Une nouvelle technologie accélère le soudage des pipelines de sables bitumineux

Par Elliott K. Stava et Peter Nicholson
The Lincoln Electric Company
Cleveland, Ohio

Grâce au procédé Surface Tension Transfer® (STT®), les soudures avec écartement à la racine sur les pipelines utilisés dans les projets de sables bitumineux de l’Alberta se font plus rapidement et avec moins de défauts qu’avec les méthodes de soudage traditionnelles. Pour le projet Millennium de calibre mondial sur le site des sables bitumineux Suncor à Fort McMurray, en Alberta, le procédé est utilisé pour les passes à la racine, ainsi que pour les soudures complètes, à la fois sur les pipelines en acier au carbone et en acier inoxydable, y compris les pipelines qui comportent jusqu’à 9 % de chrome. Pour bon nombre de ces projets, le processus est également intégré à un nouveau système de soudage orbital automatique de pipelines, AutoWeld®, qui favorise une production encore plus rapide.

Le projet Millennium, créé grâce à l’initiative conjointe de Millennium Construction Contractors (MCC) et de Suncor Energy, Inc., fait partie des imposants projets de sables bitumineux de l’Alberta. Il a été estimé que la région détient environ 300 milliards de barils de bitume récupérables grâce à la technologie moderne. Ces chiffres estimés sont légèrement plus élevés que les réserves prouvées de 285 milliards de barils de l’Arabie saoudite. L’exploitation Suncor est l’une des deux exploitations à ciel ouvert, entièrement intégrées, d’extraction et d’enrichissement dans la région de Fort McMurray, qui produisent collectivement plus de 300 000 barils de pétrole brut synthétique tous les jours.

Les gisements de sables bitumineux consistent en un mélange noir, genre goudron, de sable, d’argile et de bitume, que l’on retrouve à diverses profondeurs de la surface. Après son exploitation à l’aide de techniques d’exploitation à ciel ouvert, le sable bitumineux est traité dans une usine d’extraction pour séparer le bitume du sable. Le pétrole visqueux (bitume) extrait des sables bitumineux est trop lourd à transporter par pipeline et également trop lourd à traiter pour la plupart des entreprises de raffinage. Le bitume est soit mélangé avec un diluant pour former un mélange puis envoyé aux raffineries par pipeline, soit soumis au « craquage » à haute température pour le transformer en un pétrole brut synthétique léger de grande qualité ou en toute autre charge d’alimentation de raffinerie.

Le soudage joue un rôle majeur

Le soudage est un élément important du projet Millennium. Depuis ses débuts en mai 1999, plus de 400 soudeurs ont collaboré à ce projet en période de pointe. Le plus gros du soudage à ce jour a été effectué sur des pipelines aux premiers stades du processus, avant que le raffinage n’intervienne. Ici, les sables bitumineux dans leur état bitumineux (essentiellement une « impureté huileuse ») sont traités et purifiés. De l’eau chaude, de la vapeur et de la soude caustique sont ajoutées pour aider à séparer le bitume, le sable et l’argile du sable bitumineux. Bien que de nombreuses méthodes de soudage différentes aient été employées à divers stades du projet, le procédé STT a été utilisé pour effectuer les passes à la racine, ainsi que pour un grand nombre de soudures complètes, à la fois pour les pipelines en acier au carbone et an acier inoxydable. M. Frank Hopple, directeur du soudage et des Services d’END pour Bechtel International (qui s’est joint à Fluor Constructors-Canada pour former MCC), a collaboré avec les membres du syndicat « UA Local 488 » pour mettre au point divers protocoles pour le soudage des pipelines sur le terrain à l’aide du procédé STT. L’électrode utilisée pour toutes les soudures sur un pipeline en acier inoxydable est le fil d’acier inoxydable 316 (diamètre de 0,045 po).

M. Hopple signale qu’on trouve actuellement 30 appareils STT sur le site, dont environ 22 fonctionnent en même temps à toute heure de la journée. « Dans la plupart des applications, nous avons recours au STT pour la soudure en entier, et non pas uniquement la racine. Pour la soudure avec écartement à la racine, on procède verticalement vers le bas et, pour le reste, verticalement vers le haut. », ajoute-t-il. Étant donné qu’il ne s’agit pas d’un projet de pipeline, M. Hopple fait remarquer que les critères d’acceptation des soudures (radiographiques) sont considérablement plus rigoureux que la norme API 1104. Il précise en outre que la qualité est plus contrôlable, le taux de rejet global étant de seulement 1,9 %, alors que la moyenne de la région tend à être considérablement plus élevée. Selon M. Hopple, le programme de soudage STT a obtenu beaucoup de succès et il s’attend à ce qu’on y ait recours dans un nombre de plus en plus grand de projets futurs.

Parmi les soudures pour lesquelles on a eu recours au procédé STT, on retrouve :

• Service normal du code ASME B31.3 10 % RT et 10 % UT.
• Matériaux : Acier au carbone, principalement A106-B, paroi standard, diamètres de 3 po à 66 po et placage laminé de qualité 516-70.
• Soudures : Dans l’ensemble, environ 1 800 soudures bout à bout.
• Code ASME B31.1 vapeur 800, 100 % RT 5 % UT.
• Matériaux : SA106B.
• Soudures : 170 soudures sur paroi de 1 1/4 po, diamètre de 30 po et 190 soudures sur paroi standard de 36 po.
• Code ASME B31.3 100 % RT 5 % UT.
• Soudures : 850 soudures.
• Code ASME B31.3 100 % RT 5 % UT.
• Matériaux : A335 P5, diamètre de 3 po à 24 po, épaisseur de la paroi 1,219 po.
• Soudures : 400 soudures.

M. Hopple fait observer qu’il est très simple d’enseigner aux soudeurs le nouveau procédé. Une fois le procédé STT lancé sur le site, une école a été mise sur pied pour former le formateur, Jim Murphy. Aujourd’hui, M. Murphy veille au maintien d’un programme de formation pour environ 40 soudeurs STT actifs sur le site.

Nouveau procédé combinant tout ce que les autres procédés ont de mieux à offrir

L’une des soudures de pipeline les plus critiques, la passe à la racine ou passe de fond, est également considérée comme étant l’une des plus difficiles à exécuter pour ce qui est d’obtenir la fusion appropriée et le profil interne du cordon de soudure voulu. De plus, la vitesse à laquelle la soudure est accomplie détermine le rythme global de construction d’un pipeline.

Par le passé, le soudage d’un pipeline avec écartement à la racine se faisait à l’aide de l’un des trois procédés suivants, chacun comportant ses avantages et ses inconvénients :

Soudage à l'arc avec électrode enrobée (procédé SMAW), aussi connu sous le nom de « soudage à la baguette ». Les coûts d’équipement sont faibles, mais ce procédé exige un niveau de compétence élevé de la part de l’opérateur. Les départs et arrêts fréquents peuvent donner lieu à des défauts de soudure.

Soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène (procédé GTAW), communément appelé « soudage TIG ». Offre l’avantage de produire une soudure à bas hydrogène et, par conséquent, qui présente moins de défauts. Cependant, un niveau de compétence plus élevé de la part de l’opérateur est exigé. Ces soudures sont réalisées en position verticale montante, où la vitesse d’avancement est faible et l’apport de chaleur élevé.

Soudage à l'arc sous gaz avec fil plein (procédé GMAW), aussi connu sous le nom de « soudage MIG ». Procédé beaucoup plus rapide que le soudage TIG. La soudure est réalisée en position verticale descendante, une position privilégiée, mais l’apport en chaleur est difficile à contrôler, ce qui fait que la fusion ne se fera pas toujours à 100 %.

Le procédé STT permet de surmonter les problèmes associés à ces autres procédés et mise sur les avantages de chacun d’entre eux. Cela permet d’exécuter les soudures complètes avec écartement à la racine trois ou quatre fois plus vite qu’à l’aide du procédé GTAW, avec un faible apport en chaleur et sans aucun manque de fusion. Le procédé STT consiste en un procédé GMAW modifié qui fait appel à une technologie d’onduleur de haute fréquence comportant un contrôle de forme d’onde avancé pour produire des soudures de haute qualité, tout en réduisant considérablement la fumée et la projection. Il élimine la sensibilité au manque de fusion et l’apport en chaleur excessif et offre un intérêt beaucoup plus grand pour l’opérateur.

Contrairement au procédé GMAW standard, la technologie STT offre la possibilité de contrôler la chaleur du bain de fusion indépendamment de la vitesse du fil-électrode. Cela permet à l’opérateur de régler l’apport en chaleur pour obtenir le profil du cordon de soudure voulu. L’opérateur positionne simplement l’arc sur la partie avant – non pas la lèvre – du bain de fusion et suit ce bain de fusion autour du tuyau, si la soudure se fait dans la délicate position 6G. Le contrôle indépendant de l’apport en chaleur permet de contrôler la température du bain de fusion, prévenant ainsi le manque de fusion causé par une faible chaleur, ainsi que la tendance du métal fondu à rétrécir dans la soudure, phénomène de porosité obtenue par aspiration, causé par une chaleur excessive.

Le soudage à l’aide du procédé STT est plus simple qu’à l’aide des autres procédés. Pourtant, il produit des soudures uniformes, de qualité radiographique. Il est difficile d’obtenir le même degré de précision en fait de régulation de la chaleur à l’aide des sources d’énergie traditionnelles relevant du soudage « MIG », car ces appareils contrôlent la tension moyenne, au lieu du courant. Le courant change pour maintenir la tension moyenne, modifiant ainsi la température du bain de fusion, ce qui peut causer un manque de fusion ou la « porosité par aspiration ».

Qualité de soudure plus grande avec moins de projection et de fumée

Le procédé STT a gagné en acceptation dans la soudure des pipelines étant donné les soudures avec écartement à la racine de qualité élevée qu’il produit. C’est également un processus productif, étant donné que l’électrode est dirigée en majeure partie dans la soudure, plutôt que d’être dispersée sous forme de projection sur le pipeline et les accessoires qui l’entourent. La diminution de la projection réduit au minimum la préparation de la surface de la soudure finale et l’opérateur peut disposer ainsi de plus de temps de soudage avant d’avoir à nettoyer la projection accumulée sur la buse du pistolet de soudage. De plus, des économies supplémentaires peuvent être réalisées grâce à l’utilisation possible d’un fil de plus grand diamètre que celui employé pour les autres procédés.

Les opérateurs trouvent que, non seulement le procédé est simple, mais les propriétés mécaniques et métallurgiques des soudures sont excellentes, y compris les propriétés supérieures de la zone affectée par la chaleur. De plus, les soudures avec écartement à la racine sont exécutées sans le recours aux barres de support internes en céramique ou en cuivre, ce qui élimine la corrosion pouvant résulter de l’inclusion du cuivre.

Le procédé est efficace pour le soudage de l’acier inoxydable et des alliages connexes, de même que les aciers à haute résistance ou à résistance moyenne. Sur l’acier, il offre la capacité d’utiliser un gaz de protection 100 % CO₂ et de produire ainsi une soudure à basse teneur en hydrogène. Sur l’acier inoxydable et les autres alliages, divers gaz de protection peuvent être utilisés, y compris des mélanges avec l’argon et l’hélium. Des propriétés métallurgiques supérieures peuvent être obtenues lorsqu’on soude de l’acier inoxydable duplex et la « température critique de formation de piqûres » (CPT) est considérablement meilleure avec le procédé STT qu’avec le procédé GTAW.

Automatisation du soudage des pipelines

Des gains de productivité encore plus grands peuvent être obtenus lorsque le procédé STT est combiné à d’autres pièces d’équipement pour former le système breveté AutoWeld®. Pour les projets de pipeline majeurs, qui exigent de nombreux joints de qualité élevée et uniforme pour respecter les exigences du code, le système offre des améliorations spectaculaires par rapport aux méthodes existantes.

Pour accroître la productivité tout en maintenant une qualité de soudure exceptionnelle, la soudure est appliquée au moyen d’une tête de soudage légère spécialement conçue et toutes les soudures sont faites à partir de l’extérieur du pipeline. Le système est facile à manœuvrer et ne demande pas un développement de paramètres étendu pour la bonne marche du processus.

Une bonne soudure de pipeline commence par une préparation appropriée et le système AutoWeld permet d’obtenir un écartement à la racine uniforme autour du tuyau grâce à l’utilisation d’un support d’écartement interne spécialement conçu. Ce support aligne et espace les tuyaux de 8 à 56 po de diamètre, avec un écartement à la racine variable pouvant aller jusqu’à 1/8 po (4 mm). L’espacement entre les tuyaux est réglé à l’aide de trois verniers et aucun coin n’est nécessaire pour espacer l’écartement à la racine, là où des coins pourraient abîmer la surface du pipeline usinée.

Les résultats obtenus sur le terrain ont été excellents. Frank Hopple, de Bechtel International, a déclaré : « Le procédé STT a été retenu car vous pouvez exécuter des passes assez lourdes pour ne pas avoir besoin d’exécuter des passes multiples avant l’intervention de l’appareil de soudage avec fil fourré. Cela vous procure un bon avantage. » Il fait valoir également que l’on peut exécuter une passe suffisamment lourde puis y travailler tout de suite à l’aide de l’AutoWeld. Inutile, par conséquent, de s’en faire avec le soufflage. Au départ, le système a été intégré au projet de Suncor pour souder plusieurs centaines de joints dans une conduite de vapeur en acier au carbone SA106B à paroi de 1 1/4 po et d’un diamètre de 30 po. D’autres travaux ont évolué à partir de là. « Nous appliquons la passe à l’aide du procédé STT semi-automatique, puis nous installons l’AutoWeld. À partir du moment de l’installation, nous pouvons souder au complet, en 20 minutes environ, un tuyau à paroi d’une épaisseur standard de 36 po.

Dans cette application, en raison des courbes dans le tuyau, le collier de serrage d’alignement interne exigé pour le procédé AutoWeld STT ne pouvait être utilisé. Un collier de serrage externe a donc été employé, permettant ainsi le recours au procédé STT semi-automatique. Après la soudure avec écartement à la racine, le système AutoWeld a été utilisé pour achever toutes les soudures nécessaires pour remplir et sceller le joint. Le système AutoWeld peut faire toutes les soudures voulues pour effectuer un joint de conduite, en plus de la passe. Cependant, de nombreux entrepreneurs ont recours à une électrode enrobée, avec le matériel traditionnel pour les applications de soudage des tuyaux, et réalisent des soudures qui possèdent d’excellentes propriétés mécaniques et métallurgiques. Les qualités d’enrobage permettent de souder à l’extérieur par temps venteux, et ce, sans tente ni écran de protection auxiliaire.