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FACULTE DES HYDROCARBURES ET DE LA CHIMIE DEPARTEMENT : TRANSPORT ET EQUIPEMENT DES HYDROCARBURES LABORATOIRE DE FIABILITE DES EQUIPEMENTS PETROLIERS ET MATERIAUX MEMOIRE DE MAGISTER Option : Fiabilité et Maintenance Industrielle ELABORATION ET QUALIFICATION D UNE PROCEDURE DE REPARATION PAR SOUDAGE TIG D AUBE DE TURBINE A GAZ EN SUPERALLIAGE À BASE DE NICKEL - INCONEL 738 Présenté par : M. Youcef YAHMI Devant le jury composé de : M. BOUABDALLAH Professeur ENP El-Harrach Président A. OULHADJ PHD SONATRACH- TRC Examinateur L. BOUALI M. de Conférence- FHC-UMB Boumerdes Examinateur M. GACEB M. de Conférence- FHC-UMB Boumerdes Examinateur M. N. ABDELBAKI M. de Conférence FHC-UMB BOUMERDES Rapporteur BOUMEDRES REMERCIEMENTS Je suis extrêmement reconnaissant à mon Promoteur, M. N. ABDELBAKI, Enseignant et Doyen de la Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie, Université de Boumerdes, pour son conseil constant et son soutien tant sur le plan moral que scientifique. J'aimerais aussi remercier le Dr A. OULHADJ de SONATRACH pour m avoir aidé et fait profiter de ses compétences pour mener à bien ce mémoire. Je tiens à remercier le Pr. M. BOUABDALLAH pour avoir accepté de présider le jury de la soutenance et MM M. GACEB et L. BOUALI pour avoir accepté d être membres de jury. Je remercie Monsieur A. LADHAM, Directeur de la Division de Maintenance Laghouat (DML) Sonatrach pour m avoir accueilli au sein de son entreprise. Je remercie également aussi Monsieur M. D. LARDJANI DE L URSAM-CSC Annaba et M. KADOUMA de CRNB, Ain Oussera pour avoir bien accepté de réaliser les essais mécaniques au sein de leur service. Mes remerciements vont également à M. S. CHELGHOUM et M. HAMOUDA de la DML et M. M. E. FAHSSI du Centre de Soudage et Contrôle de Chéraga pour leur aide si précieuse. Je tiens à remercier aussi tous ceux qui ont apporté leur contribution à la réalisation de ce travail. 2 SOMMAIRE Résumés 1 INTROUDUCTION 3 CHAPITRE 1 LA TURBINE À GAZ 1.1 Définition Principe et fonctionnement Aubes de turbine à gaz Description Forme de l aube Procédé de fabrication des aubes de turbines à gaz: Fonderie de précision à 8 modèle perdu Solidification équiaxe Refroidissement des aubes de turbines Force et vitesses d un étage de la turbine Contraintes dans les aubes de turbines à gaz Sollicitations et conditions de fonctionnement Défaillances des aubes Types et positions des défauts réparables Limites des pratiques de réparation des aubes actuelles Contraintes dans les soudures de réparation typiques 17 CHAPITRE 2 LES SUPERALLIAGES 2.1 Introduction Définition Les superalliages à base de nickel Structure d un superalliage à base de nickel Composition chimique Rôles des composants Rôle et importance de la phase Dimensions des précipités de Rôle des carbures Rôle des différents éléments d alliage Influence de la grosseur du grain La résistance à la corrosion 27 3 2.3.6 Alliages moulés Mode de durcissement Usinage Soudabilité Traitement thermique des superalliages 32 a. Mise en solution 33 b. Traitements de précipitation (revenus) Décapage et revêtement de surface Application L INCONEL Introduction Composition Traitement thermique Propriétés physiques Propriétés mécaniques Fabrication Soudabilité 39 CHAPITRE 3 PROCEDURES DE REPARATION PAR SOUDAGE DES AUBES DE TURBINES 3.1 Introduction Procédés de réparation Réparation par soudage TIG Réparation par le procédé de plasma d arc Procédé par rayon laser 45 CHAPITRE 4 MATERIAUX ET PROCEDURES EXPERIMENTALES 4-1 Présentation de l aube Caractéristiques principales du métal de base Métaux d apport Composition chimique Propriétés mécaniques Traction Fluage Choix des conditions de soudage Préchauffage 49 4 4.6.2 Température d interpasse Energie de soudage Découpage des éprouvettes Description du procédé de soudage TIG Opération de soudage Techniques de caractérisation du matériau Caractérisation mécanique 52 a. Essais de traction à chaud 52 b. Dureté Caractérisation métallographique 53 a. Par la microscopie optique 53 b. Par la microscopie électronique à balayage ( MEB ) 54 CHAPITRE 5 RESULTATS ET INTERPRETATIONS 5.1 Observation métallographique Examen au microscope optique 55 A. Examen du métal de base 55 B. Examen des échantillons soudés 56 B.1 Waspaloy 56 B.2 Inconel Examen au microscope électronique 58 A. Etude de «rétro-ingénierie» 58 B. Comparaison entre la structure métallographique du pied et de l aile de l aube Caractérisation mécanique Mesure de dureté Microdureté Essais de traction à chaud Essai de rupture à chaud sous contrainte (stress rupture test) 64 Conclusion 67 Bibliographie 69 5 ملخص : اإلنكونال 837 هو خليط سبيكة ممتاز بأساس النيكل اكتسب صالبته بالترسب وقد استعمل في صناعة مراوح التوربينات لعدة سنوات فهو مقاوم للزحفان و متزن في الدراجات الحرارية العالية لكنه معرض للتصدع في المنطقة المتأثرة حراريا أثناء عملية اإللحام. إ ن اإلرتفاع المتزايد في استعمال التوربينات في المنشآت الصناعية و غالء ثمن المراوح قد أدى إلى الحاجة المتازيدة إلى إيجاد طرق تصليح و تجديد باستعمال اإللحام. في هذا العمل بسطنا طريقة لحام باإللكترود من التنجستن تحت غاز خامل واستعملنا معدني حشو بأساس النيكل: األول مصلد بالترسب )الوسبلوي( والثاني محلول صلب )الإلنكونال 526( اللذي له اإلختبارات الميكانيكية بينت أن الوسبلوي يعطي لحاما بخصائص ميكانيكية لحامية جيدة. مقبولة. فاختبار الشد تحت الحرارة واختبار الزحفان حتى الكسر للحام اللذي يستعمل الوسبلوي كمعدن حشو أكثر تطابقا مع المعدن األساس المطلوب لحامه من السبيكة المصلدة بالمحلول الجامد اإلنكونال. 526 Abstract : The Inconel 738 is a Nickel-based precipitation strengthened superalloy which has been successfully used in blades/buckets of gas turbines for many years. It presents a high creep resistance and stability at high temperatures, but prone to heat affected zone cracking defect formation during welding process. The dramatic rise in gas turbine installations coupled with the unprecedented costs for blades are two primary factors driving a growing need for blade repair procedures. In this study, we developed a TIG welding repair procedure using a Nickel-based precipitation strengthened weld filler alloys (Waspaloy) next to a dilute Nickel based alloys which is routinely welded. It was found that the waspaloy presents successful welds which have been demonstrated and validated through mechanical testing. Tensile and stress rupture properties of weldments made using Waspaloy as a filler metal are more than double those currently being achieved with solution strengthened fillers (In 625). 6 Résumé: L'Inconel ure 738, un superalliage à base de Nickel durci par précipitation, a été utilisé avec succès pour la fabrication des aubes de turbines à gaz pendant des années. Il possède une bonne résistance au fluage et une bonne stabilité à haute température, mais il est susceptible à la fissuration à chaud dans la zone affectée thermiquement pendant le processus de soudage. La progression impressionnante des installations de turbines à gaz associée aux coûts sans précédent des aubes sont des facteurs fondamentaux qui ont conduit à un besoin croissant de procédures de réparation par soudage des aubes. Dans ce travail, nous avons développé une procédure de réparation par soudage TIG qui utilise un superalliage à base de Nickel durci par précipitation (le Waspaloy) et un deuxième superalliage à base de Nickel durci par solution solide (l Inconel 625) aisément soudable. Les essais mécaniques ont prouvé que le Waspaloy présente des soudures aux caractéristiques mécaniques acceptables. En effet les propriétés de traction à chaud et de résistance à la rupture sous contrainte à haute température du Waspaloy sont plus proches de celles du métal de base que celles du superalliage à solution solide (IN 625). 7 Introduction Les superalliages à base de nickel sont largement utilisés dans la fabrication des turbines à gaz, particulièrement dans la fabrication des aubes qui sont en contact direct avec les gaz chauds, lors de leur exploitation. De ce fait, ces aubes sont soumises à des températures élevées, à des contraintes statiques et dynamiques importantes et à une érosion et/ou une corrosion à chaud pouvant être très sévères. Pendant le service, les aubes subissent donc des dégradations naturelles ou accélérées dues aux différentes causes. Ces dégradations ou détériorations sont d origine métallurgique ou mécanique ; elles ont pour résultats l abaissement de la fiabilité et de la disponibilité des turbines à gaz et l augmentation de leur probabilité de défaillance. Généralement, il est attendu de ces aubes une durabilité avoisinant les heures de fonctionnement ; malheureusement, ces composants subissent souvent des dommages tels que : impact, fissure, usure, destruction du revêtement protecteur, dégradation de la microstructure etc., bien avant d avoir atteint leur durée de vie théorique. Les coûts de remplacement étant onéreux (le prix d une aube de turbine est de l ordre de Dollars US), les utilisateurs de turbines à gaz préfèrent souvent réparer les aubes endommagées, réalisant ainsi des économies substantielles. Les utilisateurs de turbines à gaz et les réparateurs spécialisés se sont investis à développer des techniques fiables de réparation ; le résultat est qu on peut aujourd hui rénover une aube endommagée et lui redonner une durée de vie théorique pouvant atteindre celle d une aube neuve, cela à un prix ne dépassant guère 60% du coût de cette dernière! Les économies réalisées sont donc très importantes. Les aubes sont généralement fabriquées dans des alliages de nickel durcis par précipitation d une phase cohérente riche en nickel et en titane qui les rend sensibles à la fissuration à chaud lors du soudage. Il était jusqu à récemment impossible de recharger ces alliages par soudage TIG en utilisant un métal d apport ayant une résistance au fluage comparable à celle du métal de base ; la technique adoptée par la majorité des réparateurs consistait à recharger l aube endommagée avec un métal d apport en alliage de nickel durci par solution solide, le résultat étant une zone réparée ayant une résistance au fluage plus faible que celle du métal de base. Dans ce cas donc, il n était permis de réparer que la partie de l aube où les sollicitations combinées contrainte - température 8 n est pas très sévère, c est à dire la partie couvrant approximativement le tiers supérieur de l aube. En Algérie, la Division de Transport par Canalisation (TRC-Sonatrach) dispose à elle seule, d un parc d environ 300 turbines à gaz (tous types confondus). Le rotor d une turbine à gaz type GE Frame 3, par exemple, comporte 80 aubes ; ce qui explique la nécessité accrue de trouver des procédés de réparation pour ces aubes. Sur la base d une proposition émanant de la division de maintenance de SONATRACH, une procédure de réparation par soudage TIG des aubes de turbine à gaz GE frame 3, en Inconel 738, a été élaborée et validée en utilisant deux métaux d apport: - Le Waspaloy, un superalliage de la même famille que l Inconel 738, c est à dire durci par précipitation de la phase. - L Inconel 625, un superalliage durci par solution solide et communément utilisé dans les réparations des aubes de turbines à des endroits très limités. Ce travail a été divisé en deux parties : La première (partie bibliographique) englobe trois chapitres. Le chapitre 1 décrit les turbines à gaz en général et les aubes de turbine : formes, refroidissement, sollicitations, dommages, revêtement Le chapitre 2 est consacré aux différentes familles de superalliages et à leur utilisation ; rôle des composants, traitements thermiques, usinage et soudage. Le chapitre 3 passe en revue les méthodes de réparation des aubes de turbines à gaz par soudage, en particulier l état de l art de la réparation par soudage TIG d aubes en Inconel 738. La deuxième partie comporte deux chapitres ; un premier chapitre dans lequel sont présentées les méthodes et les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation des échantillons soudés et un second chapitre consacré à l analyse et à l interprétation des résultats. 9 CHAPITRE 1 LA TURBINE A GAZ 1.1 Définition Les turbines à gaz font partie de la catégorie des TURBOMACHINES dans lesquels a lieu un échange d énergie entre un rotor tournant autour d un axe à vitesse constante et un fluide en écoulement permanent. Selon le type de fluide utilisé, dit fluide actif ou fluide moteur, on a affaire à une turbine hydraulique, une turbine à vapeur ou une turbine à gaz. Dans ce dernier cas, le fluide moteur le plus fréquemment utilisé provient des gaz de combustion d un combustible solide, liquide ou gazeux. Selon le type d énergie délivrée, les turbines à gaz se répartissent en deux classes : d une part, les turbomoteurs fournissant de l énergie mécanique disponible sur un arbre et, d autre part, les turboréacteurs fournissant de l énergie cinétique utilisable pour la propulsion. C est dans la turbomachine que la turbine à gaz s est imposée en priorité. Les turboréacteurs sont utilisés de façon quasi universelle pour la propulsion des appareils à voilure fixe : avions et missiles. 1.2 Principe et fonctionnement Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz est composée essentiellement de trois éléments (fig.1.1 et 1.2) : 1. un compresseur, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l air ambiant à une pression comprise entre 10 et 30 bars environ ; 2. une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l air comprimé, avec un fort excès d air afin de limiter la température des gaz d échappement. 3. une turbine proprement dite, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion. 10 Schématiquement on peut classer les fonctions remplies par une turbine à gaz dans l ordre suivant: Aspiration de l air ambiant extérieur. Compression. Combustion du mélange air+combustible. Détente des gaz brûlés. Echappement. Compresseur Chambre de combustion Axe de rotation Turbine Echappement Charge Air Figure 1.1 : Principe de fonctionnement d une TAG Compresseur C. Combustion Turbine Compresseur C. Combustion Turbine Figure 1.2 : Description d une turbine à gaz [10] 11 1.3. Aubes de turbine à gaz Description Dans les turbines à gaz, la contrainte technologique majeur concerne la température maximale que peuvent supporter tant les éléments de la chambre de combustion que le premier étage de la turbine, qui sont soumis au flux des gaz d échappement. Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubes du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et particulièrement sensibles à l abrasion. Il importe donc d utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former des acides) et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages. Le problème est d autant plus difficile à résoudre que les formes des tuyères fixes et des aubes mobiles des turbines sont très complexes. La turbine à gaz comporte deux couronnes d aubage ; l une fixe, l autre mobile, et des capacités qui assurent l alimentation en fluide ainsi que son échappement. Cet ensemble d organes constitue un étage ou une cellule de turbomachine. La partie active de la turbine est constituée par la roue ou rotor qui porte les aubages mobiles appelés encore aubes, pales ou ailettes et tourne à vitesse angulaire que l on supposera constante autour d un axe. L espace compris entre deux aubages mobiles constitue un canal mobile où, sous la réserve d effets instationnaires, l écoulement est considéré comme permanent par rapport à un repère solidaire du rotor. Les aubages mobiles ont une forme aérodynamique très complexe. La couronne d aubages mobiles, qui est portée par une roue animée d un mouvement de rotation à vitesse angulaire constante, opère un échange d énergie mécanique entre le fluide et l arbre. L écoulement relatif à l espace tournant y est globalement permanent ; Les couronnes d aubages, qu elles soient fixes ou mobiles, sont fréquemment appelées grilles d aubes. Le rôle des aubes du rotor est de convertir, de l énergie cinétique des gaz chauds sortants de la chambre de combustion, en une énergie mécanique. 12 1.3.2 Forme de l aube : L aube à une forme aérodynamique très complexe, elle se compose d une section de profil d aile dans le chemin des gaz, d un joint de queue d aronde (pied ou sabot) reliant l aube au disque de turbine, et souvent d une jambe (barrière thermique) entre l aile et la queue d aronde, permettant à la queue de fonctionner à une plus basse température que la racine de l aile (fig.1.3 et 1.4). Aile Barrière thermique Pied Sabot Aube Figure 1.3 : Aube d une turbine à gaz Figure 1.4 : Profil d une aube de turbine Procédé de fabrication des aubes de turbines à gaz: la fonderie de précision à modèle perdu On sait que les propriétés thermiques et mécaniques des matériaux varient avec la température, qui est le paramètre le plus influent sur le rendement d une turbine à gaz. Cette température doit être la plus élevée possible et de ce fait, de nouveaux matériaux sont nécessaires pour améliorer, sans cesse, les performances. 13 A l'heure actuelle, ce sont les superalliages à base de Nickel qui possèdent les meilleures propriétés à chaud [1]; l INCONEL738 par exemple, possède des propriétés de fluage satisfaisantes jusqu'à 900 C [2]. Afin d'augmenter encore la température, les aubes de la turbine seront refroidies de l'intérieur par un gaz froid prélevé au compresseur. Afin de permettre le passage du gaz, l'aubage doit comporter des canaux et ne peut être réalisé qu'à l'aide de la fonderie de précision [3], car la forme n'est pas réalisable par usinage ou forgeage. Les principales étapes du procédé de moulage à modèle en cire perdu sont les suivantes (fig.1.5) : a. confection d un moule pour modèles reproduisant fidèlement en creux la pièce à couler ; ce moule peut être réalisé en matériau métallique ou plastique ; b. injection sous pression d une cire synthétique à l état pâteux dans ce moule, cette cire en refroidissant se solidifie et constitue ainsi, une fois extraite du moule, un modèle; pour obtenir des pièces creuses, le modèle en cire sera surmoulé autour d un noyau céramique fabriqué par ailleurs, autour duquel finalement sera moulée la pièce métallique, l élimination du noyau permettant l obtention de la cavité désirée; c. assemblage en grappe d un nombre bien déterminé de ces modèles autour d une armature elle-même en cire synthétique ; selon la taille et la complexité des modèles, ce nombre peut varier de 1 à quelques dizaines voire plus ; cet ensemble dénommé grappe constitue l unité de coulée, il est surmonté d un entonnoir destiné à recueillir le métal lors de l opération de fusion-coulée. d. enrobage de la grappe en cire par un assemblage de matériaux céramiques réfractaires ; e. dégagement des cavités internes du moule-carapace par élimination des modèles en cire ou décirage ; f. fusion d un lingot de métal dans un creuset et coulée de ce métal liquide, par l intermédiaire de l entonnoir dans les cavités du moule-carapace autrefois occupées par les modèles en cire mais où demeurent les éventuels noyaux céramiques utilisés lors de la confection des modèles ; g. après refroidissement naturel ou contrôlé du moule et solidification de l alliage métallique coulé, élimination de la carapace par émiettement de celle-ci. h. séparation par tronçonnage des chenaux d alimentation qui ont constitué l armature de la grappe en cire et éventuellement des masselottes, pour récupérer unitairement les pièces métalliques moulées ; i. inspection. Assurance Qualité. Lorsque ces pièces comportent en leur sein un noyau céramique, ce dernier est dissous dans une solution alcaline concentrée portée à ébullition ou 14 dans un bain de sels fondus, de potasse ou de soude, cette opération permettant de dégager la cavité interne de la pièce sans affecter la santé métallurgique de la pièce moulée. Figure 1.5 : Procédé de moulage à modèle en cire perdue des aubes de t
