Brevet FR2939510A1 — publié le 20100611

Domaine de l'invention L'invention concerne la détection des amorces de fissuration de type SSC dans les aciers soumis à un environnement aqueux acide. En milieu aqueux acide contenant un élément hydrogénant, en particulier de l'hydrogène sulfuré H2S, la corrosion des aciers peut s'accompagner d'un phénomène de pénétration d'hydrogène au sein du matériau. Une telle pénétration fragilise alors le matériau. Dans certaines conditions, cette fragilisation peut conduire à la fissuration de l'acier. Différents modes de fissuration peuvent se rencontrer, parmi lesquels la rupture différée sous H2S (en anglais SSC, sulfide stress cracking), qui est caractérisée par une fissuration fragile initiée en surface du matériau. Ce mode de rupture nécessite que le matériau soit soumis à des contraintes mécaniques (appliquées ou résiduelles) de traction. Les matériaux sensibles à ce type de fissuration sont principalement les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés, mais aussi les aciers inoxydables martensitiques. Les paramètres environnementaux qui influent sur ces risques de fissuration sont essentiellement le pH, la pression partielle en H2S (pH2S) et la température. Les risques les plus importants se rencontrent à température ambiante, et ils sont augmentés lorsque la pression partielle d'H2S (pH2S) augmente et lorsque le pH diminue. Certains paramètres métallurgiques influent également sur les risques de fissuration SSC : en particulier, la sensibilité à la fissuration augmente lorsque la limite d'élasticité de l'acier augmente. Les milieux pétroliers sont particulièrement favorables à ce type de fissuration : ils cumulent en effet la présence d'eau et de gaz acides comme l'H2S. Par ailleurs, pour certaines applications, des aciers à haute limite d'élasticité sont nécessaires, par exemple pour les canalisations rigides en offshore profond, pour certains matériaux de puits ou de cuvelage, ou pour les armures de canalisations flexibles. Pour les applications en milieu pétrolier contenant de l'H2S, il est donc nécessaire de sélectionner des nuances d'acier spécialement élaborées pour résister à la fissuration de type SSC, et de vérifier cette résistance par des tests de qualification. Le test de tension uniaxiale en milieu H2S, décrit dans le document NACE TM0177 ["Laboratory testing of metals for resistance to specific forms of environmental cracking in H2S environments", Nace TM0177-96 (1996)] et dans la norme IS015156/NACE MR0175 ["Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S containing environments in oil and gas 1 production - Part 2: Cracking-resistant carbon and low alloy steel, and the use of cast iron", NACE MR0175/ISO 15156-2 (2003)] constitue l'un des essais de qualification les plus utilisés. Cet essai consiste à exposer dans un milieu aqueux contenant de l'H2S une éprouvette métallique sous contraintes de traction. Après 720 heures d'exposition, l'essai est arrêté pour observation visuelle de l'éprouvette. Le matériau est jugé non conforme ou conforme selon qu'il présente ou non des fissures (ou rupture) lors de cette inspection visuelle. Les principales limites de ce type d'essai sont sa durée élevée (un mois d'exposition), le caractère binaire de la réponse (pass/fail), le peu d'informations sur les mécanismes et la cinétique. Par ailleurs, pour les installations en service, très peu de moyens d'inspection adaptés à ce type de fissuration sont disponibles. En effet, les fissures apparaissent en surface de l'acier du côté exposé à l'H2S, lequel est peu accessible pour des inspections visuelles ou par méthodes de contrôle non destructif (CND) d'examen de surface. Enfin, les contrôles visuels ou par CND ne permettent de détecter des fissures qu'à un stade avancé qui constitue souvent déjà un risque pour l'intégrité de la structure. Parmi les méthodes de suivi en temps réel de la corrosion ou de la fissuration des matériaux en service, l'émission acoustique occupe une place de choix. Cette méthode totalement passive consiste à détecter, enregistrer et analyser les ondes élastiques émises par des défauts évolutifs au sein ou en surface du matériau soumis à un environnement agressif. Dans des conditions de corrosion d'un acier en milieu aqueux, les sources d'ondes élastiques (ou sources d'émissions acoustiques) peuvent être par exemple la croissance d'un dépôt de corrosion, le dégagement d'hydrogène issu de la réaction cathodique ou la fissuration due à la fragilisation par l'hydrogène. Différents auteurs ont utilisé l'émission acoustique afin d'étudier les différentes formes de fissuration des aciers en milieu H2S. Weng et Chen [C.C.Weng and R.T.Chen, "Acoustic emission characteristics of a high strength steel subjected to corrosive hydrogen sulfide solution", Journal of the Chinese Institute of Engineers vol.16 n°2, 195-202 (1993)] ont étudié spécifiquement la fissuration par décohésion interne (ou HIC, Hydrogen Induced Cracking), qui se produit à l'intérieur de l'acier et en absence de sollicitations mécaniques. Ces travaux ont visé en particulier à identifier la signature acoustique des signaux de fissuration. Ainsi, l'analyse des données d'émissions acoustiques peut être effectuée en ne considérant que les signaux caractéristiques de la fissuration, en éliminant toutes les autres sources. Cayard et Kane [M.S.Cayard and R.D.Kane, "Evaluation of various methods of reducing the duration of SSC qualification testing", Corrosion97, paper n°57 (1997)] ont appliqué l'émission acoustique au test de traction uniaxiale décrit dans le document NACE TM0177 méthode A, dans une mise en oeuvre assez proche de celle de notre exemple. Toutefois, dans leurs travaux, chaque éprouvette d'essai n'était équipée que d'un seul capteur d'émissions acoustiques, ne permettant donc pas de localiser les sources. D'après ces travaux, une prévision des risques de rupture par SSC peut être déduite des courbes d'évolution de l'énergie cumulée des signaux d'émissions acoustiques en fonction du temps. Par exemple pour un des types d'acier testé, la rupture des éprouvettes d'essai pouvait être prévue si la pente moyenne de la courbe d'énergie cumulée en fonction du temps était supérieure à 610 mV.s/h lors des 200 premières heures de l'exposition. Ce seuil de pente dépend du grade d'acier considéré et du niveau de la contrainte appliquée. Cette méthode ne permet pas de localiser les zones de fissuration SSC Une approche très similaire à celle de Cayard et Kane a été proposée par la suite par Gingell et Garat [A.D.B.Gingell and X.Garat, "Observations of damage modes as a function of microstructure during NACE TM0177-96 tensile testing of API 5L grade X60 linepipe steels", Corrosion99, paper n°600 (1999)] et Amami et al. [S.Amami, P.Marchand, S.Duval, X.Longaygue, M.Fregonese, H.Mazille, and J.P.Millet, "Detection by acoustic emission technique of the corrosion stress cracking within steel structures in H2S containing mediums", Eurocorr 2003, paper n° (2003)]. Enfin, des résultats portant sur la fissuration de type HIC, ont été exposés dans le document [V.Smanio, M.Frégonèse, J.Kittel, T.Cassagne, F.Ropital, and B.Normand, "Evaluation of hydrogen induced cracking damages in steels using acoustic emission", Eurocorr 2007, paper n°(2007), V.Smanio, T.Cassagne, F.Ropital, J.Kittel, M.Frégonèse, and B.Normand, "Evaluation of hydrogen embrittlement induced damages in steels using acoustic emission", Corrosion 2008, paper n°08111 (2008)] , mais la démarche d'analyse ne concerne que la fissuration de type HIC. La méthode selon l'invention permet de remédier à l'ensemble des inconvénients cités ci-dessus et permet de détecter et de localiser les zones d'amorce de fissures de type SSC dans un acier soumis à un milieu aqueux contenant un élément hydrogénant, en particulier de l'H2S, au moyen d'un système de réception d'émissions acoustiques comprenant au moins deux capteurs afin de permettre de localiser, par triangulation par exemple, chaque source individuelle d'émissions acoustiques. Pour ce faire, nous proposons de cartographier les augmentations locales en temps et en position de la densité de signaux d'émissions acoustiques. Description de l'invention Résumé de l'invention La présente invention concerne une méthode de détection et de localisation de sources de fissuration de type SSC dans un acier en contact avec un milieu aqueux acide contenant au moins un élément hydrogénant, à l'aide d'émissions acoustiques, comprenant les étapes suivantes : - mise en place d'au moins deux capteurs d'émissions acoustiques autour d'une zone à étudier ; enregistrement des signaux d'émissions acoustiques reçus par les capteurs en fonction du temps ; - à partir des signaux d'émissions acoustiques reçus par les capteurs, détermination des positions des sources d'émissions acoustiques ; cartographie de la distribution du nombre d'émissions acoustiques en fonction des positions des sources et du temps ; - identification sur la carte des zones présentant localement une augmentation supérieure à 10 fois la densité moyenne de signaux d'émissions acoustiques sur une durée supérieure à une heure comme sources de fissuration de type SSC. Le milieu aqueux acide peut contenir au moins un élément hydrogénant choisi parmi l'hydrogène sulfuré H2S, l'acide fluorhydrique HF ou l'hydrogène atomique HO. De manière avantageuse, la détermination des positions des sources d'émissions 30 acoustiques est réalisée par triangulation. De préférence, l'acier est un acier à haute limite d'élasticité. L'invention concerne également l'utilisation de la méthode décrite ci-dessus pour le suivi d'essais de résistance à la fissuration SSC. De préférence, l'essai est un essai de traction uniaxiale. L'utilisation peut permettre la sélection d'une nuance d'acier en vue d'une 35 application particulière en milieu pétrolier. L'invention concerne également l'utilisation de la méthode décrite ci-dessus pour le contrôle in situ des éléments de puits pétroliers, des équipements de raffinerie ou des 10 15 20 25 équipements pétrochimiques contenant de l'acier et soumis à un environnement acide hydrogénant, avantageusement pour le contrôle in situ de conduites de pétrole. Description détaillée de l'invention 5 Description de la méthode L'émission acoustique est un phénomène de libération d'énergie élastique sous forme d'ondes élastiques transitoires au sein du matériau durant des processus dynamiques de déformation. La fissuration d'un acier, par exemple par le mécanisme de SSC, constitue donc une source d'émissions acoustiques. Par extension, l'émission acoustique désigne 10 également la technique de mesure du phénomène. La méthode proposée vise à utiliser la technique d'émission acoustique afin de détecter et de localiser les zones d'amorce de fissuration de type SSC pour des aciers soumis à un environnement aqueux acide contenant un élément hydrogénant, en particulier de l'H2S. 15 Les éléments hydrogénants susceptibles d'intervenir dans les milieux aqueux acides pétroliers sont notamment : l'H2S (par exemple dans les unités de traitement de gaz); - l'acide fluorhydrique HF, qui est parfois utilisé comme catalyseur dans les 20 réactions pétrochimiques (notamment réactions d'alkylation) - l'hydrogène atomique HO, issu de la réduction de l'ion H+ en solution par la protection cathodique de l'acier. La protection cathodique consiste à imposer un potentiel fortement négatif au métal (apport d'électrons), dit potentiel cathodique, pour limiter la corrosion. La protection cathodique favorise la réduction de 25 l'hydrogène H+ en HO qui peut pénétrer dans le métal. Les principes de la méthode selon l'invention sont les suivants : disposer au moins deux capteurs d'émissions acoustiques autour de la zone de l'échantillon d'acier à surveiller, 30 - relier ces capteurs à un système d'émissions acoustiques permettant de les synchroniser entre eux afin de localiser, notamment par triangulation, la position de chaque source détectée, - pendant ou après une campagne d'écoute des émissions acoustiques sur le matériau soumis à l'environnement agressif, cartographier la densité des signaux 35 d'émissions acoustiques en fonction du temps et des positions des sources. A partir de cette cartographie, les zones pouvant présenter des amorces de fissuration de type SSC sont celles pour lesquelles la densité cartographiée des signaux d'émissions acoustiques est au moins dix fois plus élevée que la moyenne et sur des durées d'au moins une heure, généralement deux à trois heures et plus généralement encore 15 à 30 heures. La position de la source d'émission acoustique est calculée avantageusement par triangulation, à partir de la différence de temps d'arrivée du signal entre les différents capteurs, en connaissant la position de ces capteurs ainsi que la vitesse de propagation du signal dans le matériau. Par exemple, dans le cas d'une détection linéaire (1 dimension), il est nécessaire d'avoir 2 capteurs. Le premier capteur est en position origine. Le second capteur est à une distance d du premier. La vitesse du signal dans le matériau est V. Pour une source d'émission acoustique située entre les deux capteurs à la position x (x Une fois que toutes les émissions acoustiques ont été distribuées, on calcule une densité de probabilité que l'on cartographie dans le même plan P. Les positions des sources de fissuration sont alors suspectées dans le plan P en tous lieux de forte densité. Un système de mesure d'émissions acoustiques est généralement composé de : un ou plusieurs capteurs piézoélectriques en contact avec la structure à surveiller, ce contact pouvant être direct (la partie sensible du capteur est positionné sur la structure à surveiller) ou indirect (le capteur est positionné sur un guide d'onde, ce dernier étant en contact avec la structure à surveiller); un ou plusieurs pré-amplificateurs relié(s) à chaque capteur, dont le rôle est d'amplifier les signaux de sortie des capteurs, afin de faciliter leur transport vers le système de mesure (carte d'acquisition ù logiciel de traitement); - une carte d'acquisition, qui permet d'acquérir, enregistrer, analyser en temps réel les signaux; une série de logiciels spécifiques, qui permettent de contrôler la carte d'acquisition, d'enregistrer les données, et de réaliser les analyses des données en temps réel ou après essais. Tout système de mesure d'émissions acoustiques connu de l'homme du métier pourra être utilisé. Applications possibles de la méthode Essais de résistance à la fissuration Cette méthode peut s'appliquer de préférence dans des conditions de laboratoire aux essais de résistance à la fissuration de type SSC, par exemple pour le suivi d'un essai de traction uniaxiale tel que celui décrit dans le document NACE TM0177 méthode A ["Laboratory testing of metals for resistance to specific forms of environmental cracking in H2S environments", Nace TM0177-96 (1996)]. Une telle application est détaillée dans l'exemple qui suit. La méthode peut s'appliquer également aux autres essais de résistance à la fissuration SSC, tels que ceux décrits par exemple dans le document NACE TM 0177 ou la Publication EFC n°16 ["Guidelines on materials requirements for carbon and low alloy steels for H2S-containing environments in Oil and Gas production", EFC publication n°16, The Institute of Materials, London, UK (1995)] émise par la fédération européenne de corrosion. Sélection de nuances d'acier pour application particulière en milieu pétrolier Actuellement, la sélection de nuances d'acier pour applications en milieu pétrolier dans un environnement agressif, notamment dans un milieu contenant de l'H2S, nécessite de réaliser des essais normalisés, tels que ceux décrits dans le document NACE TM0177 et dans la norme IS015156/NACE MR0175. Ces essais ont généralement une durée assez élevée (un mois) et donnent une réponse binaire (pass/fait) selon l'absence ou la présence de fissures en surface des échantillons après essai. La méthode selon l'invention peut être appliquée pour améliorer sensiblement ces essais normalisés. Par exemple, un essai normalisé peut être instrumenté par émissions acoustiques selon la méthode de l'invention, comme décrit ultérieurement dans l'exemple. La méthode selon l'invention permet alors notamment : de réduire la durée des essais grâce à la détection précoce des amorces de fissure, de réduire la durée des analyses de surface, grâce à la localisation des zones 10 d'amorces de fissure. Cette méthode permet alors d'optimiser la sélection de nuances d'acier pour une application particulière en environnement agressif ou d'évaluer l'agressivité d'un milieu vis _à-vis d'un acier. Monitoring de structures en service De manière analogue, il est également envisageable d'appliquer cette méthode pour le 20 suivi d'une installation réelle soumise à un environnement contenant un élément hydrogénant, en particulier de l'H2S, par exemple une canalisation rigide ou flexible de transport de fluide pétrolier. Dans ce cas, il est souhaitable de procéder à un suivi sur une période suffisamment longue pour initier des fissures de SSC, et avec un nombre suffisant de capteurs pour une bonne localisation. Cette utilisation peut notamment 25 permettre le monitoring de structures réelles en service. L'émission acoustique est déjà utilisée pour le contrôle des équipements sous pression. Dans ce cas, l'équipement à contrôler est équipé de capteurs d'émissions acoustiques en nombre suffisant pour permettre la localisation des signaux sur toute la structure, par 30 exemple au moyen d'un maillage de la structure. Puis, l'équipement est sollicité mécaniquement sous une contrainte légèrement supérieure à la contrainte maximale atteinte en service. Si des fissures sont présentes dans la structure et si elles progressent sous la contrainte appliquée, elles génèrent des émissions acoustiques qui seront détectées. 35 Un principe similaire peut être appliqué pour la détection de fissuration SSC sur structures réelles : l'équipement à surveiller doit être maillé par un nombre suffisant de capteurs afin de permettre une localisation des signaux. Puis l'équipement doit être soumis à des conditions susceptibles de générer de la fissuration de type SSC. La 15 détection d'une augmentation locale de la densité de signaux d'émissions acoustiques pourra alors être interprétée comme le signe d'un risque d'amorçage de fissures de type SSC, qui nécessite un contrôle plus approfondi de l'équipement dans la zone où ces signaux ont été détectés. Le suivi par émission acoustique de structures ou d'équipements est régulièrement pratiqué dans les conditions de service. Le plus souvent il est utilisé pour la détection et le suivi de fissures de fatigue ou de corrosion sous contrainte. 10 La méthode selon l'invention peut être utilisée pour le suivi d'équipements tels que réacteurs ou canalisations lors de phases à risque particulier telles que mise en service, ou changement de conditions opératoires. Elle peut aussi être mise en oeuvre pour le monitoring de zones particulièrement sensibles en particulier les soudures. 15 Les équipements concernés peuvent être des éléments de puits, des équipements de raffinerie ou tout équipement pétrochimique susceptible d'être en contact avec de l'H2S ou un autre élément hydrogénant (unité de traitement des gaz par exemple). 20 Liste des figures La figure 1 représente le schéma de la cellule d'essai de traction uniaxiale pour essais SSC (d'après le document NACE TM0177). La figure 2 représente la cartographie de la densité du nombre d'émissions acoustiques 25 en fonction du temps (X, en secondes) et de la position de la source (Y, en mètres) et se rapporte à l'exemple ci-après. La figure 3 représente le faciès de rupture de l'éprouvette de traction uniaxiale. La figure 4 représente l'amorce de fissure SSC observée après essai en surface de l'éprouvette à la position 0,070 mètres. 30 Exemple Dans l'exemple décrit ici, la méthode est appliquée au suivi d'un essai de laboratoire de type traction uniaxiale selon un montage inspiré de la méthode A du document NACE TM0177 [1]. 35 La partie calibrée de l'éprouvette d'essai est exposée à la solution d'essai (eau salée à 30 g/L en chlorure de sodium, tamponnée à 4 g/L en acétate de sodium, saturée sous 1 bar d'H2S et maintenue à pH 3.5 par des ajouts dosés de soude ou d'acide5 chlorhydrique), et soumise à une contrainte de traction uniaxiale égale à 90% de sa limite d'élasticité, au moyen d'un anneau de contrainte. Deux capteurs d'émissions acoustiques sont installés sur les têtes de l'éprouvette, de part et d'autre de la zone exposée. Les émissions acoustiques sont enregistrées pendant toute la durée de l'essai. L'analyse des signaux d'émissions acoustiques est réalisée selon les principes suivants : 1/ chaque émission acoustique est d'abord localisée par triangulation entre les deux capteurs. Seuls les signaux d'émissions acoustiques dont la source est localisée dans la partie calibrée exposée à la solution d'essai sont conservés pour la suite de l'analyse. 2/ à la suite de l'étape 1, chaque émission acoustique est donc caractérisée par les deux paramètres suivants : la position de sa source sur l'éprouvette d'essai et le temps (date et heure) où il a été émis. 3/ enfin, la distribution du nombre des émissions acoustiques en fonction de la Position et du Temps est calculée et représentée graphiquement (Figure 2). A partir de cette représentation, les zones qui présentent localement une augmentation sensible de la densité de signaux d'émissions acoustiques sur une durée de quelques heures sont significatives d'un amorçage de fissures de type SSC. Dans le cas illustré par la Figure 2, la méthode proposée a permis de détecter trois zones à risque de fissures SSC : - une zone à la position 0.047m, caractérisée par une augmentation de la densité de signaux à partir de 380 000s, - une zone à la position 0.070m, caractérisée par une augmentation de la densité de signaux à partir de 390 000s, - une zone à la position 0.065m, caractérisée par une augmentation de la densité de signaux à partir de 400000s. Cet essai s'est terminé après 510 000s d'exposition par une rupture de l'éprouvette à la position 0.047m, avec un faciès de rupture typique du SSC (Figure 3). Cette position correspond bien à l'une des zones à risque identifiée par l'analyse des signaux d'émissions acoustiques. Par ailleurs, une observation visuelle a été réalisée sur la totalité de l'éprouvette à la fin de l'essai. Des amorces de fissure ont été observées aux positions 0.065m et 0.070m (Figure 4), en accord avec les indications d'émissions acoustiques de la Figure 2. Pour les autres zones de l'éprouvette n'ayant pas donné lieu à une activité intense en émission acoustique, aucune amorce de fissuration n'a été observée. REVENDICATIONS1. Méthode de détection et de localisation de sources de fissuration de type SSC dans un acier en contact avec un milieu aqueux acide contenant au moins un élément hydrogénant, à l'aide d'émissions acoustiques, comprenant les étapes suivantes : - mise en place d'au moins deux capteurs d'émissions acoustiques autour d'une zone à étudier ; enregistrement des signaux d'émissions acoustiques reçus par les capteurs en fonction du temps ; - à partir des signaux d'émissions acoustiques reçus par les capteurs, détermination des positions des sources d'émissions acoustiques ; cartographie de la distribution du nombre d'émissions acoustiques en fonction des positions des sources et du temps ; identification sur la carte des zones présentant localement une augmentation supérieure à 10 fois la densité moyenne de signaux d'émissions acoustiques sur une durée supérieure à une heure comme sources de fissuration de type SSC. 2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle le milieu aqueux acide contient au moins un élément hydrogénant choisi parmi l'hydrogène sulfuré H2S, l'acide fluorhydrique HF ou l'hydrogène atomique HO. 3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle la détermination des positions des sources d'émissions acoustiques est réalisée par triangulation. 4. Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'acier est un acier à haute limite d'élasticité. 5. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications précédentes pour le suivi d'essais de résistance à la fissuration SSC. 6. Utilisation selon la revendication 5 dans laquelle l'essai est un essai de traction uniaxiale. 7. Utilisation selon l'une des revendications 5 ou 6 pour la sélection d'une nuance d'acier en vue d'une application particulière en milieu pétrolier. 8. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications 1 à 4 pour le contrôle in situ des éléments de puits pétroliers, des équipements de raffinerie ou des équipements pétrochimiques contenant de l'acier et soumis à un environnement acide hydrogénant. 9. Utilisation selon la revendication 8 pour le contrôle in situ de conduites de pétrole.