P91 Graphique PWHT

L'acier P91 est un matériau intéressant pour les chaudières électriques et d'autres applications à haute température, car il offre d'excellentes combinaisons de propriétés mécaniques à des températures plus élevées, telles que la résistance mécanique, la résistance au fluage et la résistance à l'impact Charpy.

Des études récentes ont démontré que différentes conditions de normalisation et de revenu (NT) des soudures en acier P91 peuvent produire des propriétés mécaniques optimales dans le HAZ sans nécessiter de traitement thermique post-soudure.

Dureté

La nuance 91 de la SA 335 est un acier martensitique modifié à haute teneur en chrome et en molybdène, conçu pour les températures élevées dans les centrales électriques et d'autres applications à hautes performances, telles que le soudage. Il présente une bonne résistance au fluage et une bonne ténacité, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité ; cependant, pendant le soudage ou le traitement thermique post-soudure (PWHT), sa dureté peut diminuer, entraînant des fissures ou une défaillance prématurée.

Les études sur les effets des différents procédés de soudage, des types de fils d'apport et des températures de préchauffage/interpassage sur le P91 étaient autrefois rares ; cependant, il est récemment devenu plus courant de réparer les pipelines P91 avec des soudures dissemblables en utilisant des procédés de soudage et des métaux d'apport similaires aux soudures d'origine ; cela nécessite des niveaux de dureté HAZ inférieurs à leur métal de base ; la façon dont cela peut être réalisé dans des délais raisonnables en PWHT doit faire l'objet d'un examen plus approfondi.

Certains projets de centrales électriques ont signalé des fissures de type IV dans la ZHA de leurs soudures pendant leur fonctionnement. Ces fissures étaient probablement le résultat d'un PWHT insuffisant. Notre enquête a conclu que le traitement thermique à 750 degrés Celsius pendant deux heures est idéal pour réduire la dureté de la ZHA de la soudure tout en fournissant une microstructure suffisante et une différence de dureté acceptable avec le métal de base.

Résistance au fluage

La résistance au fluage de p91 mesure la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se déformer. La résistance au fluage dépend de facteurs tels que la taille des grains et la température de fonctionnement, ainsi que de la composition chimique qui influe sur les températures de transformation et d'autres propriétés de sa composition.

Pour établir la limite de fluage d'un métal, les concepteurs utilisent un rapport entre la contrainte de rupture et sa courbe de contrainte-déformation, extrapolée jusqu'à 100 000 heures, et les vitesses de fluage minimales calculées sur cette période. La contrainte de rupture mesure à la fois la contrainte de rupture au point final et la contrainte nécessaire pour atteindre ce point - elle est rapportée sous forme de valeurs de contrainte et de temps.

L'acier martensitique résistant à la chaleur p91 (9Cr-1Mo-V-Nb) est couramment utilisé dans les centrales électriques à combustibles fossiles pour les collecteurs de chaudières et d'autres composants en raison de son excellente résistance à la corrosion par la vapeur, de son faible taux de dilatation thermique, de sa conductivité thermique élevée et de sa soudabilité ; toutefois, des défaillances en service de composants construits dans ce métal ont été signalées après une durée d'utilisation relativement courte.

Les défaillances se produisent en raison de la réduction des propriétés de résistance au fluage due à des zones à grains fins dans la zone affectée thermiquement (HAZ).

Ténacité Charpy

L'acier P91 est idéal pour les composants de centrales électriques à long terme qui fonctionnent à des températures élevées, y compris ceux qui sont exposés à la résistance au fluage et à la charge thermique, à une ductilité élevée et à une dilatation thermique minimale. Comme sa résistance à l'oxydation tombe en dessous de 610 degrés Celsius, ses applications pour la production d'énergie deviennent limitées. En outre, sa faible résistance aux chocs limite son utilisation sous des charges dynamiques ; pour améliorer encore cette propriété, il est recommandé d'effectuer un traitement thermique post-soudure (PWHT). La norme DIN EN 288-3 prévoit des essais mécaniques sur des échantillons HAZ réels de soudure, dans lesquels la propagation des fissures à travers chaque sous-zone diffère en fonction de sa microstructure et entraîne des variations de l'énergie d'impact d'un essai à l'autre.

Les soudures à l'arc sous protection multipasse des aciers P91 et P22 présentent une faible résistance aux chocs dans les zones de fusion des soudures (FGHAZ). Cela est dû à une accumulation de martensite non trempée dans cette zone en raison d'un PWHT inadéquat.

Des études ont démontré les effets du niveau d'hydrogène diffusible et de la durée du PWHT sur les propriétés mécaniques et le gradient de dureté des pièces soudées. Pandey et al. ont étudié l'effet de ce facteur sur la microstructure et les propriétés de traction des plaques P91 soudées en plusieurs passes par SMAW avec quatre niveaux d'hydrogène différents, montrant qu'un niveau d'hydrogène diffusible et une durée de PWHT plus élevés amélioraient les propriétés de traction mais diminuaient la résistance aux chocs.

Résistance à la corrosion

L'acier de qualité 91 est connu pour son excellente résistance à la corrosion ; cependant, la martensite induite par les contraintes et les dommages dus au fluage peuvent provoquer la corrosion. Le traitement thermique post-soudure (PWHT) peut contribuer à atténuer ces effets ; cependant, cette méthode n'est pas toujours réalisable ou rentable, en particulier lors des réparations en service.

Dans le cadre de son objectif de développer des procédures de réparation des soudures pour la nuance 91 sans PWHT, la recherche menée dans ce projet s'est concentrée sur l'étude du comportement métallurgique des matériaux pendant les processus de soudage et de traitement thermique, en évaluant les microstructures des échantillons de soudure et HAZ produits après le soudage ; des essais mécaniques ont ensuite été menés sur des soudures réelles pour mesurer la ténacité HAZ.

Des comparaisons ont également été effectuées sur différentes techniques de soudage, en se concentrant sur l'effet des températures de préchauffage/interpassage et des courants de soudage. Les électrodes dont les diamètres correspondent à ceux de la nuance 91 se sont avérées les plus appropriées pour développer des procédures de soudage sans PWHT ; l'utilisation de combinaisons d'électrodes SMAW de diamètres 3,2 mm (1/8 po, première couche) et 4,0 mm (5/32 po, deuxième couche) a permis d'obtenir un affinage significatif tandis que le revenu était limité dans les ZHA.

Les traitements thermiques post-soudure des joints de soudure TIG entre les aciers P22 et 91 utilisant le métal d'apport Inconel 625 sont mieux réalisés à 750 degrés Celsius pendant 2 heures pour obtenir un compromis optimal entre la dureté de l'interface et les propriétés du métal de soudure, tout en maintenant des propriétés mécaniques élevées sur un large spectre de températures.