Dans la construction et l’entretien des usines industrielles, la qualité de la soudure dépend de manière cruciale de la préparation du joint. ASME B31.3 (Tuyauterie de procédé) et ASME B31.1 (Tuyauterie électrique) définissent des exigences techniques précises pour la géométrie du chanfrein, les tolérances dimensionnelles et l’alignement des arêtes avant soudure. Le respect de ces exigences n’est pas une formalité : des erreurs dans la préparation du joint entraînent des défauts de coulée, de la porosité, des inclusions de scories et une réduction de la résistance mécanique du joint fini.
Portée : B31.3 et B31.1 en comparaison
Les deux critères s’appliquent à des contextes différents. L’ASME B31.3 (Tuyauterie de procédé) régule la tuyauterie de procédé dans les usines chimiques, pétrochimiques et de raffinage : elle couvre les fluides dangereux, la vapeur, les gaz et les liquides même dans des conditions de fonctionnement extrêmes, sur une large plage de pressions et de températures. L’ASME B31.1 (Tuyauterie électrique) couvre les tuyaux extérieurs des chaudières à vapeur, turbines, centrales thermoélectriques, en partant des points d’arrêt définis par la norme elle-même.
Les exigences de préparation conjointe dans les deux normes sont conceptuellement similaires mais diffèrent par certaines valeurs limites et tolérances. Pour toute application spécifique, il faut toujours se référer à l’édition de la norme requise par le client ou au code du bâtiment applicable.
Références réglementaires pour la préparation conjointe
Les principales références sont :
- ASME B31.3, Tuyauterie de procédé – section 328 (Exigences de soudage) et plus précisément 328.4 pour les exigences de jonction
- ASME B31.1, Conduiterie électrique – paragraphe 127 (Soudure, brasage et fusion)
- ASME BPVC Section IX, Norme de qualification pour les procédures de soudage, brasage et fusion – pour la qualification des procédures de soudure applicables aux deux normes
- ASME B16.25, Extrémités de soudure bout à bout – pour les géométries standard de soudure à bout
Normes ASME et UNI : deux systèmes pour le même objectif
Les ASME B31.3 et B31.1 sont des codes américains adoptés à l’échelle internationale, en particulier par les clients pétroliers et gaziers, énergétiques et offshore avec des spécifications anglo-saxonnes. En Europe, la même question est régie par les normes UNI EN ISO : UNI EN ISO 9692 pour les géométries chanfreinées, UNI EN ISO 3834 pour les exigences de qualité du procédé de soudage, UNI EN 1090 pour les constructions métalliques. Les principes techniques de base – angles de biseau, hauteur de tête, alignement des arêtes – sont conceptuellement similaires, mais les valeurs de référence et les documents à consulter dans WPS et lors des inspections diffèrent entre les deux systèmes.
Types d’assemblage : soudure bout à bout et imbriquage
Les deux principaux types de joints autorisés par l’ASME B31.3 et B31.1 sont la soudure bout à bout et la soudure à douille.
Soudure bout à bout (butt weld)
La soudure à bout est applicable à tout diamètre. Au-delà de DN 50 (NPS 2 »), la soudure bout à bout est le choix prédominant et souvent le seul exigé par les spécifications de conception : ASME B31.3 n’interdit pas absolument les raccords imbriqués au-delà de NPS 2 », mais limite leur utilisation dans certains services (par exemple, fluides de catégorie M et services cycliques sévères), à tel point que la plupart des spécifications de l’entreprise excluent les soudures à douille pour des diamètres supérieurs à NPS 2 ». La géométrie du chanfrein (angle, hauteur du talon, profil du nez) doit respecter la norme ASME B16.25 pour les extrémités soudées bout bout des raccords et des tuyaux.
Soudure à douille (socket weld)
La soudure entrelacée est généralement limitée aux diamètres DN <= 50 (NPS <= 2 ») : ASME B31.3 ne fixe pas cette limite universelle, mais en restreint l’utilisation selon le service (elle n’est pas autorisée pour les fluides de catégorie M et pour les services cycliques sévères), et presque toutes les spécifications de l’entreprise l’excluent au-delà de NPS 2 ». La norme impose un espace axial minimum d’environ 1,6 mm (1/16″) entre le bas de la bague et l’extrémité du tuyau avant la soudure, afin de permettre une expansion thermique du tuyau pendant le cycle thermique de soudage et d’éviter les fissures par fatigue. Il ne nécessite pas de chanfreinage du tube, mais il est essentiel de mettre l’extrémité au carré.
Géométrie chanfreinée pour les assemblages bout à bout
L’ASME B16.25 définit plusieurs géométries standard pour les extrémités de soudure bout à point, selon l’épaisseur nominale de la paroi :
- Épaisseurs <= 3,2 mm (1/8″) : extrémité inclinée, sans chanfrein
- Épaisseurs de 3,2 mm à 22,2 mm (7/8″) : typiquement chanfreinées en V, angle nominal de 37,5 degrés (tolérance typique +/-2,5 degrés), hauteur de billes de l’ordre de 1,6 mm ; valeurs et tolérances exactes données dans le tableau B16.25 en fonction du NPS et de l’épaisseur.
- Épaisseurs > 22,2 mm (7/8″) : géométrie composite (en forme de J ou en U, ou biseau composé), avec un angle réduit au bas pour minimiser le volume de métal déposé
L’angle de 37,5 degrés est le plus courant dans les applications industrielles. Pour des processus automatisés tels que le TIG orbital, la géométrie doit être précise car les variations d’angle ou de hauteur de billes modifient le comportement de la piscine en fusion et la pénétration.
Tolérances dimensionnelles : hi-lo et alignement
Le paramètre « hi-lo » (également orthographié « high-low ») indique le désalignement axial entre les bords opposés d’un assemblage bout à corps. Ce désalignement réduit la section résistante de la soudure et génère des concentrations de tension.
ASME B31.3, paragraphe 328.4.3, exige que le désalignement (hi-lo) soit maintenu dans les limites spécifiées par des procédures de soudage qualifiées et des spécifications de conception ; en pratique industrielle, de nombreuses spécifications utilisent comme critères le moindre de 1,6 mm (1/16″) et 25 % de l’épaisseur nominale du tuyau le plus fin du joint.
En pratique, pour les épaisseurs fines, 25 % de l’épaisseur devient le paramètre limitant. Par exemple, pour un tuyau mural de 4 mm, 25 % correspond à 1,0 mm, donc la limite applicable est de 1,0 mm.
ASME B31.1 définit des limites de désalignement à l’aide de tables et de figures spécifiques, avec des valeurs qui dépendent de l’épaisseur et du type de joint. Pour les valeurs exactes applicables, les tableaux de B31.1 doivent toujours être consultés directement.
L’écartement hi-lo est mesuré avec des jauges spéciales (calibre hi-lo) avant la soudure. Le respect de cette tolérance est normalement vérifié par le Contrôle Qualité avant d’autoriser l’allumage de l’arc.
Nettoyage et conditionnement des surfaces
Le paragraphe 328.4.2 de l’ASME B31.3 exige que la zone du joint soit exempte de rouille, de tartre, d’huile, de graisse, de peinture et de tout contaminant pouvant introduire de l’hydrogène diffusible dans la piscine de soudure ou obstruer la visibilité lors de l’inspection. Pour les aciers inoxydables et les alliages de nickel, les exigences de propreté sont encore plus strictes.
En pratique industrielle, la surface à préparer s’étend généralement d’au moins 25 mm (1″) de chaque côté de la jonction, à l’intérieur et à l’extérieur lorsqu’elle est accessible — distance recommandée dans le WPS typique, tandis que l’ASME B31.3 par.328.4.2 exige généralement que les surfaces soient exemptes de contaminants. Le nettoyage mécanique avec des brosses dédiées (séparées pour les aciers au carbone et inoxydable) ou le dégraissage chimique sont les méthodes les plus utilisées.
Outils pour la préparation des joints conformes
La préparation d’un assemblage conforme à ASME B31.3 et B31.1 est divisée en deux étapes distinctes – la découpe et la préparation des arêtes – qui correspondent à deux familles de machines distinctes.
Coupe-tubes à froid
La coupe en angle est le point de départ : un tube non perpendiculaire rend impossible le contrôle du désalignement hi-lo lors de l’assemblage. GBC propose des solutions pour tous les contextes de fonctionnement.
Pour les diamètres petits et moyens de l’atelier, les coupeuses à tubes orbitaux de la série PIPE – PIPE 4 (ØE 13-120 mm), PIPE 6 (ØE 23-170 mm) et PIPE 8 (ØE 80-230 mm) – produisent une coupe à froid perpendiculaire à l’axe du tuyau sans bavures ni déformations.
Pour les grands diamètres et interventions sur des tuyaux déjà installés, où il n’est pas possible de démonter la section, GBC propose des machines montées directement sur le tuyau sur place. Les machines à châssis divisés – MCA Cutter (ØE 33,4-1 095 mm) et FAST (ØE 153-1 545 mm, avec autocentrage) – sont divisées en deux moitiés complètement séparées pour l’assemblage. Le SUPERCUTTER (ØE 168-1 530 mm) et le HYPERCUTTER avec alimentation hydraulique (ØE 1 524-2 540 mm) sont des machines à coquilles : elles s’ouvrent comme une charnière mais ne se séparent pas.
Équipées d’outils spécifiques, les machines de découpe à tubes froids GBC peuvent également effectuer le chanfreinage en même temps que la coupe, en un seul passage en ligne.
Chanfreineuses de tubes à froid
Les chanfreineuses de tubes GBC sont des machines dédiées à la préparation du tranchant pour le soudage : elles réalisent le chanfreinage, le parement et le contre-forage sur des tuyaux déjà coupés. Le travail à froid élimine la formation de zones affectées par la chaleur (ZAH) et produit une surface avec une rugosité adéquate pour un soudage ultérieur. Les séries Mini, TC, Boiler, Supermaxi et Hypermaxi couvrent des diamètres allant de 1/2 » (12,4 mm) jusqu’à 40 », avec un angle conique, la hauteur des billes et un réglage en J ou en composite conformément à l’ASME B16.25.
Inspection pré-soudure : liste de contrôle opérationnelle
Avant d’autoriser la soudure, le contrôle qualité doit vérifier :
- Angle de biseau selon ASME B16.25 (mesure de jauge d’angle)
- Hauteur de bille dans la tolérance (1,6 mm +/- 0,8 mm pour les géométries standard)
- Hi-lo < = moins de 1,6 mm et 25 % d’épaisseur (mesuré avec l’écartement hi-lo)
- Écartage de l’extrémité du tuyau (pour la soudure sur douille ou avant le chanfreinage)
- Nettoyage de la zone articulaire (visuel + test possible pour détecter des contaminants)
- Espace de montage correct (pour soudure à douille : >= 1,6 mm)
- Alignement des articulations et absence de décalage angulaire (désalignement)
Ces vérifications préalables à la soudure, dûment documentées dans le dossier de construction, font partie des preuves requises lors des essais d’EMI post-soudure.
Outils industriels du GBC pour la préparation des joints ASME
GBC Industrial Tools conçoit et fabrique des machines de coupe et de chanfreinage de tubes et de tôles, spécialement adaptées aux besoins des constructions de tuyauterie conformes aux normes. La disponibilité de machines pour petits diamètres (DN 15-50, typique des lignes de soudure à douille) et de solutions pour de grands diamètres (grands tuyaux dans les secteurs de l’électricité et du pétrole & gaz) permet de couvrir l’ensemble de la gamme d’applications ASME B31.3 et B31.1.
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