Etude des propriétés mécaniques et structurales des pipelines, Grade X42
A. MEBREK
1, S. ALLEG
2, S. SOUILAH
2, R. HAMROUNI
2, S. ABAIDIA
31 URTI / CSC - Annaba, Université Badji Mokhtar, B. P. 1037, Annaba 23000, Algérie
2 Laboratoire de Magnétisme et Spectroscopie des Solides (LM2S). Département de Physique, Faculté des Sciences, Université de Annaba, B. P. 12, Annaba 23000, Algérie
3 Université de Boumerdès - Algérie
RESUME- Pipeline X42-API-5L est utilisé pour le transport du pétrole et du gaz naturel dans l'industrie pétrolière. Ce type de pipeline est fabriqué à partir de tube sans soudure laminé à chaud. Le développement des procèdes d’élaboration de ces aciers a conduit à l’amélioration de leurs propriétés mécaniques et structurales. A présent, ces pipelines offrent de nouvelles perspectives pour le transport pétrolier, mais la variabilité de leur comportement mécanique constitue néanmoins un obstacle important à leur développement. Le présent travail porte sur une étude expérimentale concernant les caractéristiques mécaniques et structurales associées aux compositions chimiques d’un acier faiblement allié au manganèse du grade API-X42.
Les propriétés mécaniques ont été étudiées par des essais de traction, de résilience et montrant une conformité des résultats avec la norme API. La microstructure a été faite par diffraction des rayons X, révélant la présence des deux solutions solides en plus de carbure métastable Fe3C. L'observation métallographique a montré l'existence de la ferrite, de la perlite et de la cémentite.
MOTS CLES: Aciers HLE, Grade X42, Propriétés structurales, microstructurales et mécaniques.
1. INTRODUCTION
L'accroissement de la demande d’énergies tels que le gaz et le pétrole nécessite la construction de nouvelles lignes de pipelines. Ces derniers sont devenus le moyen d’acheminement le moins coûteux et les plus sûr pour de grandes quantités d’énergie et sur plusieurs milliers de kilomètres. Par conséquent, améliorer la fiabilité des ouvrages de transport des hydrocarbures 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 ainsi que et l’économie du transport des hydrocarbures. Un tel objectif ne peut être atteint sans l’analyse des propriétés et caractéristiques des aciers utilisés dans la production des tubes et leur influence sur la fiabilité des pipelines.
Du point de vue métallurgique, les tubes de transport pétrolier non traités, doivent présenter des propriétés chimiques, structurales et mécaniques uniformes, non seulement pour les parois externes mais aussi pour les parois internes. Ils doivent supporter d’importantes contraintes et posséder donc, de bonnes propriétés mécaniques. Par conséquent, on utilise des aciers à haute limite d’élasticité (HLE), contenant un pourcentage considérable de carbone et d’autres éléments d’alliages.
C’est dans ce contexte que s’inscrit la présente étude qui porte sur un acier au manganèse utilisé généralement dans la fabrication des tubes sans soudures, qui servent pour le transport pétrolier (pipelines). Les tubes sans soudure sont des produits tubulaires en acier forgé sans ligne de soudure. Ils sont obtenus à partir d’une ébauche cylindrique par un travail du métal à chaud en vu de produire la forme, les dimensions et les propriétés requises. Le travail à chaud consiste en un laminage ou le passage d’un réducteur dans l’ébauche cylindrique.
2. METHODES EXPERIMENTALES
2.1. Matériau
L’acier étudié est un acier faiblement allié au manganèse grade X42. La composition chimique a été effectuée à l´aide d´un spectromètre (Tableau 1)
Tableau 1 Analyse chimique (% pondéral) du grade X42 (balance Fe).
C Mn Si P S Al Ti
0,14 0,90 0,15 ≤ ≤ 0,015 <
0,18 1,10 0,25 0,019 0,014 0,040 0,039
2.2. Techniques de caractérisation
Les caractérisations structurales, microstructurales et mécaniques du grade X42 ont été faites par diffraction des rayons X, microscopie optique et essais chimiques et mécaniques (traction et résilience).
Les essais de traction ont été réalisés sur une machine hydraulique de type Zwick d’une capacité de 1200 KN.
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-1 et une précharge de 2 Mpa.
Les tests de résilience ont été effectués sur des échantillons normalisées de dimensions : 10,0 x 5,0 x 55,0 mm, entaille V, en utilisant un mouton pendule Charpy. Afin de voir l’effet de la température sur la résistance au choc de notre matériau, les échantillons prélevés sont maintenus à l’intérieur d’un cryothermostat «Lauda» dans un bain d’éthanol liquide (C2H5OH) à des températures -20°C, -10°C, 0°C, 10°C et 20°C pour une durée de maintien de 15 minutes.
L’observation métallographique a été faite à l’aide d’un microscope optique de type Olympus BX51.
Les diffractogrammes X ont été enregistrées à l’aide d’un diffractomètre type Xpert-Pro avec une anticathode en cuivre de longueur d’onde λCu= 0,15406 nm. Les diffractogrammes ont été enregistrées en géométrie Bragg-Brentano (θ-2θ) dans le domaine angulaire 20-120° en 2θ avec un pas de 0,02°.
L’affinement des diagrammes de diffraction a été réalisé à l’aide du programme MAUD (Material Analysis Using diffraction).
3. RESULTATS ET DISCUSSION
3.1. Propriétés chimiques
Les résultats des statistiques des caractéristiques chimiques prélevées sur coulée (lingot) et sur produit (tube) sont présentés dans les tableaux 2 et 3.
Tableau 2 Statistiques des résultats des analyses chimiques sur coulée (lingot).
Tableau 3 Statistiques des résultats des analyses chimiques sur produit (tube).
Tube Nbre Mini. Maxi. Moy. Écart Média.
C 5 0,16 0,17 0,16 0,004 0,16
Mn 5 0,94 1,08 1,01 0,058 1,01
Si 5 0,23 0,25 0,23 0,011 0,23 P 5 0,007 0,018 0,012 0,005 0,008 S 5 0,003 0,009 0,006 0,002 0,006 Al 5 0,014 0,018 0,016 0,001 0,017 Ti 5 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 Les caractéristiques chimiques du tube sont légèrement supérieures à celles du lingot. La présence du manganèse à pour effet d’affiner le grain ferritique ce qui permet d’améliorer les caractéristiques de traction.
3.2. Propriétés mécaniques
3.2.1. Essai de traction:
Le tableau 4 regroupe les résultats des caractéristiques mécaniques.
Tableau 4 La limité d’élasticité (Rp0,2), la résistance à la traction (Rm) et allongement (A%
La limite élastique et la résistance à la traction prélevées dans le sens du laminage sont conformes dans la norme API, mais avec une courbe gaussienne décalée vers la limite inférieure de la fourchette demandée. L'augmentation de la limite d’élasticité avec la diminution de la taille des grains est en bon accord avec la loi de Hall et Petch.
3.2.2. Essai de résilience
Le matériau étudié présente une bonne aptitude au choc avec une résilience de 98 J/cm² à une température de (-20°C). Cette dernière augmente progressivement à des températures supérieures à 0°C jusqu’à une valeur de l’ordre de 115 J/Cm² pour T = 20°C (Fig. 1).
Fig. 1 Evolution de la résilience en fonction de la température
3.3. Propriété structurale
Les micrographies optiques (Fig. 2) révèlent l’existence de deux phases dominantes : la ferrite et la perlite. La perlite est formée de lamelles de ferrite et de cémentite avec des grains allongés dans le sens du laminage.
Lingot Nbre Mini. Maxi. Moy. Écart Média C .
Mn
5 0,14 0,16 0,15 0,007 0,15
Mn 5 0,92 0,98 0,95 0,030 0,97
Si 5 0,19 0,24 0,21 0,019 0,22
P 5 0,006 0,018 0,012 0,004 0,012 S 5 0,004 0,006 0,005 0,001 0,005 Al 5 0,019 0,021 0,020 0,001 0,019 Ti 5 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002
Rp0,2
Mpa
Rm Mpa
A
%
Nombre 25 25 25
Minimum 339 477 34
Maximum 435 552 46
Moyenne 388 516 41
Écart type 25 23 3
Médiane 389 524 40
-20 -10 0 10 20
90 95 100 105 110 115 120
Résilience (J/Cm2)
Température (°C)
Fig.2 Micrographie ferrito-perlitique du grade X42 (GX 400)
3.4. Propriété microstructurale
L’affinement Rietveld du diffractogramme X de l’acier X42 (Fig.3) montre l’existence de trois phases : deux solutions solides (α-Fe et FeC)) et le carbure métastable Fe3C. Les deux solutions solides de structure cubique centré possèdent différents paramètres cristallins et tailles de grains. Les résultats sont regroupés dans le Tableau 5.
Fig. 3 Affinement Rietveld du diffractogramme X.
Tableau 5 Paramètres cristallins (a,b et c), taille des grains et proportions relatives des différentes phases
Phases a (nm)
± 10-4
b (nm)
± 10-4
c (nm)
± 10-4
<L> (nm)
± 2
Proportion Relative
(%)±1
α-Fe 0,2891 ---- ---- 98 4
Fe(C) 0,2874 --- ---- 67 73
Fe3C 0,5029 0,7057 0,4559 91 23
Les paramètres cristallins des deux solutions solides sont supérieurs à celui du fer à cause de la mise en solution des éléments d'addition. Les tailles de grains sont nanométriques à cause des déformations plastiques induites par le laminage à chaud de l'acier.
Pour le carbure Fe3C de structure orthorhombique et de groupe spatial Pnma, les paramètres cristallins a = 0,5029 nm, b = 0,7057 nm et c = 0,4559 nm (Tableau 5), sont comparables à ceux des fiches ICSD où a = 0,5090 nm, b = 0,6748 et c = 0,4523 nm. On note que le paramètre "a" diminue alors que "b" et "c"
augmentent. La distorsion est plus importante suivant le paramètre b. Ces distorsions sont induites par le processus du laminage.
4. CONCLUSION
Les propriétés mécaniques, structurales et microstructurales ont été étudiées par : diffraction des rayons X, les essais de traction et de résilience et microscope optique.
Les résultats de la diffraction des rayons X montrent la présence de deux solutions solides ayant différentes paramètres cristallins (a = 0,2891 nm et a = 0,2874) et tailles de grains (98 nm et 67 nm), en plus de carbure métastable Fe3C. L'analyse micrographique a révélé la présence de la ferrite, la perlite et la cémentite. Les caractéristiques mécaniques du grade X42 sont conformes à la norme American Petroleum Institut (API).
RÉFÉRENCES
Jai Dev Chandel, Nand Lal Singh, (February 2012), 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.
Z. Larouk, N. Rouag, (Juin 2008), 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.
API SPEC 5L, Specification for line pipe ANSI/API, (effective October 2008), Specification 5L forty-fourth edition.
Allouti Mustapha (2010), Étude de la nocivité de défauts dans les canalisations de transport de gaz tels les éraflures, les enfoncements ou leurs combinaisons, Thèse Doctorat, Université Paul Verlaine, Metz. pp. 13.
Bouzid Rachid (2010), Analyse des propriétés et caractéristiques des aciers des tubes et leurs influences sur la fiabilité des gazoducs), Thèse Doctorat, Université M’hamed Bougara, Boumerdes, pp.12.
STD. ASTM A 370 REV A - ENGL 1997, Designation A370 - 97a, Standard test methods and definition for mechanical testing of steel products.
Ferrit
e
Perlite Cémentite
L. Lutterotti, ''MAUD program'' CPD, Newsletter (IUCr) 24 (2000)
Jean-Pierre BARET, Aciers de construction non alliés ou faiblement alliés, Technique de l’ingénieur, traité Matériaux métalliques, Form. M 308, pp. 4.
Brian N Leis, Thomas C Thomas, (Novembre 2001), Line-pipe property issues in pipeline design and in re-
stablishing Maop, Congreso Internacional de ductos, Mérida, Yucatan, pp. 5.
Ricardo Vinicius B. Gomes, Cicero Humberto Aidar, Sergio Seijo Kojimo, (2003), 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.
