Brevet FR2817779A1 — publié le 20020614

La présente invention concerne une méthode et un système permettant d'accroître la résistance à la corrosion fissurante d'un fil métallique sous contraintes utilisé pour la fabrication de conduites armées flexibles, destinée à l'exploitation des gisements pétroliers. On sait que certains métaux sont sensibles à la corrosion fissurante, lorsqu'ils sont exposés à certains milieux corrosifs aqueux, notamment les milieux aqueux contenant du sulfure d'hydrogène en étant simultanément soumis à des contraintes de traction, leur sensibilité à la corrosion fissurante étant d'autant plus grande que la déformation plastique par contraintes de traction est élevée. La fissuration sous contraintes en milieu corrosif se développe généralement à partir de la surface. La résistance à la fissuration sous contraintes en milieu contenant du sulfure d'hydrogène (SSC: Sulfide Stress Cracking) est une propriété déterminante pour les aciers destinés au renforcement des conduites flexibles pétrolières. Elle conditionne en effet la nature des aciers utilisables, à la fois en termes de composition et d'état de traitement. L'utilisation de fils en acier faiblement allié, traité par trempe et revenu, est désormais classique pour les armures de traction des flexibles fabriqués dans l'industrie. Cette métallurgie offre le meilleur compromis entre résistance mécanique et résistance à la SSC. On connaît notamment par les documents FR-1.426.113, GB-1.054.979 et DE- 1.227.491 des procédés pour améliorer la résistance des métaux à la corrosion, dans lesquels on soumet ces métaux à des traitements mécaniques superficiels à froid. L'amélioration s'explique par la mise en compression de la surface qui s'oppose aux contraintes externes de traction et réduit ainsi le risque d'amorcer une fissuration. Cependant, la mise en compression due aux procédés de traitement de surface proposés dans l'art antérieur s'accompagne d'un écrouissage important de la surface. Or, l'écrouissage reflète une forte densité de dislocation, ce qui rend le métal plus sensible à la fissuration sous contraintes en milieu corrosif. De plus l'écrouissage par traitement de surface selon l'art antérieur endommage la surface. En effet la rugosité de la surface traitée augmente considérablement. Le brevet FR-2.543.976 propose une méthode de mise en compression superficielle de fils métalliques effectuée par une succession de flexion. Mais, lors de la fabrication des flexibles, les fils sont déformés pendant l'opération d'armage qui consiste à enrouler lesdits fils autour de l'âme constituée par les nappes sous-jacentes. La partie la plus critique du fil est celle qui a subi la plus grande déformation permanente en traction et qui est donc située sur la face extérieure du flexible. Les taux d'allongement engendrés peuvent atteindre, voire dépasser 5%, compte tenu des dimensions typiques des conduites flexibles et des fils. Or, des travaux ont montré que ce niveau de déformation pouvait entraîner une chute importante de la tenue SSC: la contrainte- seuil de non-rupture devient nettement inférieure au niveau demandé, c'est-à-dire 90% de la limite d'élasticité Rpo,2. L'objet principal de l'invention est d'améliorer, par rapport à l'art antérieur, la protection contre la SSC des armures de flexibles soumises à des contraintes de traction. Pour ce faire, l'invention propose de réaliser un brossage de la surface d'un fil métallique d'armure après sa pose sur une conduite flexible. L'invention est définie de façon générale par une méthode de fabrication d'une conduite flexible armée de fils métalliques, dans laquelle la surface extérieure desdits fils subit un traitement de surface par brossage après la pose desdits fils sur ladite conduite flexible. L'invention concerne également un système de fabrication d'une conduite flexible armée de fils métalliques dans lequel des moyens de traitement de surface par brossage de la surface externe desdits fils sont disposés en aval de la zone de pose desdits fils, par rapport au défilement du flexible. Le niveau de contraintes que l'on peut obtenir dépend des conditions de brossage et des caractéristiques intrinsèques du matériau. Cette mise en compression est due à la plastification des couches superficielles du métal. Toutefois, l'écrouissage est de nature différente de celui classiquement obtenu par sablage, usinage ou grenaillage. En effet, la surface des pièces brossées est moins "brutalisée" que selon les procédés proposés dans l'art antérieur, ce qui se traduit par un faible degré d'écrouissage s'accompagnant d'une faible densité des dislocations mobiles et une faible rugosité de la surface traitée. Ainsi le brossage est un moyen efficace pour limiter les problèmes de fatigue des métaux et pour diminuer les risques de rupture par corrosion sous contrainte. De plus, de nombreux paramètres (sortie de fil, diamètre de la brosse, vitesse de rotation, diamètre du poil,...) sont à la disposition de l'utilisateur pour lui permettre d'obtenir, suivant l'utilisation recherchée: soit une surface fortement comprimée mais peu altérée en profondeur, soit une mise en compression plus pénétrante, associée à des déformations et à des niveaux de contraintes moins importants en surface. Avantageusement, le traitement de la surface du fil métallique est effectué après sa mise en place sur le flexible. Ainsi le traitement de surface n'est pas altéré par les contraintes et l'écrouissage induits lors de la mise en place du fil métallique sur le flexible. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante se référant aux figures annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement une mise en oeuvre selon l'invention, - la figure 2 schématise le principe du dispositif de grenaillage selon l'art antérieur, - la figure 3 schématise le principe du dispositif de brossage selon l'invention, - la figure 4 représente les mesures de la contrainte en fonction de la profondeur en surface d'un échantillon, - la figure 5 représente les mesures du degré d'écrouissage en fonction de la profondeur en surface d'un échantillon. Le brossage des surfaces se fait mécaniquement à l'aide de brosses. La figure 1 représente une installation permettant la mise en ceuvre de l'invention. Une âme de conduite flexible 1 consiste en une ou plusieurs gaines en polymère sur lesquelles on a déjà pu enrouler des nappes de fils. Les fils enroulés selon un angle proche de 90 degrés par rapport à l'axe 4 constituent une armure, couramment appelée carcasse ou voûte, participant à la résistance à la pression interne et/ou externe de la conduite flexible. Les fils enroulés selon un angle d'environ 45 degrés par rapport à l'axe 4 constitue une armure participant à la résistance à la traction de la conduite flexible. Le traitement de surface par brossage selon l'invention s'applique indifféremment à toutes les armures métalliques de la conduite flexible. L'âme de conduite flexible est animée d'un mouvement d'avance en translation selon l'axe 4. Une ou plusieurs bobine de fils 7, montées sur un carrousel 3 mobile en rotation selon l'axe 4, permettent de délivrer du fil 2 en continu. Ainsi en conjuguant le mouvement de rotation du carrousel 3 et le mouvement de translation de l'âme de conduite flexible 1, on arme l'âme d'une nappe de fils 8 enroulée selon une hélice. Lors de cette opération le fil 2 est déformé plastiquement, et la face de l'armure située à l'extérieure de l'âme de conduite flexible subit une déformation permanente par traction qui peut dépasser % compte tenu des dimensions typiques des conduites flexibles et des fils d'armure. Le fil métallique, après avoir été enroulé autour de l'âme de conduite flexible, subit l'opération de brossage. Une brosse 5, actionnée en rotation par un moteur 6, vient brosser la nappe de fils 8 qui est déjà enroulée sur l'âme de flexible. Les mobilités en translation et en rotation selon l'axe 4 de l'ensemble brosse 5 et moteur 6 permettent de traiter l'ensemble de la face extérieure de la nappe de fils métalliques apparente sur l'extérieur de l'âme de flexible. La figure 1 représente une brosse dont les poils sont parallèles à l'axe de rotation de la brosse. Mais sans sortir du cadre de l'invention, on peut utiliser une brosse avec des poils sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation de la brosse. Pour adapter l'opération de brossage à une configuration donnée et à un niveau de contraintes déterminé, on peut faire varier des paramètres tels que la vitesse de rotation de la brosse, le nombre de passes, la pression exercée, le sens du brossage ou la lubrification. Des paramètres directement liés à la géométrie de la brosse tels le matériau des poils, la longueur des poils, le diamètre des poils et le diamètre extérieur de la brosse sont également utilisés pour moduler le fonctionnement du brossage. s On a effectué des comparaisons entre un traitement de surface avec un écrouissage faible selon l'invention (le brossage) et un traitement de surface avec un écrouissage important (le grenaillage). Le matériau étudié est un acier faiblement allié 32C1, à l'état trempé et revenu, sous forme de fils plats de section rectangulaire 12 x 4 mm2 obtenus par laminage de fils ronds. Afin de rester proches des conditions industrielles, nous avons fait subir au matériau le traitement thermique suivant: une austénitisation consistant en un chauffage à 950 C pendant /2 heure suivie d'une trempe à l'eau salée (10% NaCI), puis un revenu de 2 heures à 585 C. Les caractéristiques mécaniques de traction des échantillons figurent dans le tableau 1. Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) Ar (%) 682 + 12 810 + 5 20,4 + 0,7 Tableau 1: Caractéristiques mécaniques après retraitement Dans un premier temps on a écroui par traction les échantillons afin de simuler la déformation plastique lors de l'opération d'armage du fil sur l'ébauche de flexible. Les échantillons ont subi un allongement homogène de 5%. Dans un second temps on a traité en surface les échantillons. Une moitié des échantillons a subi un grenaillage, tandis qu'une seconde moitié a subi un brossage. Le grenaillage a été réalisé sur une grenailleuse à plateau tournant, avec des billes en acier de diamètre 400 lam. La flèche Almen a été de F30A, avec un recouvrement de 125% pour tous les échantillons. Le principe de l'essai est schématisé à la figure 2. L'échantillon 21 est maintenu en position sur le plateau 20. Une buse fixe 23 projette des billes sur le plateau 20 tournant autour de l'axe 22. Les paramètres de grenaillage sont indiqués au tableau 2. Pression 3 bars Débit 3kg/min Vitesse de rotation du plateau 14.5 tours par minute Distance buse-échantillon 340mm Distance / axe de rotation du plateau 300mm Nombre de tours de plateau 20 tours Type de billes Billes en acier BA400 D=4001am Flèche Almen F30A Recouvrement 125% Tableau 2: Paramètres de grenaillage La surface entièrement grenaillée, c'est à dire avec un recouvrement de 100%, est obtenue au bout de 16 tours du plateau tournant à 14,5 tours par minute, l'échantillon étant positionné à 340 mm de la buse. Ainsi, 20 tours de plateau produisent un recouvrement de %. L'opération de brossage, représentée sur la figure 3, a été réalisée par une brosse 32 montée sur une fraiseuse à axe horizontal. Les poils de la brosse sont disposés sensiblement perpendiculairement et radialement par rapport à l'axe de rotation. Durant l'opération, l'échantillon 30 était fixé sur un plateau magnétique 31. Les réglages résumés dans le tableau 3 ont été choisis pour optimiser les paramètres en brossage. Type de brosse Acier HR Diamètre extérieur de la brosse 300mm Longueur du poil 100mm Diamètre du poil 01mm Vitesse de rotation de la brosse 1600 tr/min Avance 500mm/min Pression de la brosse sur l'échantillon 4% de la longueur du poil, soit 4mm Tableau 3: Paramètres de brossage On a mesuré la rugosité des échantillons à l'état initial, après le brossage et après le grenaillage. Les résultats des mesures de rugosité sont regroupés dans le tableau 4. Ils montrent que cette propriété est faiblement dégradée par le brossage, mais que le grenaillage est en revanche très endommageant. Etat Rz (i.m) Rmax (pm) Ra (linm) Etat initial 0,76 1,25 0,07 Brossé 0,77 1,08 0,11 Grenaillé 35,07 43,30 6,51 Tableau 4: Valeurs de rugosité après les différents traitements superficiels Suite aux traitements de surface, on a établi, par mesure de diffraction des rayons X, le niveau moyen des contraintes et le niveau moyen du degré d'écrouissage en surface des échantillons. Le niveau moyen du degré d'écrouissage correspond à une mesure qualitative et ne permet de ce fait que de comparer des valeurs obtenues par la même méthode de mesure. Les graphiques des figures 4 et 5 représentent sur l'axe des ordonnées respectivement le niveau moyen des contraintes cy en MPa et le niveau moyen du degré d'écrouissage D en fonction de la profondeur P en tm représentée sur l'axe des abscisses. Sur les figures 4 et 5, les croix inscrites dans des ronds représentent les mesures effectuées sur un échantillon brossé, les ronds noirs représentent les mesures effectuées sur un échantillon grenaillé. Sur la figure 4 représentant le niveau moyen de contraintes a (en MPa) en fonction de la profondeur P (en tm), on remarque que le brossage induit des contraintes de compression fortes (-350 Mpa) en surface des échantillons, mais qui diminuent rapidement dans l'épaisseur. La profondeur affectée est d'environ 50 gtm. Par contre le grenaillage induit un profil de contraintes d'une efficacité supérieure sur le plan de la mise en compression. Le fort niveau de la mise en compression en surface s'accentue avec la profondeur, pour ne diminuer que très doucement par la suite. La figure 5, représentant le niveau moyen du degré d'écrouissage D en fonction de la profondeur P (en [tm), montre que les échantillons grenailles ont subi un écrouissage local nettement plus important que les échantillons brossés. L'état grenaillé induit un degré de perturbation plus élevé et sur une profondeur plus importante. Les résultats des mesures du niveau moyen des contraintes et du degré d'écrouissage en surface des échantillons permettent de caractériser le grenaillage et le brossage vis-à-vis de la tenue SSC. La mise en compression est plus faible et sur une plus faible profondeur dans le cas du brossage, par contre, le degré d'écrouissage est plus faible pour le brossage ce qui est favorable pour accroître la résistance SSC. Pour déterminer quel phénomène (le degré d'écrouissage ou la mise en compression) est le plus déterminant pour la tenue SSC, on a effectué des séries d'essais supplémentaires sur les échantillons grenaillés et brossés. Les essais SSC ont été réalisés suivant la recommandation NACE TM0177-99 (méthode A) " Laboratory testing of metals for resistance to specific forms of envirommental cracking in H2S enviroments ". Cette méthodologie consiste à exposer l'éprouvette au milieu H2S fragilisant, tout en le maintenant sous chargement mécanique statique, en traction uniaxiale (au moyen d'un anneau dynamométrique) dans le domaine élastique. Le milieu d'essai est constitué d'une solution saline (eau distillée + 5% en poids de NaCl) contenant 0,5% d'acide acétique. Cette solution est préparée dans un réacteur o elle est désaérée par circulation d'un gaz inerte, avant d'être transférée dans la cellule contenant l'éprouvette. Elle est ensuite amenée à un pH de 2,7 par saturation en H2S: un bullage continu de ce gaz est maintenu pendant toute la durée de l'essai (30 jours). La tenue SSC est quantifiée par la contrainte-seuil de non-rupture qui est la contrainte la plus élevée pour laquelle l'éprouvette a survécu à l'essai. Le tableau 5 récapitule les résultats de ces tests. Déformation plastique Limite d'élasticité Contrainte-seuil SSC Contrainteseuil SSC (%) Rp(Mpa) (Mpa) (% de Rp) + brossage 800 > 720 > 90 + grenaillage 800 modéré en surface. A l'inverse, les éprouvettes grenaillées ont subi une rupture au milieu de la zone utile de l'échantillon, accompagnée d'une striction prononcée. Les seconds essais consistent à mesurer la vitesse de corrosion uniforme des échantillons. L'essai de corrosion uniforme a été réalisé dans le même milieu (et avec un mode de préparation identique) que pour les essais SSC. Les échantillons ont été divisés en deux lots afin d'être exposés au milieu corrosif pendant respectivement 10 et 30 jours. Ces deux lots ont été placés dans des réacteurs distincts o ont également été opérées le dégazage de la solution (eau distillée + 5% en poids de NaCi) et sa saturation en H2S pour obtenir un pH de 2,7. La corrosion uniforme aux temps court et long a été déterminée par perte de masse, les éprouvettes étant pesées avant et après essai, avec une précision de 10-4 grammes. La vitesse d'amincissement (.im/an) a été calculée à l'aide de la formule décrite dans la norme ASTM G-90 qui prend en compte la surface exposée et la densité du matériau (7,8 g/cm3 pour l'acier). Le tableau 6 regroupe les mesures de vitesses de corrosion en milieu H2S. Vitesse de corrosion ( m/an)État Brossé État Grenaillé jours 504 739 jours 622 778 Tableau 6: Synthèse des vitesses de corrosion uniforme en milieu H2S saturé Les éprouvettes grenaillées ont une vitesse de corrosion plus élevée, ce qui peut s'expliquer par leur rugosité plus importante (augmentation de la surface de contact) et peut-être aussi par une plus grande réactivité chimique de leur surface, en relation avec le degré d'écrouissage supérieur. En conclusion des différents tests et essais précédemment décrits, le procédé de brossage selon l'invention conduit à un résultat remarquable. Les éprouvettes testées en SSC n'ont pas connu de rupture, grâce à la mise en compression en surface, au faible degré d'écrouissage et au maintien d'une faible rugosité. De plus, la mise en oeuvre du brossage sur une chaîne de fabrication de flexible est aisée et ne nécessite aucun changement dans les séquences des opérations. Le dispositif de brossage vient s'intercaler entre le conformateur en aval de la pose des fils et l'extrudeuse de la gaine en polymère externe. Revendications 1) Méthode de fabrication d'une conduite flexible armée de fils métalliques, dans laquelle la surface extérieure desdits fils subit un traitement de surface par brossage apres la pose desdits fils sur ladite conduite flexible. 2) Système de fabrication d'une conduite flexible armée de fils métalliques dans lequel des moyens de traitement de surface par brossage de la surface externe desdits fils sont disposés en aval de la zone de pose desdits fils, par rapport au défilement du flexible.