<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Cette invention concerne des joints soudés entre des pièces en aciers spéciaux austé-nitiques et ferritiouzs, propres a un service à haute température dans des conditions coloriant
EMI1.2
le choc thermique et des variations de température cycliques.
EMI1.3
Ces conditions se rencortrent dpns les .nstalJ¯?.tv¯or pour traitenents a haute terycrature, 'n.?r les r2''rerr:s de ptrole les générateurs de vapeur et les échanaeurs de chaleur de différents tynes. Les problèmes particuliers soulevas finrr 1-'im ou l'autre type d/instllption nei;vent diff4rer a.u moins sous un rapport de ceux aui se posent Iiprs un autre tyne. Ainsi, les raffineries ont recours à des températures élevées mais seulement des rres7fons nod4rôes Pt dans des conditions s2ternative!rren.t
<Desc/Clms Page number 2>
oxydantes et réductrices avec leurs effets corrosifs.
Dans les générateurs de vapeur il existe un état de travail plus
EMI2.1
coplexe par suite des actions combinées des pressions de service élevées et des températures de fonctionne,,tent élevées, nui sont en
EMI2.2
outre aggravées par des variaticns cycliques de ces facteurs.Eie-71 que l'invention soit d'une application générale dans des condi- tions de haute température et de haute pression de n'importe quel type d'installation, on se référera en particulier,à titre d'exem-
EMI2.3
ple seulenent, aux conditions de haute température et de travail élevé rencontrées dans les générateurs de vapeur.
En vue d'obtenir des rendements .evsJ on a constasi- Kent augrzenté les températures de la vapeur sortant et les pres- sions de travàil des générateurs de vapeur des centrales, et actuellement certains groupes générateurs de vapeur dans ces cen- trales fonctionnent à des températures de 1050 F (565 C) et des pressions de service de 2000 livres par pouce carré (140 kg/cm2)
EMI2.4
I.'utilisation croissante de ces hautes températures et Dressions a souleva des problèmes pour se procurer les matériaux et les joints entre ces matériaux oui. résistent le plus avantêf!;8USement aux efforts rencontrés dans ces cas-.
Les caractéristiques des métaux capables de résister
EMI2.5
clé hautes pressions sous des charges de longues durés, con- /cintement à l'économie réalisée., ont conduit les constructeurs de générateurs à vapeur à utiliser à la fois les aciers aust'ni- tiques et les aciers rerritioues pour les éléments a la sortie des générateurs de vapeur. Par exemple, ces deux types de matériau peuvent être employés pour les surchauffeurs et leurs supports et pour les conduites principales de vapeur allant du générateur à la turbine.
L'emploi de ces deux types de matériaux dans le même élément constitutif exige qu'une attention particulière soit apportée aux jonctions entre ces matériaux., ces jonctions étant soumises aux-conditions particulières de température et de travail rencontrées dans la production de la vapeur à des tem-
<Desc/Clms Page number 3>
pératures relativement élevées. Dans un surchauffeur,. par exemple, la surface externe des tubes de surchauffeur et les oreilles de support de ce dernier se trouvent à une température plus élevée que la surface interne de ces tubes, par suite des températures plus élevées des gaz de chauffe en comparaison de la tempéeture ie la vapeur circulant dans le surchauffeur. L'inverse est vrai pour la canalisation de vapeur allant à la turbine.
Le fonctionnement sous les tensions correspondant aux températures élevées pose différents problèmes dûs à des facteurs tels que la dilatation et la contraction différentes des matériaux non identiques employés de part et d'autre du joint et leur surface et stabilité structurales relatives. A part les efforts mécaniques, par exemple, ceux dûs aux différences de dilatation et de contraction thermiques, les facteurs influençant la durée de service des joints soudés entre les produits ferritiques et austénitiques sont de nature essentiellement métallurgique, tels que l'appauvrissement en carbone dans la zone du produit ferritique altérée par la chaleur, les crevasses qui s'y produisent par suite de la pénétration des oxydes, les micro-fissurations dans le joint soudé., et le fluage ou écoulement accéléré dûs à ces con- ditions.
Des exemples de joints entre des matériaux ferritiques et austénitiques oû ces problèmes se posent sqnt les assemhlages d'un alliage ferritique ayant à peu près 21/4 % de chrome avec un alliage austénitique du type 18"-2" ou "25-204.
Dans un assemblage comprenant une pièce en acier spécial ferritique, une pièce en-acier spécial austénitique et un joint soudé par fusion réunissant ces pièces, suivant la présente inven- tion le joint comprend un dépôt destiné à résister à la migration du carbone de la pièce en acier spécial ferritique et formé d'un acier spécial ferritique stabilisé au point de vue carbure, ayant une résistance à l'oxydation plus élevée Que celle de la pièce en acier spécial ferritique, et un dépôt de métal résistant à la chaleur et à l'oxydation, recouvrant la jonction ferritique-
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
,a,usténitiqu de l'assemblage.
Linv9ntion sera décrite ci-après, à titre dëxenpl ave.e référence ,UJC dessins partiellement schém:atil1ues annexes.
Fiqs,1, 2 et 3 sont des vues partielles en COUDe tï:>én,:\rersa1>9 de joints soudés, chaque soudure unissant une 1)ièce
EMI4.2
cylindrique en acier spécial ferritique à faible teneur en
EMI4.3
éléments d'a11iaq-e à une pièce cylindrique austénitique.
Dans la description ci-après de 1-inventiony le terme "acier S't7 C? al¯ 'errl'i.? 717.e est employé nour dôsigner des alliages ayant des compositions telles nue carbone - 0 :-5c<f molybSène" , 2"' Cr- 0,5"'" Ko, -W Cr-1 r.^..0, 5 Cr-O,5 i-fo, ou autres aciers S)'c:i ::1.1.17 semblables à prédominance ferritique. De *éme, le terse 11 flci er> 57'Q3 r^.¯L a'.:tstni tfoue!1 se r81J'porte à des alliages connus sous les abréviations "18-8" (18 Cr-8 l0li) , !T18-8 Ch",5r1$¯ ir"5 12 "5-='¯EOr, ou tout autre acier s'oecial dont la structure est en nrf,dOij1Ïnance aust n3 t? oue.
S11r la fin. 1 des dessins, une pièce en acier spécial à prédominance ferritioue I0, telle Qu"un tube ou un tuyau 1'p.si.sbnr. à 18 rress ion, est représentée coP5ne étant unie par soudure 1 une rylèce en acier spécial à prédominance austénitique ?0, telle .-;1.1'11n tube ou tuyau?- résistant à la pression, au noyen d'un Jojnt soudo' par fusion 30. A titre <;PeY9,mple seul< ment, la¯ p14ce ferritique 10 peut être en un acier spécial contenant 2 da chrome et l de 11.o1vbdène.1 appelé "Croloy 2-fT1, et la pièce 811St;- niHnue 20 en un acier social 18-8 Ti,. Les surfaces Q'eytri.té
EMI4.4
abouties des pièces 10 et 20 sont convenablement chanfreinées,
EMI4.5
CO'?1;,:e c'est in3iou en 11 et 21, respecti ve'nent, pour former une rainure de soudee, une pièce dappui 15 étant disposée nour couvrir 1'etr;¯it inférieure ouverte de la rainure.
Dans cette forme d'ex4cution de l'invention, la surface 21 de la pièce en acier spécial austénitique 20, f¯orrk ta rai- nure de soudage est d'abord enduite ou "tarf¯.née" d'vn dépôt en fusion ou cordon de, soudure 31 en métal ferrjtioue stab ilîsé au
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
i'oint de vue carbure, ayant une résistance à l'oxydation plus 41e- . vée ,que celle de la pièce 10 en acier spécial ferritiaue. Ce dépôt ou cordon 31 résiste à la migration du carbone, du fait nu'il est
EMI5.2
st*1>ilis4 au point de vue carbure, et résiste aussi a l'o-vdation aux températures de travail relativement élevées et à variations
EMI5.3
cycliaues, auxquelles le joint 30 est expose en trafique.
A titre d'e:e:LaZA? si la pièce 10 est en acier spécial a faible teneur en ,É1 4ments d'alliage, contenant 2-µfi Cr et 1" Lao ou 3 Cr et 1""' F10, le métal dépose pour former la couche enduite 31 peut être un
EMI5.4
acier spécial à 5% Cr-0y5%'Mb stabilise au point de vue Cb (un acier à 5 Cr - 0,5 MoCb.
Le restant de la rainure de soudage entre la surface 11 de la pièce 10 et la couche 31 est alors rempli d'un dépôt en fusion 32 d'un acier spécial ferritiaue, ayant à peu près la
EMI5.5
mêû8 composition que la pièce 10. Dans l'exemple spécifique donn6, le r1pôt 32 peut 4tre un acier spécial ferritique à 2-,'< Cr-1 l Mo.
Le r18nôt 32 -peut aussi être en acier spécial ferritique. stabilisa au point de vue carbure, tel qu'un acier spécial de 2-41< Cr - 1'%* 14oCby par exemple.
Comme phase finale de la formation du joint soud ou du cordon de soudure 30, le recouvrement protecteur 35 est déposé
EMI5.6
1. '<'tat de fusion au moins à la jonction ferritique-austéni tinue, ont est la jonction de la couche tartinée 31 et de la surface 21 dl" 1,.a nièce 20. Ce recouvrement soudé est un d9P t.è1m;acier spécial 81Jstl1i tioue résistant à la chaleur, ayant un coefficient de dilatation theruiaue interTnédiaire entre les coefficients de -ail?t?tion theraivue d'as pièces 10 et 20.
Un acier spécial austénitique approprié pour la couche de recouvrement est un acier 25 Cr - 20 Ni, par exelmie, ou un acier 77 Ni - 15 Cr, appelé ttlncoYl-91 Tt. Un autre acier austénitique al1ropt'il est un acier 80 l'Ji- 20 Cr. Dans le joint soudé particu- lip.r donné à titre d'exemple, les coefficients de dilatation the1"1lique, denuis la tenp4rature des locaux jusqu'à 1200 F (650 c)
<Desc/Clms Page number 6>
sont de 7,69 x 10-6, pour la pièce 10 en "Croloy 2-1/4".et 10,41 .
10-6 pour la pièce 20 en 18-8-Ti. Le coefficient correspondant pour un recouvrement 25 Cr-20 Ni est de 9,20 x 10-6, qui est intermédiaire entre les coefficients des pièces 10 et 20.
Le recouvrement résistant à la chaleur 35 protège la jonction ferritique-austénitique relativement vulnérable entre la pièce 20 et la couche 31 contre les effets extrêmes des tempéra- tures élevées à variation cyclique pendant le service. Comme la dilatation du recouvrement, lors d'un changement de température, est intermédiaire entre les dilatations des pièces 10 et 20, la tendance du joint à devenir défaillant par suite de la diffé- rence des dilatations thermiques des pièces 10 et 20 est pratique- ment éliminée. Un joint soudé comprenant le recouvrement 35, entre les pièces en acier spéciaux ferritique et austénitique a une durée qui ueut aller jusqu'à cinq' fois la durée d'un joint corres- pondant sans recouvrement, lorsqu'il est soumis à des températures élevées à variations cycliques.
Sur la fig. 2, la rainure de soudage entière est remplie d'un déport: à l'état de fusion 33 d'un m'tal ferritique stabilisé au point de vue carbur., présentant une résistance à l'oxydation supérieure à celle de la pièce 10 en acier spécial ferritique.
A titre d'exemple,le dépôt 33 eput être l'acier ferritique 5 Cr- 0,5 Mo-Cb utile pour la couche tartinée 31 de la fig. 1. Le dépôt 33 résiste à la migration du carbone, par. suite de sa stabili- sation .au point de vue carbure par le Cb et il résiste à l'oxyda- tion aux températures relativement élevées et à variation cyclique auxquelles le joint est soumis en service.
La jonction ferritique - austénitique au moins entre la pièce 20 et le déport 33 est alors recouverte de la couche de re- vtent déposée à l'état de fusion 35 qui peut être formée de l'un des alliages austénitiques résistant à la chaleur employés por le recouvrement 35 de la fig.l.
Sur la fig.3, la surface 11 de la pièce ferritique 10 qui forme la rainure de soudage est d'abord enduite ou "tartinée"
<Desc/Clms Page number 7>
d'un dépôt en fusion 34 d'un acier spécial ferritique stabilise au point de vue carbure, tel que l'acier 5 Cr-0,5 fo-Cb, précé- demment mentionné. Le restant de la rainure de soudage est alors rempli d'un dépôt à l'état de fusion 36 d'un acier spécial austénitique, résistant à la chaleur, ayant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre les coefficients de di- latation thermique des pièces 10 et 20. Par exemule le dépôt 36 peut être un acier spécial austénitique 25 Cr-20 Ni, ou l'alliage "Inconel", mentionné précédemment.
Le dépôt 36 est prolongé de manière à former le déport de recouvrement 35, de telle sorte oue la jonction austénitique-ferritique entre les dépôts 34 et 36 est recouverte par cet acier spécial austénitique résistant à la chaleur.
Le dépôt d'acier spécial terri tique.stabilisé au point de vue carbure 31, 33 ou 34, ayant une résistance à l'oxy- dation plus élevée que celle de la pièce en acier spécial ferri- tique 10 peut, en générale avoir une teneur en chrome ou en sili- cium plus élevée que la pièce 10, et peut aussi 'avoir un coefficient de dilatation thermique légèrement plus faible que cette pièce.
Bien que ceci soit moins favorable que ne le serait un coefficient de dilatation thermique un peu plus élevé que celui de la pièce 10 et intermédiaire entre les coefficients de dilatation thermique des pièces 10 et 20 la faible réduction est insing nifiante et est compensée nar la résistance plus élevée à l'oxydation. La combi- naison du dépôt stabilisé au point de vue carbure et à plus grande résistance à l'oxydation avec la barrière contre l'oxygène sur la jonction disparate assure une protection efficace contre les fissurations dues aux tensions et à l'oxydation ou aux ten- sions, l'oxydation et la fatigue.
Les joints soudés représentés remplissent les condi- tions requises de résistance mécanique, de ductilité et de résistance à l'oxydation pour assurer un service irréprochable dans le cas d'efforts élevés dûs aux chocs thermiques et aux variations cycliques de la température et de la charge.