Brevet FR2495638A1 — publié le 19820611

L'invention concerne l'atténuation de la fragilisation par l'hydrogène, parfois appelée fissuration par fragilisation par l'hydrogène, de tuyaux ou tubes hautement alliés, sans soudure, sujets à une telle fissuration. La fissuration par fragilisation par l'hydro- gène désigne la faible ductilité ou défaillance prématurée, par fissuration, d'un métal par su-ite d'absorption d'hydrogène. Des éléments tubulaires réalisés en matériau hautement allié ont pour avantage leur résistance à la corrosion par rapport à celle de l'acier, mais présentent l'inconvénient de pouvoir capter une charge cathodique d'hydrogène dans un électrolyte lorsqu'ils sont en couplage bimétallique avec de l'acier.La perte de ductilité et la défaillance des éléments tubulaires duels à une fissuration par fragilisation par l'hydrogène, en particulier des éléments tubulaires utilisés dans des opérations effectuées en puits, posent un grave problème. On produit couramment des éléments tubulaires hautement alliés par travail à froid dans une direction longitudinaie (axiale) de l'élément tubulaire afin d'obtenir des matériaux à haute résistance. L'expression travail à froid signifie la déformation plastique d'un métal audessous de la température de recuit pour provoquer un écrouissage permanent. Des éléments tubulaires en acier sont communément produits par travail à chaud dans la direction circonférentielle ou annulaire pour donner des tubes sans soudure de plus grand diamètre.Par travail à chaud", on entend une déformation plastique d'un métal à un taux et une température tels qu'un écrouissage ne peut se produire. L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments tubulaires hautement alliés, par travail à froid à la fois dans les directions axiale et circonférentielle , permettant d'obtenir des éléments tubulaires moins suets à la fissuration par fragilisation par hydrogène que les éléments tubulaires travaillés à froid dans une seuie direction. Brièvement décrite, l'invention concerne un procédé de fabricatlon d'un tube hautement allie sans soudure, traité pour atténuer ou modérer la fissuraton par fragilisation par l'hydrogène. Les grains du te sont allongés dans la direction circonférentelle ou annulaire par travail à froid du tube dans une direction circonférentielle, le tube étant dilaté à froid et l'épais- seur de sa paroi étant diminuée tandis que sa longueur reste pratiquement inchangée. Le tube est ensuite travaillé à froid dans une direction axiale afin de ramener les grains à des dimensions équiaxes dans les directions circonférentielle et axiale, le diamètre extérieur et l'épaisseur de la paroi du tube étant réduits et le tube étant allongé au cours de l'opération.Les opérations de travail à froid peuvent être inversées et répétées. L1 invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel - la figure 1 montre l'aspect métallographique typique superficiel de la formation des grains métalliques d'un alliage mis sous forme tubulaire, après travail à froid de l'élément tubulaire dans une direction cir conférentielle (travail à froid unidirectionnel) ; - la figure 2 montre l'aspect métallographique superficiei typique de la formation des grains métalliques de l'élément tubulaire de la figure 1, ramenée à des dimensions équiaxes dans les directions circonférentielle et axiale par travail à froid de l'élément tubulaire dans une direction axiale laminage oblique) ; et - la figure 3 montre l'aspect métallographique présenté en coupe par la formation des grains métalliques de la paroi de l'élément tubulaire après travail à froid de cet élément tubulaire dans une direction circonférentielle et dans une direction axiale (aspect en coupe de la paroi après laminage oblique, On a découvert, lors d'essais d'éléments tubulaires travaillés à roid dans la direction axiale et réalisés en matériau hautement allié (nickel/cobalt-chrome fer-molybdène), que seule la direction circonférentielle, transversale à l'axe de l'élément tubulaire, est sujette à une fissuration par fragilisation par l'hydrogène (voir "Embrittlement of High-Strength, High-Alloy Tubular Materials in Sour Environments" par R. D. Kane et J. B. Greer, SPE 6798,52sème Conférence Annuelle de the Society of Petroleum Engineers of AIME, Denver, Colorado, 9-12 octobre 1977 et "Corrosion Testing of Highly Alloyed Materials for Deep, Sour Gas Well Environments" par M. Watkins et J. B. Greer, Journal of Petroleum Technology, juin 1976). Selon l'invention, on réduit la sensibilité des éléments tubulaires à une fissuration par fragilisation par l'hydrogène en travaillant à froid des éléments tubulaires sans soudure dans une direction circonférentielle ou annulaire, puis dans une direction axiale, ou vice versa, ce qui est appelé dans le présent mémoire "laminage oblique". Ce travail à froid peut être effectué dans la mise en oeuvre de l'une quelconque des techniques bien connues utilisées dans la fabrication des tubes sans soudure. De telles techniques sont décrites dans l'ouvrage "The Making, Shaping and Treating of Steel" par Unite,d States SteelCorporation, huitième édition, 1964.Comme indiqué dans cette-publication, le travail à froid de l'élément tubulaire dans une direction annulaire ou circonférentielle peut être effectué dans un laminoir à rotation, comme décrit page 848, dans un laminoir perceur comme décrit pages 845-848, ou dans un laminoir élargisseur, comme décrit pages 853-854 ; et le travail à froid de l'élément tubulaire dans une direction axiale peut être effectué dans un laminoir réducteur, comme décrit pages 848-849, ou dans un laminoir à cylindres entraînés, comme décrit pages 859-862, ou encore dans une machine de réduction de tubes comme décrit pages 862864, ou dans un laminoir à rétreindre à rouleaux entraînés comme décrit page 565.Le travail à froid de l'élément tubulaire dans une direction annulaire ou circonférentielle peut également être exécuté dans un laminoir en anneau comme décrit dans l'ouvrage "Metals Handbook", volume 5, American Society for Metals, 8ème édition, pages 105-112. A titre d'illustration de l'invention, on se référera à présent à l'opération précitée de laminage rotatif dans laquelle des cylindres coniques saisissent et font tourner l'élément tubulaire afin de le faire avancer sur un grand mandrin s'élargissarrt afin de diminuer l'épaisseur de la paroi de l'élément tubulaire et d'accroître son diamètre. La longueur de l'élément tubulaire n'est en général pratiquement pas changée lors de cette opération. Après le laminage rotatif, les grains, comme montré sur la figure 1, sont allongés dans la direction annulaire ou circonférentielle. On se référera à présent, à titre d'exemple, à une opération effectuée en laminoir à pas de pélerin, dans lequel l'élément tubulaire est forcé sur un mandrin entre deux cylindres à axes inclinés et reçoit un traitement de forgeage axial. L'élément tubulaire est avancé et tourné légèrement au cours de chaque action d'oscillation axiale et de forgeage. Le diamètre extérieur de l'élément tubulaire est réduit, l'épaisseur de sa paroi est réduite et sa longueur est augmentée. Les grains, comme montré sur la figure 2, sont ramenés dans des dimensions sensiblement équiaxes, à la fois dans les directions annulaire et axiale, par cette déformation dans la direction axiale. Le glissement transversal dans les directions principales dans lesquelles des éléments tubulaires pour champs de pétrole sont sollicités est engendré entre la direction annulaire et la direction axiale par suite du laminage oblique ou du travail à froid dans des directions superficielles opposées. Ce glissement transversal se divise et se répand plus uniformément qu'un glissement unidirectionnel par ailleurs fortement concentré et parallèle à la direction axiale normale de travail. Ce glissement unidirectionnel est considéré comme un facteur important resporlsable de la sensibilité accrue à la fissuration par frailisa-ion par l'hydrogène, observée lors de sollicitatons dans la direction transversale longue, annulaire ou de contrainte d'éclatement. Inversementi une amélioration de la résistance à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène est notée dans la direction axiale pour des alliages travaillés à froid axialement. La figure 3 montre les grains dans la direction transversale courte ou à travers la paroi. Ces grains ne présentent pas de dimensions équiaxes, mais ils sont fortement allongés après laminage oblique. Etant donné que l'application de contraintes dans la direction transversale courte n'est normalement pas nécessaire dans des applications à des articles tubulaires pour champs de pétrole, il n'est pas important que le glissement transversal soit engendré dans les trois directions. Au début du traitement, l'élément tubulaire présente un diamètre extérieur qui est proche du diamètre extérieur final souhaité, mais sa paroi est plus épaisse que la paroi finale souhaitée, la surépaisseur correspondant à l'amplitude de la réduction à froid souhaitée pour obtenir l'accroissement approprié de résistance. I1 est possible d'utiliser des ébauches de tube extrudées, trépanées ou coulées par centrifugation ; cependant, il est préférable que les ébauches soient à l'état recuit en solution ou travaillées à chaud avant d'être travaillées à froid. Les opérations de travail à froid du tube dans les directions rotative et axiale sont répétées comme souhaité, en raison de limitations possibles des dimensions des équipements et également en raison du fait que plusieurs passes effectuent un meilleur travail donnant une microstructure à fort glissement transversal des grains du métal de l'élément tubulaire. Au lieu d'être travaillé à froid d'abord dans la direction annulaire, l'élément tubulaire peut d'abord être travaillé à froid dans la direction axiale. L'importance de la réduction à froid dans les directions annulaire et axiale doit être sensiblement la même et elle doit être comprise entre environ 5 et 40 t dans chaque direction, au niveau de résistance souhaité. Le tableau suivant donne des données expérime tales qui démontrent la meilleure résistance à la fies ration par fragilisation par l'hydrogène dans les deux directions longitudinale et transversale d'application de la contrainte pour l'alliage B à 1 oblique est prise par rapport à la direction finale de travail a froid. Un vieillissement par la favorise la s@nsibilité à la fissuratio tion par l'hydrogène et un vieillissement dans une de 480-540 C donne des matières très susceptible fissuration par fragilisation par 7 'hydrogène. tilln ayant été soumis à un laminage oblique est, comme indiqué, le seul échantillon passant le test effectué dans la direction transversale après avoir été vieill à la chaleur à une température de l'ordre de 480 à 5@ TABLEAU Sensibilité à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène de matières hautement alliées, réduites à froid et vieillies par la chaleur Procédé de Pourcentage Conditions de Contrainte appliquée Contrainte appli- Exposition* Matière fabrication de réduction vieillissement (% de la limite de quée (direction) (heures) & froid à la chaleur résistance) Alliage A Pas de pélerin 51 593 C/4 h 110 Longitudinale 700 (NF)** " B " " 56 500 C/50 h 98 " 1230 (NF) " B Laminage oblique 59 500 C/100 h 98 " 2000 (NF) " B " " 59 500 C/100 h 98 Transversale 2000 (NF) " A Pas de pélerin 59 538 C/1 h 100 " " B " " 59 538 C/1 h 100 " du fer pour produire un courant de charge d'hydrogène dans une solution aqueuse contenant 5 % de NaCl et 0,5 % d'acide acétique, saturée avec H2S, conformément à la méthode d'essai NACE "IM-01-77" ** NF : Pas de défaut. Le mécanisme exact par lequel un travail à froid, effectué dans la même direction que celle des charges appliquées en service, augmente la résistance à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène,.n'est pas connu. Cependant, l'effet est aisément observé lors d'expériences en laboratoire (voir l'article précité de M. Watkins et J. B. Greer) et il a été utilisé, peutêtre, de façon inconsciente dans des câbles de pont à haute résistance qui sont travaillés à froid uniaxialement et sollicités uniaxialement. Inversement, la résistance à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène diminue dans des directions transversales à la direction du travail. Ceci peut être dû à une accumulation de dislocations résultant de l'opération de travail à froid et des contraintes résiduelles transversales élevées résultant, aux limites intergranulaires, d'un glissement coplanaire. Un vieillissement à des températures proches de la température de cristallisation, par exemple, s'est avéré améliorer la résistance à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène.Ce résultat peut être dû à la recouvrance ou à la disparition par recuit des accumulations de dislocations coplanaires à la température élevée. Le défaut de fissuration par fragilisation par l'hydrogène des articles tubulaires est donc éliminé par travail à froid biaxial dans les directions des deux principales contraintes correspondant aux charges exercées pendant le service. La résistance à la fissuration par fragilisation par l'hydrogène dans la direction transversale courte ou à travers la paroi reste basse. En outre, ce défaut n'est pas grave, car les contraintes s'exerçant à travers la paroi sont faibles dans les applications des éléments tubulaires. Lors d'un travail à froid dans deux directions, les grains sont allongés dans les directions des deux principales contraintes. En alternant les directions du travail à froid, les systèmes de glissement coplanaire établis lors de chaque cycle de travail à froid sont réduits par le glissement transversal engendré lors du cycle de travail à froid suivant. Ce glissement transversal coupe les lignes de glissement coplanaire précédemment ininterrompues de sorte qu'un nouveau système de lignes de glissement doit suivre la direction précédente de travail, ce qui répartit plus uniformément l'amplitude des contraintes transversales résiduelles résultant de chaque cycle de travail.Par exemple, 51 l'on procède à trois cycles identiques de travail à froid, à savoir des cycles axial, annulaire, axial, résultant en une réduction totale à froid de 60 %, la réduction prévue de la fissuration par fragilisation par l'hydrogène, dans la direction annulaire, serait une réduction caractéristique de 20 % plutôt que la réduction complète de 60 %, obtenue si le travail à froid était effectué uniquement dans la direction axiale. A titre d'autre exemple, pour une réduction totale de 70 % par travail à froid, il est possible de procéder à un premier cycle axial donnant une réduction de 30 %, puis à un cycle annulaire donnant une réduction de 30 % et une réduction axiale finale de 10 %. La direction finale de travail de l'élément tubulaire doit être choisie afin de maximiser l'effet Bauschinger, ce qui est avantageux dans les applications des éléments tubulaires. Par exemple, des raccords dont la contrainte principale s'exerce dans la direction d'éclatement sont de préférence travaillés dans la direction annulaire lors de l'opération finale. Par ailleurs, un tube crépiné ou "liner" placé en profondeur et dont la contrainte principale tend à provoquer un écrasement hydrostatique est de préférence travaillé dans la direction axiale, avec réduction du diamètre extérieur lors de l'opération finale. Un traitement thermique final de détente, de durcissement ou de recouvrance/recristallisation peut être souhaitable pour réduire les effets Bauschinger afin d'accroître la résistance de l'alliage, pour éliminer des contraintes résiduelles très localisées et/ou pour recristalliser partiellement les grains du métal ; cependant, un tel traitement n'est pas indispensable à la réalisation du tube produit par laminage oblique conformément au procédé de l'invention. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un tube en alliage métallique sans soudure, d'une manière réduisant la fissuration par fragilisation par l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il consiste à travailler à froid le tube dans une direction circonférentielle afin d'allonger les grains du tube dans une direction circonférentielle, le diamètre extérieur du tube étant dilaté à froid et l'épaisseur de la paroi du tube étant diminuée , et à travailler à froid le tube dans une direction axiale pour ramener les grains sensiblement dans des dimensions équiaxes dans les directions annulaire et axiale, les grains étant allongés dans la direction transversale à la paroi du tube et le diamètre extérieur et l'épaisseur de la paroi du tube étant réduits. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations de travail à froid du tube dans une direction circonférentielle et dans une direction axiale peuvent être interversées et/ou répétées. 3. Procédé de production d'un tube métallique d'une manière réduisant la fissuration par fragilisation par l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il consiste à travailler à froid le tube dans une première direction pour allonger les grains du tube dans une première direction, et à travailler à froid le tube dans une autre direction pour produire un laminage oblique du tube et ramener les grains de ce tube dans les dimensions sensiblement équiaxes, les grains étant allongés dans la direction transversale à la paroi du tube. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les étapes de travail à froid du tube consistent à travailler à froid le tube dans une direction circonférentielle et à le travailler à froid dans une direction axiale, ces opérations pouvant être interversées et/ou répétées. 5. Procédé selon lune des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le travail froid circonfèrentiel du tube est effectué dans un laminoir rotatif, dans un laminoir perceur, dans un laminoir en anneau ou dans un laminoir élargisseur. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le travail à froid axial du tube est effectué dans un laminoir réducteur, dans une machine à réduire les tubes ou dans un laminoir rotatif à rétreindre. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir la direction finale de travail afin de maximiser l'effet Bauschinger pour une application souhaitée des tubes. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le tube est traité thermiquement après les opérations de travail à froid.