Processus de fabrication des pipelines

PROCESSUS DE FABRICATION DES PIPELINES

La multiplicité des diamètres et des épaisseurs des pipelines et l’évolution avec le temps de leurs techniques de fabrication, constituent les raisons de la diversité des réseaux de transport des hydrocarbures en Algérie. On retrouve :
➠les tubes soudés sous la forme en spirale ;
➠Les tubes soudés sous forme longitudinale ;
➠Les tubes formés sans soudure.

Les tubes soudés sous forme spirale

Des installations modernes sont utilisées pour la fabrication des tubes, de grande qualité, notamment pour le secteur de haute pression. Les procédures de production des pipes soudés en spirale sont faites par cintrage de bande de feuilles d’acier de la forme d’un tube et les souder ensemble. Cette technique de fabrication passe par des étapes . Le soudage se fait ici sur la production de tubes en spirale avec des tôles (feuilles d’acier) qui sont généralement fournis .

Les tubes soudés sous forme longitudinale 

La technique de fabrication des tubes soudés sous forme longitudinale est généralement basée sur le formage à froid de la plaque à travers le processus « UOE »(…), elle est spécifique aux tubes avec des diamètres plus que 406.4 mm (16 »). Cette technique passe par trois étapes de formage :

a) Croquage et formage: La plaque va être pliée au niveau de l’extrémité, l’objectif de cette opération est de faciliter le processus de pliage par les étapes suivantes, à partir de cela, la tôle ou la plaque unitaire est pliée en deux types de presses : la première confère la plaque sous forme  »U » et la seconde lui donne une forme  »O » .

b) Le soudage du tube : Il s’agit du soudage à l’air submergé sous flux (SAW). Deux tâches de soudage sont effectuées, une à l’extérieur et l’autre à une demi- spire en avant à l’intérieur des tubes à l’accostage des vires.

c) Expansion et calibrage : l’objectif essentiel à atteindre par cette opération est d’avoir des tubes de section parfaitement circulaire, qui subit une augmentation de diamètre de 1 à 1.5% .

Les tubes sans soudure

Les tubes sans soudure qui, sont des produits tubulaires en acier forgés sans ligne de soudure, seront obtenus à partir d’une ébauche cylindrique par un travail du métal à chaud (laminage) en vue de produire la forme, les dimensions et les propriétés requises. Ils sont généralement de petits diamètres (moins de 450 mm). Le principe de fabrication de ce type de tube se base sur la présentation du métal d’une manière qu’il soit contenu entre la filière et l’aiguille. On obtient ainsi un tube monobloc sans soudure. Il existe une variante dite filage sur nez d’aiguille où l’aiguille est fixe.

MATERIAUX POUR TUBES 

Elaboration des aciers pour tubes 

Les tubes modernes de transport des produits pétroliers sont fabriqués à partir de tôles obtenues par le procédé de laminage, qui consiste à améliorer les exigences du laminage, tout en optimisant quelques paramètres du procédé de mise en forme et de traitement thermique. Les propriétés des aciers de structure ferrite-perlite obtenus par laminage dépendent essentiellement  :
❖ De la taille du grain ferritique ;
❖ Du durcissement par précipitation sous forme de nitrures, carbures ou carbonitrures formés par réaction du carbone et d’azote aves certains éléments de microalliage (V, Nb etc…) ;
❖ Du durcissement de solution solide.

La taille du grain ferritique
L’affinement du grain est doublement bénéfique. Il améliore à la fois les caractéristiques de traction et de résilience. La structure cristalline de l’acier est affinée et orientée lors du laminage. Pour limiter le grossissement du grain austénitique après les passes de laminage, la température est abaissée assez rapidement. Cette dernière est contrôlée de façon à ce que les éléments micro-alliés donnent lieu à la précipitation des carbonitrures. Les éléments microalliés comme le vanadium, le niobium et le titane forment facilement des carbures, des nitrures ou des carbonitrures stables et finement répartis. Ils augmentent la température de recristallisation de l’austénite en constituant des entraves au grossissement du grain.

Durcissement par précipitation
Des éléments d’alliage comme le niobium, le vanadium ou le titane, présents dans l’acier en faibles teneurs, forment des précipités extrêmement fins et très dispersés qui améliorent les caractéristiques de l’acier. En plus de leur effet sur l’affinement du grain, la présence de ces précipités provoque un durcissement de l’acier en limitant le mouvement des dislocations.

Durcissement de solution solide
Les éléments d’alliage comme dans le fer forment des solutions solides d’insertion comme le carbone ou de substitution comme le manganèse. Les aciers pour tubes doivent être aisément soudables, les constructeurs sont contraints de maintenir un taux de carbone assez bas. Le manganèse, en formant une solution de substitution améliore les caractéristiques de traction en durcissant l’acier. Par ailleurs, son effet sur la trempabilité de l’acier est bien connu. Pour des faibles teneurs (< 0.2 %), il abaisse la température de transition ductilefragile des aciers à faible taux de carbone.

Caractéristiques métallurgiques 

Les producteurs des aciers pour tubes ont sans cesse doublé leurs efforts pour améliorer les caractéristiques mécaniques de ces matériaux. Ils sont souvent contraints de rechercher un compromis entre des propriétés antagonistes. Parmi celles-ci, on peut citer [6] :
➤ La limite d’élasticité ;
➤ La résilience et la température de transition, ductile/fragile ;
➤ La soudabilité.

La soudabilité est l’une des contraintes imposées qui limite le taux de carbone dans l’acier et, à un degré moindre, le taux de carbone équivalent lié à la présence d’éléments d’addition. L’analyse chimique réalisée sur les aciers pour tubes constituant le réseau pétrolier montre que, dans l’ensemble et plus particulièrement pour les aciers récents, le taux de carbone est inférieur à la limite pour mener une bonne soudabilité des aciers . Ce taux de carbone faible dans les aciers récents est compensé par l’augmentation des teneurs en éléments d’addition.

Le taux fictif de carbone équivalent est calculé par la formule suivante :

Céq = C + Mn /6 + (Cr + M0+ V) / 5 + (Ni + Cu) / 15. (2)

Par ailleurs, l’analyse des impuretés telles le soufre montre l’évolution continue de la propreté des aciers . La présence de cet élément est très néfaste pour les caractéristiques mécaniques de l’acier. En se combinant avec d’autres éléments d’addition, essentiellement le manganèse, il forme des sulfures qui abaissent considérablement la ténacité du matériau.

LES MODES DE DEGRADATION

Bien que le transport des hydrocarbures par les pipelines soit considéré comme un moyen de transport garanti en dépit de la gestion sévère du réseau de pipelines, des défaillances sont identifiées principalement dans la veille des travaux effectués dans ce domaine. La sécurité du réseau de transport et la disponibilité, exempte de perturbations de produits pétroliers sont inéluctables si l’on veut assurer la prospérité économique. La multiplication des accidents plus ou moins graves, notamment dus à la corrosion, ainsi que leur incidence sur l’économie mondiale et leur impact sur l’environnement rendent le transport des hydrocarbures de plus en plus préoccupant. Les cas les plus fréquents sont relatifs à des incidents amorcés à partir de défauts issus soit de l’élaboration du matériau, soit de la fabrication, de l’assemblage, de la réparation ou des conditions d’exploitations des tubes et qui ont conduit à la naissance et à la propagation des fissures superficielles où traversantes suivies de fuites. On trouve six catégories principales de causes des ennuis :

o Défaut de construction ou défaillance de matériels ou défaut mécanique;
o Mouvement de terrain ou risques naturels en général;
o Corrosion interne ou externe ;
o Agression externe ou activité tierce;
o Erreurs opérationnelles;
o Autres et causes inconnues.

Mécanismes de dégradation et modes de défaillance

Dans la pratique, on trouve deux catégories essentielles des modes de défaillance des différents composants et structures: la première dépend de la tenue instantanée (charge extrême) et la deuxième résulte de l’effet du temps (dégradation). La résistance d’une structure ou d’un composant, à l’action environnementale à un moment donné représente la première catégorie des défaillances suscitées (La tenue instantanée). Où, on peut signaler la fissuration sous charge statique non alternée, la plastification, le dépassement de la contrainte ultime, etc.

Concernant la deuxième catégorie des défaillances, l’effet du temps, peut se diviser en deux sous-groupes, selon la cause de la dégradation, qui peut être externe (i.e. mécanique, thermique, électrique,…), telles que la fatigue, le cyclage thermique, l’ionisation, etc., ou interne (i.e. physico-chimique), telles que la corrosion, l’oxydation, etc.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 PROCESSUS DE FABRICATION DES PIPELINES
I.2.1 Les tubes soudés sous forme spirale
I.2.2 Les tubes soudés sous forme longitudinale
I.2.3 Les tubes sans soudure
I.3 MATERIAUX POUR TUBES
I.3.1 Elaboration des aciers pour tubes
I.3.2 Caractéristiques métallurgiques
I.4 LES MODES DE DEGRADATION
I.4.1 Mécanismes de dégradation et modes de défaillance
I.4.1.1 Introduction
I.4.2 Mécanismes de dégradation en mécanique
I.4.3 Résistance à la charge extrême
I.4.4 Mécanismes de rupture
I.4.5 Résistance à la plastification
I.4.6 Rupture par fissuration
I.4.7 Fatigue
I.4.8 Fluage
I.4.9 Corrosion
I.5 LES MODELES DE DEGRADATION
I.5.1 Corrosion
I.5.2 Erosion-corrosion
I.5.3 Fatigue-corrosion
I.5.4 Usure
I.6 Conclusion
CHAPITRE II. FIABILITE MECANIQUE DES PIPELINES
II.1 Introduction
II.2 Analyse de la fiabilité des structures mécaniques
II.2.1 Problématique
II.2.2 Variables aléatoires
II.3 Description des variabilités
II.4 Fonction de performance
II.5 Indicateurs de fiabilité
II.6 Simulation de Monte Carlo
II.7 Méthodes d’approximation FORM/SORM
II.8 Analyse de sensibilité fiabiliste
II.9 Complexité du couplage mécano-fiabiliste
II.10 Application aux pipelines
II.11 Conclusion
CHAPITRE III. DEGRADATION DES PIPELINES
III.1 Introduction
III.2 Dommage mécanique
III.2.1 Conséquences
III.2.2 Causes
III.2.3 Topologie
III.3 Corrosion externe
III.3.1 Conséquences
III.3.2 Causes
III.3.3 Topologie
III.4 Corrosion interne
III.4.1 Conséquence
III.4.2 Causes
III.4.3 Topologie
III.5 Percements et fuites
III.5.1 Conséquences
III.5.2 Causes
III.5.3 Topologie
III.6 Décollement de l’enrobage
III.6.1 Conséquences
III.6.2 Causes
III.6.3 Topologie
III.7 Dégradation diverses
III.8 Evaluation des risques et prévention des pipelines
III.8.1 Par le calcul analytique
III.8.2 Par les modélisations numériques
III.8.3 Par les méthodes déterministes
III.8.4 Par les méthodes probabilistes
III.9 Conclusion
CHAPITRE IV. ETUDE EXPERIMENTALE
IV.1 Introduction
IV.2 Types d’essais
IV.2.1 Essai de traction
IV.2.2 Essai de dureté
IV.2.3 Essai hydrostatique
IV.3 Machines utilisées
IV.3.1 Machine d’essai de traction
IV.3.2 Banc d’épreuve de l’essai hydrostatique
IV.4 Les plans expérimentaux
IV.4.1Essai de traction
IV.4.2 Eprouvettes
IV.4.3 Etude des caractéristiques mécaniques
IV.4.4 Formules
IV.4.5 Traitement et discussion des résultats
IV.5 Essai hydrostatique
IV.5.1 Discussion des résultats
IV.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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