Brevet FR2744379A1 — publié le 19970808

L'invention concerne un procédé de traitement mécanique d'un produit de forme allongée en acier austé- nitique amagnétique. L'invention concerne en particulier un procédé de traitement mécanique pour améliorer les caractéristiques mécaniques d'une masse-tige amagnétique pour forage pétrolier ou une ébauche utilisée pour la fabrication d'une masse-tige amagnétique. Dans le domaine du forage pétrolier, il est connu d'utiliser des massestiges, c'est-à-dire des éléments tubulaires de tiges de forage de masse importante, qui sont réalisés sous forme amagnétique, de manière, en particulier, à ne pas perturber des mesures effectuées en fond de trou de forage. Il est connu de réaliser de telles masses-tiges amagnétiques en utilisant un acier austénitique amagnéti- que au chrome-manganèse renfermant moins de 0,08 % de carbone, de 12 à 20 % de chrome, de 17 à 22 % de manganè- se, de 0,15 à 0,35 % d'azote, moins de 1,5 % de nickel et moins de 2 % de molybdène. Un tel acier austénitique amagnétique présente des caractéristiques satisfaisantes de résistance à la corrosion et en particulier de résistance à la corrosion par les milieux chlorures, ce qui permet de l'utiliser comme élément de trains de tiges, pour le forage à travers des formations de natures très diverses. De plus, les aciers austénitiques au chrome- manganèse du type rappelé ci-dessus sont susceptibles de développer de fortes caractéristiques mécaniques, lors- qu'ils sont soumis à certains traitements, pendant la fabrication des masses-tiges ou à l'issue de la fabrica- tion de ces masses-tiges. De manière classique, l'acier austénitique ama- gnétique au chrome-manganèse est coulé, puis mis en forme par laminage ou forgeage, de manière qu'on obtienne des barres à section circulaire. Les barres laminées ou for- gées sont hypertrempées puis usinées sous la forme d'ébauches de masses-tiges de caractéristiques dimension- nelles bien définies. L'acier austénitique amagnétique au chrome- manganèse présente, à l'état hypertrempé, des caractéris- tiques mécaniques qui sont généralement insuffisantes et qui sont très inférieures aux caractéristiques mécaniques qui peuvent être développées dans l'acier par écrouissa- ge. Les ébauches de masses-tiges à l'état hypertrempé sont donc soumises à un traitement d'écrouissage à tempé- rature modérée (écrouissage à mi-chaud) qui permet de développer des caractéristiques mécaniques élevées dans l'acier hypertrempé. On réalise généralement l'écrouis- sage à mi-chaud par forgeage des ébauches de masses-tiges à une température comprise entre 750 et 650 C, avec un taux de déformation bien défini. Ce procédé présente l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre en utilisant des moyens de forgeage conven- tionnels (presse et outils), ces moyens étant ceux qui sont généralement disponibles dans les installations de grosse forge. Le procédé d'amélioration des caractéristiques mécaniques des aciers austénitiques amagnétiques par écrouissage à température modérée présente toutefois l'inconvénient d'entraîner et de favoriser la précipita- tion de carbures et de carbonitrures de métaux tels que le chrome, le niobium et le titane, sur les joints de grains d'austénite, ce qui favorise la corrosion de type intergranulaire, lors de l'utilisation des masses-tiges dans une opérations de forage. En effet, le forgeage visant à améliorer les caractéristiques mécaniques de l'acier est effectué dans un intervalle de températures (650 à 750 C), dans lequel se forment les carbures et les carbonitrures de chrome, de niobium ou de titane. Il est connu d'autre part d'améliorer les carac- téristiques mécaniques d'aciers austénitiques au chrome- manganèse par écrouissage de l'acier à basse température, par exemple à la température ambiante. Un tel procédé d'écrouissage à froid n'a jamais été utilisé et adapté au cas de produits de forme allon- gée tels que des masses-tiges ou des ébauches pour la fabrication des masses-tiges. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de traitement mécanique d'un produit de forme allongée en acier austénitique amagnétique renfermant, en poids, moins de 0,08 % de carbone, de 12 à 20 % de chrome, de 17 à 22 % de manganèse et de 0,15 à 0,35 % d'azote, pour améliorer les caractéristiques mécaniques du produit sans détériorer ses caractéristiques de résis- tance à la corrosion. Dans ce but, on réalise un étirage du produit à une température inférieure à 400 C, de manière que l'al- longement permanent du produit à l'issue du traitement soit supérieur à 20 %. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant à la figure jointe en annexe, un mode de réa- lisation du procédé de traitement mécanique suivant l'in- vention mis en oeuvre lors de la fabrication de masses- tiges de forage en acier amagnétique. La figure 1 est une vue en élévation et en coupe partielle d'un dispositif d'étirage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de traitement de l'invention sur une ébauche d'une masse-tige pour forage pétrolier. La figure 2 est une vue partielle en élévation et en coupe d'une variante de réalisation d'une extrémité du dispositif d'étirage. L'exemple de mise en oeuvre du procédé de l'in- vention est relatif à la réalisation de masses-tiges de forage en acier austénitique amagnétique SMF 166. L'acier élaboré et coulé renferme moins de 0,035% de carbone, moins de 1 % de silicium, de 20 à 22 % de manganèse, de 12 à 13 % de chrome, de 0, 3 à 0,5 % de molybdène, de 0,25 à 0,45 % de nickel, de 0,28 à 0, 36 % d'azote, moins de 0,05 % d'aluminium, moins de 0,03 % de phosphore et moins de 0,003 % de soufre. L'acier coulé est laminé sous la forme d'une barre à section circulaire qui est ensuite hypertrempée. L'acier austénitique amagnétique présente, à l'état hypertrempé, une limite élastique comprise entre 450 et 500 MPa. L'ébauche hypertrempée est ensuite soumise au traitement d'étirage selon l'invention, comme représenté sur la figure. L'ébauche hypertrempée en acier austénitique 1 est montée sur un banc d'étirage désigné de manière générale par le repère 2. L'ébauche 1 en acier amagnétique comporte une partie centrale de forme cylindrique et deux parties d'extrémité la et lb dont le diamètre est supérieur au diamètre de la partie centrale. Les parties d'extrémité la et lb de l'ébauche 1 sont utilisées pour assurer le montage de la barre 1 sur le banc d'étirage 2. Le banc d'étirage 2 comporte un châssis en deux parties symétriques l'une de l'autre entre lesquelles est montée la barre 1. Chacune des parties du châssis (gauche et droite) comporte une poutre longitudinale 3, une pre- mière poutre transversale 4a et une seconde poutre trans- versale 4b. Au moins un vérin d'étirage 5 est intercalé entre l'une des poutres transversales 4a et une extrémité de la poutre longitudinale 3. L'extrémité opposée de la poutre longitudinale 3 est en appui contre la seconde poutre transversale 4b. Les poutres transversales 4a et 4b viennent en appui contre les parties d'extrémité à diamètre élargi la et lb de la tige 1, par l'intermédiaire de pièces d'appui telles que 6a et 6b. Il est possible d'intercaler un seul vérin entre la poutre transversale inférieure 4a et la poutre longi- tudinale 3 ou plusieurs vérins. Le châssis du banc d'étirage peut comporter, sur chacune de ses parties longitudinales, une ou plusieurs poutres longitudinales telles que les poutres 3. Les poutres du châssis du banc d'étirage peuvent être en béton ou en acier. Les pièces d'appui telles que 6a et 6b sont généralement réalisées en deux parties sous la forme de deux demi-couronnes qui viennent se placer de manière jointive contre les parties à diamètre élargi la et lb de la barre 1. Les poutres transversales 4a et 4b peuvent être réalisées sous la forme de pièces annulaires qui sont engagées autour des extrémités de la barre 1 et dans lesquelles viennent se loger les pièces d'appui 6a et 6b. Il est également possible d'utiliser un seul vérin de très grande dimension présentant une structure annulaire à l'intérieur duquel est engagée la barre 1 à étirer. A titre de variante, comme représenté sur la figure 2, il est possible de réaliser l'étirage d'une barre 1' dont les parties d'extrémité, telles que l'b, ne présentent pas un diamètre sensiblement supérieur au dia- mètre de la partie centrale. Dans ce cas, on peut utili- ser des poutres transversales, telles que 4'b, présentant une ouverture évasée vers l'extérieur et des dispositifs de prise tels que 6'b de l'extrémité de la barre 1', en forme de coins, ayant une denture interne pour assurer un meilleur accrochage des parties d'extrémité de la barre 1'. On détermine les forces à appliquer par l'inter- médiaire des vérins sur la barre 1 à étirer en utilisant des données ou une courbe relatives à l'écrouissage de l'acier austénitique au chrome-manganèse. Dans le cas de l'acier dont la composition est donnée ci-dessus, la limite élastique à l'état hyper- trempé est de 450 à 500 MPa. Lorsque l'acier est étiré de manière à présenter une déformation permanente de 25 %, la limite élastique atteint 900 MPa. Quand l'acier est étiré à 28 % de déformation permanente, la limite élastique est de 950 à 1000 MPa. En fonction de la limite élastique à atteindre et de la section de la barre en acier austénitique, on dé- termine la valeur de l'effort maximum à appliquer lors de l'étirage. Après avoir réalisé le montage de la barre à éti- rer à l'intérieur du banc d'étirage 2, comme représenté sur la figure, on exerce progressivement un effort d'éti- rage, par l'intermédiaire des vérins 5, de manière à at- teindre l'effort maximal déterminé précédemment. L'étirage est effectué à la température ambiante, c'est-à-dire à une température voisine de 20 C. Pour la mise en oeuvre du procédé, il est possi- ble de réaliser l'étirage à une température supérieure à la température ambiante, cette température d'étirage devant toutefois rester inférieure à 400 C. Lorsque la déformation permanente de la pièce à étirer 1 a atteint la valeur prédéterminée, on relâche les forces d'étirage exercées par les vérins 5 et on démonte la pièce 1 pour la séparer du banc d'étirage. La limite élastique, la résistance mécanique et la dureté de la pièce 1 ont alors atteint une valeur sensiblement supérieure à la valeur atteinte à l'issue du traitement d'hypertrempe. Pour un allongement proche de 30 %, la limite élastique de l'acier est pratiquement doublée. La barre 1 constituant une ébauche est ensuite usinée, en particulier par perçage, pour être mise sous la forme d'une masse-tige de dimension standard. Les caractéristiques mécaniques très nettement améliorées de la massetige ont été obtenues par un traitement purement mécanique à température ambiante ou à une température très modérée, au cours duquel il ne se forme pas de carbures ni de carbonitrures dans l'acier, si bien que les propriétés de résistance à la corrosion de l'acier austénitique ne sont pas dégradées lors du traitement. En particulier, il ne se forme pas de carbu- res et de carbonitrures précipités aux joints de grains, de sorte que l'acier austénitique obtenu présentant une forte résistance mécanique est peu sensible à la corro- sion de type intergranulaire. En outre, l'étirage du produit de forme allongée tel qu'une barre se produit avec une répartition très homogène des contraintes et des déformations, dans toute la section transversale et suivant toute la longueur du produit. L'amélioration des caractéristiques mécaniques obtenues est donc sensiblement constante dans toutes les parties du produit soumis à l'étirage. Enfin, le procédé suivant l'invention est beau- coup plus rapide qu'un procédé nécessitant le forgeage du produit à une température de l'ordre de 700 C. L'invention ne se limite pas au mode de réalisa- tion qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut effectuer l'étirage du produit allongé en acier austénitique en utilisant un dispositif différent du banc d'étirage représenté sur la figure. La déformation permanente du produit, à l'issue de l'opération d'étirage, peut être variable en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées pour l'acier soumis au traitement. Toutefois, pour obtenir un accrois- sement significatif des caractéristiques mécaniques de l'acier, il est nécessaire d'effectuer l'étirage de telle sorte que le produit allongé présente une déformation permanente d'au moins 20 %. On limitera généralement cet allongement perma- nent du produit au cours du traitement à une valeur de %, une valeur d'allongement comprise entre 25 et 28 % pouvant être considérée comme particulièrement avantageu- se. Le procédé s'applique non seulement au cas des barres pleines à section circulaire constituant des ébauches pour la fabrication de masses-tiges mais encore à des barres pleines ayant une section de forme quelcon- que. Le procédé s'applique également au traitement de pièces de forme tubulaire, par exemple au traitement d'é- bauches creuses pour la fabrication de masses-tiges ou encore aux massestiges elles-mêmes obtenues par usinage de barres pleines ou d'ébauches tubulaires. De manière générale, le procédé peut être utilisé dans le cadre de la fabrication de tout élément tubulaire utilisé pour les forages pétroliers, les forages miniers ou pour la recherche d'eau. REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement mécanique d'un produit de forme allongée en acier austénitique amagnétique ren- fermant, en poids, moins de 0,08 % de carbone, de 12 à 20 % de chrome, de 17 à 22 % de manganèse et de 0,15 à 0,35 % d'azote, pour améliorer les caractéristiques méca- niques du produit, caractérisé par le fait qu'on réalise un étirage du produit à une température inférieure à 400 C, de manière que l'allongement permanent du produit, à l'issue du traitement soit supérieur à 20 %. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caracté- risé par le fait que l'étirage du produit (1) est réalisé à une température ambiante de l'ordre de 20 C. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que l'allongement permanent du produit (1) à l'issue du traitement est compris entre 20 et 30 %. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caracté- risé par le fait que l'allongement permanent du produit (1) à l'issue du traitement est compris entre 25 et 28 %. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé par le fait que l'acier austé- nitique amagnétique renferme, en poids, moins de 0,035 % de carbone, moins de 1 % de silicium, de 20 à 22 % de manganèse, de 12 à 13 % de chrome, de 0,3 à 0,5 % de molybdène, de 0,25 à 0,45 % de nickel, de 0,28 à 0,35 % d'azote, moins de 0,05 % d'aluminium, moins de 0,03 % de phosphore et moins de 0,003 % de soufre. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé par le fait que le produit (1) de forme allongée est une barre pleine à section circu- laire constituant une ébauche pour la fabrication d'une masse-tige de forage. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé par le fait que le produit (1) de forme allongée est une ébauche d'une masse-tige pour le forage ou une masse-tige de forme tubulaire. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé par le fait qu'on réalise l'étirage du produit (1) de forme allongée, dans un état hypertrempé.