Fabrication des pipelines

Fabrication des pipelines

Propriétés mécaniques des aciers pour pipeline

L’une des exigences du cahier des charges que doit remplir l’acier pour pipeline est la réconciliation des propriétés d’emploi ; une limite d’élasticité maximale, une bonne ténacité, ainsi qu’une bonne soudabilité, une bonne résistance à la corrosion et un faible coût de revient.
Pour répondre à ces exigences la classe des aciers dits (HSLA) (Haigh Strength Low Alloy Steels) a été développée au fil des quarante dernières années. Ces aciers à bas teneur en carbone et micro–alliés dont la microstructure ferrito–perlitique ou ferrito– bainitiques ont connus des progrès considérables liés au développement des schémas de traitements thermomécaniques de laminages à température contrôlée. 95% des aciers utilisés pour gazoducs sont des aciers micro–alliés à haute résistance (HSLA).

APPROCHE GLOBALE DE LA MECANIQUE DE LA RUPTURE

La rupture désigne la séparation d’un corps en plusieurs parties sous l’action d’une contrainte de nature statique ou cyclique. La mécanique de la rupture qui date des années cinquante reste l’outil le plus adéquat pour décrire la propagation de fissures de fatigue. La fissuration par fatigue est régie par des lois pouvant s’exprimer comme la variation de la longueur de la fissure par cycle, da/dN, en fonction de variables prenant en compte le chargement appliqué, la géométrie de la structure et la longueur de la fissure. Parmi ces variables, on distingue le facteur d’intensité de contrainte, l’intégrale de contour J et le taux de restitution d’énergie G.

FACTEURS D’INTENSITE DE CONTRAINTES K ET MODE DE RUPTURE

Les facteurs d’intensité de contrainte sont définis comme des quantités qui caractérisent la singularité du champ de contrainte au voisinage de la fissure. Cette notion de facteur d’intensité de contrainte a été initialement développée par Irwin .
Sous l’effet d’un chargement quelconque, les lèvres de la fissure subissent un déplacement que lion peut décomposer dans le système de coordonnées (O, X, Y, Z) on une somme de trois composantes U, V et W correspondant aux trois modes élémentaires d’ouverture de la fissure .
mode I : mode ouverture (Contrainte de traction appliquée perpendiculairement au plan de la fissure).
mode II : mode glissement plan (scission dans le plan de la fissure et appliquée perpendiculairement au front de la fissure)
mode III: mode glissement anti-plan (scission dans le plan de la fissure et appliquée parallèlement au front de la fissure).

Mécanismes dues aux chargements cycliques à amplitudes variables

La complexité des chargements d’amplitude variable réside en effet dans l’existence de phénomènes dits « d’interaction » entre les différents niveau d’un chargement qui sont mis en évidence lors des études de surcharge. Ces effets d’interaction, qui se manifestent sous la forme d’un ralentissement ou d’une accélération des fissures  sont énumérés par la suite.
Les principaux arguments physiques qui ont été utilisées pour expliquer les effets de d’interactions de charge sur la propagation des fissures de fatigue peuvent être classés comme suit:
Introduction des contraintes résiduelles par plasticité cyclique induit autour de la pointe de la fissure
Emoussement à la pointe de la fissure
Interaction associée à la plasticité au niveau de la pointe de la fissure
Fermeture de fissure induite par plasticité.

Contraintes résiduelles induite autour de la pointe de la fissure

Le concept de contraintes résiduelles est basée sur le fait que lors de l’inversion de déchargement après une surcharge, des contraintes résiduelles de compression peut être générée dans une petite région autour de la pointe de la fissure . Des études expérimentaux  ont montré que la propagation de la zone de contrainte de compression dépend fortement de la charge appliquée et elle est toujours plus grande après la surcharge que lors de l’application des cycles précédents de chargement Les contraintes résiduelles de compression générées, sont superposées aux contraintes  dues au chargement appliqué. Cette superposition génère des contraintes effectives responsable d’un retard temporaire de la propagation des fissures dans la  zone de contraintes compressives. Selon le concept des contraintes résiduelles, l’accélération de la croissance des fissures de fatigue après une sous-charge est due à des contraintes de traction induites en avant du fond de fissure . Les modèles les plus populaires de fissure plasticité ont été proposés par Wheeler.

Effet de l’amplitude de chargement

La fissuration à amplitude constante pour différents niveaux de chargement à rapport de charge R constant est étudiée où l’amplitude de chargement maximale est variable pour les aciers API 5L (X65 et X70). L’amplitude de chargement cyclique maximale (σmax) varie de 80 MPa à 145MPa.respectivement pour les aciers API 5L de grades X65 et X70 pour un rapport de charge constant R=0.1.
L’augmentation de l’amplitude du chargement a fait diminuer le nombre de cycle à la Rupture. On remarque qu’à une même longueur de fissure (a=0.3m), la durée de vie pour l’acier X65 est passé de 1.4×105 cycles à 8×105 cycles respectivement pour des chargements maximaux σmax variant de 80 MPa à 145 MPa.

Effet du rapport de charge

Pour les pipelines, la variation du rapport de charge est liée à la variation de la pression de service. L’environnement caractérisé par la présence d’hydrogène ou l’azote ainsi que la température affecte fortement les vitesses de fissuration de tels aciers utilisés pour pipelines.
Vu le développement des aciers pour pipelines, plusieurs études ont été axées sur le comportement en fatigue tenant compte des conditions de services amenés à l’échelle laboratoire.
L’état de l’art mené par sur le comportement de fissuration par fatigue des aciers pipelines X42 et X70 à un rapport de charge fixe (R=0.1) sous environnement hydrogène et azote a montré que la vitesse de fissuration pour l’acier API 5L X42 est supérieur à celle de l’acier API 5L X70. La présence de l’hydrogène présente un endommagement important comparativement par rapport à l’azote. La fissuration examinée sous le même type d’environnement (H2 ou N2) est plus élevée que l’acier API 5L X70 à cause de la composition chimique, la taille des grains.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I GENERALITES SUR LES PIPELINES
Introduction
I.1 Fabrication des pipelines
I.1.1.Les tubes soudés sous la forme spirale
I.1.2.L’angle d’introduction de la bande
I.1.3.Les tubes soudés sous forme longitudinale
I.1.3.1. Le formage
I.1.3.2.Le soudage
I.1.3.3.L’Expansion et calibrage
I.2. Propriétés mécaniques des aciers pour pipeline
I.2.1 Soudabilité
1.2.2. Laminage
1.2.3 Limite d’élasticité
I.3.Matériaux utilisés à la fabrication de pipeline
I.3.1 Dimensionnement des tubes
I.3.2 Teneur des aciers du pipeline
I.3.3. Tubes de conduite
I.3.3.1.Tubes de conduite (Pipes Steel Line 1 « PSL1 »)
I.3.3.2Tubes de conduite PSL ( Pipes Steel Line 2 « PSL2 »)
I.4.OBSERVATION METALLOGRAPHIQUE DES DIFFERENTS ACIERS
I.4.1.Microstructure de l’acier API 5L X42
I.4.2. Microstructure de l’acier API 5L X52
I.4.3.Microstructure de l’acier API 5L X60
I.4.4.Microstructure de l’acier API 5L X65
I.4.5.Microstructure de l’acier API 5L X70
I.4.6.Microstructure de l’acier API 5L X80
Références bibliographiques
CHAPITRE II Comportement en Fatigue des aciers pour Pipelines
Introduction
II.1.APPROCHE GLOBALE DE LA MECANIQUE DE LA RUPTURE
II.1.2.FACTEURS D‟INTENSITE DE CONTRAINTES K ET MODE DE RUPTURE
II.1.3. CHAMP DE CONTRAINTES AU NIVEAU DE LA POINTE DE LA FISSURE
II.1.4.ZONE PLASTIQUE AU NIVEAU DE LA POINTE DE LA FISSURE
II.2.Endommagement par fatigue
II.3.Les fissures en fatigue
II.3.1. Différents types de fissures
II.4.Propagation d’une fissure de fatigue
II.4.1.Domaine de fissuration
II.5.Paramètres influençant la fissuration par fatigue
II.5.1. Influence de rapport de charge
II.6.Modèles de propagation d’une fissure de fatigue
II.6.1.Modèle de propagation à amplitude constante
II.6.1.1.Modèle de Paris
II.6.1.2.Modèle de Walker
II.6.1.3.Modèle de Forman
II.6.1.4.Modèle de NASGRO
II.6.1.5.Modèle d’Elber basé sur la fermeture de la fissure
II.6.2.Propagation sous chargement à amplitude variable
II.6.2.1.Aspects phénoménologiques
II.6.2.1.1.Effet d’une surcharge
II.6.2.2. Définition du phénomène du retard
II.6.2.3.Origines de l’effet Retard
II.6.3.Mécanismes dues aux chargements cycliques à amplitudes variables
II.6.3.1. Contraintes résiduelles induite autour de la pointe de la fissure
II.6.3.2. Emoussement à la pointe de la fissure
II.6.3.3. Interaction associée à la plasticité au niveau de la pointe de la fissure
II.6.3.4. Fermeture de fissure induite par plasticité
II.6.3.5. Effet de retard dus à l’application d’une surcharge
II.6.4. Modèles de propagation à effet de surcharges
II.6.4.1. Modèle de Wheeler
II.6.4.2 .Modèle de Willenborg
II.6.4. 3 Modèle de Willenborg Généralisé
Références bibliographiques
Chapitre III ETAT DE L’ART
Introduction
III.1. Effet de l’amplitude de chargement
III.2. Effet du rapport de charge
Références bibliographiques
Chapitre IV Simulation numérique de la propagation des fissures par fatigue
INTRODUCTION
IV.1.PRESENTATION DU CODE
IV.2.COMPORTEMENT EN FATIGUE DES ACIERS PIPELINES API 5L X70
IV.2.1. Modèle de Harter
IV.3. Matériaux, modèle géométrique & Paramètres de propagations
IV.3.1. .Matériaux d’études
IV.3.2. Spectres de chargements cycliques
Références bibliographique
Chapitre V Résultats Et Discussion
Introduction
V.1.PROPAGATION A AMPLITUDE CONSTANTE
V.1.1.Effet Du Rapport De Charge R
V.1.2.Effet de l’amplitude de chargement
V.2. PROPAGATION A AMPLITUDE VARIABLE
V.2.1.Effet d’une seule surcharge – niveau de surcharge
CONCLUSION GENERALE

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