Note de l'éditeur : Pharmaceutical Online est heureux de présenter cet article en quatre parties sur le soudage orbital de la tuyauterie de bioprocédés par l'experte de l'industrie Barbara Henon d'Arc Machines. Cet article est adapté de la présentation du Dr Henon à la conférence ASME à la fin de l'année dernière.
Empêche la perte de résistance à la corrosion. L'eau de haute pureté telle que DI ou WFI est un décapant très agressif pour l'acier inoxydable. De plus, le WFI de qualité pharmaceutique est cyclé à haute température (80 ° C) pour maintenir la stérilité. du chrome et du nickel peuvent également être présents. La présence de rouge est mortelle pour certains produits et sa présence peut entraîner une corrosion supplémentaire, bien que sa présence dans d'autres systèmes semble être assez bénigne.
Le soudage peut affecter négativement la résistance à la corrosion. La couleur chaude est le résultat de matériaux oxydants déposés sur les soudures et les ZAT pendant le soudage, est particulièrement préjudiciable et est associée à la formation de rouge dans les systèmes d'eau pharmaceutiques. La formation d'oxyde de chrome peut provoquer une teinte chaude, laissant derrière elle une couche appauvrie en chrome qui est sensible à la corrosion. jamais, le décapage et le meulage sont préjudiciables à la finition de surface. La passivation du système de tuyauterie avec des formulations d'acide nitrique ou d'agent chélatant est effectuée pour surmonter les effets néfastes du soudage et de la fabrication avant la mise en service du système de tuyauterie. 50 angströms, alors que la coloration thermique peut s'étendre jusqu'à 1000 angströms ou plus sous la surface.
Par conséquent, afin d'installer des systèmes de tuyauterie résistants à la corrosion à proximité de substrats non soudés, il est important d'essayer de limiter les dommages induits par le soudage et la fabrication à des niveaux qui peuvent être sensiblement récupérés par passivation. la manipulation soigneuse des tuyaux et des composants en acier inoxydable pendant la fabrication pour éviter la contamination, sont des exigences essentielles pour un système de tuyauterie de haute qualité qui résiste à la corrosion et fournit un service productif à long terme.
Les matériaux utilisés dans les systèmes de tuyauterie en acier inoxydable biopharmaceutique de haute pureté ont évolué vers une meilleure résistance à la corrosion au cours de la dernière décennie. La plupart de l'acier inoxydable utilisé avant 1980 était de l'acier inoxydable 304 car il était relativement peu coûteux et une amélioration par rapport au cuivre utilisé auparavant. En fait, les aciers inoxydables de la série 300 sont relativement faciles à usiner, peuvent être soudés par fusion sans perte excessive de leur résistance à la corrosion et ne nécessitent pas de traitements spéciaux de préchauffage et de post-chauffage.
Récemment, l'utilisation de l'acier inoxydable 316 dans les applications de tuyauterie de haute pureté a augmenté. Le type 316 a une composition similaire au type 304, mais en plus des éléments d'alliage de chrome et de nickel communs aux deux, le 316 contient environ 2 % de molybdène, ce qui améliore considérablement la résistance à la corrosion du 316. Les types 304L et 316L, appelés nuances « L », ont une teneur en carbone inférieure à celle des nuances standard (0. 035 % contre 0,08 %).Cette réduction de la teneur en carbone est destinée à réduire la quantité de précipitations de carbure pouvant survenir lors du soudage. des soudures résistantes à la corrosion que des soudures similaires réalisées à la main. En effet, le soudage orbital permet un contrôle précis de l'ampérage, de la pulsation et de la synchronisation, ce qui entraîne un apport de chaleur inférieur et plus uniforme que le soudage manuel. Le soudage orbital en combinaison avec les nuances "L" 304 et 316 élimine pratiquement la précipitation de carbure en tant que facteur de développement de la corrosion dans les systèmes de tuyauterie.
Variation de la chaleur à la chaleur de l'acier inoxydable. Bien que les paramètres de soudage et d'autres facteurs puissent être maintenus dans des tolérances assez strictes, il existe encore des différences dans l'apport de chaleur nécessaire pour souder l'acier inoxydable de la chaleur à la chaleur. Un numéro de chaleur est le numéro de lot attribué à une fonte d'acier inoxydable spécifique à l'usine. de températures, en fonction du type et de la concentration de chaque alliage ou oligo-élément présent. Étant donné qu'il n'y a pas deux coulées d'acier inoxydable contenant exactement la même concentration de chaque élément, les caractéristiques de soudage varient d'un four à l'autre.
Le MEB de soudures orbitales de tuyaux 316L sur des tuyaux AOD (en haut) et du matériau EBR (en bas) a montré une différence significative dans la douceur du cordon de soudure.
Alors qu'une seule procédure de soudage peut fonctionner pour la plupart des chaleurs avec un diamètre extérieur et une épaisseur de paroi similaires, certaines chaleurs nécessitent moins d'ampérage et d'autres nécessitent un ampérage plus élevé que la normale. Pour cette raison, le chauffage de différents matériaux sur le chantier doit être soigneusement suivi pour éviter les problèmes potentiels.
Problème de soufre.Le soufre élémentaire est une impureté liée au minerai de fer qui est en grande partie éliminée au cours du processus de fabrication de l'acier.Les aciers inoxydables AISI de type 304 et 316 sont spécifiés avec une teneur maximale en soufre de 0,030%.Avec le développement de procédés modernes d'affinage de l'acier, tels que la décarburation à l'oxygène à l'argon (AOD) et les pratiques de fusion sous vide double telles que la fusion par induction sous vide suivie d'une refusion à l'arc sous vide (VIM + VAR), il est devenu possible de produire des aciers très spéciaux. de la manière suivante.leur composition chimique.Il a été noté que les propriétés du bain de fusion changent lorsque la teneur en soufre de l'acier est inférieure à environ 0,008%.Cela est dû à l'effet du soufre et, dans une moindre mesure, d'autres éléments sur le coefficient de température de tension superficielle du bain de fusion, qui détermine les caractéristiques d'écoulement du bain de liquide.
À de très faibles concentrations de soufre (0,001 % à 0,003 %), la pénétration du bain de fusion devient très large par rapport à des soudures similaires réalisées sur des matériaux à teneur moyenne en soufre. à souder, en particulier avec des parois plus épaisses. À l'extrémité supérieure de la concentration de soufre dans l'acier inoxydable 304 ou 316, le cordon de soudure a tendance à être moins fluide en apparence et plus rugueux que les matériaux à soufre moyen.
Les producteurs de tuyaux en acier inoxydable électropoli ont remarqué que même des niveaux modérés de soufre dans l'acier inoxydable 316 ou 316L rendent difficile de répondre aux besoins de leurs clients semi-conducteurs et biopharmaceutiques pour des surfaces intérieures lisses et sans piqûres. L'utilisation de la microscopie électronique à balayage pour vérifier la douceur de la finition de surface du tube est de plus en plus courante. vides dans la plage de 0,25 à 1,0 micron.
Les fabricants et les fournisseurs de tubes électropolis poussent le marché vers l'utilisation de matériaux à très faible teneur en soufre pour répondre à leurs exigences de finition de surface. Cependant, le problème ne se limite pas aux tubes électropolis, car dans les tubes non électropolis, les inclusions sont éliminées lors de la passivation du système de tuyauterie. Il a été démontré que les vides sont plus sujets aux piqûres que les surfaces lisses.
Déviation de l'arc. En plus d'améliorer la soudabilité de l'acier inoxydable, la présence d'un peu de soufre améliore également l'usinabilité. En conséquence, les fabricants et les fabricants ont tendance à choisir des matériaux à l'extrémité supérieure de la plage de teneur en soufre spécifiée. le contraire de ce qui se passe lors du soudage de tuyaux avec des concentrations de soufre correspondantes. Dans des cas extrêmes, le cordon de soudure peut pénétrer complètement le matériau à faible teneur en soufre et laisser l'intérieur de la soudure complètement non fusionné (Fihey et Simeneau, 1982). VIM+VAR) ) pour la fabrication de raccords et d'autres composants destinés à être soudés sur des tuyaux à faible teneur en soufre. Souder deux matériaux à très faible teneur en soufre l'un à l'autre est beaucoup plus facile que de souder un matériau à très faible teneur en soufre à un autre à plus forte teneur en soufre.
Le passage à l'utilisation de tubes à faible teneur en soufre est en grande partie dû à la nécessité d'obtenir des surfaces de tubes internes lisses et électropolies. Alors que la finition de surface et l'électropolissage sont importants à la fois pour l'industrie des semi-conducteurs et l'industrie biotechnologique/pharmaceutique, SEMI, lors de la rédaction de la spécification de l'industrie des semi-conducteurs, a spécifié que les tubes 316L pour les conduites de gaz de procédé doivent avoir un bouchon de 0,004 % de soufre pour des performances optimales. Teneur en soufre dans une plage de 0,005 à 0,017 %. Cela devrait entraîner moins de difficultés de soudage par rapport aux soufres de plage inférieure. Cependant, il convient de noter que même dans cette plage limitée, une déviation de l'arc peut encore se produire lors du soudage de tuyaux à faible teneur en soufre sur des tuyaux ou des raccords à haute teneur en soufre, et les installateurs doivent suivre attentivement le chauffage du matériau et vérifier avant la fabrication la compatibilité des soudures entre les chauffages. Production de soudures.
d'autres oligo-éléments. Les oligo-éléments, notamment le soufre, l'oxygène, l'aluminium, le silicium et le manganèse, se sont avérés affecter la pénétration. Des traces d'aluminium, de silicium, de calcium, de titane et de chrome présentes dans le métal de base sous forme d'inclusions d'oxyde sont associées à la formation de scories pendant le soudage.
Les effets des divers éléments sont cumulatifs, de sorte que la présence d'oxygène peut compenser certains des effets de faible teneur en soufre. Des niveaux élevés d'aluminium peuvent contrecarrer l'effet positif sur la pénétration du soufre. Le manganèse se volatilise à la température de soudage et se dépose dans la zone affectée par la chaleur de soudage. Ces dépôts de manganèse sont associés à une perte de résistance à la corrosion.
Formation de laitier. Des îlots de laitier apparaissent parfois sur le cordon en acier inoxydable pour certaines chaleurs. Il s'agit intrinsèquement d'un problème de matériau, mais parfois des changements dans les paramètres de soudage peuvent minimiser cela, ou des changements dans le mélange argon/hydrogène peuvent améliorer la soudure. Pollard a constaté que le rapport aluminium/silicium dans le métal de base affecte la formation de laitier. est au-dessus de ce niveau, des scories sphériques peuvent se former plutôt que le type de plaque. Ce type de scories peut laisser des piqûres après le polissage électrolytique, ce qui est inacceptable pour les applications de haute pureté. Les îlots de scories qui se forment sur le diamètre extérieur de la soudure peuvent entraîner une pénétration inégale de la passe ID et peuvent entraîner une pénétration insuffisante.
Soudage en un seul passage avec pulsation. Le soudage orbital automatique standard de tube est une soudure en un seul passage avec courant pulsé et rotation continue à vitesse constante. Cette technique convient aux tuyaux avec des diamètres extérieurs de 1/8″ à environ 7″ et des épaisseurs de paroi de 0,083″ et moins. Après une pré-purge temporisée, un arc se produit. tourne autour du joint de soudure jusqu'à ce que la soudure rejoigne ou chevauche la partie initiale de la soudure au cours de la dernière couche de soudure. Lorsque la connexion est terminée, le courant diminue progressivement.
Mode pas à pas (soudage "synchronisé"). Pour le soudage par fusion de matériaux à parois plus épaisses, généralement supérieures à 0,083 pouce, la source d'alimentation de soudage par fusion peut être utilisée en mode synchrone ou pas à pas. En mode synchrone ou pas à pas, l'impulsion de courant de soudage est synchronisée avec la course, de sorte que le rotor est stationnaire pour une pénétration maximale pendant les impulsions de courant élevé et se déplace pendant les impulsions de courant faible. temps d'impulsion pour le soudage conventionnel.Cette technique peut souder efficacement des tuyaux à paroi mince de calibre 40 de 0,154″ ou 6″ d'épaisseur avec une épaisseur de paroi de 0,154″ ou 6″. convient aux applications ultra-haute pureté (UHP) en raison de la couture plus large et plus rugueuse.
Variables programmables. La génération actuelle de sources d'alimentation de soudage est basée sur un microprocesseur et stocke des programmes qui spécifient des valeurs numériques pour les paramètres de soudage pour un diamètre (OD) et une épaisseur de paroi spécifiques du tuyau à souder, y compris le temps de purge, le courant de soudage, la vitesse de déplacement (RPM), le nombre de couches et le temps par couche, le temps d'impulsion, le temps de descente, etc. et montée. Pour effectuer le soudage par fusion, installez la tête de soudage avec l'électrode appropriée et les inserts de collier de serrage sur le tuyau et rappelez le calendrier ou le programme de soudage à partir de la mémoire de la source d'alimentation. La séquence de soudage est lancée en appuyant sur un bouton ou une touche du panneau à membrane et le soudage se poursuit sans intervention de l'opérateur.
Variables non programmables. Pour obtenir une qualité de soudure toujours bonne, les paramètres de soudage doivent être soigneusement contrôlés. Ceci est obtenu grâce à la précision de la source d'alimentation de soudage et du programme de soudage, qui est un ensemble d'instructions entrées dans la source d'alimentation, composé de paramètres de soudage, pour souder une taille spécifique de tuyau ou de tuyau. d'un bon équipement de préparation finale, de bonnes pratiques de nettoyage et de manipulation, de bonnes tolérances dimensionnelles des tubes ou d'autres pièces à souder, d'un type et d'une taille de tungstène constants, de gaz inertes hautement purifiés et d'une attention particulière aux variations de matériaux.- température élevée.
Les exigences de préparation pour le soudage des extrémités de tubes sont plus critiques pour le soudage orbital que pour le soudage manuel. Les joints soudés pour le soudage orbital de tubes sont généralement des joints bout à bout carrés.
Les extrémités du tuyau doivent s'emboîter dans la tête de soudage de sorte qu'il n'y ait pas d'espace visible entre les extrémités du joint bout à bout carré. Bien que des joints soudés avec de petits espaces puissent être réalisés, la qualité de la soudure peut être affectée. d'autres, souvent utilisés pour réaliser des soudures orbitales à extrémités lisses adaptées à l'usinage. Les scies à tronçonner, les scies à métaux, les scies à ruban et les coupe-tubes ne conviennent pas à cette fin.
En plus des paramètres de soudage qui alimentent le soudage, il existe d'autres variables qui peuvent avoir un effet profond sur le soudage, mais elles ne font pas partie de la procédure de soudage proprement dite. Cela comprend le type et la taille du tungstène, le type et la pureté du gaz utilisé pour protéger l'arc et purger l'intérieur du joint de soudure, le débit de gaz utilisé pour la purge, le type de tête et de source d'alimentation utilisée, la configuration du joint et toute autre information pertinente. Nous appelons ces variables « non programmables » et les enregistrons sur le programme de soudage. le type de gaz est considéré comme une variable essentielle dans la spécification de procédure de soudage (WPS) pour que les procédures de soudage soient conformes au code ASME Section IX des chaudières et des appareils à pression.
L'acier inoxydable résiste à l'oxydation de l'oxygène atmosphérique à température ambiante. Lorsqu'il est chauffé à son point de fusion (1530 °C ou 2800 °F pour le fer pur), il s'oxyde facilement. L'argon inerte est le plus souvent utilisé comme gaz de protection et pour purger les joints soudés internes par le procédé orbital GTAW. qualité ou si le système de purge n'est pas complètement étanche, de sorte qu'une petite quantité d'air s'infiltre dans le système de purge, l'oxydation peut être bleu sarcelle ou bleuâtre. Bien sûr, aucun nettoyage n'entraînera la surface noire croustillante communément appelée « adoucie ». , etc., pour un total de 40 ppm au maximum. L'argon de haute pureté dans une bouteille ou l'argon liquide dans un Dewar peut être pur à 99,999 % ou contenir 10 ppm d'impuretés totales, avec un maximum de 2 ppm d'oxygène. REMARQUE : Des purificateurs de gaz tels que Nanochem ou Gatekeeper peuvent être utilisés pendant la purge pour réduire les niveaux de contamination à des parties par milliard (ppb).
composition mixte. Des mélanges de gaz tels que 75 % hélium/25 % argon et 95 % argon/5 % hydrogène peuvent être utilisés comme gaz de protection pour des applications spéciales. Les deux mélanges ont produit des soudures plus chaudes que celles réalisées avec les mêmes paramètres de programme que l'argon. L'avantage est qu'il produit une flaque d'eau plus humide et une surface de soudure plus lisse, ce qui est idéal pour la mise en œuvre de systèmes de distribution de gaz à ultra haute pression avec une surface intérieure aussi lisse que possible. du cordon de soudure interne.
Le cordon de soudure utilisant un mélange d'hydrogène car le gaz de protection est plus étroit, sauf que l'acier inoxydable a une très faible teneur en soufre et génère plus de chaleur dans la soudure que le même réglage de courant avec de l'argon non mélangé. utiliser la chaleur générée par l'arc varie avec la concentration d'hydrogène, une concentration constante est essentielle pour obtenir des soudures reproductibles, et il existe des différences dans le gaz en bouteille pré-mélangé. Un autre inconvénient est que la durée de vie du tungstène est considérablement raccourcie lorsqu'un mélange d'hydrogène est utilisé. utilisé pour souder l'acier au carbone ou le titane.
Une caractéristique distinctive du procédé TIG est qu'il ne consomme pas d'électrodes. GTAW en raison des propriétés supérieures du tungstène au cérium, en particulier pour les applications GTAW orbitales. Le tungstène au thorium est moins utilisé que par le passé car il est quelque peu radioactif.
Les électrodes avec une finition polie sont de taille plus uniforme. Une surface lisse est toujours préférable à une surface rugueuse ou irrégulière, car la cohérence de la géométrie de l'électrode est essentielle pour des résultats de soudage cohérents et uniformes. Les électrons émis par la pointe (DCEN) transfèrent la chaleur de la pointe en tungstène à la soudure. répétabilité de la soudure. La pointe émoussée force l'arc de la soudure au même endroit sur le tungstène. Le diamètre de la pointe contrôle la forme de l'arc et la quantité de pénétration à un courant particulier. L'angle de conicité affecte les caractéristiques courant/tension de l'arc et doit être spécifié et contrôlé.
La taille de l'électrode et son diamètre de pointe sont sélectionnés en fonction de l'intensité du courant de soudage. Si le courant est trop élevé pour l'électrode ou sa pointe, il peut perdre du métal de la pointe, et l'utilisation d'électrodes avec un diamètre de pointe trop grand pour le courant peut provoquer une dérive de l'arc. petits composants de précision. Pour la répétabilité du processus de soudage, le type et la finition du tungstène, la longueur, l'angle de cône, le diamètre, le diamètre de la pointe et l'espacement de l'arc doivent tous être spécifiés et contrôlés. Pour les applications de soudage de tubes, le tungstène au cérium est toujours recommandé car ce type a une durée de vie beaucoup plus longue que les autres types et possède d'excellentes caractéristiques d'allumage de l'arc. Le tungstène au cérium est non radioactif.
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