Memoire Online - Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à haut grade"

Le transport du gaz dans des conditions économiques nécessite l'utilisation de pressions de transport élevées, et donc l'utilisation d'aciers à haute limite d'élasticité comme les aciers X100 (Re = 100 ksi = 690MPa) ou X120 . Ces nouveaux aciers sont en cours de développement et ont besoin d'être caractérisés en termes du comportement plastique et de la ténacité [5].

I.4.2 Aciers à hauts grades pour pipelines

La demande mondiale en gaz naturel risque de doubler d'ici 2025 en passant de 2500 à 4300 milliards de mètres cubes. Les canalisations sur longues distances sont un moyen sûr et économique de transporter le gaz entre les sites d'exploitation et les consommateurs, qui sont parfois séparés par plus de 5 000 km.

Les pipelines d'aujourd'hui sont l'aboutissement d'une évolution progressive de leurs propriétés depuis la seconde guerre mondiale, suite à un évènement économique, une catastrophe ou à une découverte scientifique (Tableau I.3).

Date	Evénements	Réaction de l'industrie
1943	Observation de la transition ductile-fragile dans les aciers au carbone des navires	Introduction de l'énergie de rupture minimale de 20J dans les spécifications des plaques pour navires
1954	La transition ductile-fragile est considérée pertinente pour les pipelines	Introduction de l'énergie requise de 34,3 J/cm² pour les pipelines
1965	Propagation par rupture ductile dans un matériau non fragile supposé résistant aux fissures	Introduction de l'énergie Charpy minimale issue de différents modèles de rupture
1970	Proposition de construction du gazoduc Alaska /Canada (CAGSL)	Développement centré frénétiquement sur l'XSO (551MPa) et des résiliences requises à-69°c
1974	Arrêt de fissure imprévu lors d'un essai à échelle réelle, attribué aux gaz riche, aux séparations, aux fortes contraintes circonférentielles et modèles erronés	Introduction de stop- fissure (crack arrestors), amélioration de la modélisation de l'arrêt de fissure et révision des idées de laminage pour les pipelines à hautes résistances.
1976	Défaillances par fissuration par corrosion sous contraintes dans des pipelines nouvellement installés en Australie et au Canada	Meilleur contrôle métallurgique (dureté), et amélioration des revêtements externes. Amélioration des protocoles de mise en oeuvre

1978	Pénurie de molybdène et augmentation des prix	X70 sans molybdène ajout de Nb-Cr + TMCP
1988-	Augmentation du prix du vanadium	Aciers sans vanadium, substitué par du
	89à50$/kilo	Mo, Cr + TMCP
1990	Développement des réserves en pétrole et	Pipeline DSAW(roulé soudé) de forte
	gaz en eau profonde et nouveaux pipelines	épaisseur résistant au flambement sous
	: Oman jusqu'en Inde et la mer Noire	pression, développé en même temps que les pipelines en acier à hauts grades de
		80 ksi (552MPa) sans soudure

Tableau I.3 : Les facteurs qui ont influencé le développement des pipelines en acier [5],

L'augmentation des propriétés mécaniques permet une réduction de l'épaisseur du tube. Le gain de masse permet des économies sur l'acier, le transport et le soudage. Par exemple, le surcoût à la production de 10 % lors du passage de l'acier de grade X65 (65 ksi, 448 MPa) à l'acier de grade X80 (80 ksi, 551 MPa) est largement rentabilisé par le gain de masse de 6%.

Environ 8 millions de tonnes de pipelines sont produites chaque année dans le monde. La plus grande partie des tubes est composée de matériaux de grade standard, inférieur aux aciers de grade X70. Les grades supérieurs X70 et X80 sont aujourd'hui utilisés pour les pipelines sur longues distances, et les grades X90 et X100 sont en cours d'évaluation. Les développements des aciers X70 et X120 sont en cours. La recherche sur l'X100 a commencé depuis 1978 et se poursuit toujours [6].

Le Tableau I.4 rassemble les propriétés mécaniques requises pour les pipelines en acier, d'après l'American Petroleum Institute (API).

Grade =	Limité d'élasticité (MPa)	Rm (MPa)	Allongement (%)
API-X65	446	530	24
API-X70	433	566	23
API-X80	551	620	22
API-X100 (à venir)	690	770	25

Les propriétés mécaniques dépendent des éléments chimiques en présence. Chaque élément est précisément dosé et les éléments indésirables sont supprimés dès la fabrication de l'acier. Les quantités de carbone et de phosphore sont réduites. Le dégazage sous vide des poches assure une bonne désulfuration et une extraction de l'azote et de l'hydrogène. La coulée résultante ne contient alors plus que 0.001 % de soufre. De plus l'acier en fusion est brassé dans une atmosphère de gaz inerte, ce qui réduit le taux d'oxygène à 0.002 % maximum. Le traitement de l'acier au Ca permet d'obtenir des inclusions arrondies au lieu des inclusions allongées dommageables. Cet acier est ensuite coulé en continu dans une atmosphère protectrice entre des rouleaux de soutien qui protège l'acier de diverses recontaminations et le refroidissent de manière intensive pour durcir la périphérie de la brame et éviter son percement [6].

? Les éléments gammagènes élargissent le domaine de stabilité de l'austénite, abaissent les températures de transformation (Ni, Mn).

? Les éléments alphagènes limitent ou empêchent la formation de l'austénite et élèvent les températures de transformation (Si, Cr, Mo, Ti).

? Les graphitisants : Si, Ni, Cu...(ne forment pas de carbures, ils se retrouvent en solution dans la ferrite)

? Les désoxydants : Mn, Si, Al, Ti, Nb, ...pour fixer l'oxygène dissous dans le métal liquide

Le Tableau I.5 rassemble les rôles joués par les éléments chimiques ajoutés dans les aciers pour gazoducs.

	Rôle de l'élément chimique ajouté dans l'acier X100
Al	Est un puisant désoxydant
B	En quantité extrêmement faible ,accroît la trempabilité
	CAugmente la dureté, la résistance à la traction et à la corrosion /diminue la ductilité, la malléabilité, la soudabilité.
	CrAugmente la trempabilité (agit sur les point de transformation de l'acier et ralentir la vitesse de transformation de l'austénite au cours du refroidissement). Augmente égale la résistance au revenu.
Cr et	Nbrésistance A faibles teneurs, on additionne les effets favorables sur la trempabilité, la au revenu et la ductilité.
MnEvite	Intervient comme désoxydant , augment la trempabilité, permet d'obtenir des aciers à structure austénitique stable, mais il participe à la formation de carbure. la faible résilience due à la formation de réseaux de cémentite aux joints de grains bénitiques ou formation de ferrite pendant le refroidissement. Raffine la taille des grains d'austénite pendant le laminage à chaud.
	MoAmélioré la fraction volumique en bénite des aciers à bas carbone (0.04- 0.07%)
N	Abaisse le point de transformation, diminue la ductilité et la ténacité
Nb	Retarde la recristallisation de l'austénite pendant le laminage à chaud
	NiAugmente la stabilité de l'austénite et ralentit sa transformation pendant le refroidissement, donc augmente la trempabilité tout en abaissant la température Augmente la ductilité, surtout aux très basses températures.
PEn	petites proportions, améliore la résistance de l'acier à l'oxydation par l'air, diminue la ductilité et la ténacité
Si	A de faible teneur, de l'ordre de 0.2à 0.5%, il est utilisé comme désoxydant.
Ti et	Nbs'agite Ont employés pour leur grande affinité avec le carbone, surtout lorsqu'il de fixer cet élément sous une forme stable. Ce sont aussi de bons désoxydant. On fait précipiter nitrures de titane et de niobium au cours de traitements thermiques ou thermomécaniques pour réalisé un durcissement par précipitation.
Ti, Nb et Al	Forment facilement des nitrures avec l'azote que contient le métal. Ces nitrures bloquent les joints de grains austénitiques, et mhibent donc leur croissance, ce qui a des conséquences bénéfiques sur les propriétés mécanique des structures obtenue.
	VForte caractère alphagéne et carburigéne. Utilisés pour obtenir un acier dur et résistant.

Tableau I.5 : Rôle des éléments chimiques ajoutés pour les aciers à hauts grades [6]

Les tableaux suivants (Tableau I.6 et Tableau I.7) présentent le détail des compositions chimiques élaborées et des propriétés mécaniques obtenues.

approche	C	Mn	Si	Mo	Ni	Cu	Nb	Ti	N	P(.)
A	0.03	1.95	0.26	0.26	0.23	0.22	0.05	0.018	0.003	0.22
B	0.07	1.69	0.26	0.15	0.16	.	0.05	0.015	0.004	0.19
C	0.07	1.90	0.30	0.17	0.33	0.20	0.05	0.018	0.005	0.20
C	0.06	1.90	0.35	0.28	0.25	.	0.05	0.018	0.004	0.19

Approche	Limite d'élasticité R0.	Résistance à la traction	RmAótransition Allongement	Température de
A	739 MPa	792 MPa	18.4%	-15°c
B	755 MPa	820 MPa	17.1%	-25°c
C	737 MPa	800 MPa	18%	-20°c
D	752 MPa	816 MPa	18%	-50°c

A titre de comparaison, le Tableau I.8 montre les différences de compositions chimiques entre les 3 grades X80, X100 et X120. On peut remarquer que les évolutions sont très fines.

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Mo	V	Nb	Ti	N	B
X80	0.12	0.45	1.75	0.015	0.003	0.04				0.22	0.06	0.035
X100	0.06	0.34	1.95	0.01	0.001	0.03	0.02	0.02	0.24	0.30	0	0.05	0.020	0.005	0
X120	0.06	0.23	1.91				out	out	out		out	0.042	0.017	0.004	out

La figure I.4 récapitule les différentes « zones » métallurgiques dans la ZAT d'un joint soudé en X100. L'étendue des différentes zones représentes sur la fig. I.4 dépend fortement des paramètres de soudage (et du procède utilise). Le problème majeur qui peut se poser du point de vue métallurgique lors du soudage est le grossissement de grain austénitique, car celui-ci est préjudiciable pour les soudures. Bien entendu, lors d'une opération de soudage, les paramètres de soudage sont ajustes de façon a garantir des soudures de bonne qualité. Mais

dans certains cas de soudage a l'arc de fortes sections avec de nombreuses passes (dans l'industrie nucléaire, certaines sections sont soudées avec plus de 100 passes), le séjour a haute température d'une grande partie de la matière peut entraîner ce type de problème.

Figure I.4 Présentation schématique des différentes parties constitutives d'un joint

Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à haut grade"

I.4 MATERIAUX DES PIELINES

I.4.1 Introduction

I.4.2 Aciers à hauts grades pour pipelines