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Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à  haut grade"

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par Soufyane BELHENINI
Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbés ( Algérie) - Magister en génie mécanique, option: mécanique des matériaux avancés 2009
  

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I.4 MATERIAUX DES PIELINES

I.4.1 Introduction

Le transport du gaz dans des conditions économiques nécessite l'utilisation de pressions de transport élevées, et donc l'utilisation d'aciers à haute limite d'élasticité comme les aciers X100 (Re = 100 ksi = 690MPa) ou X120 . Ces nouveaux aciers sont en cours de développement et ont besoin d'être caractérisés en termes du comportement plastique et de la ténacité [5].

I.4.2 Aciers à hauts grades pour pipelines

La demande mondiale en gaz naturel risque de doubler d'ici 2025 en passant de 2500 à 4300 milliards de mètres cubes. Les canalisations sur longues distances sont un moyen sûr et économique de transporter le gaz entre les sites d'exploitation et les consommateurs, qui sont parfois séparés par plus de 5 000 km.

Les pipelines d'aujourd'hui sont l'aboutissement d'une évolution progressive de leurs propriétés depuis la seconde guerre mondiale, suite à un évènement économique, une catastrophe ou à une découverte scientifique (Tableau I.3).

Date

Evénements

Réaction de l'industrie

1943

Observation de la transition ductile-fragile dans les aciers au carbone des navires

Introduction de l'énergie de rupture minimale de 20J dans les spécifications des plaques pour navires

1954

La transition ductile-fragile est considérée pertinente pour les pipelines

Introduction de l'énergie requise de 34,3 J/cm2 pour les pipelines

1965

Propagation par rupture ductile dans un matériau non fragile supposé résistant aux fissures

Introduction de l'énergie Charpy

minimale issue de différents modèles de rupture

1970

Proposition de construction du gazoduc Alaska /Canada (CAGSL)

Développement centré frénétiquement sur l'XSO (551MPa) et des résiliences requises à-69°c

1974

Arrêt de fissure imprévu lors d'un essai à échelle réelle, attribué aux gaz riche, aux séparations, aux fortes contraintes circonférentielles et modèles erronés

Introduction de stop- fissure (crack arrestors), amélioration de la modélisation de l'arrêt de fissure et révision des idées de laminage pour les pipelines à hautes résistances.

1976

Défaillances par fissuration par corrosion sous contraintes dans des pipelines nouvellement installés en Australie et au Canada

Meilleur contrôle métallurgique (dureté), et amélioration des revêtements externes.

Amélioration des protocoles de mise en oeuvre

13

Chapitre I Recherches bibliographique.

1978

Pénurie de molybdène et augmentation des prix

X70 sans molybdène ajout de Nb-Cr + TMCP

1988-

Augmentation du prix du vanadium

Aciers sans vanadium, substitué par du

 

89à50$/kilo

Mo, Cr + TMCP

1990

Développement des réserves en pétrole et

Pipeline DSAW(roulé soudé) de forte

 

gaz en eau profonde et nouveaux pipelines

épaisseur résistant au flambement sous

 

: Oman jusqu'en Inde et la mer Noire

pression, développé en même temps que les pipelines en acier à hauts grades de

 
 

80 ksi (552MPa) sans soudure

Tableau I.3 : Les facteurs qui ont influencé le développement des pipelines en acier [5],

L'augmentation des propriétés mécaniques permet une réduction de l'épaisseur du tube. Le gain de masse permet des économies sur l'acier, le transport et le soudage. Par exemple, le surcoût à la production de 10 % lors du passage de l'acier de grade X65 (65 ksi, 448 MPa) à l'acier de grade X80 (80 ksi, 551 MPa) est largement rentabilisé par le gain de masse de 6%.

Environ 8 millions de tonnes de pipelines sont produites chaque année dans le monde. La plus grande partie des tubes est composée de matériaux de grade standard, inférieur aux aciers de grade X70. Les grades supérieurs X70 et X80 sont aujourd'hui utilisés pour les pipelines sur longues distances, et les grades X90 et X100 sont en cours d'évaluation. Les développements des aciers X70 et X120 sont en cours. La recherche sur l'X100 a commencé depuis 1978 et se poursuit toujours [6].

Le Tableau I.4 rassemble les propriétés mécaniques requises pour les pipelines en acier, d'après l'American Petroleum Institute (API).

Grade =

Limité d'élasticité (MPa)

Rm (MPa)

Allongement (%)

API-X65

446

530

24

API-X70

433

566

23

API-X80

551

620

22

API-X100 (à venir)

690

770

25

Tableau I.4 : Les pipelines en acier de grade API [6]

Chapitre I Recherches bibliographique.

14

Les propriétés mécaniques dépendent des éléments chimiques en présence. Chaque élément est précisément dosé et les éléments indésirables sont supprimés dès la fabrication de l'acier. Les quantités de carbone et de phosphore sont réduites. Le dégazage sous vide des poches assure une bonne désulfuration et une extraction de l'azote et de l'hydrogène. La coulée résultante ne contient alors plus que 0.001 % de soufre. De plus l'acier en fusion est brassé dans une atmosphère de gaz inerte, ce qui réduit le taux d'oxygène à 0.002 % maximum. Le traitement de l'acier au Ca permet d'obtenir des inclusions arrondies au lieu des inclusions allongées dommageables. Cet acier est ensuite coulé en continu dans une atmosphère protectrice entre des rouleaux de soutien qui protège l'acier de diverses recontaminations et le refroidissent de manière intensive pour durcir la périphérie de la brame et éviter son percement [6].

Les éléments d'alliages utilisés se répartissent selon 5 familles :

? Les éléments gammagènes élargissent le domaine de stabilité de l'austénite, abaissent les températures de transformation (Ni, Mn).

? Les éléments alphagènes limitent ou empêchent la formation de l'austénite et élèvent les températures de transformation (Si, Cr, Mo, Ti).

? Les graphitisants : Si, Ni, Cu...(ne forment pas de carbures, ils se retrouvent en solution dans la ferrite)

? Les carburigènes : Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Nb...

? Les désoxydants : Mn, Si, Al, Ti, Nb, ...pour fixer l'oxygène dissous dans le métal liquide

Le Tableau I.5 rassemble les rôles joués par les éléments chimiques ajoutés dans les aciers pour gazoducs.

Chapitre I Recherches bibliographique.

 

Rôle de l'élément chimique ajouté dans l'acier X100

Al

Est un puisant désoxydant

B

En quantité extrêmement faible ,accroît la trempabilité

 

CAugmente

la dureté, la résistance à la traction et à la corrosion /diminue la ductilité, la malléabilité, la soudabilité.

 

CrAugmente

la trempabilité (agit sur les point de transformation de l'acier et ralentir la vitesse de transformation de l'austénite au cours du refroidissement). Augmente égale la résistance au revenu.

Cr et

Nbrésistance

A faibles teneurs, on additionne les effets favorables sur la trempabilité, la au revenu et la ductilité.

MnEvite

Intervient comme désoxydant , augment la trempabilité, permet d'obtenir des aciers à structure austénitique stable, mais il participe à la formation de carbure.

la faible résilience due à la formation de réseaux de cémentite aux joints de grains bénitiques ou formation de ferrite pendant le refroidissement.

Raffine la taille des grains d'austénite pendant le laminage à chaud.

 

MoAmélioré

la fraction volumique en bénite des aciers à bas carbone (0.04-

0.07%)

N

Abaisse le point de transformation, diminue la ductilité et la ténacité

Nb

Retarde la recristallisation de l'austénite pendant le laminage à chaud

 

NiAugmente

la stabilité de l'austénite et ralentit sa transformation pendant le refroidissement, donc augmente la trempabilité tout en abaissant la température

Augmente la ductilité, surtout aux très basses températures.

PEn

petites proportions, améliore la résistance de l'acier à l'oxydation par l'air, diminue la ductilité et la ténacité

Si

A de faible teneur, de l'ordre de 0.2à 0.5%, il est utilisé comme désoxydant.

Ti et

Nbs'agite

Ont employés pour leur grande affinité avec le carbone, surtout lorsqu'il

de fixer cet élément sous une forme stable. Ce sont aussi de bons désoxydant. On fait précipiter nitrures de titane et de niobium au cours de traitements thermiques ou thermomécaniques pour réalisé un durcissement par précipitation.

Ti, Nb
et Al

Forment facilement des nitrures avec l'azote que contient le métal. Ces nitrures bloquent les joints de grains austénitiques, et mhibent donc leur croissance, ce qui a des conséquences bénéfiques sur les propriétés mécanique des structures obtenue.

 

VForte

caractère alphagéne et carburigéne. Utilisés pour obtenir un acier dur et résistant.

15

Tableau I.5 : Rôle des éléments chimiques ajoutés pour les aciers à hauts grades [6]

Chapitre I Recherches bibliographique.

16

Les tableaux suivants (Tableau I.6 et Tableau I.7) présentent le détail des compositions chimiques élaborées et des propriétés mécaniques obtenues.

approche

C

Mn

Si

Mo

Ni

Cu

Nb

Ti

N

P(.)

A

0.03

1.95

0.26

0.26

0.23

0.22

0.05

0.018

0.003

0.22

B

0.07

1.69

0.26

0.15

0.16

.

0.05

0.015

0.004

0.19

C

0.07

1.90

0.30

0.17

0.33

0.20

0.05

0.018

0.005

0.20

C

0.06

1.90

0.35

0.28

0.25

.

0.05

0.018

0.004

0.19

Tableau I.6 : Développement de l'acier X100 [7],

Approche

Limite d'élasticité

R0.

Résistance à la traction

RmAótransition Allongement

Température de

A

739 MPa

792 MPa

18.4%

-15°c

B

755 MPa

820 MPa

17.1%

-25°c

C

737 MPa

800 MPa

18%

-20°c

D

752 MPa

816 MPa

18%

-50°c

Tableau I.7 : Propriétés mécaniques de l'X100 résultantes [7],

A titre de comparaison, le Tableau I.8 montre les différences de compositions chimiques entre les 3 grades X80, X100 et X120. On peut remarquer que les évolutions sont très fines.

 

C

Si

Mn

P

S

Al

Cu

Cr

Ni

Mo

V

Nb

Ti

N

B

X80

0.12

0.45

1.75

0.015

0.003

0.04

 
 
 

0.22

0.06

0.035

 
 
 

X100

0.06

0.34

1.95

0.01

0.001

0.03

0.02

0.02

0.24

0.30

0

0.05

0.020

0.005

0

X120

0.06

0.23

1.91

 
 
 

out

out

out

 

out

0.042

0.017

0.004

out

Tableau I.8: Composition typique chimique des grades X80, X100 et X120[6],

La figure I.4 récapitule les différentes « zones » métallurgiques dans la ZAT d'un joint soudé en X100. L'étendue des différentes zones représentes sur la fig. I.4 dépend fortement des paramètres de soudage (et du procède utilise). Le problème majeur qui peut se poser du point de vue métallurgique lors du soudage est le grossissement de grain austénitique, car celui-ci est préjudiciable pour les soudures. Bien entendu, lors d'une opération de soudage, les paramètres de soudage sont ajustes de façon a garantir des soudures de bonne qualité. Mais

Chapitre I Recherches bibliographique.

17

Chapitre I Recherches bibliographique.

dans certains cas de soudage a l'arc de fortes sections avec de nombreuses passes (dans l'industrie nucléaire, certaines sections sont soudées avec plus de 100 passes), le séjour a haute température d'une grande partie de la matière peut entraîner ce type de problème.

Figure I.4 Présentation schématique des différentes parties constitutives d'un joint

soudé [8]

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"L'imagination est plus importante que le savoir"   Albert Einstein