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WO2025109123A1 - Procédé de soudage de tubes métalliques concentriques et conduite multi-enveloppe associée - Google Patents

Procédé de soudage de tubes métalliques concentriques et conduite multi-enveloppe associée Download PDF

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Publication number
WO2025109123A1
WO2025109123A1 PCT/EP2024/083197 EP2024083197W WO2025109123A1 WO 2025109123 A1 WO2025109123 A1 WO 2025109123A1 EP 2024083197 W EP2024083197 W EP 2024083197W WO 2025109123 A1 WO2025109123 A1 WO 2025109123A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tube
face
lip
welding
internal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/083197
Other languages
English (en)
Inventor
Christian Geertsen
Mehdi NADJARI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ITP SA
Original Assignee
ITP SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ITP SA filed Critical ITP SA
Publication of WO2025109123A1 publication Critical patent/WO2025109123A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K33/00—Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby
    • B23K33/004—Filling of continuous seams
    • B23K33/006—Filling of continuous seams for cylindrical workpieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K33/00—Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby
    • B23K33/002—Crimping or bending the workpieces at the joining area
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted for a procedure covered by only one of the other main groups of this subclass
    • B23K37/003—Cooling means for welding or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/028—Seam welding; Backing means; Inserts for curved planar seams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L13/00—Non-disconnectable pipe joints, e.g. soldered, adhesive, or caulked joints
    • F16L13/02—Welded joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00—Rigid pipes
    • F16L9/18—Double-walled pipes; Multi-channel pipes or pipe assemblies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/06—Tubes

Definitions

  • the technical field of the present invention relates on the one hand to a method of welding two metal tubes arranged concentrically, and more particularly the end of an external tube to an internal tube, and on the other hand to a multi-envelope pipe comprising an internal tube and at least one external tube, the external tube comprising a lip specifically configured for this welding.
  • insulated double-jacketed pipes have been used for several decades to minimize their heat exchange with the environment. They are formed by successively welding sections of double-jacketed pipes between 6 and 50 meters long. The aim is to reduce the heat transfer between a hot or cold fluid circulating in the pipe and the external environment.
  • the applications are often in the oil industry, but can also concern other areas such as the transport of very hot air in the field of concentrated solar energy, vegetable oils or cryogenic fluids such as liquefied ammonia, Liquefied Natural Gas (LNG) or liquefied hydrogen.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • the pipes are in the form of double-jacketed pipes comprising an outer tube welded at its ends to an inner tube.
  • This configuration defines a sealed annular space in which it is possible to reduce the pressure in order to optimize the thermal performance of the insulation and mechanically protect the thermal insulation system from the external environment (humidity, pressure, mechanical aggression).
  • Such a "Pipe-in-Pipe” configuration according to the established Anglo-Saxon terminology is also found in triple-jacketed pipes, consisting of three tubes arranged one inside the other, or in parts intended to ensure thermal insulation or sealing of the pipes.
  • closure of this annular space is sometimes achieved by folding the outer tube onto the inner tube by plastic deformation while respecting geometric constraints such as the welding clearance and then welding the two tubes.
  • the number of welding passes is between 3 and 20. This number also depends on the welding process, the inclination of the part to be welded, whether or not the part is rotated during welding and the size of the weld throat.
  • the result is a geometric shape that causes a local increase in the stress level during mechanical stresses and therefore a reduction in the number of stress cycles to failure.
  • this type of defect is generally detected by ultrasonic inspection methods that detect an abnormal echo from the root leading to the rejection of the weld.
  • the implementation must also be economically satisfactory, this notably implies a limited welding time (by depositing a high quantity of weld) while minimizing the risk of defects leading to weld repair.
  • the molten metal is deposited on a convex surface (the inner tube), often rotating, so it is understandable that the inconsiderate increase in the deposition rate (and therefore the welding power) leads to the extension of the weld pool to the point where it could flow, in particular, around the periphery of the tube before solidifying. This leads to defects, loss of raw material and reduced weld efficiency.
  • each completed welding pass leads to an increase in the temperature of the part to be welded, making it necessary to stop the welding to allow cooling and thus avoid making the bath uncontrollable due to this excessive increase in its temperature.
  • Welding process specifications also generally include a limitation on the maximum interpass temperature which must be respected.
  • the objective of the present invention is to provide a method for welding two tubes arranged concentrically within each other, making it possible to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the invention therefore relates, in its first subject, to a method of welding the end of a metal outer tube to a metal inner tube, the outer tube and the inner tube being arranged concentrically within each other, the outer tube comprising an inner face, an outer face and at least one lateral face, the inner tube comprising an inner face and an outer face and having a diameter smaller than the diameter of the outer tube, characterized in that said method comprises, - a step of machining the end of the outer tube so as to create on the lateral face of the outer tube a lip extending the internal face of the outer tube and having a thickness less than the thickness of the outer tube, - a step of deforming the outer tube so as to reduce the distance between the lip and the outer face of the inner tube, and - a step of welding the end of the outer tube to the outer face of the inner tube.
  • machining and/or brushing of the internal face of the lip is carried out.
  • the lip has a thickness of between 1 mm and 8 mm.
  • the lip has a length of between 1 mm and 8 mm.
  • the lip has a radius of curvature of between 1 mm and 4 mm.
  • the lip forms an angle of between 90° and 120° with the lateral face of the external tube.
  • the distance between the lip and the outer face of the inner tube is between 0 mm and 2 mm.
  • the preferred target distance between the lip and the outer face of the inner tube is 1 mm, a variation less than or equal to plus or minus 0.9 mm, plus or minus 0.7 mm, plus or minus 0.5 mm, or even plus or minus 0.3 mm, may be permitted.
  • the welding step is carried out by melting the lip so that the molten bath resulting from the melting of the lip wets the outer tube and the inner tube.
  • the welding step comprises the concomitant cooling of the weld.
  • the weld is cooled by evaporation or conducto-convection of a cooling liquid, preferably water, in contact with the reverse face of the weld, i.e. on the internal face of the internal tube at the weld zone.
  • a very first advantage of the process according to the invention is that it makes the welding between the external tube and the internal tube more reliable.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it reduces the risk of lack of fusion of the inner corner of the outer tube since the latter is replaced by the lip, and since the lip is metallurgically bonded to the outer tube. This connection was previously ensured in the art by the first welding pass which presented a risk of poor execution. This configuration therefore makes it possible to gain both reliability of the welding process and productivity.
  • Yet another advantage of the method according to the invention is that it allows the welding clearance between the lip and the inner tube to be controlled since the lip can conform to the irregularities in the shape of the inner tube.
  • Yet another advantage of the method according to the invention is that it allows the quantity of energy supplied to the external tube for welding to be controlled, which helps to control the risk of extension of the weld pool.
  • This control is particularly improved by cooling the internal tube by its internal face at the same time as the welding.
  • cooling concurrent with the weld reduces the risk of trapping oxides under the first weld pass, and thus eliminates reasons for rejecting the weld.
  • Yet another advantage of the method according to the invention is that the weld pool is in a more stable thermal environment, the distance between the weld gap and the position of the welding torch relative to the root being less subject to variability.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it allows better control of the penetration of the weld during solidification.
  • a particular advantage of the cooling carried out optionally in the third step of the method of the invention is that it makes it possible to reduce the interpass temperature and therefore to accumulate more passes without the need to interrupt the welding due to the rise in temperature of the tube.
  • Another particular advantage of the process incorporating the cooling carried out in the third step of the process of the invention is that it allows welding with more power (and therefore to obtain a higher molten metal deposition rate, i.e. a faster weld) since energy can be efficiently removed by cooling.
  • This process therefore allows welding with high-energy techniques (submerged welding) also on tubes of small diameter, in particular with a diameter of less than 350 mm, preferably less than 300 mm, or even less than 250 mm.
  • Yet another advantage of the method according to the invention is that it makes it possible to increase the amplitude of the possible interval of acceptable welding intensities, which translates into a more robust method, i.e. more tolerant of control deviations, allowing controlled quality of the weld.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it allows the thermal intensity to which the operator is exposed to to be reduced, which makes the work of the operator carrying out the welding easier.
  • the invention in its second subject, relates to a multi-envelope pipe comprising a metal inner tube comprising an inner face and an outer face, and at least one metal outer tube arranged around said inner tube so as to form an annular space, said outer tube comprising an inner face, an outer face and at least one lateral face located at the end, characterized in that said outer tube comprises a lip located on its lateral face, extending its inner face in an axial direction and having a thickness less than the thickness of the tube, said lip being configured to be deformed axially towards the outer face of the inner tube.
  • the lip has a thickness of between 1 mm and 8 mm, a length of between 1 mm and 8 mm, a radius of curvature of between 1 mm and 4 mm and forms an angle of between 90° and 120° with the lateral face of the external tube.
  • the internal face of the lip advantageously has a machined and/or brushed surface condition.
  • a third subject of the invention relates to a device for cooling the welding zone when welding the end of a metal outer tube to a metal inner tube, said device comprising cooling means capable of cooling the welding zone by bringing a cooling liquid, preferably water, into contact with the internal face of the internal tube.
  • these cooling means allow cooling by evaporation or conducto-convection of the cooling liquid.
  • the device is an evaporative cooling device which comprises, - a plug intended to be inserted into the inner tube, the plug comprising, -- two cheeks adapted to close the inner tube, said cheeks, when said device is inserted into the inner tube, thus defining, with the wall of the inner tube, a compartment into which the cooling liquid is introduced, -- at least one axis on which the cheeks are fixed, -- at least one means of spraying a cooling liquid on the reverse side of the weld, i.e.
  • the cooling device is an evaporative cooling device that comprises, - a plug intended to be inserted into the inner tube, the plug comprising a cheek adapted to close the inner tube 1, said cheek when said device is inserted into the inner tube, thus defining, with the wall of the inner tube, a section of the inner tube into which the coolant is introduced, - at least one means for spraying a cooling liquid on the reverse side of the weld, i.e. on the internal side of the internal tube at the weld, inside the section of the internal tube defined by the cheek.
  • a fourth object of the invention is also the caps of the aforementioned cooling devices adapted to implement the cooling of the internal tube by evaporation or by conducto-convection.
  • an object of the invention relates to a method 100 as illustrated in of welding a metal outer tube 2 to a metal inner tube 1 arranged one inside the other in a concentric manner.
  • the method 100 according to the invention makes it possible, for example, to weld the end 23 of an outer tube 2 to an inner tube 1 so as to form a double-walled fluid transport pipe.
  • the pipe formed then has a sealed annular space 3 between the outer tube 2 and the inner tube 1.
  • the welding method 100 according to the invention can be applied to any element having a metal outer tube 2 to a metal inner tube 1 arranged one inside the other in a concentric manner, whatever the use of this structure. In other words, this welding method 100 is not restricted in its application in which the inner tube 1 is intended to convey a fluid.
  • the outer tube 2 Prior to welding, the outer tube 2 is positioned around the inner tube 1 so that the two tubes are concentric.
  • Concentric within the meaning of the invention, when referring to the inner tube 1 and the outer tube 2, means tubes that share the same center.
  • the shape of the tubes may vary, in other words the tubes 1 and/or 2 may not be perfectly circular.
  • the diameters and thicknesses of the tubes may vary over their length by a few millimeters due to the production method.
  • tubes are considered acceptable if diametrical variations of the order of 1%, preferably less than or equal to 1%, and thickness variations less than or equal to 10%, preferably less than or equal to 5%, are observed.
  • the inner tube 1 therefore has a diameter smaller than the diameter of the outer tube 2.
  • this method 100 can be applied to any pipe comprising a tube arranged in another tube. More particularly, this pipe can be a so-called double-walled pipe (called Pipe-in-Pipe in English terminology) as previously described, but also a triple-walled pipe (Pipe-in-Pipe-in-Pipe, in English terminology), which by definition comprises a so-called double-walled pipe surrounded by a tube.
  • the outer tube 2 comprises an internal face 21 opposite the inner tube 1, an external face 22 opposite the internal face 21 and at least one lateral face 24.
  • the lateral face 24 corresponds to the end 23 of the outer tube 2 intended to be welded to the inner tube 1.
  • the internal tube 1 comprises an external face 11 located opposite the external tube 2 and an internal face 12 opposite the external face 11.
  • the internal face 12 of the internal tube 1 thus delimits the conduit in which a fluid can be transported, but not necessarily.
  • the inner tube 1 comprises an inner face 12 and an outer face 11.
  • the outer tube 2 is shown here machined at the end of the machining step 101 of the end 23 of the outer tube 2 of the method 100. It comprises an internal face 21, an external face 22 and an end 23.
  • the machining of the end 23 of the outer tube 2 intended to be welded to the outer face 11 of the inner tube 1 takes place on the site where the pipe is installed, by means, for example, of an orbital machining machine (in English terminology “Pipe Facing Machine”, PFM)
  • the end 23 of the outer tube 2 is represented by a lateral face 24 and a lip 25. It is intended to be welded to the outer face 11 of the inner tube 1 so as to seal the annular space 3.
  • the lip 25 is located on the lateral face 24. It extends the internal face 21 of the external tube 2. As will be mentioned later, the lip 25 is intended to be melted at the welding step 104 of the method 100 to allow the welding of the end 23 of the external tube 2 on the internal tube 1.
  • the lip 25 has a structure that makes the welding step more reliable. Its fusion by a manual welding process or by an automated mechanized welding process also makes it possible to generate a sufficient molten pool 26 to allow the simultaneous wetting of the end 23 of the outer tube 2 and the outer face 11 of the inner tube 1. It also has a sufficient volume of material so that the first welding pass of the end 23 ensures the metallurgical contact of the outer tube 2 on the outer face 11 of the inner tube 1.
  • the lip 25 has a thickness e less than the thickness E of the external tube 2.
  • the thickness e of the lip 25 may in particular be a function of the thickness E of the external tube 2.
  • the thickness e of the lip 25 may be between 5% and 50% of the thickness E of the external tube 2.
  • the lip 25 has, for example, a thickness e of between 1 mm and 8 mm.
  • the thickness e is between 2 mm and 4 mm.
  • the lip 25 is also machined so as to have a length L corresponding to the distance between the lateral face 24 and the free end of the lip 25.
  • the length L is for example between 1 mm and 8 mm.
  • the length L is between 2 mm and 4 mm.
  • the lip 25, by virtue of its length L, is thus made more accessible for melting, which reduces the risks of lack of melting at the inner corner which would appear in its absence on the lateral face 24.
  • the lip 25 is also machined so as to have a radius of curvature R with the lateral face 24.
  • the radius of curvature R is for example between 1 mm and 4 mm.
  • the radius of curvature R is between 2 mm and 3 mm.
  • the radius of curvature R ensures a transition between the lateral face 24 and the lip 25 which does not promote the entrapment of oxides in the molten pool 26.
  • the lip 25 is also machined so as to form an angle ⁇ with the lateral face 24.
  • the angle ⁇ is for example between 90° and 120°.
  • Preferably the angle ⁇ is between 90° and 105°.
  • the lip 25 can adopt a so-called J configuration in which the angle a is equal to 90°.
  • the lip 25 can also adopt a so-called half-V configuration in which the angle ⁇ is between 91° and 135°.
  • the lip 25 can also adopt a so-called triangular or trapezoidal configuration; in this embodiment, the lip 25 does not extend the internal face 21 of the external tube 2, but constitutes a triangular or trapezoidal protuberance at the end 23 of the external tube 2.
  • the lip 25 after a possible step comprising machining and/or brushing 102 of the internal face of the lip 25 before a deformation step 103.
  • This possible step makes it possible to machine and/or brush the internal face of the lip 25 so as to improve its wetting properties with respect to the molten bath 26.
  • This step consists in particular of deforming the outer tube 2 so as to reduce the distance between the lip 25 and the outer face 11 of the inner tube 1.
  • This step 103 is commonly called the “crushing” step, because the inner tube 1 is crushed onto the outer tube 2.
  • the distance resulting from this step corresponds to the weld gap. It corresponds to the distance that the first welding pass must fill.
  • the bending takes place beyond contact with the internal tube 1 and leads to the deformation of the lip 25.
  • the elastic rebound of the external tube 2 leads to a weld clearance of less than approximately 1 mm.
  • the distance between the lip 25 and the external face 11 of the internal tube 1 is between 0 mm and 2 mm or even between 0 mm and 1 mm.
  • the objective is to melt the lip 25 so that the molten bath 26 resulting from the melting of the lip 25 wets the inner tube 1 and the outer tube 2. Since the melting of the lip 25 is not subject to variable positioning of the inner tube 1 and the outer tube 2, the quantity of energy supplied to the outer tube 2 is better controlled, which ensures a more stable thermal environment for the molten bath 26.
  • the penetration of the weld after solidification is also less variable since it only depends on the viscosity properties of the liquid metal and its interaction with the inner tube 1 and the outer tube 2 by wetting.
  • the welding intensity range allowing a weld deemed acceptable to be obtained has been multiplied by more than 4, going from a range of 450 ⁇ 30 A to 450 ⁇ 140 A.
  • the weld can be carried out at an intensity of between 310 A and 590 A, depending on the constraints inherent, for example, to the materials and/or the desired speed of the assembly.
  • the welding step 104 may comprise the cooling concomitant with the welding of the internal face 12 of the internal tube 1. This allows a gain in productivity of the process 100 due to the control of the temperature of the welding zone which contributes to an increase in the speed of the welding and the quality thereof for the aforementioned reasons.
  • the cooling is carried out by evaporation or conducto-convection of a cooling liquid.
  • the cooling liquid may be selected from water, a water + glycol mixture, a water + alcohol mixture. The person skilled in the art will be able to determine which is the most suitable liquid, and in the case of a cooling liquid consisting of a water + glycol or water + alcohol mixture, the proportions of glycol or alcohol to be considered. Water is a particularly preferred cooling liquid.
  • Evaporation consists of the projection (or vaporization) of droplets of the coolant liquid onto the inner face 12 of the inner tube 1 which evaporate upon contact with it, the exchange of calories results in a drop in temperature of the inner tube 1, particularly in the welding zone.
  • the heat transfer occurs by direct contact between the inner face 12 of the inner tube 1 and the coolant (conduction). The heat is then transferred by movement of the molecules during a local change in temperature of the coolant (convection).
  • This cooling takes place during the greater part of the welding step 104. It can take place over the entire duration of the welding step 104. It can take place over the entire duration of the method 100 according to the invention.
  • the duration or the initiation and/or the stopping of the cooling can vary according to the cooling mode chosen such as evaporation or conducto-convection. In the particular mode of cooling by evaporation, for example, it is understood that the spraying is only carried out from the moment when the temperature of the welding zone is sufficient to allow the evaporation of the cooling liquid projected in the form of droplets in contact with the welding zone.
  • the cooling of the weld is carried out by spraying a mist of water droplets on the internal face 12 of the internal tube 1 promoting evaporation. Cooling by evaporation is particularly effective and rapid.
  • a second object of the invention relates to a multi-envelope pipe comprising a metal inner tube 1 and at least one metal outer tube 2 arranged around said inner tube 1 so as to form an annular space 1.
  • the inner tube 1 comprises an inner face 12 and an outer face 11.
  • the outer tube 2 comprises an inner face 21, an outer face 22 and at least one lateral face 24 located at the end 23, said outer tube 2 comprising a lip 25 located on its lateral face 24, extending its inner face 21 in an axial direction and having a thickness e less than the thickness E of said outer tube 2, said lip 25 being configured to be deformed axially towards the outer face of the inner tube.
  • said lip 25 is distinct from a radial internal collar as is the case in GB12177730A.
  • the lip 25 has a thickness e of between 1 mm and 8 mm, a length L of between 1 mm and 8 mm, a radius of curvature R of between 1 mm and 4 mm and forms an angle a of between 90° and 120° with the lateral face 24 of the external tube 2.
  • the lip 25 is in particular machined according to the different possibilities set out above and illustrated for example in or to the , in particular by independently varying any one of the dimensions e, a, L or R.
  • the internal face 21 of the lip 25 has a machined and/or brushed surface state.
  • the applicant has developed devices 200 specially adapted to the cooling step concomitant and optional to the welding step 104 of the end 23 of the external tube 2 on the external face 11 of the internal tube 1.
  • This cooling step via the internal face 12 of the internal tube 1 contributes positively to the productivity gains of the process 100.
  • the cooling thus carried out on the internal face of the weld makes it possible to avoid pauses aimed at cooling the tube and controlling the temperature of the weld pool 26 to avoid the extension of the weld pool 26 and drips always associated with defects leading to rejection of the weld.
  • controlling the temperature and keeping it below 350°C as is made possible in particular by the cooling devices 200, according to the invention, makes it possible to envisage using higher welding powers allowing an even greater saving of time with equal or even superior weld quality.
  • the weld defect rate is particularly reduced, which leads to a particularly reduced rejection or rework rate.
  • the cooling of the welding zone and therefore of the tubes allows a substantial reduction in the intensity of the thermal radiation to which the operator is exposed, which constitutes a significant gain for ergonomics and work.
  • the implementation of the method 100 of the invention comprising the cooling of the weld by the internal face 12 of the internal tube 1, allows the control of the hardness and resistance properties of the welds (as illustrated by the ). It is thus possible to determine conditions for generating optimal welds, with balanced hardness and resilience (resistance) properties.
  • the cooling device 200 is a conducto-convection cooling device which comprises, - a plug 201 intended to be inserted into the internal tube 1, the plug 201 comprising, -- two cheeks 202,203 adapted to close the internal tube 1, said cheeks 202,203, when said device 200 is inserted into the internal tube 1, thus defining with the wall of the internal tube 1 a compartment 204 into which the cooling liquid is introduced, -- at least one axis 205 on which the cheeks 202, 203 are fixed, - a system 207 for circulating the coolant in compartment 204.
  • one of the cheeks 202, 203 is pierced with orifices allowing the circulation in the system 207 of the coolant through the compartment 204 by means of a piping circuit.
  • This circulation makes it possible to evacuate the coolant heated in the compartment 204 under the effect of the welding in operation, and to continuously supply the compartment 204 with a coolant of suitable temperature.
  • this piping circuit can be connected to a reservoir 206 intended to receive the coolant, as shown in the , the system 207 for circulating the coolant and the reservoir 206 then constituting a closed circuit.
  • the device 200 may comprise a source of coolant connected at the inlet (such as a connection to a water network) to the compartment 204 via a pipe 208, and a discharge pipe 211 for extracting the heated coolant from the compartment 204 (for example connected to a wastewater network).
  • a source of coolant connected at the inlet (such as a connection to a water network) to the compartment 204 via a pipe 208, and a discharge pipe 211 for extracting the heated coolant from the compartment 204 (for example connected to a wastewater network).
  • the piping circuit of the circulation system 207 may comprise a pipe 208 configured to bring the cold coolant into the compartment 204.
  • the pipe 208 may comprise at least one valve 209 which makes it possible to control the communication between the compartment 204 and the source of the coolant (for example the reservoir 206).
  • the pipe 208 may also comprise at least one pump 210 which makes it possible to generate the incoming flow of coolant into the compartment 204.
  • the piping circuit may include a pipe 211 configured to extract the heated coolant from the compartment 204, for example to the reservoir 206 or a wastewater network as mentioned previously.
  • the pipe 211 may also include at least one valve and/or at least one pump to contribute to the circulation and control of the flow of coolant.
  • the reservoir 206 and/or the piping system 207 may also comprise cooling means configured to accelerate the drop in temperature of the coolant, for example circulating in the pipe 211 or present in the coolant reservoir 206.
  • the cap 201 may comprise several axes 205, a central axis 205 allows the fixing of the two cheeks 202, 203, and three additional axes 205, two of which are made up of pipes pierced with holes allowing the entry of coolant into the compartment 204, and another axis 205 also pierced with holes which allows the exit of the coolant.
  • the cooling device 200 is an evaporative cooling device which comprises, - a plug 201 intended to be inserted into the internal tube 1, the plug 201 comprising, -- two cheeks 202,203 adapted to close the internal tube 1, said cheeks 202,203, when said device 200 is inserted into the internal tube 1, thus defining, with the wall of the internal tube 1, a compartment 204 into which the cooling liquid is introduced, -- at least one axis 205 on which the cheeks 202, 203 are fixed, -- at least one means 212 for spraying a cooling liquid onto the reverse side of the weld, i.e.
  • the at least one spraying means 212 is adapted to create and project onto the internal face 12 of the internal tube 1 a cloud of droplets.
  • the spraying (or misting) of the coolant in the form of a cloud of droplets by multiplying the contact surface between the coolant and said internal face 12, allows faster and more efficient cooling due to greater evaporation efficiency.
  • the at least one spraying means 212 consists of at least one nozzle 217 placed at the end of a pipe 214 in which the cooling liquid circulates and which allows the dispersion and/or spraying of the cooling liquid on the internal face 12 of the internal tube 1 in contact with the reverse face of the weld.
  • the pipe 214 is fluidically connected to a pipe 215 itself fluidically connected to a supply of cooling liquid, for example to a reservoir 206 containing the cooling liquid, as illustrated in FIG. .
  • any other coolant supply can be used, for example, in the case of using water as coolant, a connection to a water network.
  • the fluid connection between the coolant supply and the pipe 215 may comprise a pump 219 for propelling the coolant into the compartment 204 through the at least one nozzle 217.
  • the evaporative cooling device 200 comprises a means allowing the addition of a flow of compressed air, or any other auxiliary vaporization fluid, into the incoming flow of coolant (for example in the pipe 215); indeed, the addition of an auxiliary vaporization fluid can effectively contribute to the formation of the cloud (or fog) of coolant droplets having finer droplets and therefore ensure more efficient and faster cooling.
  • Any neutral gas, such as nitrogen, can also constitute a suitable vaporization fluid. The professional will know how to choose an auxiliary vaporization fluid suitable for welding activities.
  • several pipes 214 are fluidly connected to the pipe 215, allowing the spraying of the inner tube 1 in several places and thus even more efficient cooling of the inner tube 1.
  • the pipes 214 can be located at several different places along the pipe 215, and/or distributed around the circumference of the pipe 215.
  • two pipes 214 can be fluidly connected to the pipe 215 at the circumference of the pipe 215, facing each other, i.e. at 180° from each other at the circumference of the pipe 215.
  • each of the two pipes 214 comprises a nozzle 217 at its end adapted to generate the cloud (or mist) of droplets near the internal face 12 of the internal tube 1.
  • the at least one means 213 for extracting, outside the compartment 204, the steam formed by the cooling liquid in contact with the reverse side of the weld consists of a pipe 216 pierced with a plurality of holes 220 arranged on the pipe 216.
  • at least a portion of the plurality of holes 220 is located at right angles to the spraying zone, through which the steam is sucked in.
  • the holes 220 of the plurality of holes 220 extend along the entire length of the pipe 216.
  • the pipe 216 is fluidically connected to a system 218 which makes it possible to create a vacuum and, thus, allows the suction through the plurality of holes 220 of the coolant vapor formed by the evaporation thereof in contact with the internal face 12 of the internal tube 1 in the welding zone and, possibly, of the auxiliary vaporization fluid.
  • the system 218 for creating a vacuum and allowing the suction of the vapor is such as a vacuum pump, for example located outside the device 200.
  • the axis 205 comprises the pipe 216 and the pipe 215, the cheeks 202, 203 being able to be fixed on the pipe 216.
  • the evaporative cooling device 200 may comprise means for measuring the pressure in the compartment 204. Controlling the pressure in the compartment 204 makes it possible to adjust the evaporation temperature of the water and therefore to more precisely control the temperature of the part to be welded. Optionally, these means may control the vacuum pump 218 and/or the pump 219 to regulate the internal pressure in the compartment 204 according to a setpoint.
  • the evaporative cooling device 200 may comprise means for measuring the temperature inside the compartment 204. Optionally, these means may control the vacuum pump (the system 218) and/or the pump 219 to regulate the internal temperature of the compartment 204 according to a setpoint. Indeed, the temperature may also be controlled by modifying the spray flow rate.
  • An additional fluid evacuation and suction system may be associated with this device 200 in order to prevent recondensation of gases and vapors generated by cooling on the sensitive elements of the welding equipment and welding materials (such as the filler metal or the welding flux).
  • the axis 205 on which the cheeks 202, 203 are fixed comprises the pipe 215 and the pipe 216 which are integral, and the cheeks 202, 203 are fixed on the pipe 216.
  • the pipe 215, which is fluidically connected to the at least one pipe 214 bringing the liquid to the at least one nozzle 217, is inserted into the pipe 216 of the extraction means 213.
  • the at least one pipe 214 passes through the pipe 216 through a hole 220 of the plurality of holes 220, preferably without closing it.
  • the cheeks 202, 203 are fixed to the axis 205 by means of a plate 221 (not shown in the ) comprising an articulation means such as a ball bearing, which allows the cheeks 202, 203 (which in operation of the plug 201 are integral with the internal tube 1) to rotate around the axis 205, while the nozzle 217 remains fixed in space.
  • a plate 221 not shown in the ) comprising an articulation means such as a ball bearing, which allows the cheeks 202, 203 (which in operation of the plug 201 are integral with the internal tube 1) to rotate around the axis 205, while the nozzle 217 remains fixed in space.
  • the spraying takes place on the internal face 12 of the internal tube 1 at 90° relative to the welding location on the external face 11.
  • the spraying takes place on the internal face 12 of the internal tube 1 at right angles to the welding location on
  • a weight may ballast the axis 205 to facilitate and prevent its rotation when the Pipe in Pipe conduit rotates around it.
  • the rotation speed applied to the axis 205 is advantageously adjusted so as to allow optimal cooling of the welding zone.
  • the rotation speed applied to the axis 205 causes the at least one nozzle 217 to move in the opposite direction at the same movement speed as the welding.
  • the plug 201 intended to be inserted into the inner tube 1 of the pipe makes it possible to create a compartment 204 suitable for implementing the cooling step concomitant with the welding step 104 of the end 23 of the outer tube 2 on the outer face 11 of the inner tube 1.
  • the two cheeks 202, 203 are preferably surrounded by seals which ensure a seal at the junction of said cheeks 202, 203 with the inner face 12 of the inner tube 1.
  • These seals are, for example, made of silicone suitable for high temperature use (such as, for example, 100 to 200°C) and having the robustness properties suitable for the operations of the plug 201 and for industrial mass production, for example of several thousand pieces.
  • the sealing of the compartment 204 formed by the plug 201 does not have to be absolute, in particular due to the native surface condition of the tubes used (for example in raw steel) which may be irregular.
  • the compartment 204 formed by the plug 201 must be sufficiently sealed to allow the proper implementation of the cooling of the welding zone, in particular by evaporation or conducto-convection as described previously.
  • coolant may leak through the plug 201, provided that this leakage still allows, for example, filling of the compartment 204 with the coolant suitable for conducto-convection cooling, or for creating and maintaining the vacuum necessary for evacuating the coolant vapors by the system 218 allowing the suction of the vapor outside the compartment 204 formed by the plug 201.
  • a plug 201 having two cheeks 202, 203 and forming a compartment 204 when arranged in the internal tube 1 makes it possible to avoid exposing the operator to the vapor formed, possibly to the auxiliary vaporization fluid, and to reduce exposure to the noise thereof.
  • the implementation of such a plug 201 for the cooling step is therefore particularly advantageous for the operator in terms of work ergonomics.
  • the evaporative cooling device 200 comprises, - a plug 201 intended to be inserted into the inner tube 1, the plug 201 comprising a cheek adapted to close the inner tube 1, said cheek when said device 200 is inserted into the inner tube 1, thus defining, with the wall of the inner tube 1, a section of the inner tube 1 into which the coolant is introduced, - at least one means 212 for spraying a cooling liquid onto the reverse face of the weld, i.e. onto the internal face 12 of the internal tube 1 at the weld, inside the section of the internal tube 1 defined by the cheek.
  • this device 200 can comprise at least one means for adding a flow of compressed air, or any other auxiliary vaporization fluid, into the flow of cooling liquid, which contributes, as mentioned above, to the formation of the cloud (or mist) of cooling liquid droplets, and in particular makes it possible to optimize the cooling speed and its amplitude.
  • This device 200 may also comprise at least one means for extracting the vapor formed by the cooling liquid in contact with the reverse side of the weld, such as a suction hood, an extractor, a fan, an extraction arm, etc.
  • cooling through the internal face 12 of the internal tube 1 allows a gain in productivity by making it possible to accelerate the welding, by avoiding pauses (or by reducing their number) and/or by allowing the use of higher welding powers associated with higher quantities of filler metal in each pass, and by reducing the number of rejects due to the greater quantity of metal deposited per unit of time.
  • the method 100 can allow the control of the physical properties of hardness and resilience of the weld and thus aim for balance within the weld, between these two characteristics, rather than being subjected to them.
  • the Charpy test is a resilience test that consists of an impact bending test, carried out on a pendulum hammer. This test provides information on the fracture behavior of the material tested, and in particular on the energy required to propagate an initiated crack. Welding codes impose a minimum value for this test to be considered a qualified welding procedure, for example 45 J/cm2 in the case of the DNV-ST-F101 standard.
  • results obtained are presented A show a significant increase in weld resilience, and that the fracture remains sufficiently ductile even at -70°C, in samples treated by cooling the inner wall of the inner tube.
  • the average absorbed energy is well above the limit set by the DNV-ST-F101 standard. Satisfactory results according to this standard are only obtained for samples without cooling from -20°C.
  • This measurement consists of deforming the part to be evaluated using a square-based pyramid-shaped indenter with an apex angle of 136°. The diagonal of the permanent impression after removal of the indenter is then measured and compared to a hardness scale.
  • test load applied here is 9.8 daN for 10 to 15 s.

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Abstract

Procédé de soudage de l'extrémité (23) d'un tube externe (2) métallique sur un tube interne (1) métallique concentriques, le tube externe (2) comprenant une face interne (21), une face externe (22) et au moins une face latérale (24), le tube (1) comprenant une face interne (12) et une face externe (12) et présentant un diamètre inférieur au diamètre du tube externe (2), qui comprend les étapes suivantes, - usinage (101) de l'extrémité (23) du tube externe (2) de façon à créer sur la face latérale (24) du tube externe (2) une lèvre (25) prolongeant la face interne (21) du tube externe (2) et présentant une épaisseur (e) inférieure à l'épaisseur (E) du tube externe (2), - déformation (103) du tube externe (2) de façon à réduire la distance entre la lèvre (25) et la face externe (11) du tube (1), et - soudage (104) de l'extrémité (23) du tube externe (2) sur la face externe (11) du tube (1).

Description

PROCÉDÉ DE SOUDAGE DE TUBES MÉTALLIQUES CONCENTRIQUES ET CONDUITE MULTI-ENVELOPPE ASSOCIÉE
Le domaine technique de la présente invention concerne d'une part un procédé de soudage de deux tubes métalliques agencés de manière concentrique, et plus particulièrement de l'extrémité d'un tube externe sur un tube interne, et d'autre part une conduite multi-enveloppe comprenant un tube interne et au moins un tube externe, le tube externe comportant une lèvre spécifiquement configurée pour ce soudage.
Les documents US2007081929A1 et GB12177730A décrivent des procédés similaires.
Dans le secteur pétrolier, on utilise depuis plusieurs décennies des conduites à double enveloppe calorifugées pour minimiser leurs échanges thermiques avec l’environnement. Elles sont formées par l’assemblage successif par soudure de sections de tubes à double enveloppe de longueur comprise entre 6 mètres et 50 mètres. Il s’agit de réduire le transfert de chaleur entre un fluide chaud ou froid circulant dans ladite conduite et l’environnement extérieur.
Les applications sont souvent pétrolières, mais peuvent concerner aussi d’autres domaines comme le transport de l’air très chaud dans le domaine de l’énergie solaire à concentration, des huiles végétales ou des fluides cryogéniques comme l’ammoniac liquéfié, le Gaz Naturel Liquéfié (GNL) ou l’hydrogène liquéfié.
Les conduites se présentent sous la forme de tuyaux à double enveloppe comprenant un tube externe soudé à ses extrémités sur un tube interne. Cette configuration délimite un espace annulaire scellé dans lequel il est possible de réduire la pression afin d’optimiser la performance thermique de l’isolation et de protéger mécaniquement le système d’isolation thermique de l’environnement extérieur (humidité, pression, agressions mécaniques). Une telle configuration « Pipe-in-Pipe » selon la terminologie anglo-saxonne consacrée se retrouve également dans les conduites triple enveloppe, constituées de trois tubes agencés l’un dans l’autre, ou encore dans des pièces destinées à assurer l’isolation thermique ou l’étanchéité des conduites.
La fermeture de cet espace annulaire est parfois réalisée en rabattant par déformation plastique le tube extérieur sur le tube intérieur tout en respectant des contraintes géométriques telles que le jeu de soudure pour ensuite souder les deux tubes.
Suivant l’épaisseur du tube externe, généralement de 4 mm à 30 mm, le nombre de passes de soudure est compris entre 3 et 20. Ce nombre dépend aussi du procédé de soudage, de l’inclinaison de la pièce à souder, de la mise en rotation ou non de la pièce lors du soudage et de la taille de la gorge de la soudure.
La solution industrielle représentée par ledit procédé de soudage doit répondre conjointement à des critères et contraintes techniques et économiques.
La réalisation d’une soudure structurellement saine entre les deux tubes et qui minimise les risques de rupture par fatigue nécessite en particulier que la première passe vienne fondre le coin inférieur, ou racine, du tube externe.
Si la racine n’est pas fondue, il en résulte une forme géométrique qui provoque une augmentation locale du niveau de contrainte lors des sollicitations mécaniques et donc par une diminution du nombre de cycles de contraintes à rupture. Quand l’alliage s’y prête, ce type de défaut est en général décelé par des méthodes d’inspection aux ultrasons qui détectent un écho anormal en provenance de la racine conduisant à la réjection de la soudure.
La réalisation doit également être économiquement satisfaisante, cela implique notamment un temps de soudage limité (en déposant une quantité élevée de soudure) tout en minimisant le risque de défauts conduisant à une réparation des soudures.
Dans le cas de la soudure de fermeture d’espaces annulaires des systèmes « Pipe-in-pipe », le métal fondu est déposé sur une surface convexe (le tube intérieur), souvent en rotation, on comprend donc que l’augmentation inconsidérée du taux de dépôt (et donc de la puissance de soudage) conduit à l’extension du bain de soudure au point où celui-ci pourrait couler notamment sur le pourtour du tube avant de se solidifier. Cela conduit à des défauts, une perte de matière première et une moindre efficacité de la soudure.
En outre, chaque passe de soudure accomplie conduit à une augmentation de la température de la pièce à souder rendant nécessaire des phases d’arrêt de la soudure pour permettre le refroidissement et ainsi éviter de rendre le bain incontrôlable du fait de cette augmentation trop importante de sa température. Les spécifications des procédés de soudage comportent aussi généralement une limitation de la température interpasse maximale qu’il convient de respecter.
Ces phases d’arrêt nuisent à la productivité générale du procédé d’assemblage, et contribuent du fait de la multiplication d’arrêt et de redémarrage de la soudure, à la multiplication du risque de défauts.
Réaliser ce type de soudure de manière fiable et répétable en procédé manuel requiert des soudeurs habiles et hautement qualifiés. En procédé mécanisé ou automatique, cela requiert une maîtrise poussée de multiples variables et paramètres, tels que, par exemple, le positionnement de la torche de soudage, la vitesse de rotation du tube, la vitesse d’avancée du fil d’apport, la tension électrique, l’intensité, etc.
Même sans tenir en compte de la dextérité des soudeurs, certaines conditions de soudage restent difficilement maîtrisables et sont autant de sources d’apparition de défauts, ce sont par exemple,
- un manque de pénétration ou un effondrement du bain de soudure vers l’intérieur l’espace annulaire compris entre les tuyaux intérieur et extérieur, à cause d’un jeu de soudure non constant (trop grand ou trop petit),
- une pénétration axiale de la soudure variable en fonction du jeu de soudure conduisant à l’apparition de faux positifs à l’inspection aux ultrasons,
- l’enfermement d’oxydes sous une passe de soudure bougeant de manière incontrôlée, et
- des conditions thermiques variables agissant sur le bain de fusion ; en effet selon l’écartement variable du jeu de soudure et de la position de la torche de soudage par rapport à la racine, la propagation thermique dans le tube externe varie et conduit à des conditions de solidification variables et non maîtrisables.
Ces paramètres sont d’autant plus difficiles à maîtriser que le tube est petit et donc convexe, par conséquent propice à l’écoulement d’un bain de soudure étalé que l’on obtient également par ailleurs quand on cherche à augmenter la productivité.
Cette variabilité des conditions joue négativement dans la recherche d’un jeu de paramètres permettant de réaliser des soudures acceptables.
L’objectif de la présente invention est de fournir un procédé de soudage de deux tubes agencés l’un dans l’autre de manière concentrique permettant de remédier aux inconvénients précités.
L’invention concerne donc, dans son premier objet, un procédé de soudage de l’extrémité d’un tube externe métallique sur un tube interne métallique, le tube externe et le tube interne étant agencés l’un dans l’autre de manière concentrique, le tube externe comprenant une face interne, une face externe et au moins une face latérale, le tube interne comprenant une face interne et une face externe et présentant un diamètre inférieur au diamètre du tube externe, caractérisé en ce que ledit procédé comprend,
- une étape d’usinage de l’extrémité du tube externe de façon à créer sur la face latérale du tube externe une lèvre prolongeant la face interne du tube externe et présentant une épaisseur inférieure à l’épaisseur du tube externe,
- une étape de déformation du tube externe de façon à réduire la distance entre la lèvre et la face externe du tube interne, et
- une étape de soudage de l’extrémité du tube externe sur la face externe du tube interne.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, on réalise, après l’étape d’usinage de l’extrémité du tube externe et avant l’étape de déformation du tube externe, un usinage et/ou un brossage de la face interne de la lèvre.
Selon un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, la lèvre présente une épaisseur comprise entre 1 mm et 8 mm.
Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, la lèvre présente une longueur comprise entre 1 mm et 8 mm.
Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, la lèvre présente un rayon de courbure compris entre 1 mm et 4 mm.
Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, à l’issue de l’étape d’usinage, la lèvre forme avec la face latérale du tube externe un angle compris entre 90° et 120°.
Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, à l’issue de l’étape de déformation du tube externe, la distance entre la lèvre et la face externe du tube interne est comprise entre 0 mm et 2 mm. Selon un mode de réalisation particulier, la distance cible préférée entre la lèvre et la face externe du tube interne est de 1 mm, une variation inférieure ou égale à plus ou moins 0,9 mm, plus ou moins 0,7 mm, plus ou moins 0,5 mm, voire plus ou moins 0,3 mm, pouvant être admise.
Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l’invention, l’étape de soudage est réalisée en fondant la lèvre de sorte que le bain de fusion résultant de la fusion de la lèvre mouille le tube externe et le tube interne.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’étape de soudage comprend le refroidissement concomitant de la soudure. Selon un mode de réalisation particulier du procédé de l’invention, la soudure est refroidie par évaporation ou conducto-convection d’un liquide de refroidissement, préférentiellement de l’eau, en contact avec la face envers de la soudure, c’est-à-dire sur la face interne du tube interne au niveau de la zone de soudure.
Un tout premier avantage du procédé selon l’invention est qu’il permet de fiabiliser la soudure entre le tube externe et le tube interne.
Un autre avantage du procédé selon l’invention est qu’il permet de diminuer les risques de manque de fusion du coin intérieur du tube extérieur puisque celui-ci est remplacé par la lèvre, et puisque la lèvre est métallurgiquement liée au tube externe. Cette liaison était dans l’art jusqu’à présent assurée par la première passe de soudage qui présentait un risque de mauvaise exécution. Cette configuration permet donc à la fois de gagner en fiabilité du procédé de soudure et en productivité.
Un autre avantage encore du procédé selon l’invention est qu’il permet de maîtriser le jeu de soudure entre la lèvre et le tube interne puisque la lèvre peut se conformer aux irrégularités de forme du tube intérieur.
Un autre avantage encore du procédé selon l’invention est qu’il permet de maîtriser la quantité d’énergie fournie au tube externe pour la soudure, ce qui contribue à contrôler le risque d’extension du bain de fusion.
Ce contrôle est particulièrement amélioré par le refroidissement du tube interne par sa face interne concomitamment à la soudure.
En outre, le refroidissement concomitant à la soudure permet de diminuer les risques d’enfermer des oxydes sous la première passe de soudure, et ainsi d’éliminer des raisons de rejet de la soudure.
Un autre avantage encore du procédé selon l’invention est que le bain de fusion se retrouve dans un environnement thermique plus stable, l’écartement du jeu de soudure et de la position de la torche de soudage par rapport à la racine étant moins sujet à variabilité.
Un autre avantage encore du procédé selon l’invention est qu’il permet de mieux contrôler la pénétration de la soudure pendant la solidification.
Un avantage particulier du refroidissement effectué optionnellement à la troisième étape du procédé de l’invention est qu’il permet de réduire la température interpasse et donc d’accumuler plus de passes sans besoin d’interrompre la soudure du fait de la montée en température du tube.
Un autre avantage particulier du procédé intégrant le refroidissement effectué à la troisième étape du procédé de l’invention est qu’il permet de souder avec plus de puissance (et donc d’obtenir un taux de dépôt de métal fondu plus élevé, c’est-à-dire une soudure plus rapide) puisqu’on peut efficacement retirer de l’énergie par le refroidissement. Ce procédé permet donc de souder avec des techniques très énergétiques (soudure sous flux) également sur des tubes de faible diamètre, en particulier d’un diamètre inférieur 350 mm, de préférence inférieur à 300 mm, voire même inférieur à 250 mm.
Un autre avantage encore du procédé selon l’invention est qu’il permet d’augmenter l’amplitude de l’intervalle possible des intensités de soudage acceptables, ce qui traduit un procédé plus robuste, c’est-à-dire plus tolérant aux écarts de contrôle, permettant une qualité contrôlée de la soudure.
Un autre avantage du procédé selon l’invention est qu’il permet de diminuer l’intensité thermique auquel est exposé l’opérateur, ce qui facilite le travail de celui dans la mise en œuvre de la soudure.
Dans son second objet, l’invention concerne une conduite multi-enveloppe comprenant un tube interne métallique comprenant une face interne et une face externe, et au moins un tube externe métallique disposé autour dudit tube interne de manière à former un espace annulaire, ledit tube externe comprenant une face interne, une face externe et au moins une face latérale située à l'extrémité, caractérisée en ce que ledit tube externe comprend une lèvre située sur sa face latérale, prolongeant sa face interne dans une direction axiale et présentant une épaisseur inférieure à l'épaisseur du tube, ladite lèvre étant configurée pour être déformée axialement vers la face externe du tube interne.
Avantageusement, la lèvre présente une épaisseur comprise entre 1 mm et 8 mm, une longueur comprise entre 1 mm et 8 mm, un rayon de courbure compris entre 1 mm et 4 mm et forme un angle compris entre 90° et 120° avec la face latérale du tube externe. En outre, la face interne de la lèvre présente avantageusement un état de surface usiné et/ou brossé.
Un troisième objet de l’invention concerne un dispositif de refroidissement de la zone de soudure lors du soudage de l’extrémité d’un tube externe métallique sur un tube interne métallique, ledit dispositif comprenant des moyens de refroidissement aptes à refroidir la zone de soudure par mise en contact d’un liquide de refroidissement, préférentiellement de l’eau, avec la face interne du tube interne. Dans un mode de réalisation, ces moyens de refroidissement permettent un refroidissement par évaporation ou conducto-convection du liquide de refroidissement. Comme exposé précédemment, le procédé de soudage de l’extrémité d’un tube externe métallique sur un tube interne métallique, quand il comprend le refroidissement par la face interne du tube interne de la zone de soudure, amplifie singulièrement les gains de productivité, et permet d’obtenir des soudures résistant mieux à la propagation de fissures, notamment à basse température.
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de refroidissement est un dispositif de refroidissement par conducto-convection qui comprend,
- un bouchon destiné à être inséré dans le tube interne, ledit bouchon comprenant,
-- deux joues adaptées pour obturer le tube interne, lesdites joues, quand ledit dispositif est inséré dans le tube interne, définissant ainsi avec la paroi du tube interne un compartiment dans lequel le liquide de refroidissement est introduit,
-- au moins un axe sur lequel les joues sont fixées,
- un système de mise en circulation du liquide de refroidissement dans le compartiment.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le dispositif est un dispositif de refroidissement par évaporation qui comprend,
- un bouchon destiné à être inséré dans le tube interne, le bouchon comprenant,
-- deux joues adaptées pour obturer le tube interne, lesdites joues, quand ledit dispositif est inséré dans le tube interne, définissant ainsi, avec la paroi du tube interne, un compartiment dans lequel le liquide de refroidissement est introduit,
-- au moins un axe sur lequel les joues sont fixées,
-- au moins un moyen d’aspersion d’un liquide de refroidissement sur la face envers de la soudure, c’est-à-dire sur la face interne du tube interne au niveau de la soudure, à l’intérieur du compartiment formé par le bouchon,
-- au moins un moyen d’extraction, en dehors du compartiment formé par le bouchon, de la vapeur formée par le liquide de refroidissement au contact de la face envers de la soudure, lors de la réalisation de celle-ci,
- un système connecté fluidiquement au moyen d’extraction de la vapeur qui permet l’aspiration de la vapeur à l’extérieur du compartiment formé par le bouchon.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de refroidissement est un dispositif de refroidissement par évaporation qui comprend,
- un bouchon destiné à être inséré dans le tube interne, le bouchon comprenant, une joue adaptée pour obturer le tube interne 1, ladite joue quand ledit dispositif est inséré dans le tube interne, définissant ainsi, avec la paroi du tube interne, une section du tube interne dans laquelle le liquide de refroidissement est introduit,
- au moins un moyen d’aspersion d’un liquide de refroidissement sur la face envers de la soudure, c’est-à-dire sur la face interne du tube interne au niveau de la soudure, à l’intérieur de la section du tube interne définie par la joue.
Un quatrième objet de l’invention est également les bouchons des dispositifs de refroidissement susmentionnés adaptés à mettre en œuvre le refroidissement du tube interne par évaporation ou par conducto-convection.
D’autres caractéristiques, avantages et détails de l’invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
La représente un exemple d’une section de profil du tube interne et du tube externe à l’issue de l’étape d’usinage de l’extrémité du tube externe du procédé.
La représente des exemples de différents usinages de l’extrémité du tube externe.
La représente un mode de réalisation de la lèvre.
La représente un exemple schématique d’une section de profil du tube interne et du tube externe à l’issue de l’étape de déformation du procédé.
La représente un exemple schématique d’une section de profil du tube interne et du tube externe à l’issue l’étape de soudage du procédé selon l’invention.
La est un diagramme représentant un procédé selon l’invention.
La montre les performances des soudures obtenues selon un procédé de l’invention. A, test de Charpy ; B, mesure de la dureté Vickers.
La montre un mode de réalisation d’un dispositif de refroidissement par conducto-convection de la face interne du tube interne en opération au niveau de la soudure de l’extrémité d’un tube externe sur la paroi externe d’un tube interne.
La montre un mode de réalisation d’un dispositif de refroidissement par évaporation de la face interne du tube interne en opération au niveau de la soudure de l’extrémité d’un tube externe sur la paroi externe d’un tube interne.
La montre une photographie d’une coupe polie de profil de la jonction entre le tube extérieur et le tube intérieur avant soudage telle qu’elle peut être obtenue à l’issue de l’étape de déformation du procédé selon l’invention.
Remarques préliminaires
Il est précisé que lorsque des intervalles de mesures de grandeurs physiques sont spécifiés dans ce document, ils s’entendent bornes comprises, sauf spécification contraire.
Procédé de soudage
Comme décrit précédemment, un objet de l’invention concerne un procédé 100 tel qu’illustré à la de soudage d’un tube externe 2 métallique sur un tube interne 1 métallique disposés l’un dans l’autre de manière concentrique. Le procédé 100 selon l’invention permet par exemple de réaliser une soudure de l’extrémité 23 d’un tube externe 2 sur un tube interne 1 de façon à former une conduite double enveloppe de transport de fluide. La conduite formée présente alors un espace annulaire 3 scellé entre le tube externe 2 et le tube interne 1. Bien évidemment, le procédé 100 de soudage selon l’invention peut s’appliquer à tout élément présentant d’un tube externe 2 métallique sur un tube interne 1 métallique disposés l’un dans l’autre de manière concentrique, quel que soit l’usage de cette structure. En d’autres termes, ce procédé 100 de soudage n’est pas restreint dans son application dans lesquelles le tube interne 1 est destiné à véhiculer un fluide.
Précédemment à la soudure, le tube externe 2 est positionné autour du tube interne 1 de façon à ce que les deux tubes soient concentriques. Concentrique, au sens de l’invention, quand se référant au tube interne 1 et au tube externe 2, s’entend de tubes qui partagent un même centre. Dans le domaine technique de l’invention, la forme des tubes peut varier, en d’autres termes les tubes 1 et/ou 2 peuvent ne pas être parfaitement circulaires. Ainsi, les diamètres et épaisseurs des tubes peuvent varier sur leur longueur de quelques millimètres du fait de la méthode de production. Ainsi, au regard des standards de l’industrie, des tubes sont considérés acceptables si des variations diamétrales de l’ordre de 1 %, de préférence inférieure ou égale à 1 % et des variations d’épaisseur inférieures ou égales à 10 % de préférence inférieures ou égales à 5 % sont observées. La personne du métier saura que la notion de concentricité autorise un écart à la concentricité géométrique pouvant aller jusque plusieurs mm. Le tube interne 1 présente donc un diamètre inférieur au diamètre du tube externe 2. On comprendra que ce procédé 100 peut s’appliquer à toute conduite comprenant un tube agencé dans un autre tube. Plus particulièrement, cette conduite peut être une conduite dite à double enveloppe (dite Pipe-in-Pipe en terminologie anglo-saxonne) telle que précédemment décrite, mais également une conduite à triple enveloppe (Pipe-in-Pipe-in-Pipe, en terminologie anglo-saxonne), qui comprend par définition une conduite dite à double enveloppe entourée d’un tube.
Le tube externe 2 comprend une face interne 21 en regard du tube interne 1, une face externe 22 opposée à la face interne 21 et au moins une face latérale 24. La face latérale 24 correspond à l’extrémité 23 du tube externe 2 destinée à être soudée sur le tube interne 1.
Le tube interne 1 comprend quant à lui une face externe 11 située en regard du tube externe 2 et une face interne 12 opposée à la face externe 11. La face interne 12 du tube interne 1 délimite ainsi le conduit dans lequel un fluide peut être transporté, mais pas nécessairement.
La représente une section de profil du tube interne 1 et du tube externe 2 disposés l’un dans l’autre de manière concentrique. Ils délimitent entre eux l’espace annulaire 3.
Le tube interne 1 comprend une face interne 12 et une face externe 11.
Le tube externe 2 est ici représenté usiné à l’issue de l’étape d’usinage 101 de l’extrémité 23 du tube externe 2 du procédé 100. Il comprend une face interne 21, une face externe 22 et une extrémité 23.
Dans un mode de réalisation, l’usinage de l’extrémité 23 du tube externe 2 destinée à être soudée sur la face externe 11 du tube interne 1 a lieu sur le site d’implantation de la conduite, au moyen, par exemple d’une machine orbitale d’usinage (en terminologie anglo-saxonne « Pipe Facing Machine », PFM)
L’extrémité 23 du tube externe 2 est représentée par une face latérale 24 et une lèvre 25. Elle est destinée à être soudée sur la face externe 11 du tube interne 1 de façon à sceller l’espace annulaire 3.
La lèvre 25 est située sur la face latérale 24. Elle prolonge la face interne 21 du tube externe 2. Comme il le sera évoqué ultérieurement, la lèvre 25 est destinée à être fondue à l’étape de soudage 104 du procédé 100 pour permettre le soudage de l’extrémité 23 du tube externe 2 sur le tube interne 1.
La lèvre 25 présente une structure permettant de fiabiliser l’étape de soudure. Sa fusion par un procédé manuel de soudage ou par procédé automatisé mécanisé de soudage permet en outre de générer un bain de fusion 26 suffisant pour permettre le mouillage simultané de l’extrémité 23 du tube externe 2 et de la face externe 11 du tube interne 1. Elle présente en outre un volume de matière suffisant pour que la première passe de soudage de l’extrémité 23 assure le contact métallurgique du tube externe 2 sur la face externe 11 du tube interne 1.
Pour ce faire, la lèvre 25 présente une épaisseur e inférieure à l’épaisseur E du tube externe 2. L’épaisseur e de la lèvre 25 peut notamment être fonction de l’épaisseur E du tube externe 2. Ainsi, l’épaisseur e de la lèvre 25 peut être comprise entre 5 % et 50 % de l’épaisseur E du tube externe 2.
La représente différents usinages de l’extrémité 23 du tube externe 2 aboutissant à différents modes de réalisation de la lèvre 25.
La lèvre 25 présente par exemple une épaisseur e comprise entre 1 mm et 8 mm. De façon préférentielle, l’épaisseur e est comprise entre 2 mm et 4 mm.
La lèvre 25 est également usinée de façon à présenter une longueur L correspondante à la distance entre la face latérale 24 et l’extrémité libre de la lèvre 25. La longueur L est par exemple comprise entre 1 mm et 8 mm. De façon préférentielle, la longueur L est comprise entre 2 mm et 4 mm. La lèvre 25, de par sa longueur L, est ainsi rendue plus accessible pour être fondue ce qui diminue les risques de manque de fusion au coin intérieur qui apparaîtrait en son absence sur la face latérale 24.
La lèvre 25 est également usinée de façon à présenter un rayon de courbure R avec la face latérale 24. Le rayon de courbure R est par exemple compris entre 1 mm et 4 mm. De façon préférentielle, le rayon de courbure R est compris entre 2 mm et 3 mm. Le rayon de courbure R assure une transition entre la face latérale 24 et la lèvre 25 qui ne favorise pas l’enfermement d’oxydes dans le bain de fusion 26.
La lèvre 25 est également usinée de façon à former un angle a avec la face latérale 24. L’angle a est par exemple compris entre 90° et 120°. De façon préférentielle l’angle a est compris entre 90° et 105°.
Ainsi, la lèvre 25 peut adopter une configuration dite en J dans laquelle l’angle a est égal à 90°.
La lèvre 25 peut également adopter une configuration dite en demi V dans laquelle l’angle a est compris entre 91° et 135°.
La lèvre 25 peut également adopter une configuration dite en triangle ou en trapèze ; dans ce mode de réalisation, la lèvre 25 ne prolonge pas la face interne 21 du tube externe 2, mais constitue une protubérance triangulaire ou trapézoïdale à l’extrémité 23 du tube externe 2.
D’autres géométries de chanfrein (face latérale 24) proches permettant d’éliminer le coin intérieur en retrait du tube extérieur 2 seront reconnues par la personne du métier.
Ces différentes configurations d’usinage de l’extrémité 23 du tube externe 2 permettent notamment d’optimiser le soudage ultérieur en fonction de paramètres comme l’épaisseur E du tube externe 2, l’épaisseur du tube interne 1, le matériau constituant le tube externe 2 et le tube interne 1, le jeu de soudure, la technique de soudage ou encore les moyens utilisés pour la fusion de la lèvre 25.
La représente un mode de réalisation de la lèvre 25 après une étape éventuelle comprenant un usinage et/ou brossage 102 de la face interne de la lèvre 25 avant une étape de déformation 103. Cette étape éventuelle permet d’usiner et/ou brosser la face intérieure de la lèvre 25 de façon à améliorer ses propriétés de mouillage vis-à-vis du bain de fusion 26.
La représente le tube interne 1 et le tube externe 2 usiné à l’issue de l’étape de déformation 103. Cette étape consiste notamment à effectuer une déformation du tube externe 2 de façon à réduire la distance entre la lèvre 25 et la face externe 11 de tube interne 1. Cette étape 103 est communément appelée étape de « croquage », car on vient croquer le tube interne 1 sur le tube externe 2.
La distance résultant de cette étape correspond au jeu de soudure. Elle correspond à la distance que la première passe de soudage doit combler.
Grâce à la configuration particulière de la lèvre 25, le croquage s’effectue au-delà du contact avec le tube interne 1 et conduit à la déformation de la lèvre 25. Après le croquage, le rebond élastique du tube externe 2 conduit à un jeu de soudure inférieur à 1 mm environ.
Il est également envisageable d’arriver à un jeu de soudure égal à 0 mm en effectuant un croquage suffisamment puissant pour déformer le tube interne 1 jusqu’à sa limite élastique. Le rebond élastique du tube interne 1 accompagne alors celui du tube externe 2 et la lèvre 25 reste en contact avec le tube interne 1. Cela est illustré par la photographie présentée à la .
Ainsi, à l’issue de l’étape 103, la distance entre la lèvre 25 et la face externe 11 du tube interne 1 est comprise entre 0 mm et 2 mm voire entre 0 mm et 1 mm.
La configuration particulière de l’extrémité 23 du tube externe 2, de par son usinage et la réalisation de la lèvre 25, permet donc de mieux maîtriser la distance entre la lèvre 25 et le tube interne 1 résultant de la deuxième étape 103. Une maîtrise plus poussée de cette distance sur toute la circonférence du tube interne 1 permet d’améliorer la fiabilité de la soudure ultérieure.
La représente la soudure entre l’extrémité 23 du tube externe 2 et le tube interne 1 réalisée durant l’étape de soudage 104 du procédé 100 selon l’invention.
Dans cette configuration particulière de l’extrémité 23 du tube externe 2, l’objectif est de fondre la lèvre 25 afin que le bain de fusion 26 résultant de la fusion de la lèvre 25 vienne mouiller le tube interne 1 et le tube externe 2. La fusion de la lèvre 25 n’étant pas sujette à un positionnement variable du tube interne 1 et du tube externe 2, la quantité d’énergie fournie au tube externe 2 est mieux maîtrisée, ce qui assure un environnement thermique plus stable pour le bain de fusion 26.
Le risque de manque de fusion du coin inférieur du tuyau externe 2 est grandement diminué, car le coin inférieur est éliminé par construction et remplacé par l’extrémité de la lèvre 25 qui est plus accessible.
La pénétration de la soudure après solidification est également moins variable puisqu’elle ne dépend plus que des propriétés de viscosité du métal liquide et son interaction avec le tube interne 1 et le tube externe 2 par mouillage.
La réalisation d’une soudure saine requiert ainsi une moindre dextérité de la part du soudeur et peut s’effectuer sur une plage de paramètres de soudage plus large, ce qui rend la soudure plus fiable avec le procédé 100 selon l’invention.
Cela reste vrai pour des procédés de soudage automatiques. Les inventeurs ont constaté que la plage de réglage des paramètres d’intensité et de voltage permettant de réaliser une soudure sans défaut est plus grande dans le cas de soudures avec une lèvre 25 usinée selon le procédé 100 selon l’invention.
À titre d’exemple, sur des tubes de diamètre et d’épaisseur identiques, et avec des paramètres de soudage en tous points identiques excepté l’usinage en forme de lèvre 25 de l’extrémité 23 du tube externe 2, la gamme d’intensité de soudage permettant l’obtention d’une soudure jugée acceptable a été multipliée par plus de 4, passant d’une gamme de 450 ±30 A à 450 ±140 A. Ainsi, en utilisant le procédé 100 de soudage selon l’invention, la soudure peut être réalisée à une intensité comprise entre 310 A et 590 A, en fonction des contraintes inhérentes, par exemple, aux matériaux et/ou à la vitesse souhaitée de l’assemblage.
L’étape de soudure 104 peut comprendre le refroidissement concomitant à la soudure de la face interne 12 du tube interne 1. Cela permet un gain de productivité du procédé 100 du fait du contrôle de la température de la zone de soudure qui concoure à une augmentation de la vitesse de la soudure et de la qualité de celle-ci pour les raisons susmentionnées. Le refroidissement est opéré par évaporation ou conducto-convection d’un liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement peut être sélectionné parmi, de l’eau, un mélange eau + glycol, un mélange eau + alcool. La personne du métier saura déterminer quel est le liquide le plus adapté, et dans le cas d’un liquide de refroidissement constitué d’un mélange eau + glycol ou eau + alcool, les proportions de glycol ou d’alcool à considérer. L’eau est un liquide de refroidissement particulièrement préféré. L’évaporation consiste en la projection (ou la vaporisation) de gouttelettes du liquide de refroidissement de liquide de refroidissement sur la face interne 12 du tube interne 1 qui s’évaporent au contact de celle-ci, l’échange de calories a pour conséquence la baisse de température du tube interne 1, notamment à la zone de soudure. Lors du refroidissement par conducto-convection le transfert de chaleur qui se fait par contact direct la face interne 12 du tube interne 1 et le liquide de refroidissement (conduction). La chaleur se transfère alors par déplacement des molécules lors d’un changement local de température du liquide de refroidissement (convection).
Ce refroidissement a lieu pendant la plus grande partie du de l’étape de soudure 104. Il peut avoir lieu sur toute la durée de l’étape de soudure 104. Il peut avoir sur toute la durée du procédé 100 selon l’invention. La durée ou l’initiation et/ou l’arrêt du refroidissement peuvent varier selon le mode de refroidissement choisi tels que l’évaporation ou la conducto-convection. Dans le mode particulier de refroidissement par évaporation, par exemple, il est bien entendu que l’aspersion n’est opérée qu’à partir du moment où la température de la zone de soudure est suffisante pour permettre l’évaporation du liquide de refroidissement projeté sous forme de gouttelettes au contact de la zone de soudures.
Dans un mode de réalisation préféré, le refroidissement de la soudure est opéré par aspersion d’un brouillard de gouttelettes d’eau sur la face interne 12 du tube interne 1 favorisant l’évaporation. Le refroidissement par évaporation est particulièrement efficace et rapide.
Conduite multi-enveloppe
Un deuxième objet de l’invention vise une conduite multi-enveloppe comprenant un tube interne 1 métallique et au moins un tube externe 2 métallique disposé autour dudit tube interne 1 de manière à former un espace annulaire 1. Le tube interne 1 comprend une face interne 12 et une face externe 11. Le tube externe 2 comprend une face interne 21, une face externe 22 et au moins une face latérale 24 située à l'extrémité 23, ledit tube externe 2 comprenant une lèvre 25 située sur sa face latérale 24, prolongeant sa face interne 21 dans une direction axiale et présentant une épaisseur e inférieure à l'épaisseur E dudit tube externe 2, ladite lèvre 25 étant configurée pour être déformée axialement vers la face externe du tube interne. Par ailleurs, la ladite lèvre 25 est distincte d'une collerette interne radiale comme c’est le cas dans GB12177730A.
Avantageusement, la lèvre 25 présente une épaisseur e comprise entre 1 mm et 8 mm, une longueur L comprise entre 1 mm et 8 mm, un rayon de courbure R compris entre 1 mm et 4 mm et forme un angle a compris entre 90° et 120° avec la face latérale 24 du tube externe 2.
La lèvre 25 est notamment usinée selon les différentes possibilités exposées ci-dessus et illustrées par exemple à la ou à la , en faisant notamment varier de manière indépendante l’une quelconque des dimensions e, a, L ou R. Avantageusement, la face interne 21 de la lèvre 25 présente un état de surface usiné et/ou brossé.
Dispositifs de refroidissement de la zone de soudure et bouchons destinés à obturer le tube interne
La demanderesse a développé des dispositifs 200 spécialement adaptés à l’étape de refroidissement concomitante et optionnelle à l’étape de soudage 104 de l’extrémité 23 du tube externe 2 sur la face externe 11 du tube interne 1.
Cette étape de refroidissement par la face interne 12 du tube interne 1 contribue positivement aux gains de productivité du procédé 100. D’une part, le refroidissement ainsi opéré sur la face interne de la soudure permet de s’abstenir des pauses visant au refroidissement du tube et au contrôle de la température du bain de soudure 26 pour éviter à l’extension du bain de soudure 26 et des coulures toujours associées à des défauts menant au rejet de la soudure. En outre, le contrôle de la température et son maintien en deçà de 350°C, comme le permettent notamment les dispositifs 200 de refroidissement, selon l’invention, permet d’envisager d’utiliser des puissances de soudage plus importantes permettant un gain de temps encore plus important à qualité de soudure égale, voire supérieure. D’autre part, et de manière surprenante, le taux de défaut des soudures s’en trouve particulièrement réduit, ce qui conduit à un taux de rejet ou de reprise particulièrement diminué. En outre, le refroidissement de la zone de soudage et par conséquent des tubes, en sus des avantages en termes de productivité, permet de diminuer substantiellement l’intensité du rayonnement thermique auquel est exposé l’opérateur, ce qui constitue un gain appréciable pour l’ergonomie et du travail.
Enfin, de manière tout à fait avantageuse, la mise en œuvre du procédé 100 de l’invention comprenant le refroidissement de la soudure par la face interne 12 du tube interne 1, permet le contrôle des propriétés de dureté et de résistance des soudures (telles qu’illustrées par la ). Il est ainsi possible de déterminer des conditions pour générer des soudures optimales, aux propriétés de dureté et de résilience (résistance) équilibrées.
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif 200 de refroidissement est un dispositif de refroidissement par conducto-convection qui comprend,
- un bouchon 201 destiné à être inséré dans le tube interne 1, le bouchon 201 comprenant,
-- deux joues 202,203 adaptées pour obturer le tube interne 1, lesdites joues 202,203, quand ledit dispositif 200 est inséré dans le tube interne 1, définissant ainsi avec la paroi du tube interne 1 un compartiment 204 dans lequel le liquide de refroidissement est introduit,
-- au moins un axe 205 sur lequel les joues 202,203 sont fixées,
- un système 207 de mise en circulation du liquide de refroidissement dans le compartiment 204.
Dans ce dispositif 200, une des joues 202,203 est percée d’orifices permettant la mise en circulation dans le système 207 de mise en circulation du liquide de refroidissement au travers du compartiment 204 au moyen d’un circuit de tuyauterie. Cette mise en circulation permet d’évacuer le liquide de refroidissement réchauffé dans le compartiment 204 sous l’effet de la soudure en opération, et d’alimenter continuellement le compartiment 204 avec un liquide de refroidissement de température adaptée. Dans un mode de réalisation particulier, ce circuit de tuyauterie peut être raccordé à un réservoir 206 destiné à recevoir le liquide de refroidissement, tel que représenté sur la , le système 207 de mise en circulation du liquide de refroidissement et le réservoir 206 constituant alors un circuit fermé. Dans un autre mode de réalisation particulier, le dispositif 200 peut comprendre une source de liquide de refroidissement connectée en entrée (telle qu’une connexion à un réseau d’eau) au compartiment 204 via une canalisation 208, et une canalisation 211 d’évacuation pour extraire le liquide de refroidissement réchauffé du compartiment 204 (par exemple connectée à un réseau d’eaux usées).
Ainsi, le circuit de tuyauterie du système 207 de mise en circulation peut comprendre une canalisation 208 configurée pour amener le liquide de refroidissement froid en entrée vers le compartiment 204. La canalisation 208 peut comprendre au moins une valve 209 qui permet de contrôler la communication entre le compartiment 204 et la source du liquide de refroidissement (par exemple le réservoir 206). La canalisation 208 peut comprendre également au moins une pompe 210 qui permet de générer le flux entrant de liquide de refroidissement dans le compartiment 204.
Le circuit de tuyauterie peut comprendre une canalisation 211 configurée pour extraire le liquide de refroidissement réchauffé du compartiment 204, par exemple vers le réservoir 206 ou encore un réseau d’eaux usées comme mentionné précédemment. La canalisation 211 peut comprendre également au moins une valve et/ou au moins une pompe pour contribuer à la mise en circulation et au contrôle du flux de liquide de refroidissement.
Le réservoir 206 et/ou le système 207 de tuyauterie peuvent également comprendre des moyens de refroidissement configurés pour accélérer la baisse en température du liquide de refroidissement, par exemple circulant dans la canalisation 211 ou présent dans le réservoir 206 de liquide de refroidissement.
Dans un mode de réalisation, le bouchon 201 peut comprendre plusieurs axes 205, un axe 205 central permet la fixation des deux joues 202,203, et trois axes 205 supplémentaires, dont deux sont constitués de tuyaux percés de trous permettant l’entrée de liquide de refroidissement dans le compartiment 204, et un autre axe 205 également percé de trous qui permet la sortie du liquide de refroidissement.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le dispositif 200 de refroidissement est un dispositif de refroidissement par évaporation qui comprend,
- un bouchon 201 destiné à être inséré dans le tube interne 1, le bouchon 201 comprenant,
-- deux joues 202,203 adaptées pour obturer le tube interne 1, lesdites joues 202,203, quand ledit dispositif 200 est inséré dans le tube interne 1, définissant ainsi, avec la paroi du tube interne 1, un compartiment 204 dans lequel le liquide de refroidissement est introduit,
-- au moins un axe 205 sur lequel les joues 202,203 sont fixées,
-- au moins un moyen d’aspersion 212 d’un liquide de refroidissement sur la face envers de la soudure, c’est-à-dire sur la face interne 12 du tube interne 1 au niveau de la soudure, à l’intérieur du compartiment 204,
-- au moins un moyen d’extraction 213, en dehors du compartiment 204, de la vapeur formée par le liquide de refroidissement au contact de la face envers de la soudure, lors de celle-ci, et permettant le maintien d’une pression dans le compartiment 204 inférieure à la pression ambiante,
- un système 218 connecté fluidiquement au moyen d’extraction 213 de la vapeur qui permet l’aspiration de la vapeur à l’extérieur du compartiment 204 formé par le bouchon 201.
Un mode de réalisation de ce dispositif 200 installé dans le tube interne 1 est présenté en .
Avantageusement l’au moins un moyen d’aspersion 212 est adapté à créer et projeter sur la face interne 12 du tube interne 1 un nuage de gouttelettes. En effet, la pulvérisation (ou brumisation) du liquide de refroidissement sous forme d’un nuage de gouttelettes, en multipliant la surface de contact entre le liquide de refroidissement et ladite face interne 12, permet un refroidissement plus rapide et plus efficace du fait d’une plus grande efficacité d’évaporation.
Dans un mode de réalisation particulier de ce dispositif 200 de refroidissement par évaporation, l’au moins un moyen d’aspersion 212 est constitué d’au moins une buse 217 placée à l’extrémité d’un tuyau 214 dans lequel circule le liquide de refroidissement et qui permet la dispersion et/ou la pulvérisation du liquide de refroidissement sur la face interne 12 du tube interne 1 au contact de la face envers de la soudure. Le tuyau 214 est fluidiquement connecté à un tuyau 215 lui-même connecté fluidiquement à une alimentation en liquide de refroidissement, par exemple à un réservoir 206 contenant le liquide de refroidissement, tel qu’illustré à la . Bien évidemment, toute autre alimentation en liquide de refroidissement est utilisable, par exemple, dans le cas d’utilisation d’eau comme liquide de refroidissement, une connexion à un réseau d’eau. La connexion fluidique entre l’alimentation en liquide de refroidissement et le tuyau 215 peut comprendre une pompe 219 pour propulser le liquide de refroidissement dans le compartiment 204 au travers de l’au moins une buse 217. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif 200 de refroidissement par évaporation comprend un moyen permettant l’adjonction d’un flux d’air comprimé, ou de tout autre fluide auxiliaire de vaporisation, dans le flux entrant de liquide de refroidissement (par exemple dans le tuyau 215) ; en effet, l’adjonction d’un fluide auxiliaire de vaporisation peut contribuer efficacement à la formation du nuage (ou bouillard) de gouttelettes de liquide de refroidissement présentant des gouttelettes plus fines et donc assurer un refroidissement plus efficace et plus rapide. Tout gaz neutre, tel que l’azote, peut également constituer un fluide de vaporisation adapté. La personne du métier saura choisir un fluide auxiliaire de vaporisation adapté aux activités de soudage.
Dans un mode de réalisation particulier du moyen d’aspersion 212, illustré sur la , plusieurs tuyaux 214 sont connectés fluidiquement au tuyau 215, permettant l’aspersion du tube interne 1 en plusieurs endroits et ainsi un refroidissement encore plus efficace du tube interne 1. Les tuyaux 214 peuvent être localisés à plusieurs endroits différents le long du tuyau 215, et/ou bien répartis à la circonférence du tuyau 215. Par exemple, deux tuyaux 214 peuvent être connectés fluidiquement au tuyau 215 à la circonférence du tuyau 215, en regard l’un de l’autre, c’est-à-dire à 180° l’un de l’autre à la circonférence du tuyau 215. Cette configuration permet l’aspersion de la paroi interne 12 du tube interne 1 en deux endroits espacés de 180° et donc assurer une répartition homogène du liquide de refroidissement ; dans un mode de réalisation encore plus particulier, chacun des deux tuyaux 214 comprend une buse 217 à son extrémité adaptée à générer le nuage (ou bouillard) de gouttelettes à proximité de la face interne 12 du tube interne 1.
Dans un mode de réalisation particulier, l’au moins un moyen d’extraction 213 au dehors du compartiment 204, de la vapeur formée par le liquide de refroidissement au contact de la face envers de la soudure, est constitué d’un tuyau 216 percé d’une pluralité de trous 220 arrangés sur le tuyau 216. Dans un mode de réalisation particulier au moins une partie de la pluralité de trous 220 est située au droit de la zone d’aspersion, par lesquels la vapeur est aspirée. Dans un mode de réalisation, les trous 220 de la pluralité de trous 220 s’étendent tout au long du tuyau 216. Dans un mode de réalisation encore plus particulier, dans le moyen d’extraction 213, le tuyau 216 est fluidiquement connecté à un système 218 qui permet de créer un vide et, ainsi, permet l’aspiration au travers de la pluralité de trous 220 de la vapeur de liquide de refroidissement formée par l’évaporation de celui-ci au contact de la face interne 12 du tube interne 1 dans la zone de soudure et, éventuellement, du fluide auxiliaire de vaporisation. Dans un mode de réalisation, le système 218 permettant de créer un vide et permettant l’aspiration de la vapeur est tel qu’une pompe à vide, par exemple située à l’extérieur du dispositif 200.
Dans un mode de réalisation particulier, tel que représenté sur la , l’axe 205 comprend le tuyau 216 et le tuyau 215, les joues 202,203 pouvant être fixées sur le tuyau 216.
Le dispositif 200 de refroidissement par évaporation peut comprendre des moyens de mesure de la pression dans le compartiment 204. Le contrôle de la pression dans le compartiment 204 permet d’ajuster la température d’évaporation de l’eau et donc de piloter plus finement la température de la pièce à souder. Optionnellement, ces moyens peuvent commander la pompe à vide 218 et/ou la pompe 219 pour réguler la pression interne au compartiment 204 en fonction d’une consigne. Le dispositif 200 de refroidissement par évaporation peut comprendre des moyens de mesure de la température à l’intérieur du compartiment 204. Optionnellement, ces moyens peuvent commander la pompe à vide (le système 218) et/ou la pompe 219 pour réguler la température interne du compartiment 204 en fonction d’une consigne. En effet, la température peut être également pilotée en modifiant le débit d’aspersion.
Un système supplémentaire d’évacuation et d’aspiration des fluides peut être associé à ce dispositif 200 afin d’empêcher la recondensation des gaz et vapeurs générés par le refroidissement sur les éléments sensibles de l’appareillage de soudage et des matériaux de soudage (tels que le métal d’apport ou le flux de soudage).
Dans un mode de réalisation préféré, tel que représenté sur la , l’axe 205 sur lequel sont fixées les joues 202,203 comprend le tuyau 215 et le tuyau 216 qui sont solidaires, et les joues 202,203 sont fixées sur le tuyau 216. Comme cela est illustré sur la , dans un mode de réalisation particulier, le tuyau 215, qui est connecté fluidiquement à l’au moins un tuyau 214 amenant le liquide à l’au moins une buse 217, est inséré dans le tuyau 216 du moyen d’extraction 213. Dans un mode de réalisation encore plus particulier, le au moins un tuyau 214 traverse le tuyau 216 par un trou 220 de la pluralité de trous 220, de préférence sans l’obturer.
Dans un mode de réalisation, les joues 202,203 sont fixées à l’axe 205 par l’intermédiaire d’une platine 221 (non représentée sur la ) comprenant un moyen d’articulation tel qu’un roulement à billes, ce qui permet la mise en rotation des joues 202,203 (qui en opération du bouchon 201 sont solidaires du tube interne 1) autour de l’axe 205, alors que la buse 217 reste fixe dans l’espace. Cela permet avantageusement le déplacement de la zone d’aspersion à la face envers de la soudure en malgré la rotation de la conduite Pipe in Pipe. Dans un mode de réalisation, l’aspersion a lieu sur la face interne 12 du tube interne 1 à 90° relativement au lieu de soudure sur la face externe 11. Dans un autre mode de réalisation, l’aspersion a lieu sur la face interne 12 du tube interne 1 au droit du lieu de soudure sur la face externe 11.
Avantageusement, un poids peut lester l’axe 205 pour faciliter et empêcher sa mise en rotation quand la conduite Pipe in pipe tourne autour de lui. La vitesse de rotation appliquée à l’axe 205 est avantageusement réglée de façon à permettre un refroidissement optimal de la zone de soudure. Dans un mode de réalisation, la vitesse de rotation appliquée à l’axe 205 entraine le déplacement en sens inverse de l’au moins une buse 217 à la même vitesse de déplacement que la soudure.
Le bouchon 201 destiné à être inséré dans le tube interne 1 de la conduite permet de créer un compartiment 204 adapté à la mise en œuvre de l’étape de refroidissement concomitante à l’étape de soudage 104 de l’extrémité 23 du tube externe 2 sur la face externe 11 du tube interne 1. Les deux joues 202,203 sont préférentiellement entourées de joints qui assurent une étanchéité à la jonction desdites joues 202,203 avec la face interne 12 du tube interne 1. Ces joints sont, par exemple, constitués de silicone adapté à une utilisation haute température (telle que, par exemple, de 100 à 200°C) et ayant les propriétés de robustesse adaptée aux manœuvres du bouchon 201 et à une fabrication industrielle de série, par exemple de plusieurs milliers de pièces.
Il est bien entendu que l’étanchéité du compartiment 204 formé par le bouchon 201 n’a pas à être absolue, notamment du fait de l’état de surface natif des tubes utilisés (par exemple en acier brut) qui peut être irrégulier. Le compartiment 204 formé par le bouchon 201 doit être suffisamment étanche pour permettre la bonne mise en œuvre du refroidissement de la zone de soudage, notamment par évaporation ou conducto-convection tel que décrit précédemment. Ainsi, il peut être admis que du liquide de refroidissement puisse perler au travers du bouchon 201, sous réserve que cette fuite permette toujours par exemple, un remplissage du compartiment 204 par le liquide de refroidissement adapté au refroidissement par conducto-convection, ou à la création et au maintien du vide nécessaire à l’évacuation des vapeurs de liquide de refroidissement par le système 218 permettant l’aspiration de la vapeur à l’extérieur du compartiment 204 formé par le bouchon 201. Un bouchon 201 présentant deux joues 202,203 et formant un compartiment 204 quand agencé dans le tube interne 1 permet d’éviter d’exposer l’opérateur à la vapeur formée, éventuellement au fluide auxiliaire de vaporisation et de diminuer l’exposition au bruit de celui-ci. La mise en œuvre d’un tel bouchon 201 pour l’étape de refroidissement est donc particulièrement avantageuse pour l’opérateur en termes d’ergonomie du travail.
Dans un mode de réalisation, moins préféré, le dispositif 200 de refroidissement par évaporation comprend,
- un bouchon 201 destiné à être inséré dans le tube interne 1, le bouchon 201 comprenant, une joue adaptée pour obturer le tube interne 1, ladite joue quand ledit dispositif 200 est inséré dans le tube interne 1, définissant ainsi, avec la paroi du tube interne 1, une section du tube interne 1 dans laquelle le liquide de refroidissement est introduit,
- au moins un moyen d’aspersion 212 d’un liquide de refroidissement sur la face envers de la soudure, c’est-à-dire sur la face interne 12 du tube interne 1 au niveau de la soudure, à l’intérieur de la section du tube interne 1 définie par la joue.
Également, ce dispositif 200 peut comprendre au moins un moyen d’adjonction d’un flux d’air comprimé, ou de tout autre fluide auxiliaire de vaporisation, dans le flux de liquide de refroidissement ce qui contribue comme mentionné, plus haut, à la formation du nuage (ou bouillard) de gouttelettes de liquide de refroidissement, et permet notamment d’optimiser la vitesse du refroidissement et son amplitude.
Ce dispositif 200 peut encore comprendre au moins un moyen d’extraction de la vapeur formée par le liquide de refroidissement au contact de la face envers de la soudure, tel qu’une hotte d’aspiration, un extracteur, un ventilateur, un bras d’extraction, etc.
Comme évoqué, le refroidissement par la face interne 12 du tube interne 1 permet un gain de productivité en permettant d’accélérer la soudure, en évitant les pauses (ou en diminuant leur nombre) et /ou en permettant l’utilisation de puissances de soudure plus importantes associées à des quantités de métal d’apport plus importantes à chaque passe, et en diminuant le nombre le nombre de rejets du fait de la plus grande quantité de métal déposé par unité de temps. De manière surprenante, la demanderesse a également observé que le procédé 100 peut permettre le contrôle des propriétés physiques de dureté et de résilience de la soudure et ainsi de viser l’équilibre au sein de la soudure, entre ces deux caractéristiques, plutôt que de les subir.
Essais expérimentaux
- Test de température
Des mesures de températures ont été effectuées au droit de la soudure à chaque passe.
Il a été déterminé, quel que soit le mode de soudure testé, que sans refroidissement de la paroi interne du tube interne, les températures dans la soudure pouvaient atteindre 400°C et varier selon une grande amplitude du fait de l’application de pauses dans la soudure, alors que la température observée avec un dispositif de refroidissement de la paroi interne du tube interne, est stable tout au long du processus de soudure et comprise en moyenne entre 150 et 200°C, une fois les premières passes de montée en température effectuées.
- Test de Charpy
Le test de Charpy est un test de résilience qui consiste en essai de flexion par choc, réalisé sur un marteau-pendule. Ce test fournit des informations sur le comportement en rupture du matériau testé, et notamment sur l’énergie nécessaire à propager une fissure amorcée. Les codes de soudage imposent une valeur minimale à cet essai pour pouvoir considérer une procédure de soudage qualifiée, par exemple 45 J/cm² dans le cas de la norme DNV-ST-F101.
Les mesures ont été effectuées pour des échantillons pour lesquels un refroidissement à différentes températures de la face interne du tube interne a été appliqué à la zone de soudure, et des échantillons pour lesquels la technique habituelle de pauses a été appliquée.
Les résultats obtenus présentés A montrent une augmentation significative de la résilience de la soudure, et que la rupture reste suffisamment ductile même à -70°C, dans les échantillons traités par le refroidissement de la paroi interne du tube interne. L’énergie absorbée moyenne est bien au-dessus de la limite posée par la norme DNV-ST-F101. Des résultats satisfaisants selon cette norme ne sont obtenus pour les échantillons sans refroidissement qu’à compter de -20°C.
- Mesure de la dureté Vickers
Cette mesure consiste à déformer la pièce à évaluer en utilisant un pénétrateur en forme de pyramide à base carrée ayant un angle au sommet de 136°. La diagonale de l’empreinte permanente après retrait du pénétrateur est ensuite mesurée et comparée à une échelle de dureté.
La charge d’essai appliquée ici est de 9,8 daN pendant 10 à 15 s.
Comme le montre la B, dans la quasi-totalité de la soudure on note une augmentation de la dureté Vickers dans l’échantillon pour lequel un refroidissement de la paroi interne a été mené concomitamment à la soudure, en comparaison à un échantillon pour lequel la technique habituelle de pause entre des passes a été appliquée. L’invention peut permettre de contrôler les paramètres de refroidissement pour obtenir une amélioration de la résilience et une amélioration de la productivité, en maintenant une augmentation acceptable de la dureté.

Claims (15)

  1. Procédé (100) de soudage de l’extrémité (23) d’un tube externe (2) métallique sur un tube interne (1) métallique, le tube externe (2) et le tube interne (1) étant agencés l’un dans l’autre de manière concentrique, le tube externe (2) comprenant une face interne (21), une face externe (22) et au moins une face latérale (24), le tube interne (1) comprenant une face interne (12) et une face externe (11) et présentant un diamètre inférieur au diamètre du tube externe (2), caractérisé en ce que ledit procédé (100) comprend,
    - une étape d’usinage (101) de l’extrémité (23) du tube externe (2) de façon à créer sur la face latérale (24) du tube externe (2) une lèvre (25) prolongeant la face interne (21) du tube externe (2) et présentant une épaisseur (e) inférieure à l’épaisseur (E) du tube externe (2),
    - une étape de déformation (103) du tube externe (2) de façon à réduire la distance entre la lèvre (25) et la face externe (11) du tube interne (1), et
    - une étape de soudage (104) de l’extrémité (23) du tube externe (2) sur la face externe (11) du tube interne (1).
  2. Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est réalisé, après l’étape d’usinage (101) et avant l’étape de déformation (103), une étape comprenant un usinage et/ou un brossage (102) de la face interne (21) de la lèvre (25).
  3. Procédé (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape de soudage (104) comprend le refroidissement concomitant de la soudure par évaporation ou conducto-convection d’un liquide de refroidissement, préférentiellement de l’eau, mis en contact avec la face envers de la soudure, c’est-à-dire avec la face interne (12) du tube interne (1) au niveau de la soudure.
  4. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lèvre (25) présente une épaisseur (e) comprise entre 1 mm et 8 mm.
  5. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lèvre (25) présente une longueur (L) comprise entre 1 mm et 8 mm.
  6. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lèvre (25) présente un rayon de courbure (R) compris entre 1 mm et 4 mm.
  7. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’issue de l’étape d’usinage (101), la lèvre (25) forme avec la face latérale (24) du tube externe (2) un angle (a) compris entre 90° et 120°.
  8. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’issue de l’étape de déformation (103), la distance entre la lèvre (25) et la face externe (11) du tube interne (1) est comprise entre 0 mm et 2 mm.
  9. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de soudage (104) est réalisée en fondant la lèvre (25) de sorte que le bain de fusion (26) résultant de la fusion de la lèvre (25) mouille le tube externe (2) et le tube interne (1).
  10. Conduite multi-enveloppe comprenant,
    - un tube interne (1) métallique comprenant une face interne (12) et une face externe (11), et
    - au moins un tube externe (2) métallique disposé autour dudit tube interne (1) de manière à former un espace annulaire (3), ledit tube externe (2) comprenant une face interne (21), une face externe (22) et au moins une face latérale (24) située à l’extrémité (23),
    caractérisée en ce que ledit tube externe (2) comprend une lèvre (25) située sur sa face latérale (24), prolongeant sa face interne (21) dans une direction axiale et présentant une épaisseur (e) inférieure à l’épaisseur (E) du tube externe (2), ladite lèvre étant configurée pour être déformée axialement vers la face externe (11) du tube interne (1).
  11. Conduite multi-enveloppe selon la revendication 10, caractérisée en ce que la lèvre (25) présente une épaisseur (e) comprise entre 1 mm et 8 mm.
  12. Conduite multi-enveloppe selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la lèvre (25) présente une longueur (L) comprise entre 1 mm et 8 mm.
  13. Conduite multi-enveloppe selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la lèvre (25) présente un rayon de courbure (R) compris entre 1 mm et 4 mm.
  14. Conduite multi-enveloppe selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la lèvre (25) forme un angle (a) compris entre 90° et 120° avec la face latérale (24) du tube (2).
  15. Conduite multi-enveloppe selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la face interne (21) de la lèvre (25) présente un état de surface usiné et/ou brossé.
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