Faisabilité du soudage orbital par friction malaxage sur des tubes plaqués en acier API X65 et Inconel 625

Mar 25, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10669 (2023) Citer cet article

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Le soudage orbital par friction malaxage (FSW) a été appliqué aux tuyaux gainés, ce qui présente certainement un intérêt pour l'industrie pétrolière et gazière. Dans ce contexte, un système FSW capable de réaliser des joints sains en un seul passage avec pénétration complète de l'outil a été développé. Orbital FSW a été exécuté dans des tuyaux revêtus d'acier API X65 PSL2 de 6 mm d'épaisseur avec de l'Inconel 625 de 3 mm d'épaisseur à l'aide d'un outil en nitrure de bore cubique polycristallin (pcBN). Les propriétés métallurgiques et mécaniques des joints ont été étudiées. Des joints solides avec des forces axiales de 45 à 50 kN, des vitesses de rotation des outils de 400 à 500 tr/min et une vitesse de soudage de 2 mm/s ont été obtenus, illustrant que le système développé peut réaliser des joints FSW sans défauts volumétriques.

Les principaux défis de l’industrie pétrolière et gazière sont liés à l’exploration de puits profonds et ultra-profonds, qui présentent un environnement agressif avec du sel et des gaz comme le H2S et le CO2. Dans ce contexte, l'utilisation de tubes en acier au carbone revêtus d'un alliage résistant à la corrosion (CRA) s'est avérée être une option appropriée pour répondre aux exigences de conception à de faibles coûts de fabrication1,2,3. Cependant, le soudage des pipelines actuellement utilisé par l'industrie pétrolière et gazière, comme le soudage par fusion, implique souvent des températures élevées et peut causer des problèmes métallurgiques en raison de joints différents (par exemple, des tuyaux plaqués), entraînant ainsi des fissures de solidification, des microstructures dures au niveau de la surface. interface, des contraintes résiduelles de traction élevées et une diffusion excessive du carbone qui peuvent compromettre les performances du joint4,5.

Le soudage orbital par friction malaxage (FSW), un procédé d'assemblage à l'état solide, est reconnu comme une alternative appropriée qui a le potentiel de minimiser les défis généralement rencontrés dans le soudage par fusion puisqu'il est effectué à une température plus basse et un temps de traitement plus court, ce qui entraîne en réduisant l'apport énergétique, évitant (ou minimisant) la plupart des problèmes mentionnés ci-dessus6,7. FSW utilise l'énergie de friction produite entre les matériaux à assembler et un outil rotatif non consommable. Deux approches sont utilisées dans le FSW orbital : dans la première, le tuyau tourne tandis que l'outil rotatif reste stationnaire ; et dans le second, toute la tête de l'outil tourne tandis que le tuyau reste immobile8. Comme pour le FSW classique, une déformation plastique importante et un écoulement de matière se produisent le long du trajet de soudage. En bref, la matière est transportée de l'avant de l'outil jusqu'au bord de fuite, forgé ensuite, produisant le joint9,10,11.

Bien que le FSW soit appliqué avec succès à des feuilles de divers matériaux, le FSW orbital implique des défis à surmonter car il existe des difficultés associées au dispositif de serrage8,12. Les défis du FSW pour les joints complexes et de forme circulaire ont été récemment examinés par Senthil et al.8, où le système de serrage était l'un des facteurs les plus importants pour le processus de soudage lui-même. Par exemple, en raison des forces élevées lors du FSW, un support interne des tuyaux est nécessaire. Une autre différence lors du soudage de tuyaux est le contact de l'outil avec les pièces à assembler. Par exemple, en fonction du diamètre du tuyau, la courbure du tuyau entraîne un contact incomplet de l'épaulement de l'outil avec la pièce, influençant ainsi le flux de matériaux et la génération de chaleur12,13. Senthil et al.8 ont également souligné qu'avant de pouvoir envisager le FSW pour l'assemblage de tuyaux industriels, une compréhension approfondie de l'influence du système de serrage est essentielle.

Dans l’ensemble, seules quelques études ont été réalisées sur le FSW orbital sur les aciers de pipelines en utilisant différentes approches pour obtenir des joints sains. Feng et al.14 ont étudié le soudage orbital FSW d'un acier API X65, où des soudures solides ont été obtenues à l'aide d'un système FSW portable spécialement conçu. Les joints ont montré une résistance mécanique légèrement supérieure et une résistance aux chocs supérieure à celle du matériau de base (BM). Giorjao et al.15 ont réalisé une FSW orbitale dans un tuyau en acier inoxydable super duplex de 8 mm d'épaisseur en mode contrôle de force et pénétration totale de l'outil. Les tests de dureté et de traction ont montré une augmentation de la dureté dans la zone d'agitation (SZ) et une rupture sur le BM. Cependant, les FSW orbitaux dans les tuyaux gainés sont rares, mais sûrement nécessaires pour les applications industrielles.