ANALYSE EXPERIMENTALE DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES OBTENUES DANS LE SENS PARALLELE ET PERPENDICULAIRE DU LAMINAGE DES PIPELINES, GRADE X42

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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ANALYSE EXPERIMENTALE DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES OBTENUES DANS LE SENS PARALLELE ET PERPENDICULAIRE DU LAMINAGE DES PIPELINES, GRADE X42

A. Mebrek ¹, M. Mokhtari ²

1 ArcelorMittal Pipes & Tubes AMPTA Algeria , B.P 2055 Sidi Amar Annaba 23000.

Email: alima.mebrek@gmail.com

2 Centre de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, Unité de Recherche Appliquée en Sidérurgie Métallurgie URASM/CSC, B.P 196, Annaba 23000, Algérie.

Email: madjda.mokhtari@yahoo.fr RESUME

Les aciers de pipelines ont connus un développement dans leur élaboration où leurs propriétés mécaniques ont été améliorées. A présent ces matériaux offrent de nouvelles perspectives pour le transport pétrolier, mais la variabilité de leur comportement constitue néanmoins un obstacle important à leur développement.

Dans ce travail, notre intérêt s’est porte essentiellement sur l’étude expérimentale des propriétés structurales et mécaniques associés aux compositions chimiques dans le sens parallèle et perpendiculaire du laminage d’un acier micro-allié au manganèse grade X42.

Les échantillons prélevées ont subi plusieurs techniques de caractérisation à savoir, des analyses chimiques, des analyses métallographiques, des essais de résilience et des essais de traction uni-axial à la température ambiante afin d’évalué la variabilité de leur comportement structurales et mécaniques dans les deux sens du laminage.

Mots clés: aciers HLE, Grade X42, caractéristiques chimiques et mécaniques, sens de laminage.

1. INTRODUCTION

L’augmentation de la demande d’énergies telles que le gaz et le pétrole nécessite de plus en plus la construction de nouvelles lignes de pipelines. En effet, ces derniers, sont devenus, ces 50 dernières années le moyen d’acheminement le moins coûteux et le plus sûr pour de grandes quantités d’énergies et sur des longues distances (plusieurs centaines voire plusieurs milliers de kilomètres). Améliorer la fiabilité des ouvrages de transport de gaz naturel est un objectif primordial des concepteurs des pipelines, puisqu’il intéresse la sûreté des biens et des personnes, la disponibilité et la performance des pipelines et l’économie du transport des hydrocarbures par canalisation. Un tel objectif ne peut être atteint sans l’analyse des propriétés et caractéristiques des aciers des tubes et leur influence sur la fiabilité des pipelines. [1,2]

Du point de vue métallurgique, les tubes de transport pétrolier non traités, doivent présenter des propriétés structurales et mécaniques uniformes, non seulement pour les parois externes mais aussi pour les parois internes, ils doivent être capables de supporter d’importantes contraintes et posséder donc des propriétés mécaniques d’un niveau élevé. Pour obtenir ces propriétés, on utilise des aciers à haute limite d’élasticité (HLE), contenant un pourcentage considérable de carbone et d’autres éléments d’alliages. [3]

Dans ce contexte, Cette étude concerne un acier faiblement allié qui trouve son utilisation principale à la fabrication des tubes sans soudures, employés pour le transport pétrolier (pipelines). Les tubes sans soudure sont des produits tubulaires en acier forgé sans ligne de soudure. Ils seront obtenus à partir d’une ébauche cylindrique par un travail du métal à chaud en vu de produire la forme, les dimensions

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 223 et les propriétés requises. Le travail à chaud consistera en un laminage ou le passage d’un réducteur dans l’ébauche cylindrique.

2. METHODES EXPIREMTALES

2.1. Matériaux :

L’acier que nous avons retenu dans notre étude est un acier micro-allié au manganèse grade X42. La composition chimique a été effectuée à l´aide d´un spectroscopie à AMA. Le tableau 1 indique la composition élémentaire en pourcentage massique.

C Mn Si P S Cr Mo V Al Cu Sn Ni Ti

0,14 0,90 0,15 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 0,015 ≤ < < <

0,18 1,10 0,25 0,019 0,014 0,050 0,050 0,025 0,040 0,060 0,035 0,030 0,039 Tableau 1 - Analyse chimique (% pondéral) du grade X42 selon AMA (balance Fe).

2.2. Techniques de caractérisation :

Nous avons fait appel à des techniques d'analyse et des moyens de caractérisation tels que la microscopie optique, dureté, résilience et l’essai de traction effectué dans le sens ┴ et // du laminage.

a) Les essais de traction

Les essais de traction ont été réalisés sur une machine hydraulique de type Zwick d’une capacité de 1200 KN, qui gère simultanément l’acquisition : du temps (s), de la force appliquée (N), du déplacement de la traverse (mm) et de l’allongement mesuré par l’extensomètre (mm). Les éprouvettes de traction normalisées selon la norme ASTM A370 ont été testées à température ambiante sous une vitesse de déformation de 0,008 s^-1et une précharge de 2 Mpa. [4]

La Figure 1 montre la machine de traction assistée par un PC.

Figure 1 : Dispositif d’une machine de traction hydraulique Les plans de prélèvement des éprouvettes de traction sont reportés dans la figure 2.

Chaque essai est présenté sous forme de graphe affichant toutes les données voulues. (figure 3)

(3)

Figure 2 : Précise le sens de prélèvement Figure 3 : Graphe d’un essai de traction b) Les essais de résilience

Les tests de résilience ont été effectués sur des échantillons normalisées de dimensions : 10,0 x 5,0 x 55,0 mm, en utilisant un mouton pendule Charpy (figure 4).

Avant l’essai, les échantillons prélevés dans le sens du laminage sont maintenus à l’intérieur d’un Cryothermostat "Lauda " dans un bain d’éthanol liquide (C2H5OH) à une température (0°C) pour une durée de maintien de (15) minutes (figure 5).

a. Entaille sous forme U, les échantillons sont prélevés dans le sens transversal (┴ au laminage).

b. Entaille sous forme V, les échantillons sont prélevés dans le sens longitudinal (// au laminage).

Figure 4 : Mouton pendule Charpy Figure 5 : Cryothermostat "Lauda "

3. RESULTATS ET DISCUSSION 3.1. Etude microstructurale

La microstructure de l’acier a été étudiée à l’aide d’un microscope optique. Les surfaces observées sont polies et nettoyées à l’acétone et séchées.

Pour visualiser les différentes phases de la microstructure, une attaque chimique a été effectuée par le Nital (4% solution de HNO3 dans l’éthanol) pendant quelques secondes. Après cette attaque la ferrite apparaît au microscope optique comme une phase blanche, la perlite est plus foncée comme le montre

LONG: Sens Longitudinal (// au laminage) TRC: Sens Transversal (┴ au laminage)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 225 la figure 5. [5]

Figure 5 : Structure Ferrito-perlitique du grade X42 (GX 400) 3.2. Etude des analyses chimiques

Les résultats des statistiques des caractéristiques chimiques prélevées sur (lingot) et sur tube sont présentés dans les tableaux 2 et 3.

Lingot C Mn Si P S Cr Mo V Nb Al Cu Sn Ni Ti

Nombre 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Minimu

m 0,14 0,94 0,19 0,00 6

0,00 3

0,01 4

0,00 2

0,00 0

0,01 9

0,01 6

0,00 1

0,00 5

0,00 2 Maximu

m 0,16 1,08 0,24 0,01 8

0,00 9

0,02 0

0,00 4

0,00 1

0,02 1

0,02 3

0,00

3 0,01 0,00 2 Moyenn

e 0,15 1,01 0,21 0,01 2

0,00 6

0,01 6

0,00 3

0,00 1

0,02 0

0,01 8

0,00 1

0,00 7

0,00 2 Ecart

type

0,00 7

0,05 8

0,01 9

0,00 4

0,00 2

0,00 1

0,00 2

0,00 1

0,00 0 Médiane 0,15 1,01 0,22 0,01

2 0,00

6

0,01 6

0,00 3

0,00 1

0,01 9

0,01 7

0,00 1

0,00 7

0,00 2

Tableau 2 - Statistiques des résultats des analyses chimiques sur coulée (lingot).

Tube C Mn Si P S Cr Mo V Nb Al Cu Sn Ni Ti

Nombre 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Minimum 0,16 0,92 0,23 0,007 0,004 0,014 0,003 0,000 0,000 0,014 0,015 0,001 0,004 0,002 Maximum 0,17 0,98 0,25 0,018 0,006 0,017 0,005 0,000 0,001 0,018 0,020 0,001 0,010 0,002 Moyenne 0,16 0,95 0,23 0,012 0,005 0,016 0,004 0,000 0,001 0,016 0,018 0,001 0,008 0,002 Ecart type 0,004 0,030 0,011 0,005 0,001 0,001 0,001 0,000 0,001 0,001 0,002 0,001 0,002 0,001 Médiane 0,16 0,97 0,23 0,008 0,005 0,015 0,003 0,000 0,001 0,017 0,019 0,001 0,009 0,002

Tableau 3 - Statistiques des résultats des analyses chimiques sur produit (tube).

3.3. Etude des propriétés mécaniques

Le Tableau 4 montre les statistiques des propriétés mécaniques enregistrées, ces caractéristiques sont conformes aux spécifications standard API. [6]

L : Sens longitudinal T : Sens transversal

Rp_0,2 : Limite d'élasticité (Mpa) Rm : Résistance à la traction (Mpa) A% : Allongement (%)

KCU (T): Entaille U, Sens transversal (J/Cm²) KCV (L): Entaille V, Sens longitudinal (J/Cm²)

(5)

Distribution de la limite d'élasticité (Rp0,2) en fonction du sens prélevé (Transversal & Longitudinal)

396 379 379

322 347 399

345 377

406

364 389 366 387 435

375 386391 409 410 389

339 374 371

411 430

414 415

349

306 322 356 379 365

312 310 380

311 380

307 351 345 324 355

362 310

353 346

361374 397

280 330 380 430 480

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

L T

Limite Re max = 495 Mpa

Limite Re min = 290 Mpa

Distribution de la résistance à la traction (Rm) en fonction du sens prélevé (Transversal & Longitudinal)

473 523

496 484 524 483

515 552 534

530 546

517 534

524 482

542539

526

492 500

551

526 525502

477 485 527 540

551 505 491 487

522 557

547 545 528 520 537 540

477

541533

488 555

523 514

489 485

498

410 460 510 560 610 660 710 760

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

L T Limite Rm max = 760 Mpa

Limite Rm min = 415 Mpa

Distribution de l'allongement (A%) en fonction du sens prélevé (Transversal & Longitudinal)

43

40

34 42

39

35 45

36

35 38 39 43

46

40 39 39 39 40

42 45

41 46

42 42 44

37 36 41

35 35 32 38

35 38

40

35 27 36 35 32 36 36 34 38 44

38 38 37

33 32

25 30 35 40 45 50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

L T

Lim ite A% m in = 27 %

Distribution de la résilience en fonction du sens prélevé (Transversal (KCU ; T°C ambiante) & Longitudinal (KCV ; 0°C)

140 137 147 152 152 142

142 145 145 157 162 162

147 145 145

212 204 204 208 212 200

216 216 216 181 188

181

228 228 235

0 50 100 150 200 250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

LT

Limite KC min = 35 J

Tableau 4 - Résultats des caractéristiques mécaniques prélevées dans le sens ┴ et // du laminage.

Les graphes respectivement a, b, c et d présentent l’évolution des résultats des caractéristiques mécaniques à savoir : limite d’élasticité, résistance à la traction, résilience et allongement en fonction du sens prélevé (┴ et // du laminage).

D’après les résultats expérimentaux obtenus on peut déduire que:

- Les caractéristiques chimiques obtenues sur coulée sont légèrement supérieures aux caractéristiques chimiques obtenues sur produit (tube) tels que: carbone et manganèse.

1. Les résultats de la limite d’élasticité et de l’allongement prélevés dans le sens du laminage sont sensiblement supérieurs aux résultats prélevés dans le sens transversal, ceci explique que la courbe de Gauss est décalée vers la limite inférieure de la fourchette demandée par rapport aux résultats prélevés dans le sens de longitudinal. [7,8]

2. Les valeurs de la résistance à la traction prélevées dans le sens de laminage et transversal sont adjacentes, toutes les valeurs prélevées dans les deux sens sont décalées vers la limite inférieure de la fourchette exigée par API.

3. Les résultats de la résilience prélevés dans le sens transversal sont largement supérieurs aux résultats prélevés dans le sens de laminage, ceci explique l’effet de la température sur la résistance au choc du matériau. Au fur et à mesure que la température diminue le matériau devient plus fragile. [9]

Rp_0,2 Rm A KC

L T L T L T V U HRB

Nombre 25 25 25 25 25 25 15 15 15 Minimum 339 306 477 473 34 26 137 181 77 Maximum 435 397 552 557 46 44 162 235 84 Moyenne 388 346 516 519 41 36 148 209 81 Ecart type 25 28 23 26 3 3 8 16 2 Médiane 389 351 524 523 40 36 145 212 81

a

b

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 227 Figure 6 : Evolution des caractéristiques mécaniques en fonction du sens prélevé (┴ et // du laminage)

a - Limite d’élasticité, b - Résistance à la traction, c – Résilience, d - Allongement.

4. CONCLUSION

On observe actuellement un accroissement général des exigences sur les caractéristiques métallurgiques et mécaniques des tubes destinés à la construction des pipelines. Telle que l’augmentation du niveau de résilience pour accroître la garantie de tenue à la rupture fragile. Ainsi l’amélioration des propriétés mécaniques des tubes et de leur indice économique nécessite la résolution d’un ensemble de problèmes.

Dans cet article les résultats d’un travail expérimental effectué sur des pipelines en acier de grade X42 visant à la caractérisation des matériaux, ont montrés que le sens de laminage (perpendiculaire et transversal) à une influence sur les propriétés mécaniques tels que: la limite d’élasticité, résistance à la rupture et l’allongement. L’étude a montré que la température joue un rôle important sur la caractéristique de la résistance au choc du matériau.

Références c

d

(7)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 228 [1] Allouti Mustapha "Étude de la nocivité de défauts dans les canalisations de transport de gaz tels les éraflures, les enfoncements ou leurs combinaisons", Thèse de doctorat, pp 13, université Paul Verlaine, 2010, Metz.

[2] Bouzid Rachid "Analyse des propriétés et caractéristiques des aciers des tubes et leurs influences sur la fiabilité des gazoducs", Thèse doctorat, pp 12, université M’hamed Bougara, 2010, Boumerdes.

[3] Z. Larouk, N. Rouag, "Diagramme TRC et structures de trempe et de revenu d’un acier faiblement allié au manganèse chrome", Sciences & Technologie A - N°27, Vol. A, pp 20, Juin 2008.

[4] STD. ASTM A 370 REV A - ENGL 1997

Designation A370 - 97a, Standard test methods and definition for mechanical testing of steel products

[5] Zulkifli Abdul Majid, Rahmat Mohsin & Fadhli Omar, "Erosive wear of naturel gaz pipeline", Journal Teknologi, 49 (F) Dis., pp 346, 2008, Universiti Teknologi, Malaysia.

[6] API SPEC 5L, Specification for line pipe ANSI/API, Specification 5L forty-fourth edition, October, 2007, effective October 2008

[7] Brian N Leis, Thomas C Thomas, "Line-pipe property issues in pipeline design and in re- stablishing Maop ", Congreso Internacional de ductos, Mérida, Yucatan, pp 5, Novembre 2001.

[8] Jai Dev Chandel, Nand Lal Singh, "Behaviour of tensile testing of X120 steel from plate to line pipe due to bauschinger effect", Global journal of science Frontier Research Physics and Space Science, Vol. 12 Issue 2, Version 10, pp. 35-36, February 2012.

[9] Ricardo Vinicius B. Gomes, Cicero Humberto Aidar, Sergio Seijo Kojimo, "Study of the mechanics fracture in API 5L X70 and X70 steel pipes", Metallurgical Engineering, Senior Metallurgical Engineering and Product Engineering Manager Tenaris Confab, pp 2, 2003.