Brevet FR2891364A1 — publié le 20070330

Le domaine de la présente invention concerne l'industrie de fabrication de tubes en acier pour gazoduc, et en particulier dans le cadre d'utilisation de haut grade d'acier. La mise sur le marché de tubes en acier pour gazoduc nécessite d'avoir à disposition un test de recette des aciers sous forme d'essai mécanique permettant d'établir la résistance à la rupture brutale des tubes fabriqués à partir de ces aciers. A ce jour, ce rôle est tenu par l'essai Charpy. Il mesure la résilience 15 du métal, c'est-à-dire l'énergie nécessaire pour casser par choc lent une éprouvette entaillée calibrée de section nette 0,8 cm2. Dans le cadre des gazoducs, l'utilisateur souhaite avoir le maximum de garanties que la nature du métal des conduites en service est telle que, si par malheur une rupture en service s'amorce, celle-ci s'arrête rapidement. Jusqu'au grade d'acier X70, voire X80, (les grades X70, X80, X100, etc... désignent une nuance d'acier au carbone faiblement allié, selon les normes de l'American Petroleum Institute API- dans lesquelles le nombre donne la limite d'élasticité de l'acier considéré en ksi (1 ksi=6,89 MPa), l'essai Charpy permet d'obtenir une corrélation d'une qualité suffisante entre la résilience ainsi mesurée et les expériences 2891364 2 d'arrêt de fissuration axiales à échelle 1. Toutefois, on observe que, plus le grade de l'acier augmente, plus la précision de la corrélation se dégrade. Au-dessus du grade X80, l'industrie estime qu'une corrélation entre l'essai Charpy et l'essai de fissuration à l'échelle 1 ne peut plus être trouvé. Le remplacement de l'essai Charpy par l'essai "Battelle Drop Weight Tear Test (BDWTT)", dans lequel l'éprouvette est beaucoup plus lourde, n'est pas plus satisfaisant. On pourra se référer à la publication suivante: BUZZICHELLI, G (2000). "Designing Against Ductile Fracture Propagation in High Strength Steel Gas Pipelines: a Review", Fracture Mechanics: Applications and Challenges, Eds. M. Fuentes, M. Elices, A. Martin-Meizoso and J.M. Martinez-Esnaola, ESIS publication 26. En effet, lorsque le grade d'acier augmente, on observe sur les ruptures à l'échelle 1 des basculements des trajets de fissuration, voire du délaminage en milieu de tôle. Les méthodes globales d'analyse de la mécanique de la rupture sont impuissantes à rendre compte de ce phénomène. Dans le cas des aciers de grade élevé, c'est à dire supérieur à X80, par exemple X100 (correspond à une limite élastique de 100000 psi ou 690 MPa), on constate également un autre phénomène. Le front de rupture se propage, en essai échelle 1, à une vitesse de l'ordre de 200 m/s. Dans un essai Charpy, ou un essai BDWTT, il se propage à environ 1 m/s. Cela représente une différence fondamentale. En effet, plus la vitesse de propagation est rapide, moins la chaleur fournie par dissipation plastique en pointe de fissure peut diffuser dans la plaque dans le temps d'avancée de la fissure d'une quantité 0 arbitraire, et plus le champ de température en pointe de fissure est élevé. On peut atteindre ainsi une température qui modifie notablement la loi de comportement de l'acier, et donc sa résistance à la fissuration. 2891364 3 Ainsi, la présente invention propose une méthode d'essai de réception d'un acier de haut grade destiné à la fabrication de tube, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on fabrique une éprouvette d'essai de traction de largeur 1, on étire ladite éprouvette de manière à placer le métal dans un état représentatif de celui du métal du tube après fabrication, - on réalise une entaille de profondeur a, - on effectue un essai de traction de manière à atteindre une 10 propagation de la rupture supérieure à 10 m/s, - on interprète l'essai dynamique pour déterminer la résistance du tube à la fissuration. Selon l'invention, on peut utiliser un simulateur de rupture pour déterminer la largeur 1 de l'éprouvette, la profondeur a de l'entaille, en 15 fonction de la géométrie du tube et des conditions de service. La largeur 1 de l'éprouvette peut être telle que l'on atteint une vitesse de propagation de la rupture au moins supérieure à 40 m/s. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages 20 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit. Pour suppléer aux méthodes globales d'analyse de la mécanique de la rupture, on se propose d'employer une méthode de simulation issue de l'Approche Locale de la Rupture Ductile pour analyser les phénomènes. Alors, il faudra disposer d'une loi de comportement de l'acier. La difficulté liée à la vitesse de propagation décrite plus haut, montre qu'il 2891364 4 est nécessaire de prendre en compte de façon adaptée la montée de température et l'altération du comportement que cela entraîne. Toutefois, des essais de fissuration atteignant 200 m/s, s'ils sont souhaitables (notamment pour un recalage mineur de l'outil de simulation), ne sont pas indispensables. En effet, il suffit d'atteindre une vitesse V telle que le faciès caractéristique des essais à l'échelle 1 apparaisse. A titre d'exemple, sur de l'acier de grade X100, des essais ont été menés sur une machine de type D3 ARCELOR-RESEARCH, ladite machine de test est décrite notamment dans la publication suivante: - RIVALIN, F, PINEAU, A, DI FANT, M and BESSON, J (2001): "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates I. Dynamic and quasi-static experiments", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345 (référence I). Ces essais ont montré qu'atteindre une vitesse de l'ordre de 40 m/s suffit pour être représentatifs en obtenant des lèvres à 45 avec ou sans délaminage. Il est également envisageable qu'une vitesse plus faible, de l'ordre de 10 m/s, soit suffisante. La machine précitée permet de charger une plaque entaillée de dimensions de l'ordre de 20x250x700 (en mm) avec une charge de l'ordre de 4 MN, la "souplesse" de la machine étant suffisamment élevée, de l'ordre de 40 kN/m, pour fournir à l'instant de la rupture l'énergie nécessaire pour que la vitesse de la pointe de fissure atteigne plusieurs dizaines de mètres par seconde. On est donc conduit à suivre les étapes suivantes: (a) mettre au point un outil de simulation de rupture de plaque D3 fondé sur une approche locale de la mécanique de la rupture ductile. Cette outil est à la portée de l'homme du métier, comme le montre les publications suivantes:- RIVALIN, F, PINEAU, A, DI FANT, M and 2891364 5 BESSON, J (2001): "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates - I. Dynamic and quasi-static experiments", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345, et "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates II. Modeling of in-plane crack propagation", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 347-364. (b) étendre cet outil à la simulation d'une rupture de tube; (c) mener les essais de type D3 sur plaques pour: (d) alimenter (a) et (b); (e) ajuster les paramètres géométriques d'une plaque adaptée à 10 l'essai de recette; On note que les étapes (a) et (b) permettent de passer de l'échelle du test visé en (e) à la situation à l'échelle 1. On notera qu'il est improbable que le test Charpy soit abandonné. 15 Il servira de paramètre de contrôle de dérive du procédé de fabrication avec un échantillonnage supérieur au test proposé ici. Description d'un test de recette dynamique Les éléments précédents justifient que l'on mette en place, auprès de la chaîne de production de tube, un test de rupture dynamique. Pour cela il faut une machine de test adaptée et une éprouvette entaillées ayant deux particularités: (i) le ligament de l'éprouvette est suffisamment grand pour que le front de fissure puisse accélérer suffisamment, et (ii) la machine est suffisamment souple pour continuer à fournir de l'énergie mécanique à l'éprouvette en cours de rupture, accélérant ainsi sa vitesse. Cela impose: É une éprouvette de taille d'autant plus grande que l'on souhaite atteindre une vitesse de fissuration élevée (environ 10 m/s, et de préférence 40 m/s pour un ligament de 200 mm), É une force maximale proportionnelle à la racine carrée de 5 cette taille (environ, car l'épaisseur de l'éprouvette est variable, étant celle de la tôle utilisée par le client), É un stockage d'énergie d'autant plus grand que l'éprouvette est grande. On effectue un essai selon l'invention suivant le processus ci-après. (i) A l'arrivée de la plaque d'acier chez le fabricant de tubes, on prélève une bande de longueur 1 (dans le sens de la largeur de la plaque). On prépare 3, ou 4, plaquettes dans cette bande. La valeur de 1 est à déterminée en fonction de la fabrication. (ii) Dans une des plaquettes, on réalise l'ébauche d'une éprouvette de type D3 (selon la référence I). On soude des renforts de tête, et on alèse les trous de goupille (avec un jeu de 0,1 mm). Puis, on amincie (délardage) la partie centrale de 10 mm de chaque côté. (iii) On effectue un étirement jusqu'à une déformation uniformément répartie dans la section nette égale à une valeur telle que cette étape place le métal de l'éprouvette dans un état représentatif du tube après expansion mécanique. (iv) On entaille l'éprouvette par une fente terminée par un rayon de 0,5 mm, et réalisé par électro-érosion. (v) On prépare l'éprouvette (peinture, grille, fils ruptibles). (vi) On réalise la traction. (vii) On interpréte le résultat suivant la procédure D3. (viii) On sanctionne l'essai. (ix) Si la sanction est négative, on pourra tester les autres plaquettes, et comparer le nouveau résultat à un nouveau critère. Toutefois, l'éprouvette étant de grande taille, on s'attend à une faible dispersion des résultats. Certains paramètres essentiels du test sont à déterminer en fonction de l'application. Le paragraphe ci-dessous expose une méthode pour les déterminer. En particulier: É la largeur nette (délardée) de l'éprouvette 1; 10 É la pré déformation; É la profondeur de l'entaille; É les critères de sanction. C'est l'objet de la présente invention de définir une méthodologie 15 pour fixer les différents paramètres. É Création d'un outil logiciel de simulation de rupture sur une grande distance, sur plaque puis sur tube. É Calage de l'outil par simulation d'essais centimétriques, décimétriques et échelle 1. É Optimisation des paramètres de l'essai en prenant en compte les éléments technico-économiques par le biais de la simulation, et établissement de critères approchés. É Utilisation d'essais décimétriques D3 et d'essais échelle 1 pour obtenir des critères précis. Il apparaît que le présent test est clairement d'une mise en oeuvre plus complexe que le test Charpy, et d'un coût plus élevé. Il convient donc de donner quelques éléments technico-économiques. Il est raisonnable d'estimer qu'un marché pour un gazoduc de grand débit (30 G(n)m3/an), de longueur approximative 3000 km, et d'une masse environ 3 Mt, représentant 3 G , serait partitionné en environ trois fournisseurs de 1 Mt pour 1 G . Cette quantité d'acier représente 3000 coulées de 333 t, soit 50 jours à 60 coulées/jour. On peut estimer qu'une ligne d'essais doit ainsi pouvoir réaliser un essai dans le temps que le fabricant de tubes met à traiter une coulée, soit 30 tubes, soit environ 3 heures. Cela est possible, mais avec un retard fixe. Sur chaque essai, il y a 15 heures de travail. L'ensemble de la commande prendra 9000 heures, soit 6 ans (en un poste). Les coûts d'investissement comprennent la construction des machines (pseudo D3 et traction simple). On considère que la machine devra fonctionner pendant 10 commandes correspondant chacune à un gazoduc de longueur de l'ordre de 3000 km. Dès lors, son amortissement sur une commande est de 1/10 de leur coût, lequel est estimé à 1000 k . Ainsi, l'investissement vaut 100 H. Il faut cinq personnes (un usineur, un opérateur "prédéformation", un préparateur D3, un opérateur D3, un interpréteur), soit 3 heures de 25 travail pour chacun. Cela fait 30 homme.ans, soit environ 1800 k . On prélève une bande de 0,3 m tous les 300 mètres, soit un coût matière de environ 0,1 % de la commande, soit 1000 k . Coût de l'environnement: 40% du coût de personnel, soit - 700 k Selon ces hypothèses, les coûts opératoires sont d'environ 3500 k , sur une commande de 1000 M , soit 0,36%. Cela peut être considéré comme raisonnable. 2891364 10 REVENDICATIONS 1) Méthode d'essai de réception d'un acier de haut grade destiné à la fabrication de tube, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on fabrique une éprouvette d'essai de traction de largeur 1, - on étire ladite éprouvette de manière à placer le métal dans un état représentatif de celui du métal du tube après fabrication, on réalise une entaille de profondeur a, - on effectue un essai de traction de manière à atteindre une propagation de la rupture supérieure à 10 m/s, - on interprète l'essai dynamique pour déterminer la résistance du tube à la fissuration. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on utilise un simulateur de rupture pour déterminer la largeur 1 de l'éprouvette, la profondeur a de l'entaille, en fonction de la géométrie du tube et des conditions de service. 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle 20 la largeur 1 de l'éprouvette est telle que l'on atteint une vitesse de propagation de la rupture au moins supérieure à 40 mis.