Soudage de tuyaux en acier galvanisé : pourquoi le revêtement de zinc change tout dans la soudure

Une soudure sur un tuyau galvanisé n'est pas la même opération qu'une soudure sur un tuyau noir avec une surface de couleur différente-. Le revêtement de zinc qui confère aux tuyaux galvanisés leur résistance à la corrosion se comporte très différemment de l'acier aux températures de soudage, et cette différence détermine presque toutes les précautions particulières utilisées par une équipe de soudage galvanisé -, de la façon dont le joint est préparé à la façon dont la soudure est réalisée, en passant par ce qui se passe après l'extinction de l'arc. Comprendre pourquoi ces précautions existent, plutôt que de les traiter comme une liste de contrôle arbitraire, est ce qui différencie un joint galvanisé soudé qui dure aussi longtemps que le reste du tuyau d'un joint qui devient le premier endroit où le système se corrode.

Tous les tuyaux galvanisés n'arrivent pas au poste de soudage avec le même revêtement, et la différence compte avant même le début du soudage.

Tuyau galvanisé à chaud-est produit en immergeant des tuyaux en acier finis dans un bain de zinc fondu, généralement à environ 450 °C. Le zinc réagit avec la surface de l'acier pour former une série de couches d'alliage de zinc-fer, surmontées d'une couche de zinc relativement pur. Cette liaison métallurgique - et pas seulement un dépôt de surface - est ce qui donne au revêtement par immersion à chaud- sa force d'adhérence et sa plage d'épaisseur typique d'environ 45 à 100+ microns en fonction de l'épaisseur de l'acier et du temps d'immersion. Le revêtement n'est pas parfaitement uniforme au niveau microscopique, mais à un niveau pratique, il recouvre continuellement les surfaces intérieures et extérieures du tuyau, y compris les zones difficiles d'accès-à-comme les filetages et les cordons de soudure, car le tuyau est entièrement immergé.

Tuyau électro-galvaniséest produit en déposant du zinc sur la surface de l'acier par voie électrochimique, généralement à température ambiante, à partir d'une solution de sel de zinc-. Le revêtement résultant est plus fin - généralement dans la plage de 5 à 25 microns - d'apparence plus lisse et lié par adhésion électrochimique plutôt que par la couche de diffusion d'alliage à chaud -le revêtement par immersion se développe. Il est plus rapide et moins coûteux à appliquer, et il produit une finition de surface plus uniforme et plus propre sur le plan cosmétique, c'est pourquoi il apparaît souvent dans les applications intérieures ou à faible exposition à la -corrosion- où l'apparence et le coût comptent plus que des décennies de durée de vie en extérieur.

La conséquence pratique pour le soudage : un revêtement par immersion à chaud-contient plus de masse de zinc concentrée près du joint, une plus grande partie de celle-ci est enfermée dans une couche d'alliage qui adhère à la surface de l'acier même sous l'effet de la chaleur, et un revêtement plus épais à retirer avant le soudage. Un revêtement électro-galvanisé est plus fin et plus facile à enlever, mais il offre également une durée de vie plus courte une fois le joint remis en service, car il contient tout simplement moins de zinc au départ. Aucune des deux différences ne modifie la physique sous-jacente de ce qui se passe lorsque l'arc frappe près du zinc -, cela change l'ampleur de ce problème auquel vous êtes confronté et la façon dont les performances de corrosion du joint fini se comparent au reste du tronçon de tuyauterie.

Le problème principal est une simple inadéquation de température. Le zinc bout à environ 907°C. L'acier ne commence à fondre qu'à environ 1 500 degrés Celsius. Un arc de soudage est beaucoup plus chaud que l'un ou l'autre des chiffres -, ce qui signifie qu'au moment où l'arc a fait quelque chose sur l'acier, le zinc qui l'entoure immédiatement s'est déjà vaporisé.

Cette séquence provoque plusieurs problèmes distincts dans la soudure finie, et pas un seul :

• Porosité- la vapeur de zinc libérée dans le bain de soudure ne s'échappe pas complètement avant que le métal ne se solidifie, laissant des poches de gaz dans le métal fondu. La porosité réduit la section transversale efficace-de la soudure et donne aux fissures de corrosion et de fatigue un endroit où s'amorcer.
• Fragilisation par métal liquide- si la chaleur du soudage pousse le zinc fondu ou vaporisé dans les joints de grains de la zone affectée thermiquement-dans l'acier de base, cela peut réduire la ductilité de cette zone et, dans certains cas, contribuer à la fissuration sous une charge ou une contrainte thermique ultérieure. Il s'agit d'un risque bien documenté-particulièrement associé au soudage de l'acier galvanisé, distinct de la porosité des soudures ordinaires.
• Éclaboussures et mauvais profil de cordon- La vaporisation du zinc perturbe l'arc et la surface du bain de fusion, ce qui rend plus difficile le maintien d'un cordon propre et cohérent par rapport au soudage du même joint dans de l'acier nu.
• Risque de fumée- Le zinc vaporisé par l'arc s'oxyde rapidement dans l'air, produisant des fumées d'oxyde de zinc. L'inhalation de ces fumées en concentration suffisante provoque la fièvre des fondeurs, un risque professionnel réel et bien reconnu, c'est pourquoi la ventilation et, si nécessaire, la protection respiratoire sont une pratique standard lors des travaux de soudage galvanisé, et non une précaution facultative.

Aucun de ces problèmes ne disparaît parce qu'un soudeur est compétent -. Ce sont des conséquences physiques du soudage à travers un revêtement de zinc intact. Ce contrôle de compétence et de procédure dépend de la part du problème qui atteint le joint fini, et ce contrôle commence avant que l'arc ne soit amorcé.

La pratique standard consiste à retirer le revêtement de zinc de la zone de joint avant le soudage, à l'aide d'une meuleuse d'angle, d'un ponçage abrasif ou d'un nettoyage à la flamme, plutôt que de souder directement à travers celui-ci. Ce n'est pas cosmétique -, cela résout le risque de porosité et de fragilisation à la source en gardant la vapeur de zinc hors du bain de fusion et de la zone affectée par la chaleur-en premier lieu. La zone dégagée s'étend généralement sur une courte distance en arrière du bord du joint sur le tuyau et sur toute bride ou raccord d'accouplement, pas seulement sur la face biseautée immédiate, car la zone affectée par la chaleur s'étend au-delà de la soudure elle-même et le zinc résiduel juste à l'extérieur du joint visible peut toujours se vaporiser dans la zone sous la chaleur de soudage.

Chaque méthode de suppression comporte un compromis pratique. Le meulage est rapide et contrôlable, mais génère de la poussière chargée de zinc- qui nécessite les mêmes précautions en matière de fumées/poussière que le soudage. Le nettoyage à la flamme brûle le revêtement à l'aide d'un passage de torche d'intensité inférieure-avant le début du soudage, ce qui est utile sur des tuyaux de plus grand-diamètre où le meulage de toute la circonférence prend du temps-, mais il libère toujours de la fumée d'oxyde de zinc pendant le passage de nettoyage lui-même, de sorte que les besoins de ventilation ne disparaissent pas simplement parce que l'arc de soudage n'a pas encore démarré.

Pour les tuyaux galvanisés au-dessus d'environ DN100, les méthodes d'assemblage mécanique - connexions à brides, raccords rainurés/mécaniques ou raccords de type à compression - - sont fréquemment spécifiées au lieu du soudage sur site, et le raisonnement est directement lié à la charge de retrait et de réparation du revêtement - décrite ci-dessus. Un joint DN100+ a une grande circonférence de revêtement à dénuder, à souder, puis à réparer, et tout écart dans cette réparation est un écart dans la protection contre la corrosion sur un joint qui est souvent difficile à inspecter ou à recouvrir-une fois le système en service. Un joint mécanique évite toute perturbation du revêtement au niveau de la zone de joint - pas de meulage, pas de soudure, pas de revêtement de réparation - ce qui supprime toute la catégorie de risque décrite ci-dessus plutôt que de la gérer. Il s'agit moins d'une question d'exigence de code dans la plupart des juridictions que d'une question de gestion pratique des risques une fois que la zone de retrait du revêtement devient suffisamment grande pour qu'une réparation totalement cohérente devienne plus difficile à garantir.

Une fois le joint soudé, la zone qui a été meulée ou brûlée - ainsi que le cordon de soudure lui-même - sont laissés sans protection contre la corrosion, à moins qu'ils ne soient délibérément réparés. Cela est plus important qu'il n'y paraît à première vue : le zinc protège l'acier nu adjacent en partie par une action sacrificielle (galvanique), où le zinc se corrode préférentiellement et protège de petites zones voisines d'acier exposé. Cette protection a une portée efficace limitée -, elle fonctionne pour les trous d'épingle et les dommages mineurs au revêtement, et non pour l'équivalent d'un cordon de soudure complet en acier nu. Si elle n'est pas réparée, la zone de soudure devient le premier point de corrosion du système, remettant en cause la raison pour laquelle les tuyaux galvanisés ont été spécifiés en premier lieu.

La réparation standard utilise un composé riche en zinc - - soit un composé de galvanisation à froid appliqué au pinceau ou par pulvérisation, soit dans certains cas une métallisation de zinc par pulvérisation thermique -pour des applications de -performances plus élevées - construites jusqu'à une épaisseur de film sec comparable au revêtement par immersion à chaud -environnant, souvent en plusieurs couches pour atteindre une épaisseur adéquate en un seul passage. Il ne s'agit pas d'une retouche cosmétique-correspondant à la couleur de la peinture ; il s'agit de restaurer une véritable couche protectrice sacrificielle, et une réparation appliquée trop finement ou avec une mauvaise préparation de la surface en dessous échouera bien avant le reste du revêtement d'origine du tuyau.

Une qualité de soudure constante sur les tuyaux galvanisés se résume à un contrôle dans cinq domaines, chacun abordant un point différent où les risques liés au zinc ci-dessus peuvent se détériorer.

Qualification et continuité des soudeurs.Le soudage correct de tuyaux galvanisés nécessite un contrôle plus strict de l'apport de chaleur et de la vitesse de déplacement que le soudage d'un joint en acier nu équivalent, en particulier pour limiter la quantité de zinc qui se vaporise devant et autour du bain de soudure. Les équipes doivent être qualifiées selon une procédure qui reflète cela - pas seulement une certification générale en soudage - et vérifiées par un test pratique dans des conditions représentatives du site avant d'être autorisées à travailler. Garder la même équipe sur un projet réduit la variabilité due au fait que les soudeurs réapprennent ces ajustements à mi-chemin d'un travail.

Manutention des matériaux de remplissage.Les électrodes enrobées de flux-absorbent l'humidité de l'humidité ambiante, et l'humidité présente dans le revêtement de l'électrode constitue un risque distinct mais cumulatif - : elle contribue à la fissuration induite par l'hydrogène-dans la soudure, indépendamment de tout élément lié au zinc-. Les consommables doivent provenir d'un fournisseur avec une certification complète des matériaux, être stockés et cuits à température contrôlée selon la procédure applicable, et être émis en quantités correspondant à environ une demi--journée d'utilisation afin que les tiges inutilisées ne soient pas laissées pour réabsorber l'humidité dans l'atelier. Ce contrôle est plus important, et non moins, sur les travaux de galvanisation, car la porosité provenant de la vapeur de zinc et la porosité de l'hydrogène provenant de consommables humides peuvent se combiner dans la même soudure.

État et calibrage de l'équipement.La puissance réelle d'une machine à souder doit correspondre à ses paramètres affichés, c'est pourquoi les compteurs de courant et de tension doivent être calibrés avant le début d'un projet. Étant donné que le soudage galvanisé nécessite un contrôle plus strict de l'apport de chaleur-que le soudage de l'acier au carbone ordinaire, une machine non calibrée - ou un câble de soudage suffisamment long pour provoquer une chute de tension significative sans ajustement correspondant des paramètres - sape l'intérêt de spécifier un contrôle minutieux du courant et de la vitesse de déplacement-dans la procédure.

Discipline des processus.Les dimensions et la propreté des rainures (confirmant que le revêtement de zinc a bien été retiré, et pas seulement visuellement noirci) doivent être vérifiées immédiatement avant le début du soudage. Le courant, la tension et la vitesse de déplacement doivent rester dans la plage de la procédure qualifiée tout au long, et pas seulement au début du joint, car la dérive vers un apport de chaleur plus élevé réintroduit davantage de vaporisation de zinc et une zone affectée thermiquement plus large. Les passes radiculaires méritent une attention particulière, car la racine est la plus proche de tout zinc résiduel de l’autre côté du joint et c’est là que la porosité est la plus susceptible de provenir ; les soudures multi-passes doivent être réalisées en couches minces et contrôlées plutôt qu'en un petit nombre de passes lourdes. Sur les joints à conséquences plus élevées-, l'inspection visuelle doit être appuyée par des tests non-destructifs appropriés au service - des tests radiographiques ou ultrasoniques pour les pressions critiques ou les joints structurels, au minimum pour un échantillon représentatif de la course.

Conditions environnementales.La température ambiante, l'humidité et la vitesse du vent à l'emplacement de la soudure affectent toutes la qualité de la soudure, indépendamment du problème de zinc - le vent perturbe le blindage, l'humidité affecte la capture d'hydrogène dans le bain de soudure et dans les consommables stockés, et la température ambiante froide modifie la vitesse de refroidissement et, avec elle, le risque de fissuration dans la zone affectée par la chaleur.-. Lorsque l'un de ces problèmes se situe en dehors de la plage indiquée par la procédure qualifiée, la bonne réponse est de reporter les travaux, de ne pas souder de toute façon et de s'appuyer sur l'inspection pour déceler les problèmes par la suite.