Procédé de soudage GMAW

Normalisation et réglementation du marché visé

Le piédestal doit respecter les réglementations locales du marché visé, soit l’industrie des pipelines d’énergie du Canada et des États-Unis. Au Canada, ces réglementations sont émises par l’Office national de l’énergie (ONE), soit l’autorité principale concernant la réglementation des systèmes de pipelines traversant les frontières provinciales et internationales (CEPA, [s.d.]). Ces réglementations sont entre autres développées en collaboration avec l’Association canadienne de normalisation (CSA2) (CEPA, 2014, p. 5), soit un organisme accrédité au Canada par le Conseil canadien des normes (CCN) et aux États-Unis par l’Institut national américain de normalisation (ANSI3) (CSA, [s.d.]).

Notons que la CSA a un impact important sur les règlements canadiens s’appliquant aux pipelines, car ces règlements se basent directement sur les normes développées par cette association (CEPA, [s.d.]). Seulement, bien que la CSA ait publié certaines normes portant sur les systèmes pipeliniers, aucune d’entre elles ne couvre le développement du système de montage des actionneurs des vannes de conduites selon l’information délivrée par cette association.

Le PI doit ainsi se tourner vers une autre source de normes pertinentes afin de guider leur conception du système en question, c’est-à-dire le piédestal. Bien que la CSA ne publie pas directement une norme portant sur le piédestal, elle collabore avec l’Organisme international de normalisation (ISO) dans l’élaboration de ses normes dont l’une d’elles couvre cette composante. En effet, le sous-comité 2 du groupe de travail ISO/TC67, soit le sous-comité couvrant les systèmes de transport par pipelines (ISO, [s.d.]- a), compte certains représentants du comité technique Z662 de la CSA, c’est-à-dire les membres ayant développé la norme canadienne sur les systèmes pipeliniers (CSA, 2015, p. 9). C’est ce comité de l’organisme ISO, aussi accrédité au Canada et aux États-Unis par le CCN et l’ANSI (ISO, [s.d.]-b), qui a publié en septembre 2011 la norme ISO 12490 portant sur l’intégrité mécanique et le dimensionnement des actionneurs et des éléments de montage des vannes de conduites (ISO, [s.d.]-c). Ces éléments de montage comportent en outre le système que le PI désire développer. De ce fait, cette norme forme une base des plus pertinentes dans la conception du piédestal. Toutefois, l’effectivité de cette norme reste à déterminer au Canada. C’est pourquoi nous nous tournons vers une norme publiée par l’API4, soit une association américaine de normalisation oeuvrant dans le secteur pétrolier (API, [s.d.]).

En effet, l’API a adopté la norme ISO 12490 et l’a intégrée à son système de normalisation sous l’identifiant ANSI/API Standard 6DX en 2012 (CSOEM, 2013, p. 3). Ainsi, cette norme, identique en tout point à la celle publiée par l’organisme ISO (API, 2016, p. 14), représente aussi une base pertinente pour le développement du piédestal. De plus, cette norme est non seulement reconnue aux États-Unis où l’API est accrédité par l’ANSI (Hawkins, 2008, p. 29), mais aussi au Canada. En effet, des recherches effectuées par le Centre des études de l’innovation (THECIS5) et déposées entre autres au CCN démontrent que les normes publiées par l’API sont aussi effectives dans l’ensemble des provinces canadiennes en ce qui concerne la certification de l’équipement pétrolier et du gaz naturel. De plus, on y souligne qu’il est avantageux pour les entreprises oeuvrant dans l’industrie pétrolière de faire usage des normes émises par l’API, considérant que celles-ci sont reconnues à travers le monde (Hawkins, 2008, pp. 29-30, 68). Ainsi, utiliser la norme ANSI/API Standard 6DX afin de guider la conception du piédestal serait une façon efficace pour le PI de garantir que le système développé pourra répondre aux exigences du marché visé.

Notons que cette norme fait référence à plusieurs autres normes en ce qui a trait à la conception, la fabrication et l’inspection du produit que le PI désir développer. Celles-ci seront entre autres présentées au chapitre portant sur le cahier des charges de ce projet. Soulignons toutefois qu’une d’entre elles, soit la norme AWS D1.1/D1.1M couvrant le soudage des structures d’acier, sera le sujet d’une analyse détaillée au chapitre 5.

Modes de transfert

L’arc électrique du procédé GMAW a deux (2) fonctions principales. La première est de fournir la chaleur nécessaire à la fonte du fil-électrode et à la fusion locale du métal de base. La seconde, quant à elle, est de transporter le métal fondu du fil-électrode jusqu’au bain de fusion (Klas, 2012, p. 38). Ce phénomène est appelé «mode de transfert». Il peut être volontairement contrôlé et changé par une combinaison appropriée des six (6) éléments suivants (Messler Jr., 2004, p. 317), bien qu’il dépende essentiellement des trois (3) premiers (Klas, 2012, p. 38) :

1. Le réglage de la tension électrique, 2. L’intensité du courant, 3. La composition du gaz de protection, 4. Le type de source de puissance électrique, 5. Le type et la forme du fil-électrode, 6. La vitesse d’alimentation du fil-électrode.

Les trois (3) modes de transfert prédominants et classifiés par la Société américaine du soudage (AWS10) sont le court-circuit, le transfert globulaire et la pulvérisation axiale. En 1984, l’Institut international du soudage (IIW11) divisa la pulvérisation axiale en trois (3) catégories, soit la pulvérisation projetée, la pulvérisation diffusée et l’arc tournant (Kah, 2014, p. 5). Tous ces modes de transfert font partie de la classe de modes dits «naturels» (Scotti, 2012, p. 1407) et peuvent être mis en relation avec le courant et la tension électriques à des fins de comparaisons, tel qu’illustré à la Figure 1.2. On observe à la Figure 1.2 qu’une valeur de courant modérée à élevée jumelée à une protection gazeuse riche en argon permet le mode de transfert de type pulvérisation projetée (Klas, 2012, p. 40), et ce, pour des valeurs de tension élevées se situant typiquement entre 27 et 30 volts (Messler Jr., 2004, p. 318). De plus, lorsqu’on augmente la valeur du courant et que celle-ci dépasse un certain seuil, la taille des gouttelettes passe d’un diamètre rapprochant celui du fil-électrode à un diamètre beaucoup plus petit, tel qu’illustré par la Figure 1.3.

Ce mode est appelé pulvérisation diffusée (Klas, 2012, p. 40). Une revue de littérature a permis de déterminer qu’il serait préférable d’utiliser ce dernier mode pour réaliser le soudage du piédestal, et ce, pour plusieurs raisons. Premièrement, la pulvérisation diffusée est reconnue pour son absence d’éclaboussure (Klas, 2012, p. 85; Lincoln Electric, 2015, p. 9; Messler Jr., 2004, p. 318; Scotti, 2012, p. 1410). Cette caractéristique est intéressante pour le soudage du piédestal, car les éclaboussures affectent l’esthétisme de la construction soudée. De plus, elles réduisent la résistance mécanique du joint pour des chargements cycliques en formant des sites d’initiation de fissures, soit des éléments générés par les contraintes thermiques et les discontinuités géométriques localisées aux éclaboussures (Otegui, 1989, pp. 400-404). Ce mode est donc plus intéressant pour la présente application que les transferts de type globulaire, arc tournant et court-circuit, qui eux génèrent des éclaboussures considérables du bain de fusion (Lincoln Electric, 2015, p. 7; Messler Jr., 2004, p. 318; Miller, 2012, p. 13; Scotti, 2012, p. 1411), tel qu’illustré à la Figure

Notons toutefois que la littérature est partagée quant à cet aspect du mode court-circuit. En effet, Klas (2012, p. 86) mentionne que les éclaboussures sont considérables en ce mode lorsque le courant électrique est trop élevé, et qu’atteindre des hautes fréquences de courtcircuit en se basant sur le son de l’arc électrique engendre l’éclaboussement de gouttelettes tellement fines qu’elles n’adhèrent pas au métal de base. Les travaux de Scotti et al. (2012, p. 1407) présentent d’ailleurs ce phénomène comme étant un mode de transfert propre, soit le mode court-circuit forcé. Néanmoins, ceci n’enlève rien au fait que la pulvérisation diffusée demeure un mode intéressant pour le soudage du piédestal en regard à son absence d’éclaboussure. Deuxièmement, la pulvérisation diffusée est aussi reconnue pour sa bonne pénétration et son excellente fusion (Lincoln Electric, 2015, p. 9; Miller, 2012, p. 14). Ceci la distingue encore une fois des autres modes, considérant que le transfert globulaire augmente les risques de fusion incomplète (Lincoln Electric, 2015) et que le mode court-circuit augmente aussi ce risque lorsqu’il est appliqué à des sections épaisses (Kah, 2014, p. 8; Lincoln Electric, 2015, p. 7; Miller, 2012, p. 13), tel qu’illustré à la Figure 1.5. En fait, le transfert globulaire est présenté dans la littérature comme étant généralement un mode à éviter (Klas, 2012, p. 86). Ajoutons aussi que les performances de la pulvérisation diffusée en regard à sa pénétration et sa fusion font de celle-ci un mode de transfert utile dans la présente application, considérant qu’une pénétration complète présentée entre autres à la section 4.6.1 devra être accomplie aux joints soudés.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Normalisation et réglementation du marché visé
1.2 Procédé de soudage GMAW
1.2.1 Caractéristiques de sélection du procédé
1.2.2 Modes de transfert
1.3 Résistance mécanique et faillite des constructions soudées
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Type de recherche et démarche typique
2.2 Démarche méthodologique de la présente recherche
2.3 Méthodes et livrables
CHAPITRE 3 CAHIER DES CHARGES
3.1 Description du produit à développer
3.2 Description du marché
3.3 Normes de conception
3.4 Description des besoins et contraintes et des spécifications techniques
CHAPITRE 4 CONCEPTION DU PIÉDESTAL ET DE SES COMPOSANTES
4.1 Génération de solutions et processus de sélection
4.2 Présentation de la solution développée
4.3 Conditions de chargement générales
4.3.1 Chargements statiques
4.3.2 Chargement cyclique
4.4 Interfaces de montage
4.4.1 Patron de trous de montage inférieur
4.4.2 Piliers de montage
4.4.3 Joint boulonné inférieur
4.4.4 Patron de trous de montage supérieur et joint boulonné associé
4.5 Profilés
4.6 Joints soudés
4.6.1 Géométrie des joints soudés
4.6.2 Section effective
4.6.3 Contrainte admissible maximale
4.6.4 Résistance des joints sous chargements statiques
4.7 Analyse numérique de la structure soudée
4.7.1 Modèle de simulation
4.7.2 Résultats
4.7.3 Analyses de sensibilité
4.7.4 Modification de la structure
CHAPITRE 5 DESCRIPTIF DU MODE OPÉRATOIRE DE SOUDAGE
5.1 Détermination des paramètres formant le mode opératoire de soudage
5.1.1 Procédé de soudage et type de source
5.1.2 Mode de transfert et polarité
5.1.3 Métal d’apport et gaz de protection
5.1.4 Température minimale de préchauffage et d’interpasse
5.1.5 Traitement thermique post-soudage
5.1.6 Configuration des joints soudés
5.1.7 Soudage par pointage
5.1.8 Variables de soudage
5.2 Étapes de montage et séquence de soudage
CHAPITRE 6 DÉMONSTRATION ET ÉVALUATION DU MODE OPÉRATOIRE DE SOUDAGE
6.1 Démonstration et évaluation préliminaire du mode opératoire de soudage
6.2 Évaluation formative du mode opératoire de soudage
6.2.1 Inspection visuelle, contrôle par ressuage et contrôle magnétoscopique
6.2.2 Macrographies et micrographie aléatoires
6.2.3 Essais de dureté Rockwell
6.2.4 Contrôles par ultrasons
6.2.5 Étude de la discontinuité interne la plus importante
6.3 Ajustement de certains paramètres du mode opératoire de soudage
6.4 Évaluation sommative du mode opératoire de soudage
CHAPITRE 7 DÉMONSTRATION ET ÉVALUATION DU PIÉDESTAL
7.1 Montage et déroulement des essais mécaniques
7.2 Démonstration du piédestal
7.3 Évaluation du piédestal
7.3.1 Résultats et analyse partielle de la rigidité du montage
7.3.2 Résultats et analyse des rigidités du piédestal et de ses boulons
7.3.3 Analyse de la séparation du joint boulonné inférieur
7.4 Retour sur les objectifs et les résultats de la démonstration et de l’évaluation
7.5 Retour sur le cahier des charges
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I INTRODUCTION AU GMAW
ANNEXE II OUVERTURES MAXIMALES DES ACCÈS MENANT À UN DANGER EN FONCTION DES DISTANCES DE SÉCURITÉ
ANNEXE III MATRICES DE FILTRAGE ET SÉLECTION DES SOLUTIONS GÉNÉRÉES
ANNEXE IV MODES DE MONTAGE DU PIÉDESTAL À LA VANNE
ANNEXE V CONCEPTION DES GARDES TRANSPARENTS
ANNEXE VI MÉTHODE DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION
ANNEXE VII CALCULS DES CHARGEMENTS STATIQUES ET CYCLIQUES APPLIQUÉS AU PIÉDESTAL
ANNEXE VIII DESCRIPTION DES CHARGES MAXIMALES D’OPÉRATION DE L’ACTIONNEUR
ANNEXE IX DESCRIPTION DU CHARGEMENT CYCLIQUE SIMPLIFIÉ
ANNEXE X CONCEPTION DES PILIERS
ANNEXE XI CALCULS RETATIFS AU DIMENSIONNEMENT DES PILIERS
ANNEXE XII CALCULS RELATIFS AU JOINT BOULONNÉ INFÉRIEUR
ANNEXE XIII CALCULS RELATIFS AU JOINT BOULONNÉ SUPÉRIEUR
ANNEXE XIV CALCULS RELATIFS AU DIMENSIONNEMENT DES COLONNES
ANNEXE XV ANALYSE DE CONVERGENCE DU MODÈLE D’AMEF
ANNEXE XVI DÉTAILS SUR LA SÉLECTION DU MÉTAL D’APPORT
ANNEXE XVII DÉTAILS SUR LA PRÉPARATION, LE PROFIL ET LA FINITION DES JOINTS SOUDÉS
ANNEXE XVIII DÉTAILS SUR LE SOUDAGE PAR POINTAGE DES JOINTS
ANNEXE XIX DMOS PRÉLIMINAIRE ET ESSAIS DE SOUDAGE ASSOCIÉS
ANNEXE XX ÉTAPES DE MONTAGE DU GABARIT DE SOUDAGE
ANNEXE XXI SÉQUENCE DE SOUDAGE DU PROTOTYPE DE PIÉDESTAL
ANNEXE XXII DÉTAILS SUR LES CONTRÔLES PAR RESSUAGE ET PAR MAGNÉTOSCOPIE
ANNEXE XXIII C-SCAN ET B-SCAN DE L’ÉCHANTILLON
ANNEXE XXIV ÉTUDE APPROFONDIE DE LA DISCONTINUITÉ N°5
ANNEXE XXV DÉTAILS SUR LES AJUSTEMENTS DU DMOS PRÉLIMINAIRE
ANNEXE XXVI DMOS FINAL
ANNEXE XXVII RAPPORTS DES CONTRÔLES MAGNÉTOSCOPIQUE ET RADIOGRAPHIQUE
ANNEXE XXVIII CONCEPTION DES PLAQUES DE MONTAGE
ANNEXE XXIX CALCUL DES FORCES DÉPLOYÉES PAR LA PRESSE LORS DES ESSAIS MÉCANIQUES
ANNEXE XXX DONNÉES DES JAUGES VIRTUELLES E0 ET E2
ANNEXE XXXI CALCULS RELATIFS À LA SÉPARATION DU JOINT BOULONNÉ INFÉRIEUR
LISTE DE RÉFÉ

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