LE SOUDAGE ORBITAL DANS LA FABRICATION DES ECHANGEURS TUBULAIRES

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1 LE SOUDAGE ORBITAL DANS LA FABRICATION DES ECHANGEURS TUBULAIRES Le processus de fabrication des tubes de chaudières démarre par le raboutage des tubes avant cintrage. Les tours de soudage sont ainsi complémentaires au soudage orbital. Les applications des échangeurs de chaleur sont extrêmement variées. Sous diverses dénominations : évaporateurs, surpresseurs, condenseurs, boilers, etc... sont regroupés des appareils dont la fonction est d assurer un échange thermique entre deux fluides pour élever ou diminuer la température de l un des fluides entrant dans un processus de fabrication. Les échangeurs tubulaires trouvent la majorité de leurs applications dans : la production d énergie : centrales électriques classiques ou nucléaires la pétrochimie la chimie fine l industrie pharmaceutique l industrie agroalimentaire le traitement des eaux Ces éléments étant constitués de tubes de faibles diamètres toujours inférieurs à 4 et pour une très large majorité entre 1 et 1,5, il semble logique que le soudage TIG orbital soit aujourd hui très largement utilisé par les fabricants. Le procédé TIG, dont la qualité est reconnue pour le soudage de matériaux aussi divers que les aciers au carbone, les aciers inoxydables ou le titane, permet, quand il est lié à l automatisation des équipements de soudage orbital, d obtenir une qualité et une constance de résultat particulièrement intéressantes compte tenu du nombre très important de soudures identiques à réaliser. Le procédé MIG/MAG à fil fusible est également utilisé en soudage orbital mais il est réservé à des applications sur tubes de gros diamètres et fortes épaisseurs où son taux de dépôt sera particulièrement intéressant. Néanmoins, ce procédé trouve également quelques applications pour le soudage de tubes sur plaques tubulaires de chaudières. Il est nécessaire de considérer deux grandes familles d échangeurs tubulaires: a. Les échangeurs constitués de tubes raccordés entre eux à leurs extrémités par des coudes ou épingles. b. Les échangeurs à plaques tubulaires. Les équipements de soudage TIG orbital seront en effet très différents quant aux têtes de soudage utilisées, le générateur pouvant lui être identique.

2 Soudage de coudes sur tubes avec têtes «MU» Dans la majorité des applications, les coudes présentent deux parties droites (épingles) qui permettront d assurer le bridage de la tête en travaillant par nappes successives. Les épingles correspondant à une nappe sont positionnées et pointées en TIG manuel avant le soudage orbital. Les têtes de soudage «MU» sont composées de 3 éléments : un dispositif de bridage un boîtier d entraînement en rotation une platine ou outillage de soudage Le dispositif de bridage doit assurer le maintien de la tête sans risque de basculement ainsi qu une perpendicularité du plan de rotation de la torche par rapport à l axe du tube. Deux types de bridage peuvent être utilisés : - soit un bridage «à pinces» ; ce système présente l avantage d être facilement réglable en diamètre, - soit un bridage «à coquille», celle-ci est usinée suivant le diamètre des tubes. Ce système offre une excellente tenue et, dans le cas de soudage sur tubes devant être préchauffés pour des impératifs métallurgiques ou de tubes épais nécessitant plusieurs passes, il peut être refroidi par circulation d eau limitant la montée en température de l équipement. Le boîtier d entraînement a pour rôle d assurer la continuité de la rotation malgré l ouverture en U de la tête, grâce à un train de pignons et un moteur à courant continu piloté tant en vitesse qu en degrés par la commande intégrée dans le générateur. La platine reçoit la torche et les différentes glissières de réglage ainsi que le système guidefil. En fonction des épaisseurs à souder et des contraintes d'encombrement, les têtes sont équipées soit d'un dispositif de palpage qui assure mécaniquement une distance électrodetube constante soit d'un ensemble de deux glissières croisées motorisées. Ces glissières assurent d'une part le prépositionnement en hauteur et le centrage de l'électrode et d'autre part, durant le soudage, la régulation de hauteur par mesure de la tension et le mouvement de balayage pour les passes de remplissage. Il est important de noter que les calculs réalisés par les ingénieurs thermiciens en fonction des données initiales comme le rendement et les pressions de service conduisent souvent à des conceptions géométriques de plus en plus contraignantes sur le plan de la fabrication : faible entraxe et forte épaisseur des tubes qui nécessitent l étude et la fabrication de têtes spécifiques adaptées.

3 Soudage de tubes sur plaques tubulaires avec tête «TS» Ces échangeurs sont constitués de nombreuses nappes de tubes dont les extrémités s emboîtent dans des alésages réalisés dans une ou deux plaques souvent de forte épaisseur. Les soudures assurent la tenue aux sollicitations mécaniques et/ou l'étanchéité. Dans le deuxième cas, la tenue mécanique est obtenue par dudgeonnage des tubes dans les alésages. L accès aux soudures s effectue majoritairement par la face avant des plaques. En fonction des impératifs de fonctionnement et/ou de résistance, le positionnement de l extrémité des tubes peut se présenter suivant diverses préparations : - Tubes arasant la plaque : configuration considérée comme la plus facile sur le plan du soudage car autorisant un soudage éventuellement par simple fusion sans nécessité d apport de métal. Les tubes pourront être très légèrement dépassants (0 à 1 mm) ou encore légèrement rentrants afin de favoriser l écoulement du fluide. - Tubes dépassant la plaque : dans cette configuration, les tubes devront avoir une sortie de 3 à 4 mm minimum afin d éviter toute amorce de fusion de l extrémité des tubes lors du soudage. Plaque tubulaire : pas carré pas triangulaire double plaque interne Type de soudure : dépassant rentrant affleurant

4 Les têtes de soudage type «TS» ont été conçues pour ces applications. Grâce au collecteur tournant dont elles sont équipées tant pour les circuits d eau de refroidissement et d arrivée de gaz que pour le courant de soudage, il n y a pas d enroulement de câbles ou de tuyaux. Cela facilite leur utilisation et garantit une productivité maximale. Le système de dévidage de fil d apport peut être également intégré afin de se libérer de la contrainte qu implique une gaine reliée à un dévidoir extérieur. Pour les applications standard, tube arasant ou dépassant, seul l angle de la torche variera : -de 0 à -15 dans le premier cas -de 15 à 30 dans le second. Le centrage de la tête de soudage est réalisé à l aide d un centreur adapté au diamètre interne des tubes. Un système d auto-maintien pneumatique de la tête sur la plaque est souvent utilisé. Son rôle est double : outre la rigidité du maintien et les améliorations de constance de résultat ainsi obtenues, il permet d utiliser une deuxième tête en parallèle conduite par le même opérateur. Le rendement est ainsi augmenté de façon très significative. Pour le soudage de tubes de faibles épaisseurs, inférieures à 1 mm, ce qui est souvent le cas pour des tubes en titane, des têtes spécifiques sans apport de métal ont été conçues avec une protection gazeuse renforcée sous forme de cloche, englobant toute la soudure. D autres préparations sont quelquefois préconisées comme le soudage «à l arrière de la plaque», les tubes sont juste emboîtés sur quelques millimètres dans la plaque. Cette préparation est rendue nécessaire afin de limiter la corrosion caverneuse entre tube et alésage dans les cas d utilisation de fluides très corrosifs. Autre application : le soudage au travers d un collecteur fermé. L accès pour le soudage s'effectue par des trous taraudés situés en face de chaque tube. Dans ce cas particulier, la tête de soudage standard devra recevoir un outillage ou une torche spécifique adapté au diamètre à souder, à la distance de la soudure par rapport à la face avant de la plaque et à l'éventuelle utilisation de métal d'apport.

5 Applications particulières : Dans le cas de fabrication de chaudières de grandes dimensions nécessitant la préfabrication de tubes de grandes longueurs qui seront ensuite cintrés, l utilisation d une installation de raboutage de tubes en amont de la fabrication est souvent prévue. En partant de tubes de longueur standard, compte-tenu des problèmes de transport, l installation de raboutage réalisera en continu l accostage des tubes, la mise en rotation synchronisée des deux tronçons et le soudage automatique en multi-passes soit par procédé TIG conventionnel, soit par la variante TIG Fil chaud qui autorise des taux de dépôt largement supérieurs tout en conservant la qualité liée au procédé TIG. Roger DEROFF POLYSOUDE S.A.S.