Comment souder de l’acier au nickel à 9 %

La limite de basse température pour l’application sûre de l’acier non allié est d’environ -29°C (par ex. plaques ASTM A283). Les traitements thermiques comme la normalisation pourraient abaisser cette limite jusqu’à -50 °C (par exemple ASTM A516) mais sans alliage de l’acier, c’est aussi loin que vous pouvez aller.

L’acier au nickel à neuf pour cent est souvent le matériau de construction le plus économique pour les navires fabriqués en atelier de plus grande taille pour un service jusqu’à -320°F où une résistance élevée est requise. Les aciers au nickel ne présentent pas un comportement « inoxydable » et peuvent s’oxyder ou rouiller dans de nombreux environnements. Pour cette raison, les aciers ne conviennent pas au stockage de gaz tels que l’argon où la contamination peut être un problème, par exemple, les applications de semi-conducteurs.

Une application plus large de l’acier au nickel à 9 % concerne les grands réservoirs de stockage de GNL sur le terrain et les récipients de confinement sur les méthaniers. Les pratiques de soudage pour la construction sur le terrain peuvent être similaires aux procédures d’atelier, bien que les fabricants développent souvent des procédures de soudage exclusives pour certaines soudures. Les codes applicables pour la construction sur le terrain sont généralement différents de ceux utilisés pour les navires fabriqués en atelier.

u’est-ce que l’acier nickel 9% et son importance ?

Les propriétés uniques de l’acier nickel 9% proviennent de sa structure cristalline. Théoriquement, il peut être démontré que les matériaux présentent un comportement ductile si leur structure cristalline présente 5 « systèmes de glissement » distincts, ce qui signifie que les atomes formant le solide peuvent être facilement disloqués de 5 manières différentes.

L’acier typique n’a que 2 ou 3 systèmes de glissement à basse température. Cependant, le nickel présente un grand nombre de systèmes de glissement, qui persistent même à basse température. En effet, le nickel ne subit jamais de transformation ductile-fragile. De plus, ces systèmes de glissement persistent même lorsque le nickel est allié à d’autres métaux. Le chiffre magique s’avère être de 9 % : lorsque l’acier est fabriqué avec cette proportion de Nickel, le métal contient une faible proportion de grains d’acier « austénitiques » qui sont par nature ductiles. Bien que ces grains ne représentent qu’environ 4 % du volume de l’acier, ils suffisent à lui conférer une résistance aux effets affaiblissants des basses températures, tout en conservant la plus grande ténacité possible.

Spécification matérielle pour 9% Ni Steel

Numéro ASME P : P-No. P11A Groupe 1

Deux spécifications de matériaux largement utilisées pour les plaques d’acier au nickel à 9 % sont :
1. ASTM SA-353/SA-353M, Spécifications pour les plaques de récipients sous pression, acier allié, nickel à 9 %, double normalisation et revenu.

2. ASTM SA-553/SA-553M, Spécifications pour plaques de récipients sous pression, acier allié, trempé et revenu à 8 et 9 % de nickel.

Les spécifications des matériaux pour les plaques de nickel à 9 % (UNS K81340) destinées aux récipients sous pression cryogéniques sont ASTM A353 (double normalisation) ; ASTM A553 Type I (trempé et revenu); ASME Section II, Partie A, SA353 et SA553 ; et API Standard 620 Annexe Q, A353 et A553.
Les règles de conception, de fabrication et d’essai des récipients sous pression sont données par la section VIII du code ASME, divisions 1 et 2 (y compris les cas de code applicables 2214, 2335 et 2345), les composants de la section III de classe 3 et la norme API 620 annexe Q.

Propriétés chimiques de l’acier au nickel à 9 %

Comment souder de l'acier au nickel à 9 %

Propriétés mécaniques de l’acier à 9 % Ni

En raison de sa haute résistance et de sa bonne ténacité à des températures de service allant jusqu’à -196°C, l’acier à 9 % de nickel est largement utilisé dans la fabrication et la construction de réservoirs de GNL et de navires cryogéniques. Sa nuance la plus basse (c’est-à-dire A353) a une limite d’élasticité élevée (515 MPa/75 ksi) qui est considérablement plus élevée que sa concurrence en acier inoxydable austénitique comme la nuance SS304 (205 MPa/30 ksi) et pourrait réduire l’épaisseur et le poids des plaques vers le bas à 40%.

Comment souder de l'acier au nickel à 9 %

Exigences API et ASME en matière d’impact pour l’acier à 9 % Ni

Comment souder de l'acier au nickel à 9 %

Microstructure de 9% d’acier au nickel

En règle générale, les plaques de récipient sous pression en acier au nickel à 9 % peuvent être fournies dans des conditions de  double normalisation et revenu  (ASTM A353), de trempe et de revenu (ASTM A553) ou de trempe et de revenu directs (ASTM A844). La microstructure de l’acier au nickel à 9 % après traitement thermique est constituée de martensite finement trempée et d’austénite conservée appréciable (environ 5 à 15 % de taille de structure) qui contribue à l’excellente ténacité cryogénique de cet acier. Étant donné que l’ajout d’alliage d’environ 9 % de nickel supprime également la formation de phases de transformation à haute température ferrite/perlite, une résistance relativement plus élevée est également atteinte.

Comment souder de l'acier au nickel à 9 %

Problèmes de soudabilité de l’acier au nickel à 9 %

Bien que la soudabilité de ces alliages ne soit pas un problème, l’obtention de résultats satisfaisants nécessite une sélection minutieuse du processus de soudage et des consommables, ainsi qu’un contrôle étroit des paramètres de soudage pendant les étapes de qualification et de fabrication. Les considérations les plus importantes pour le soudage de l’acier au nickel à 9 % sont les suivantes :

  • Consultez toujours le fabricant de métal d’apport  avant la préparation de votre WPS et pendant les opérations de soudage.
  • Utilisez des métaux d’apport à base de Ni  – Il existe deux options principales ici ; (1) métaux d’apport en acier inoxydable austénitique et (2) consommables à base de Ni. En général, les métaux d’apport à base de Ni produisent des soudures avec de meilleures propriétés mécaniques et se sont avérés plus rentables.
  • Le coefficient de dilatation thermique (CoE) des métaux soudés à base de nickel correspond étroitement à l’acier au nickel à 9 % lui-même ; cette valeur est 50 % plus élevée pour le métal fondu en acier inoxydable austénitique avec un risque associé plus élevé de fatigue thermique dans les opérations de cyclage.
  • Parmi les métaux d’apport disponibles à base de Ni,  NiCrMo-6  est actuellement le choix le plus populaire. En général, si vous avez besoin d’une résistance à la traction de soudure plus élevée, les  consommables NiCrMo (famille Inconel)  sont préférés. Les fabricants utilisent également des métaux d’  apport  NiMoCr (famille Hastelloy)  pour leur plus grande ductilité et leur résistance à la fissuration à chaud (en raison d’une teneur en Mo plus élevée). Ce type de métal d’apport est principalement utilisé dans les opérations de soudage SAW à grande vitesse.
  • Démagnétisez  les plaques avant le soudage et  utilisez du courant alternatif  pour le soudage. L’acier au nickel à 9 % peut facilement être magnétisé et provoquer un coup d’arc de soudage.
  • Maintenir l’apport de chaleur bas ; la température maximale entre les passes doit être de 150°C et l’apport de chaleur ne doit pas dépasser 2 et 3 KJ/mm pour SMAW et SAW respectivement.
  • N’utilisez pas PWHT à moins que cela ne soit absolument nécessaire  (c’est-à-dire requis par le code). L’application de PWHT sur cet alliage a un effet négatif sur les propriétés de traction.
  • Gardez-le propre – Les soudures à base de Ni sont sensibles à la fissuration à chaud et nécessitent un haut niveau de propreté.
  •  Essayez d’éviter les joints fortement contraints qui augmentent la probabilité de fissuration de la ligne centrale dans les soudures déposées par les consommables à base de Ni entièrement austénitiques.

Facteurs affectant les propriétés de soudure à basse température

  1. Faible ferrite. Il est bien connu que la ferrite dans les soudures en acier inoxydable austénitique, par exemple 4 à 8 FN, est un puissant moyen de dissuasion contre les microfissures et les fissures. Cependant, une ferrite supérieure à 3 à 4 FN réduit la résistance aux chocs à basse température, tandis que la ferrite aussi faible que possible, voire fortement austénitique, fournit une résistance aux chocs plus élevée. Un compromis sûr à environ 2 FN donne la résistance aux chocs la plus élevée possible et une bonne résistance à la fissuration à chaud. La forme de la ferrite du métal fondu affecte également la résistance aux chocs, cependant, il s’agit d’un facteur difficile à contrôler pour les ateliers de production.
  2. Faible teneur en carbone. Une faible teneur en carbone, de préférence dans la plage de 0,03 % ou moins, fournit une meilleure ténacité du métal de soudure.
  3. Faible teneur en azote. L’azote augmente la résistance à la traction et la limite d’élasticité des soudures en acier inoxydable mais diminue la ténacité à basse température. Une étude suggère que le dépôt de soudure des types 304 et 316L est de préférence maintenu en dessous de 0,05 % d’azote.
  4. Nickel supérieur. Une teneur en nickel plus élevée, dans la plage de spécifications admissible, s’est avérée augmenter la ténacité du métal de soudure. Certaines études indiquent que la ténacité de la soudure est considérablement augmentée lorsque le nickel est augmenté de 1 à 20 %, cependant, la charge inoxydable à plus forte teneur en nickel n’a pas été commercialisée.
  5. Électrodes à la chaux. Les électrodes à la chaux de soudage à l’arc sous blindage (SMAW) ont une ténacité à basse température plus élevée que les électrodes de type oxyde de titane et sont en grande partie l’électrode standard pour les composants cryogéniques.
  6. Faible teneur en inclusions de métal d’apport. Il a été démontré que dans les soudures de type 316L, une faible teneur en inclusions augmente la ténacité à basse température. Le procédé de soudage et la procédure de soudage peuvent avoir une forte influence sur la teneur en inclusions. Par exemple, les fabricants trouvent généralement que le procédé de soudage à l’arc sous gaz (GMAW) est plus fiable que le procédé de soudage à l’arc submergé (SAW) pour répondre au test d’impact de soudure de production requis à des températures inférieures à -325°F. Étant donné que les inclusions de soudure sont généralement un type d’oxyde, de faibles niveaux d’oxygène dans le gaz de protection aident à maintenir les inclusions au minimum.

Préchauffer pour 9% d’acier au nickel

Les joints de préchauffage en acier au nickel à 9 % fabriqués avec des métaux soudés austénitiques sont relativement insensibles aux difficultés de fissuration à froid. Néanmoins, il est suggéré que les plaques de plus de 1 po (25 mm) d’épaisseur soient préchauffées à environ 100 ºF (35 ºC) et que les plaques plus légères ne soient pas soudées en dessous du point de rosée. Section VIII Code Case 2214 fournit des informations supplémentaires sur les exigences de préchauffage dans des situations particulières.

Post-chauffage (PWHT) pour 9% d’acier Ni

Traitement thermique après soudage À l’exception des exigences de fabrication de l’ULT-79, le code ASME n’exige aucun traitement thermique après soudage pour le nickel à 9 % jusqu’à 2 po (51 mm) d’épaisseur inclus. Voir AF630.1 (Division 2) et UHT56 (Division 1). Lorsqu’un traitement thermique post-soudage est effectué, il est nécessaire de contrôler la température dans la plage de 1025 à 1085 ºF (551-583 ºC) mais pas au-dessus de la température de revenu et de refroidir à un taux d’au moins 300 ºF (167 ºC) par heure pour éviter une éventuelle diminution de la ténacité de l’acier.