Caractéristiques microstructurales des interfaces et des soudures de tuyaux en acier composites bimétalliques: Le point de vue d’un ingénieur de terrain

Introduction: Pourquoi je me soucie toujours des interfaces après 22 années

Regarder, je fais ça depuis 2003. Début comme ingénieur de chantier junior sur un projet de pipeline dans le secteur kazakh de la région caspienne – moins quarante en hiver, et le vent te traverserait. C’est là que j’ai vu pour la première fois des tuyaux composites bimétalliques échouer. Pas dramatiquement – ​​pas d'explosions, Dieu merci, mais de petits trous d'épingle fuient au niveau des zones de soudure, six mois après l'installation. Le client était furieux. Le fabricant a pointé du doigt l’entrepreneur en soudage. L'entrepreneur en soudage a blâmé le matériau de base. Cela semble familier?

Voici ce que personne ne vous dit dans ces manuels de science des matériaux sur papier glacé: l'interface entre votre support en acier au carbone et votre alliage résistant à la corrosion (ARC) la couche est l'endroit où les projets vont mourir. J'ai extrait des sections de canalisations défaillantes du champ de Tengiz, depuis des plateformes offshore en mer de Chine méridionale, et d'une usine de dessalement en Arabie Saoudite où l'eau de la mer Rouge a traversé une interface mal liée dans 14 mois. Quatorze. mois.

Ainsi, lorsque nous parlons de tubes en acier composites bimétalliques, en particulier de la microstructure de l'interface et de la zone de soudure, nous ne parlons pas seulement de jolies photos métallurgiques.. Nous parlons de savoir si votre pipeline dure 20 des années ou devient une leçon d'humilité très coûteuse.

Cette pièce est issue d'une expérience de terrain, vérification en laboratoire, et bien d'autres disputes avec des ingénieurs concepteurs qui n'avaient jamais tenu de thermocouple pendant le soudage. Allons-y.

L'Interface: Où vit ou meurt réellement votre pipe

Ce que nous regardons réellement

Un tuyau composite bimétallique se compose généralement d'un tuyau de support en acier au carbone (dire, API 5L X65 ou X70) lié métallurgiquement à un revêtement CRA (316L, 825, 625—dépend de vos exigences en matière de corrosion). La magie – ou la tragédie – se produit au niveau de cette ligne de liaison.

Je me souviens avoir inspecté un lot de tuyaux soudés par explosion ’07 pour un projet en Azerbaïdjan. Le moulin a affirmé 100% intégrité de la liaison. Premier test aux ultrasons? Vingt-trois pour cent des canalisations présentaient des zones de décollement plus grandes que les spécifications autorisées.. La microstructure de l'interface raconte l'histoire: formation intermétallique excessive au niveau de la zone de liaison, probablement à cause de paramètres de soudage explosifs inappropriés.

L'interface n'est pas une ligne épurée. Sous le champ d'application, à 500x ou mieux, tu verras:

1. La zone de diffusion - généralement 2-15 microns dans une bonne liaison

2. Composés intermétalliques — Fe-Cr, Désireux, en fonction de vos alliages

3. Zones de précipitation de carbure – en particulier si les vitesses de refroidissement n’étaient pas contrôlées

4. Verrouillages mécaniques — en matériaux liés par rouleau ou liés par explosion

5. Les redoutables films d’oxyde – baiser de la mort pour l’intégrité des liaisons

Voici une référence rapide de mes notes de terrain sur les caractéristiques d'interface acceptables:

Ce dernier – les inclusions d’oxydes – je l’ai vu détruire tout un tronçon de pipeline en mer du Nord.. L'exploitant avait spécifié des rouleaux collés 625 revêtements dans le tuyau X65. Le fabricant a rogné sur la préparation de la surface avant le collage.. Les oxydes ont agi comme sites d'initiation de fissures. Quand la ligne a vu des cycles thermiques lors du démarrage/arrêt? délaminage. Puis corrosion caverneuse. Puis un trou d'épingle fuit. Jeu terminé.

Pourquoi l'interface est importante (et je veux dire, ça compte VRAIMENT)

Vous pourriez demander – et de jeunes ingénieurs me l’ont demandé –”Ne pouvons-nous pas simplement compter sur la soudure pour maintenir le tout ensemble?”

Non. Absolument pas. Voici pourquoi:

L'interface est votre principal mécanisme de transfert de charge entre l'acier au carbone structurel et la couche résistante à la corrosion.. Quand cette interface échoue, deux choses se produisent:

Première, votre doublure CRA peut se déformer ou s'effondrer vers l'intérieur, en particulier sous cyclage thermique ou de pression. J'ai vu ça sur une conduite de gazoduc dans le golfe de Thaïlande. Le paquebot s'était détaché sur environ 40% de la circonférence. Lors d'une chute de pression, la doublure s'est courbée vers l'intérieur comme une canette de soda posée sur un pied. Bloqué la ligne. Coût 14 jours de production à découper et à remplacer.

Deuxième, et pire encore : corrosion de l'espace annulaire. Une fois la caution échouée, t'as un écart entre l'acier au carbone et l'ARC. Des liquides peuvent pénétrer. Vous avez maintenant créé une cellule de corrosion caverneuse. L'acier au carbone, être moins noble, se corrode préférentiellement. Mais parce que c'est confiné, les produits de corrosion ne peuvent pas s’échapper. La pression monte. J'ai vu des tuyaux se gonfler comme un serpent qui a avalé un rat. Finalement, rupture.

Les calculs sur le transfert de contrainte d’interface ne sont pas compliqués, mais les gens l'ignorent. La contrainte de cisaillement à l'interface suit approximativement:

$t_{\mathrm{pouce\; ou\; 114,3\; mm\; à\; 508\; mm}NTeRFACe}=\frac{\mathrm{d}P\cdot R}{2T_{L\mathrm{pouce\; ou\; 114,3\; mm\; à\; 508\; mm}NeR}}\cdot \frac{\mathrm{né}(bX)}{\mathrm{matraque}(bL\mathrm{/}2)}$
τinterface​=2tliner​ΔP⋅r​⋅cosh(βL/2)né(βx)​

où:

• $\Delta P$ = différence de pression à travers la doublure

• $r$ = rayon intérieur

• $t_{liner}$ = épaisseur du revêtement

• $\beta$ = paramètre de rigidité au cisaillement de l'interface

• $x$ = distance du bord libre

• $L$ = longueur collée

La clé à retenir? Les contraintes de cisaillement se concentrent sur les bords : extrémités de soudure, terminaisons de doublure, toute discontinuité. C'est pourquoi j'insiste sur les qualifications des procédures de soudage qui concernent réellement l'interface..

La zone de soudure: Où les bons tuyaux tournent mal

Anatomie d'une soudure de tuyau composite

C’est ici que l’expérience sur le terrain se différencie des connaissances théoriques. J'ai supervisé 400 soudures de tuyaux composites dans ma carrière, des lignes d'écoulement de 4 pouces aux lignes d'exportation de 36 pouces. La microstructure de la soudure m'en dit plus sur les performances futures que n'importe quel certificat d'usine..

Une soudure circonférentielle typique d'un tuyau composite comporte plusieurs zones distinctes.:

1. Le métal fondu lui-même – généralement une charge à base de nickel (625, 82, 182) pour s'adapter à la dilution
2. La ligne fusion – là où les choses deviennent intéressantes
3. La zone partiellement mixte – souvent négligée, toujours problématique
4. La zone affectée par la chaleur (ZAT) dans le revêtement CRA — centrale de précipitation des carbures
5. L'acier au carbone HAZ — trempe, ramollissement, en fonction de la chimie de l'acier
6. La région d'interface (encore) — maintenant avec un stress thermique supplémentaire

Voici une décomposition microstructurale d'une soudure X65 échouée à 825 lignes que j'ai analysée l'année dernière:

Notez ce pic de dureté à l'interface de liaison? Cela est dû à la dilatation thermique différentielle pendant le soudage. L’ARC et l’acier au carbone se développent à des rythmes différents. Quand ils sont contraints par le lien, vous ressentez un stress résiduel. Parfois, cette contrainte se détend par microfissuration le long de la couche intermétallique..

Le problème de la dilution: Vous ne pouvez pas ignorer la chimie

Voici quelque chose que j'ai appris à mes dépens lors d'un projet à Oman: la dilution tue.

Nous soudions des tuyaux composites X65/316L avec du mastic 309L : erreur courante. 309L est pour l'acier inoxydable à l'acier au carbone, droite? Devrait fonctionner? Non. Voici pourquoi:

Quand tu soudes, vous faites fondre une partie du matériau de base dans le bain de fusion. Pour le passage de racine sur tube composite, vous faites fondre la doublure 316L et peut-être de l'acier au carbone si votre aménagement est serré. Cette dilution modifie la chimie du métal fondu. Le diagramme de Schaeffler devient votre meilleur ami – ou votre pire ennemi si vous l'ignorez.

L'équivalent chrome:
$C{R}_{eQ}=\mathrm{\%}CR+\mathrm{\%}mO+1.5\times \mathrm{\%}S\mathrm{pouce\; ou\; 114,3\; mm\; à\; 508\; mm}+0.5\times \mathrm{\%}Nb$
Creq​=%Cr+%Mo+1,5×%Si+0,5×%Nb

L'équivalent nickel:
$N{\mathrm{pouce\; ou\; 114,3\; mm\; à\; 508\; mm}}_{eQ}=\mathrm{\%}N\mathrm{pouce\; ou\; 114,3\; mm\; à\; 508\; mm}+30\times \mathrm{\%}C+0.5\times \mathrm{\%}mN$
Nieq​=%Ni+30×%C+0.5×%Mn

Tracez votre composition diluée. Si vous atterrissez dans la région martensitique? Félicitations, vous venez de créer un fragile, soudure sensible aux fissures qui échouera lors de l'hydrotest. je l'ai vu.

Avec remplissage 309L, même 15-20% la dilution du 316L vous pousse vers la solidification primaire de la ferrite, d'accord, pas terrible. Mais si vous obtenez une dilution de l'acier au carbone? Cité martensitique. Population: votre soudure.

C'est pourquoi j'insiste désormais sur les charges à base de nickel pour tout tuyau composite d'épaisseur CRA supérieure à 3 mm.. 625 ou 82. Oui, ils sont chers. Oui, ils sont plus difficiles à souder (problèmes de scories, problèmes de fluidité). Mais la matrice en nickel s'adapte à la dilution sans former de martensite. C'est indulgent. Et dans cette affaire, le pardon est synonyme de fiabilité.

Étude de cas d'échec: L'incident de South Pars

Laissez-moi vous expliquer un échec réel sur lequel j'ai enquêté. Champ de Pars Sud, Secteur iranien du golfe Persique – alors que je travaillais à l’époque pour l’opérateur côté qatari. 2015.

Nous avions des tuyaux bimétalliques de 24 pouces, X65 avec Incoloy 825 Doublure, 3mm d'épaisseur. Service: gaz acide humide. Vie de conception: 25 années. Durée de vie réelle avant la première fuite: 18 mois.

Les symptômes

Plusieurs fuites de sténopés au 5 et 7 positions d'heure (quadrants inférieurs) de soudures circulaires. Le tout à moins de 50 mm de la ligne médiane de la soudure. Tout se trouve du côté du matériau de base, et non du métal fondu lui-même..

L'enquête

J'ai pris l'avion avec un métallurgiste du Royaume-Uni, un gars génial, Je n'ai jamais fait confiance à l'opinion d'un ingénieur de terrain sans l'avoir vu lui-même. Assez juste.

Nous découpons des sections, a fait:

1. Examen visuel – trous d'épingle de 0,5 à 2 mm de diamètre, produits de corrosion brunâtres

2. Radiographie – pas de fissure évidente, mais quelques indications au niveau de la ligne de caution

3. La métallographie : voilà qui raconte l'histoire

4. SEM/EDS — a confirmé nos soupçons

5. Cartographie de la dureté : quantification des dommages

Ce que nous avons trouvé

L'interface a montré un décollement important, pas au niveau de la ligne de liaison d'origine, mais à travers la couche intermétallique. Les intermétalliques s'étaient fissurés lors des cycles thermiques de soudage. Voici le kicker: les fissures n'étaient pas visibles à 50x. À 500x, ils étaient évidents : un réseau de microfissures le long de la couche intermétallique Fe-Cr.

A travers ces fissures, le fluide de procédé avait migré dans l'espace annulaire entre le revêtement CRA et le support en acier au carbone. L'acier au carbone est corrodé – corrosion générale, ne pas piquer. Mais voici le problème: les produits de corrosion (oxydes/hydroxydes de fer) occupait environ deux fois le volume de l'acier d'origine. Ils ont élargi, renfler la doublure vers l'intérieur.

Une fois la doublure gonflée, le régime d'écoulement a changé localement - les turbulences ont augmenté. L'érosion-corrosion a pris le dessus. Des trous d'épingle se sont développés vers 3 mois après le détachement initial.

La cause profonde

Deux facteurs:

Première, les paramètres de liaison explosive d'origine ont créé une couche intermétallique à l'extrémité supérieure d'une épaisseur acceptable - environ 18 microns. à 18 microns, c'est fragile mais généralement stable.

Deuxième, la procédure de soudage a créé trop d'apport de chaleur. Les soudeurs, essayer de maintenir la productivité, il faisait chaud. Températures maximales au niveau de la ligne de liaison pendant le soudage? Nous l'avons modélisé plus tard – environ 650-700°C pour le 825 ligne de liaison de revêtement. C’est la plage de sensibilisation pour 825, mais plus critique, cela suffit à provoquer une formation intermétallique supplémentaire et une fragilisation au niveau de l'interface préexistante.

La combinaison : des intermétalliques déjà épais + exposition thermique supplémentaire pendant le soudage = fissuration.

Le correctif

Nous avons changé trois choses:

1. Contrôle plus strict des obligations entrantes qualité — épaisseur intermétallique maximale réduite de 20 μm à 8 μm selon les spécifications

2. Soudage à faible apport de chaleur — à partir de 1.5 kJ/mm maximum à 0.9 kJ / mm

3. Contrôle de température entre passes — strict 150°C max, surveillé avec des thermocouples de contact, pas de pistolets IR (ceux-ci reposent sur des surfaces brillantes)

Après la mise en œuvre? Aucun échec dans la suite 4 années où j'ai été impliqué.

Tendances actuelles et 2024 Développements

Regarder, Je ne suis plus au laboratoire, je consulte principalement maintenant, mais je continue. Quelques développements intéressants au cours des deux dernières années:

Dépôt par friction additive - Il existe un groupe au TWI et un autre à Houston qui travaillent sur la réparation des interfaces bimétalliques endommagées à l'aide d'une friction additive.. Ils peuvent réellement restaurer l'intégrité de la liaison dans des zones localisées sans retirer le tuyau.. Les premiers jours, mais prometteur.

Apprentissage automatique pour la corrélation CND — Nous commençons à voir des systèmes qui corrèlent les données ultrasoniques du C-scan avec les prédictions microstructurales. Au lieu de simplement dire “décollement détecté,” ils prédisent le type d'intermétallique probablement présent en fonction des modèles d'atténuation du signal. Un opérateur de la mer du Nord teste ce système pour les inspections sous-marines.

Nouveaux métaux d'apport — Plusieurs fabricants ont introduit “tolérant à la dilution” alliages de nickel spécifiquement pour le soudage de tuyaux bimétalliques. Ils contiennent du niobium et du molybdène plus élevés pour stabiliser la microstructure même avec 30-40% dilution. J'en ai testé un l'année dernière : j'ai utilisé une perle avec une mauvaise technique intentionnelle pour maximiser la dilution., puis je l'ai sectionné. Pas de martensite. Impressionnant.

Le 2023 API 5LD révision — Enfin, Dieu merci, ils ont ajouté des exigences plus spécifiques pour les tests de liaison d'interface. Le vieux “pas de séparation visible” était inutile. Ils nécessitent désormais des tests de cisaillement quantitatifs avec des critères d'acceptation définis basés sur la classe de service.. Il est temps.

Recommandations pratiques du terrain

Après deux décennies passées à observer les succès et les échecs des tuyaux bimétalliques, voici ce que je fais réellement sur les projets:

Pendant la sélection des matériaux

• Ne vous contentez pas de spécifier l'alliage CRA : spécifiez les caractéristiques de la ligne de liaison.. Mettre des chiffres sur l'épaisseur intermétallique, uniformité de la zone de diffusion, et résistance au cisaillement.

• Exiger des micrographies des échantillons de production, pas seulement R&Échantillons D. Ils sont différents.

• Si c'est lié de manière explosive, poser des questions sur le cycle de recuit. Certains fabricants ne recuit pas après le collage par explosion. Les contraintes résiduelles vous surprendront plus tard.

Pendant le soudage

• Utilisez une technique de cordon de revenu pour le côté en acier au carbone si vous soudez de l'extérieur. Je sais que c'est plus de travail, mais cela affine la structure des grains HAZ.

• Surveillez la température entre les passages comme si c'était la seule chose qui compte. Parce que parfois, c'est.

• Faites un calcul de dilution avant de choisir le métal d'apport. Ne faites pas confiance au commercial.

• Pour le premier passage root, utilisez une charge de nickel légèrement supérieure à celle dont vous pensez avoir besoin. C'est une assurance.

Pendant l'inspection

• UT de la ligne de liaison avant soudage. Puis UT de la ZAT après soudage. Comparer.

• Si vous voyez une indication de décollement près de la soudure après la fabrication, découpe-le. N'essayez pas de le réparer. Je n'ai jamais vu une réparation réussie d'un décollement d'interface adjacent à une soudure.

• Les traversées de dureté à travers la soudure doivent inclure la ligne de liaison. La plupart des procédures vérifient uniquement la ZAT et le métal soudé.. Manque la ligne de liaison, je manque le problème.

Conclusion: L'interface ne ment jamais

Voici ce que je dis à chaque jeune ingénieur qui évolue dans mes projets: l'interface garde une trace de tout. Chaque cycle thermique, chaque contrainte mécanique, chaque raccourci de fabrication. C'est écrit dans la microstructure. Il suffit de regarder.

Les composites bimétalliques sont des matériaux brillants : ils nous offrent une résistance à la corrosion sans prix CRA solide. Mais ils ne pardonnent pas les raccourcis. L'interface et la zone de soudure sont l'endroit où l'intention de conception rencontre la réalité de fabrication. Quand ils correspondent, vous obtenez des pipelines de 25 ans. Quand ils ne le font pas, tu as des échecs qui maintiennent des gars comme moi au travail.

Mais honnêtement? Je préfère être à la retraite plutôt que d'enquêter sur une autre panne d'interface. Alors faites attention aux détails. La microstructure vous remerciera. Votre équipe opérationnelle vous remerciera. Et peut-être, juste peut-être, que tu n'obtiendras pas ça 2 Appel téléphonique le matin concernant une fuite en plein hiver.

Restez en sécurité là-bas.