Brevet FR2866352A3 — publié le 20050819

FR 2866352 A3 20050819 FR 0401420 A 20040212 2866352 1 Fil de forme en acier trempé-revenu pour conduites off-shore. L'invention s'inscrit dans le domaine des fils d'acier prêts à l'emploi, et plus précisément des fils de forme utilisés pour le renforcement de conduites flexibles destinées aux industries pétrolières et gazières offshore pour le transport de fluides sous pression, tels que des hydrocarbures, liquides ou gazeux, en milieu marin. On utilise classiquement, pour le transport des fluides et hydrocarbures en milieu marin, des conduites flexibles comportant une ou plusieurs gaines en polymère assurant l'étanchéité et armées par une ou plusieurs nappes de fils en acier procurant la tenue mécanique nécessaire de l'ensemble. Ces fils d'acier peuvent être de section ronde, mais sont le plus souvent des fils plats ou méplats, ou des fils profilés en U, en T, en Z (les fils zeta R), etc... de sorte à pouvoir s'emboîter bord à bord les uns dans les autres ou être agrafés ou soudés ensemble. Par la suite, et dans un souci de clarté de l'exposé, on désignera par "fil de forme" les fils pouvant être utilisés pour la fabrication de conduites flexibles marines, englobant donc en cette seule dénomination unique les fils profilés, les fils plats ou méplats et même les fils de section ronde tout simplement. On sait que ces fils de forme doivent présenter des propriétés particulières du fait des conditions très sévères auxquelles sont soumises les conduites qu'ils renforcent. En effet, ces conduites subissent en premier lieu de fortes pressions internes dues aux fluides transportés. De plus, dans le cas où ces conduites sont immergées à grande profondeur, elles subissent également de fortes pressions externes. Les fils de forme qui les renforcent doivent donc permettre à ces conduites de résister à la fois aux pressions internes et externes, à la charge axiale et aux sollicitations extérieures éventuelles. Ils présentent en conséquence des performances mécaniques élevées en terme de résistance, de résilience et de fatigue. De plus, étant destinés au transport d'hydrocarbures, ils doivent présenter une résistance à la corrosion humide en milieu acide sulfuré, et en particulier au sulfure d'hydrogène (H2S). Cette résistance à la corrosion fait d'ailleurs l'objet des normes NACE et API. Ces nonnes permettent d'évaluer l'aptitude d'un acier à être utilisé en présence d'H2S, sans être fragilisé ou présenter des marques détériorations dues à cet environnement acide telles que des soufflures à la surface de l'acier ou des fissurations internes. Ces nonnes définissent ainsi la compatibilité avec un milieu H2S selon les aciers utilisés pour la fabrication des fils de forme, et en fonction de paramètres mesurables tels que la dureté ou les contraintes mécaniques en service. Par exemple, on utilise classiquement, pour de telles applications, des aciers au carbone-manganèse présentant une teneur en carbone de l'ordre de 0,15 à 0,80 %, à structure ferrito-perlitique, mis en forme à froid à partir d'un fil machine. Le fil de forme obtenu peut être soumis, après déformation, à un traitement thermique de détente destiné à lui conférer une dureté inférieure ou égale à 32 HRC afin de répondre à la noLune NACE 0175 (résistance à des milieux acides de pH compris entre 4,8 et 5,4). En cas de milieu plus acide (à pH de 3 par exemple), la structure ferritoperlitique n'est plus suffisante. Il est préférable d'avoir recours à des aciers de structure martensito-bainitique. On connaît par exemple par le document EP 0 813 613 de tels fils de forme de structure martensito-bainitique. Ces derniers sont fabriqués par mise en forme à froid d'un fil-machine et soumission à un traitement thermique de tremperevenu. Leur dureté finale se situe entre 20 et 35 HRC. Toutefois, les normes NACE et API, n'évaluent pas la résistance de l'acier à d'autres conditions sévères auxquels peuvent être soumis ces fils, comme par exemple les basses températures qui, comme on le sait, fragilisent l'acier. Or, dans le cas d'exploitation en latitudes polaires par exemple, un risque existe de détérioration supplémentaire par le froid de ces conduites flexibles. L'invention a pour but de résoudre ce problème en proposant un nouveau fil de forme présentant à la fois une bonne tenue à la corrosion sous H2S, des propriétés mécaniques de résistance et de ductilité suffisantes pour résister aux pressions internes et externes auquel il sera soumis, ainsi qu'une bonne ténacité aux basses températures d'usage imposées par les latitudes polaires. A cet effet, l'invention a pour objet un fil de forme en acier pour le renforcement de conduites flexibles destinées à être immergées en milieu marin composé d'un acier qui répond au moins à l'analyse suivante, donnée en teneurs pondérales par rapport au fer: 0,04 % C Dans une variante de l'invention, l'acier comprend en outre entre 0,30 % et 0,50 % de molybdène. L'invention à également pour objet un procédé de fabrication d'un fil de forme en acier pour le renforcement de conduites flexibles comportant les étapes successives suivantes: - élaboration d'un fil-machine par laminage à chaud à des diamètres habituels de 5 à 50 mm, suivi par une préparation de surface de type décapage et phosphatation pour préparer le tréfilage; laminage de forme à froid (éventuellement précédé par un tréfilage); traitement thermique de trempe et revenu au défilé du fil de forme laminé; 40 - bobinage du fil de forme 2866352 3 procédé caractérisé en ce que l'on utilise pour la fabrication du fil-machine un acier qui répond au moins à l'analyse suivante, donnée en teneurs pondérales par rapport au fer: 0,04% Dans une autre mise en oeuvre préférée de l'invention, on effectue un revenu en 20 reprise sous cloche après l'étape de bobinage. Selon une variante, l'acier utilisé comprend en outre entre 0,10% et 0,50 % de molybdène. L'invention a encore pour objet une conduite flexible étanche pour le transport de fluides comportant au moins une couche d'armature comprenant des fils de faune en 25 acier tels que définis ci-avant. Comme on l'aura compris au vu de cette définition de l'invention, l'idée à la base de celle-ci consiste à proposer une nuance d'acier optimisée pour la fabrication de fils de faune aptes à présenter à la fois des caractéristiques mécaniques appropriés, des propriétés de résistance à la corrosion en milieu acide et une bonne ténacité aux basses températures. Pour ce faire, le type de nuance d'acier retenu cible particulièrement sur l'amélioration de la résilience. En effet, la ténacité d'un acier aux basses températures est fonction de sa résilience, propriété permettant d'éviter des ruptures fragiles. Cette résilience est améliorée avec l'augmentation de la finesse de la structure métallographique de l'acier, donc avec une diminution de la taille du grain. Or, plus la température de transformation de 1'austénite sera basse, plus la structure métallographique qui en résultera sera fine. C'est pourquoi, l'invention privilégie une nuance d'acier fortement alliée au nickel en vue d'exploiter ses propriétés gammagènes. En effet, lorsqu'il est présent dans un acier avec une teneur de 1 % et plus, le nickel permet de diminuer les températures Acl et Ac3 de transformation de l'acier et de ralentir les cinétiques de transformation. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple de 5 réalisation. On élabore classiquement un fil-machine d'un diamètre habituel de 5 à 50 mm, à partir d'un demi-produit sidérurgique long issu par coulée continue d'un acier ayant, outre le fer et les inévitables impuretés et éléments résiduels résultant de son élaboration, la composition suivante, en teneur pondérale par rapport au fer: - de 0,04 % à 1,00 % de carbone afin de pouvoir obtenir les caractéristiques recherchées de résistance mécanique à la traction et à la fatigue; - de 0,70 % à 5,00 %, et de préférence entre 1,00 % et 4,00 % de nickel. Le nickel, connu pour contribuer à la tenue de l'acier à la corrosion sous H2S, est ici utilisé pour améliorer la résistance mécanique de l'acier aux basses températures. Il pennet d'abaisser les températures d'austénitisation avant trempe, et améliore la ductilité du fil machine, ainsi que sa trempabilité. - de 0,30 % à 1,20 % de manganèse. Le manganèse sert à désoxyder l'acier et à augmenter sa trempabilité. Il ralentit également les cinétiques de transformations. De ce fait, plus sa teneur sera élevée sans dépasser cependant 1,20 %, plus 20 l'apparition d'une structure martensitique sur le fil sera favorisée, même à faible vitesse de refroidissement; - moins de 2 % de chrome. Le chrome pennet d'augmenter la trempabilité de l'acier, et de favoriser ainsi l'apparition d'une structure martensito- bainitique; - de 0,10 % â 1,70 % de silicium. Le silicium aide à la désoxydation de l'acier à l'état 25 liquide; - moins de 0,035 % de soufre; - moins de 0,035 % de phosphore; - éventuellement, de 0,10 % à 0,50 % de molybdène. Le molybdène élargit le domaine bainitique. Il accentue, en outre, la zone de stabilité entre l'austénite et la bainite, et 30 permet de ralentir l'adoucissement au revenu. Les bobines de fil-machine ainsi obtenues peuvent éventuellement être soumises à un recuit d'adoucissement avant débobinage, si le fil s'avère trop rigide ou fragile, typiquement si le fil machine présente un Rm supérieur à 850 MPa. Le fil-machine débobiné et défilant subi ensuite une opération de préparation de surface pour éliminer la calamine résultant des cycles thenniques et/ou la rouille provenant de l'oxydation atmosphérique. La préparation de surface consiste à faire subir au fil machine un décapage et une phosphatation. Le décapage peut être chimique et s'effectuer par immersion dans un bain d'acide chlorhydrique ou sulfurique suivi d'un rinçage, ou mécanique par cambrage, brossage ou grenaillage. Le fil est ensuite revêtu d'une couche protectrice afin d'éviter une nouvelle corrosion. Ce revêtement peut-être simplement déposé physiquement sur le fil. Il s'agit alors d'un revêtement à base de chaux, de borax ou de silicates. Mais, il est préférable d'utiliser des revêtements métalliques que l'on dépose sur le fil par réaction chimique avec l'acier, tel que du phosphate de zinc. Ce dernier offre l'avantage en effet, outre la protection à la corrosion, de faciliter la lubrification du fil pour la transformation mécanique ultérieure en fil de forme (tréfilage et/ou laminage). Le fil-machine, décalaminé et phosphaté subit alors une opération de tréfilage aboutissant à un fil pouvant être de section ronde ou déjà en ébauche de forme. Ce tréfilage est ensuite suivi d'un laminage à froid peiinettant de donner au fil sa forme finale. Selon la forme finale désirée, il est possible de remplacer ces opérations de tréfilage et de laminage par une opération unique de laminage. Le fil de forme ainsi obtenu va alors être soumis à un traitement thermique de trempe et revenu au défilé. L'opération de trempe se décompose en une austénitisation à 850 C, et plus si nécessaire, afin. d'obtenir une bonne homogénéisation de l'austénite, suivie d'un refroidissement forcé rapide jusqu'en dessous de 80 C par immersion au défilé dans un bain d'huile ou un bain de fluide polymérique. La vitesse de refroidissement est de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés Celsius par seconde. Le revenu s'opère à une température inférieure à 750 C. Il peut s'effectuer en ligne ou hors ligne après bobinage du fil par exemple par induction ou par chauffage à la flamme ou en four électrique. S'il se fait en ligne, il peut également s'effectuer par passage au défilé dans un bain de plomb. Le fil de forme est ensuite refroidi jusqu'à la température ambiante puis 25 bobiné. Le fil de forme ainsi obtenu présente une microstructure à plus de 85 % de type martensito-bainitique. Sa résistance à la rupture (Rm) se situe entre 700 et 1 800 MPa et sa limite élastique (Re) est comprise entre 600 et 1 700 MPa. Eventuellement, une seconde opération de revenu peut être réalisée, sous cloche cette-fois après bobinage du fil, ou au défilé (en ligne ou séparé) . Ce second traitement thermique est principalement destiné à adoucir encore le fil jusqu'à la résistance mécanique souhaitée. On pourra le mettre en oeuvre notamment lorsque l'acier qui compose le fil de forme contient du molybdène. Comme illustration du procédé selon l'invention, on peut donner les trois 35 exemples suivants: Exemple 1: On part d'un fil-machine rond d'un diamètre de 25 mm, en acier selon l'invention pris dans une nuance de type 40NiCrMo16 dont la composition chimique répond donc au moins à l'analyse suivante: 0,38 % de C; 3,70 % de Ni; 1,50 % de Cr; 0,41 % de Mn; 0,21 % de Si; 0,004 % de S; 0,008 % de P et 0, 31 % de Mo. 2866352 6 Après un traitement de préparation de surface (décapage et phosphatation au défilé), le fil subit un tréfilage et un laminage de forme à froid jusqu'à présenter une section de 290 mm2 sous le profil souhaité, par exemple le profil "zeta" R. On le porte ensuite à une température de 900 C pendant une à deux minutes avant de le refroidir vigoureusement par immersion dans un bain de polymères sous une vitesse de l'ordre de 20 C/s. Il est ensuite soumis à un revenu à 550 C. Après refroidissement à l'eau jusqu'à la température ambiante le fil est bobiné La structure métallographique obtenue est essentiellement martensitique. Sa résistance mécanique est voisine de 1 300 MPa et sa limite élastique de 1 150 MPa. Exemple 2: On part d'un fil-machine rond d'un diamètre de 20 mm, en acier selon l'invention pris dans une nuance de type 3ONiCrl1 dont la composition chimique répond donc au moins à l'analyse suivante: 0,30 % de C; 2,70 % de Ni; 0,70 % de Cr; 0,52 % de Mn; 0,29 % de Si; 0,026 % de S; 0,013 % de P et 0, 05 % de Mo. Après préparation de surface, le fil subit un tréfilage et un laminage de forme à froid jusqu'à présenter une section de 150 mm2 sous le profil final souhaité. On le porte ensuite à une température de 950 C pendant une à deux minutes d'homogénéisation theimique avant de le refroidir par immersion dans un bain polymère avec une vitesse de l'ordre de 15 C/s. Il est ensuite soumis à un revenu à 400 C. Après refroidissement à l'eau jusqu'à la température ambiante le fil est bobiné La structure métallographique, obtenue est essentiellement martensitique. Sa résistance mécanique est de 1 400 Mpa environ, sa limite élastique est voisine de 1 230 MPa. Exemple 3: On part d'un fil-machine rond d'un diamètre de 15 mm, en acier selon l'invention pris dans une nuance de type 2ONiCr6 dont la composition chimique répond donc au moins à l'analyse suivante: 0,20 % de C; 1,50 % de Ni; 1,10 % de Cr; 0,72 % de Mn; 0,26 % de Si; 0,008 % de S; 0,014 % de P et 0, 03 % de Mo. Après traitement de préparation de surface, le fil subit un tréfilage et un laminage de forme à froid jusqu'à présenter le profil souhaité sous une section de 60 mm2. On le porte ensuite à une température de 930 C pendant une à deux minutes avant de le refroidir par immersion dans un bain d'huile. La vitesse de refroidissement est de l'ordre de 25 C/s. Le fil est ensuite soumis à un revenu à 450 C. Après refroidissement et bobinage, le fil est soumis à un second revenu sous cloche à une température de 500 C. La structure métallographique obtenue est essentiellement martensitobainitique. La résistance mécanique est mesurée à 940 MPa environ et la limite élastique'à 800 MPa. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits ci-avant, mais qu'elle s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure ou est respectée sa définition donnée dans les revendications jointes. Plus précisément, on aura compris l'importance de la présence dans la nuance d'acier choisie de Ni avec une teneur élevée (jusqu'à 5 %) étudiée spécialement pour la tenue à basse température de conduites souples. Ce choix singulier sur la teneur élevée en Ni est sous-tendu par l'option prise par l'invention de privilégier, parmi les multiples rôles, parfois méconnus, de cet élément en tant que constituant habituel de l'acier, les fonctions suivantes qui, dans l'application visée, conduisent à une réponse représentant un compromis optimal entre les propriétés d'usage du produit final obtenu et les exigences technico-économiques de sa fabrication, à savoir: - contribution à conférer au fil de forme obtenu de bonnes propriétés mécaniques de ductilité et de ténacité aux basses températures d'usage imposées ici; - stabilisateur de l'austénite (décalage d'AC3 vers le bas en température) en tant qu'élément gammagêne, et de faciliteur de la prise de trempe; contribution, comme le manganèse d'ailleurs, à l'augmentation de la solubilité du cuivre dans l'austénite, ce qui est particulièrement marquant en cas de production du métal à partir de ferrailles au four électrique; - contribution à une bonne tenue à la corrosion sous H2S (normes NACE). REVENDICATIONS 1. Fil de forme en acier pour le renforcement de conduites flexibles destinées à être immergées en milieu marin, caractérisé en ce que l'acier qui le compose répond au moins à l'analyse suivante, donnée en teneurs pondérales par rapport au fer: 0,04%5C51,00% 0,70 % 5 Ni 3. Fil de forme en acier selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que 20 l'acier qui le compose comprend en outre entre 0,10 et 0,50 % de molybdène. 4. Procédé de fabrication d'un fil de forme en acier pour le renforcement de conduites flexibles comportant les étapes suivantes: - élaboration d'un fil-machine par laminage à chaud à des diamètres classiques de 5 25 à 50 mm; - décapage dudit fil-machine défilant et sa phosphatation pour préparer le tréfilage; - tréfilage et/ou laminage de forme à froid; traitement thermique de trempe et revenu au défilé du fil de forme; refroidissement jusqu'à l'ambiante et bobinage du fil procédé caractérisé en ce que l'on utilise un acier pour la fabrication du fil- machine qui répond au moins à l'analyse suivante, donnée en teneurs pondérales par rapport au fer: 0,04%C51,00% 0,70 % 5 Ni 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que la teneur pondérale en nickel de l'acier utilisé est comprise entre 1,00 et 4,00 %. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que l'acier utilisé comprend en outre entre 0,10 et 0,50 % de molybdène en poids. 8. Conduite flexible pour le transport de fluides caractérisée en ce qu'elle 20 comporte au moins une couche d'armature comprenant des fils de forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.