaisseur de paroi d'environ 25 mm, on relève quelques défaillances de joints soudés et celles-ci deviennent de plus en plus fré quentes à mesure que l'épaisseur de paroi augmente, sans qu'on puisse fixer de façon précise une épais- seur au-dessous de laquelle aucune défaillance ne se produise et au-dessus de laquelle au contraire il s'en produise. Les défauts de joints auxquels on se réfère ci-dessus et que la présente invention vise à éviter, ne sont pas dus à une soudure défectueuse dès l'ori gine.
La soudure initiale a semblé parfaite et il n'y avait aucune fissure sur le joint. Toutefois lors du traitement destiné à faire disparaitre les contraintes ou même pendant le fonctionnement, il peut se pro duire dans les zones qui ont été affectées par la chaleur, des fissures provoquant la défaillance du joint. Comme indiqué plus haut, lorsque l'épaisseur de paroi augmente au-delà d'environ 25 mm, l'expé rience montre que le pourcentage des joints défec tueux augmente lui-même.
Ces défaillances en service n'affectent pas tous les joints de tubes épais en acier austénitique soudés bout à bout, ni même un très fort pourcentage de ces tubes, mais en fait le nombre de défauts est suffisant pour que cela constitue un problème très sérieux.
Si l'on considère par exemple l'acier 347 de l'American Institute of Steel and Iron (acier chrome-nickel à faible teneur en carbone, sta bilisé au niobium) et qui a été jusqu'ici le seul uti lisé pour les canalisations de vapeur du genre en question, on peut poser de façon générale que dans toute installation réalisée avec cet acier, comportant des tubes d'une épaisseur de paroi d'environ 25 mm ou plus, on a constaté en service une ou plusieurs défaillances de joints soudés. La réalisation de sou dure par couches successives peut être effectuée de l'une quelconque des façons connues, par exemple à l'arc électrique ou au chalumeau.
Pour éviter l'inconvénient qui précède, on se base sur le fait que dans un tube la contrainte lon gitudinale résultant de l'application d'une pression intérieure élevée ne représente approximativement que la moitié de la contrainte circulaire, de telle sorte que l'épaisseur de paroi au point de jonction des tubes peut être réduite à environ la moitié de sa valeur originale, la soudure de ces tubes au point où leur épaisseur de paroi est ainsi réduite présen tant la résistance mécanique nécessaire pour sup porter les efforts longitudinaux, tandis que la jonc tion des tubes est frettée dans toute la zone à épais seur de paroi réduite, en vue d'assurer la résistance nécessaire pour supporter la contrainte circulaire ré sultant des efforts radiaux,
ce frettage additionnel n'intervenant nullement en ce qui concerne la con trainte longitudinale. On tire également parti du fait qu'un enroulement de fil métallique autour de la partie de paroi à épaisseur réduite permet de réa liser une contrainte uniforme sur toute la longueur de cette partie, ce qui est très important dans le cas de températures et de pressions élevées ; en outre le frettage du joint peut être réalisé de telle manière que le renforcement obtenu soit substantiellement plus important que celui théoriquement nécessaire pour supporter les efforts prévus, ceci ayant pour résultat d'abaisser dans une large mesure les con traintes à l'intérieur de la soudure elle-même.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à réduire l'épaisseur de la paroi de chacun de ces tubes au voisinage des extrémités à assembler, à un degré ne dépassant pas plus de la moitié de l'épaisseur de cette paroi, à disposer les dites extrémités bout à bout, à souder l'une à l'au tre les faces terminales de ces extrémités réduites par la formation d'une soudure par couches succes sives, à enrouler un fil métallique sous une tension déterminée autour de la partie d'épaisseur réduite de ces extrémités sur toute la longueur axiale de celle-ci, le nombre de couches de spires de ce fil étant supérieur à celui nécessaire pour compenser l'affaiblissement de la résistance à la rupture pro voqué par ladite réduction de l'épaisseur de paroi,
ce fil présentant un coefficient de dilatation thermi que qui est sensiblement le même que celui d'au moins un des tubes.
Le dessin ci-annexé illustre, à titre d'exemple, une mise en aeuvre du procédé selon l'invention. Dans la figure unique de ce dessin, qui est une vue de côté avec coupe longitudinale partielle, on a représenté deux pièces tubulaires 10 et 12 dont les extrémités sont disposées bout à bout suivant un même axe.
Ces deux tubes peuvent être faits en acier austénitique à forte teneur en chrome-nickel, par exemple en acier inoxydable ayant la composition suivante 17 - 20 % de chrome 9 - 13 % de nickel 2 % de manganèse le reste étant constitué par de l'acier à carbone ordi naire et des traces d'autres métaux.
L'un des tubes peut aussi être fait en un tel acier, tandis que l'autre est en acier ferritique. L'épaisseur de paroi, indiquée en A sur le dessin, est de 25 mm ou davantage ; de telle sorte que si l'on soudait ces tubes bout à bout par un procédé usuel comportant la réalisation de la soudure par couches superposées, le joint pour rait, comme l'expérience l'a démontré, se fissurer en service, grâce aux pressions intérieures élevées et aux températures élevées, dans la zone affectée par la chaleur au voisinage de la soudure.
On réduit l'épaisseur des tubes sur une petite distance à partir de leurs extrémités destinées à être assemblées, cette réduction d'épaisseur étant ob tenue par diminution du diamètre extérieur des tubes sans que le diamètre intérieur soit modifié, de ma nière à conserver une section d'écoulement régulière après soudure des tubes. Cette réduction d'épaisseur de paroi des tubes doit être suffisante pour qu'on soit assuré que le joint soudé ne se fissurera pas en service dans les conditions susmentionnées ; la réduc tion maximum, qui correspond à un peu moins de la moitié de l'épaisseur initiale, est effectuée sur des tubes à paroi de 30 mm et plus.
Une fois l'épaisseur ainsi réduite, on dispose les tubes bout à bout et on les soude par un procédé comportant formation de couches successives de métal d'apport. Après que lesdits tubes ont ainsi été soudés l'un à l'autre, l'on frette le joint au moyen d'un fil métal lique 14 ; ce fil doit présenter le même coefficient de dilatation thermique que le métal d'au moins un des tubes. Le frettage en fil métallique s'étend sur toute la longueur axiale de la partie à épaisseur réduite, c'est à-dire sur la distance indiquée en B. Le fil est enroulé en hélice sous une tension déterminée et l'on prévoit un nombre de couches bien supérieur à celui nécessaire pour compenser la diminution de résistance à la rupture provoquée par la réduction de l'épaisseur de paroi des tubes.
On abaisse ainsi dans une large mesure les efforts dans la soudure par rapport à ce qui serait le cas si l'on ne mettait en aeuvre que le renforcement théoriquement néces saire ; on réduit donc de façon correspondante le risque de défaillance de cette soudure.
Il est essentiel que le frettage soit fait en fil métallique parce qu'il faut que les efforts soient réguliers sur toute la longueur de la partie à épais seur réduite des extrémités assemblées des tubes. S'il en était autrement, il se produirait .des contraintes irrégulières au voisinage de la soudure à la suite des très fortes variations de pression et de température auxquelles celle-ci est soumise lors du fonctionne ment de la chaudière et ces contraintes irrégulières risqueraient de provoquer la défaillance de la sou dure.
Comme le fil consiste en un métal dont le coefficient de dilatation est sensiblement le même que celui d'au moins un des tubes et qui présente un grain très fin, et par conséquent, une bonne ducti lité à chaud, toutes les spires du frettage sont solli citées de façon uniforme même si à l'origine le fret- tage n'était pas régulier ; il en résulte que les efforts dans la partie à épaisseur réduite des tubes sont également uniformes et que par conséquent les con traintes au voisinage de la soudure sont uniformes.
Comme les efforts longitudinaux agissant dans le sens des flèches 16 ne représentent que la moitié des efforts circulaires appliqués à la paroi du tube par l'effet de la pression intérieure, l'on peut réduire au plus à la moitié de la valeur théorique nécessaire l'épaisseur de paroi au voisinage des extrémités des tinées à être assemblées l'une à l'autre. Lorsqu'on procède ainsi, la soudure est suffisamment forte pour supporter les efforts longitudinaux et la paroi d'épais seur réduite portant l'enroulement de fil 14 est plus que suffisante pour résister aux efforts circulaires engendrés par la pression à l'intérieur des tubes.
Method for joining two tubes end to end, at least one of which is made of austenitic steel The present invention relates to a process for joining end to end two tubes of which at least one is made of austenitic steel with a high chromium-nickel content and which has a wall thickness of 2.5 cm or more, said tubes being intended to be subjected to high internal pressures and to high temperature.
With the appearance of the so-called super critical boilers, in which we encounter steam pressures of over 350 kg / cm2 and temperatures of over 6000 C, one of the problems we encounter is that of welding at the end of the austenitic steel tubes with thick walls which are obliged to use in such boilers. We understand that to withstand these very high pressures at these very high temperatures, the tubes must be made of a steel alloy with a high content of chromium, nickel, and perhaps other metals such as molybdenum, cobalt, niobium, etc; furthermore, the walls of these tubes must be extremely thick.
However, as the wall thickness of these austenitic steel tubes is increased, the difficulty of welding them satisfactorily is also increased, since it is extremely difficult to produce, with walls of about 25 to 30 mm and more, welded joints which are completely satisfactory and which do not give way.
The exact reason for this state of affairs has been the subject of discussion by many experts, the general conclusion being that it is not known which specific factors come into play or what effect each exerts. , but that, however, one of the main causes of failure of these joints lies in the low hot ductility of austenitic stainless steel, this low ductility resulting in the appearance of high residual welding stresses when the process employed is that in which the welding is carried out by superimposed layers of filler metal, which process is the most practical for carrying out the welding of the tubes in question.
Thick-walled austenitic steel alloy tubes exhibit low hot ductility because the metal itself exhibits this property when it does not have a very fine grain and because a method has not yet been found. allowing the desired fineness of grain to be achieved in thick-walled tubes. As the defects occur in the heat-affected area of the welded joint, it is generally assumed that during the welding process some kind of metallic modification occurs in this area which results in a serious increase in brittleness. .
Further, when welding a high alloy austenitic steel to ferritic steel, carbon migration during heat treatment or during service of the pipe causes weakening in the fusion bead. It is therefore important in such a case to keep the surface of the joint and the residual weld stresses therein very low, which constitutes an even more serious problem. This problem does not exist with a wall thickness of the order of 12 mm, that is to say that the butt welds of which at least one is made of autenitic steel generally do not give way.
On the contrary, with a wall thickness of around 25 mm, there are some failures of welded joints and these become more and more frequent as the wall thickness increases, without being able to fix precisely a thickness below which no failure occurs and above which, on the contrary, some does. The joint defects which are referred to above and which the present invention aims to avoid are not due to a faulty weld from the outset.
The initial weld appeared to be perfect and there were no cracks on the joint. However, during the treatment intended to relieve the stresses or even during operation, it can occur in the areas which have been affected by the heat, cracks causing the failure of the seal. As indicated above, as the wall thickness increases beyond about 25mm, experience shows that the percentage of defective joints increases itself.
These in-service failures do not affect all butt welded austenitic steel thick pipe joints, or even a very high percentage of such pipes, but in fact the number of faults is sufficient for this to be a very serious problem.
If we consider, for example, steel 347 from the American Institute of Steel and Iron (chromium-nickel steel with a low carbon content, niobium stabilized) and which has so far been the only one used for pipelines of the type in question, it can be stated in general that in any installation made with this steel, comprising tubes with a wall thickness of about 25 mm or more, one or more joint failures have been observed in service welded. The realization of hard sou by successive layers can be carried out in any of the known ways, for example with an electric arc or a torch.
To avoid the above drawback, it is assumed that in a tube the longitudinal stress resulting from the application of a high internal pressure is approximately only half of the circular stress, so that the wall thickness at the junction point of the tubes can be reduced to about half of its original value, the welding of these tubes to the point where their wall thickness is reduced thus providing the mechanical resistance necessary to withstand the longitudinal forces, while that the junction of the tubes is shrunk over the entire zone with reduced wall thickness, in order to ensure the resistance necessary to withstand the circular stress resulting from the radial forces,
this additional hooping does not intervene in any way as regards the longitudinal stress. Advantage is also taken of the fact that a winding of metal wire around the part of the wall with reduced thickness makes it possible to achieve a uniform stress over the entire length of this part, which is very important in the case of temperatures and pressures. high; furthermore, the hooping of the joint can be carried out in such a way that the reinforcement obtained is substantially greater than that theoretically necessary to withstand the expected stresses, this having the result of reducing to a large extent the stresses inside the solder itself.
The method according to the invention is characterized in that it consists in reducing the thickness of the wall of each of these tubes in the vicinity of the ends to be assembled, to a degree not exceeding more than half the thickness of this wall, in placing said ends end to end, in welding the end faces of these reduced ends to one another by the formation of a weld in successive layers, in winding a metal wire under a determined tension around of the portion of reduced thickness of these ends over the entire axial length thereof, the number of layers of turns of this wire being greater than that necessary to compensate for the weakening of the tensile strength caused by said reduction the wall thickness,
this wire exhibiting a thermal expansion coefficient which is substantially the same as that of at least one of the tubes.
The accompanying drawing illustrates, by way of example, one implementation of the method according to the invention. In the single figure of this drawing, which is a side view with partial longitudinal section, two tubular parts 10 and 12 have been shown, the ends of which are arranged end to end along the same axis.
These two tubes can be made of austenitic steel with a high chromium-nickel content, for example stainless steel having the following composition 17 - 20% chromium 9 - 13% nickel 2% manganese the remainder being constituted by ordinary carbon steel and traces of other metals.
One of the tubes can also be made of such a steel, while the other is of ferritic steel. The wall thickness, indicated at A in the drawing, is 25 mm or more; so that if these tubes were butt welded by a usual process comprising the realization of the welding by superimposed layers, the joint could, as experience has shown, crack in service, thanks to the pressures high interior temperatures and high temperatures, in the heat affected area in the vicinity of the weld.
The thickness of the tubes is reduced over a small distance from their ends intended to be assembled, this reduction in thickness being obtained by reducing the outside diameter of the tubes without the inside diameter being modified, so as to maintain a regular flow section after welding of the tubes. This reduction in wall thickness of the tubes must be sufficient to ensure that the welded joint will not crack in service under the above conditions; the maximum reduction, which corresponds to a little less than half of the initial thickness, is carried out on tubes with a wall of 30 mm and more.
Once the thickness thus reduced, the tubes are placed end to end and they are welded by a process comprising the formation of successive layers of filler metal. After said tubes have thus been welded to one another, the joint is wrapped by means of a lique metal wire 14; this wire must have the same coefficient of thermal expansion as the metal of at least one of the tubes. The metal wire hooping extends over the entire axial length of the reduced thickness part, that is to say over the distance indicated in B. The wire is wound in a helix under a determined tension and a number is provided. layers much greater than that required to compensate for the decrease in tensile strength caused by the reduction in pipe wall thickness.
The forces in the weld are thus reduced to a large extent compared to what would be the case if only the theoretically necessary reinforcement was implemented; the risk of failure of this weld is therefore correspondingly reduced.
It is essential that the hooping be made of metal wire because the forces must be regular over the entire length of the reduced thickness part of the assembled ends of the tubes. Otherwise, there would be irregular stresses in the vicinity of the weld as a result of the very strong variations in pressure and temperature to which the latter is subjected during operation of the boiler and these irregular stresses would risk cause failure of the hard pellet.
As the wire consists of a metal whose coefficient of expansion is substantially the same as that of at least one of the tubes and which has a very fine grain, and consequently good hot ductility, all the turns of the hooping are demanded uniformly even if the freight was not originally regular; it follows that the forces in the reduced thickness part of the tubes are also uniform and that consequently the stresses in the vicinity of the weld are uniform.
As the longitudinal forces acting in the direction of arrows 16 represent only half of the circular forces applied to the wall of the tube by the effect of the internal pressure, it is possible to reduce at most to half the theoretical value required l wall thickness in the vicinity of the ends of the tines to be assembled to one another. When this is done, the weld is strong enough to withstand the longitudinal forces and the wall of reduced thickness carrying the winding of wire 14 is more than sufficient to resist the circular forces generated by the pressure inside the tubes. .