EP0813613A1 - Procede de fabrication de fils en acier - fils de forme et application a une conduite flexible - Google Patents

Procede de fabrication de fils en acier - fils de forme et application a une conduite flexible

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EP0813613A1
EP0813613A1 EP96906800A EP96906800A EP0813613A1 EP 0813613 A1 EP0813613 A1 EP 0813613A1 EP 96906800 A EP96906800 A EP 96906800A EP 96906800 A EP96906800 A EP 96906800A EP 0813613 A1 EP0813613 A1 EP 0813613A1
Authority
EP
European Patent Office
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wire
steel
equal
hrc
shaped wire
Prior art date
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Application number
EP96906800A
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German (de)
English (en)
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EP0813613B1 (fr
Inventor
José MALLEN HERRERO
François Ropital
André Sugier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Technip Energies France SAS
Original Assignee
Coflexip SA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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Publication of EP0813613A1 publication Critical patent/EP0813613A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0813613B1 publication Critical patent/EP0813613B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires

Definitions

  • the present invention relates to elongated elements of great length, such as steel wires for reinforcing flexible pipes intended for the transport of effluent under pressure.
  • the invention relates to a method of manufacturing these reinforcing threads. the wires obtained by the process and the flexible pipes which include such reinforcing wires in their structure.
  • the flexible tube comprises at least one of the following armor plies: a carcass for resistance to external pressure in wires or profiles laid at an angle close to 90 ° relative to the axis, a resistance ply to the internal pressure (called vault) placed with an angle greater than 55 °, the elongated elements of the carcass and the vault preferably being staplable wires. and at least one layer of tensile strength armor laid with an angle of less than 55 °.
  • the vault and the tensile armor are replaced by two layers of symmetrical armor reinforced at an angle of about 55 °, or by two pairs of layers reinforced at 55 °, or by a set of at least at least two plies, the winding angle of at least one ply being less than 55 ° and the winding angle of at least one other ply being greater than 55 °.
  • the steel of the wires making up the armor must be chosen in such a way that these wires, given their cross-section, provide the mechanical resistance necessary in service, at the same time as they resist corrosion, in particular in certain cases in the presence from H-, S.
  • These steel wires can have profiles, that is to say various straight sections, substantially flat or flat, in U, in T, in Z, with or without hooking means on a neighboring or circular wire.
  • H ⁇ S (or rather the HS ion) is an inhibitor of recombination of the hydrogen atoms produced by reduction of the protons on the surface of the steel. These hydrogen atoms enter the metal and recombine there, thus causing two types of deterioration •
  • NACE standards have been planned to evaluate the aptitude of a structural steel element to be used in the presence of H ⁇ S
  • the steels must undergo a test on a representative sample, under stress in HS medium with a pH of 2.8 to 3.4 (NACE Test Method TM 0177 relating to the effects of stress cracking. commonly known as "Sulfide Stress Corrosion Cracking" or SSCC), to be considered as usable in the manufacture of metallic structures which must resist the effects of stress corrosion in the presence of F S
  • HIC Hydro-induced cracking effects
  • the armouring wires of hoses are made with soft or semi-hard carbon-manganese steels (0.15 to 0.50% carbon) having a fer ⁇ te-per te structure, to which heat treatment is applied after cold forming of the wire rod suitable annealing to bring the hardness to the accepted value, if necessary.
  • the NACE 0175 standard defines that such carbon-manganese steels are compatible with an H-, S medium if they have a hardness less than or equal to 22 HRC II has thus been verified that armouring wires as described above above, made of carbon-manganese steel and having a fer ⁇ te-perhte structure, can be manufactured by cold forming followed by annealing so as to satisfy the traditional NACE criteria.
  • the steels and the production methods used to make the armouring wires for the hoses must be such that the forming wire can be produced in very large continuous lengths, of the order of several hundred meters or several kilometers.
  • the wire thus manufactured is wound on spools for its subsequent use to produce the armor plies of the hoses.
  • the specified properties of the steel in particular the resistance to 1 ⁇ 9 S, a heat treatment is to be expected after welding. But it is important, in order not to excessively overload the manufacturing costs, that this heat treatment after welding makes it possible to achieve the goal set in a sufficiently short time, a few minutes if possible. preferably less than 30 minutes.
  • the object of the present invention is to describe a process for obtaining an elongated element of great length intended for the manufacture of flexible tube, the elongated element having optimized mechanical characteristics as well as, in an application according to the invention , good resistance to H ⁇ S.
  • the present invention relates to a process for manufacturing a steel form wire, this wire being very long and suitable for being used as the armor wire of a hose.
  • the method comprises the following steps:
  • a long form wire is manufactured by rolling or drawing from a steel comprising the following elements:
  • a heat treatment comprising at least one operation of quenching the shaped wire under determined conditions to obtain an HRC hardness greater than or equal to 32 and preferably greater than or equal to 35, and which can advantageously reach or exceed 50, - the structure of the steel of the shaped wire thus obtained being predominantly martensitic-bainitic.
  • the quantity of ferrite will preferably be small, in particular less than or equal to 10%, and advantageously less than or equal to 1%.
  • the carbon content C can be greater than or equal to 0.08%, preferably greater than or equal to 0.12% and the steel can comprise at most 0.4 of Si.
  • the forming wire can be manufactured by cold forming, in particular by rolling or drawing from a machine wire.
  • the wire rod could be hot rolled with controlled cooling, for example of the STELMOR type, so as to lead to values of Rm lower than 850 MPa.
  • Rm the tensile strength Rm of the wire will preferably also be less than 850 MPa, either after rolling or after a softening annealing in order to facilitate the operations of handling the elongated element, before or during the operations. quenching.
  • the process thus normally includes a preliminary step of hot forming, either of a machine wire subsequently transformed into a forming wire by cold forming, or directly of the forming wire.
  • the wire thus formed when hot has a predominantly ferritic-pearlitic structure, but which may include hard zones, such as martensite.
  • the steel before any subsequent cold forming and / or quenching operation, the steel must have a rupture limit Rm of less than 850 MPa, this property being able to be obtained either directly after hot forming or by treatment. annealing-softening.
  • the quenching operation can be carried out continuously in the process.
  • the process may include, in addition to said quenching, an expansion heat treatment. In this case, the HRC hardness limitation which must be greater than or equal to 32, and preferably greater than or equal to 35, must be observed after the stress relief treatment.
  • the relaxation treatment can be carried out in a bundle in an oven.
  • the quenching and the said stress relief treatment can be carried out on the scroll, preferably in line, which allows the manufacture of very long wires necessary for the production of the armor plies of the hoses.
  • the carbon content C can be less than or equal to 0.45%, preferably less than or equal to 35%, and 1 steel comprises at least one of the following two alloying elements, in small quantity
  • the steel contains a little dispersoid, such as vanadium, titanium or niobium. in particular for low carbon steels, the carbon content can be equal to or greater than 0.05%
  • the vanadium content can be limited to a low value so as to avoid too long an annealing time after welding , preferably the content of v nadium will be less than or equal to 0.10%
  • the carbon content of 1 steel can be greater than or equal to 0.4%, while remaining less than 0.8%, and correspond to a standard carbon-manganese steel, hard or mid -hard, classic in tréfile ⁇ e or cable ⁇ e without addition of alloying element such as Cr or Mo
  • the steel may possibly contain a small amount of dispersoid, such as one can commonly find in commercial steels
  • Such steels can be included in the steel range FM40 to FM80. according to AFNOR standard
  • the quenching heat treatment may include passing the steel grade of the wire through an austenitization oven at a temperature above the point AC3, then in a zone of quenching in a drasticite fluid suitable for both the steel grade and the size of the wires, the temperature and the residence time being adapted according to the grade to obtain a grain size between the indices 5 and 12, and advantageously between the indices 8 and 11, according to standard NF 04102.
  • the structure obtained after quenching can be predominantly martensitic with a percentage between 0 and 50 % of bainite lower or predominantly of bainite lower with a percentage between 0 and 50% of martensite.
  • the bainite is in the lower bainite state and not the upper bainite.
  • the structure may contain only a small amount of ferrite.
  • the production process can end with the quenching operation, preferably followed by an expansion treatment.
  • the temperatures of the stress relief treatment can be:
  • the speed being adapted to the section of the wire so as to obtain the hardness according to the present invention, greater than or equal to 32 HRC.
  • the wire thus obtained may not be able to resist H-, S under certain operating conditions, but it can be used very advantageously as armouring wire for flexible conduits thanks to its excellent optimized mechanical properties. , in particular by the combination of a high mechanical strength and a ductility higher than that which can be obtained with known methods.
  • the rupture limit Rm can reach 1000 to 1600 MPa, equal to or greater than that of the most resistant armor wires currently known, and the elongation at break can be greater than 5%, possibly greater than 10% and possibly exceeding 15% in some cases. Whereas for known steel wires having a level of resistance comparable to the work hardened state, these have an elongation at break not exceeding 5%.
  • the method may include, after the quenching heat treatment, optionally supplemented by a treatment of expansion, a final heat treatment of tempering under determined conditions to obtain a hardness greater than or equal to 20 HRC and less than or equal to 35 HRC
  • the conditions of the final tempering heat treatment can be adapted so as to obtain a hardness less than or equal to 28 HRC, compatible with the operating conditions which may provide for an atmosphere at a pH close to 3
  • a steel according to the present invention does not exhibit any blistering or cracking in the HIC tests, and furthermore does not exhibit cracking when '' it is subjected to tests according to standard NACE 0177 (SSCC) with a tensile stress at least equal to 60% of the elastic limit and which can reach approximately 90% of the latter.
  • SSCC standard NACE 0177
  • the final income can be made at the parade, online or separate.
  • the final income can be made in a bundle in an oven
  • the tempering temperature can be at most equal to a temperature about 10 ° C to 30 ° C lower than the ACl temperature at the start of austenitization of the steel, in order to avoid excessive coalescence of carbide which can lead a decrease in characteristics.
  • the wire is wound on a spool so that it can be subsequently mounted on a spiral or armeuse for the manufacture of armor of the flexible pipe.
  • the steel grade can be optimized as a function of the process for forming the form wire from the wire rod - Wire forming by cold processing
  • this method of implementing the invention makes it possible to obtain interesting results by choosing a low-alloy steel, or carbon steel
  • the content of alloying elements, while being low, must be sufficient to obtain after quenching a predominantly martensitic or bainitic structure with little ferrite (it is thus possible, in the most favorable cases, to obtain a structure containing nearly 100 % martensite and commonly, at least 90% martensite and bainite).
  • the content of alloying elements must be limited to relatively low values.
  • the invention thus makes it possible to produce a shaped wire having, after quenching, a predominantly martensitic or bainitic structure in a relatively homogeneous manner throughout the thickness of the wire. despite the increased thickness of the wire.
  • the cold forming comprising at least two successive stages of cold transformation, an intermediate heat treatment operation is carried out between the first and the last cold transformation step
  • the intermediate operation heat treatment can be performed between a preliminary drawing operation and the start of rolling, or between two successive rolling passes.
  • Such an intermediate intermediate heat treatment can be carried out in various known ways in metallurgy, so as to lower the mechanical strength, preferably below 850 MPa, and to regain the ductility allowing cold transformation
  • the invention also relates to a wire of constant cross-sectional shape and of great length, suitable for use as armor wire of a flexible pipe, said wire being made from a steel comprising the following elements
  • the carbon content C can be greater than or equal to 0.08%, preferably greater than or equal to 0.12%, and the steel can comprise at most 0.4 of Si. steel of the martensitic bainitic type tempered, the tempering being able to be more or less pronounced, in particular such as a stress relieving, so that the wire obtained has the ductility necessary for its later use as armor wire, or as a quality income making the wire suitable for use in the presence of H2S.
  • the bainitic martensitic structure is predominantly martensitic with a percentage of between 0 and 50% of lower bainite or predominantly of lower bainite with a percentage of between 0 and 50% of martensite.
  • the structure may contain only a small amount of ferrite.
  • the wire can have a hardness greater than 20 HRC.
  • the size of the austenitic grain is between the indices 5 and 12, and advantageously between the indices 8 and 11 1. according to standard NF 04102.
  • the shaping wire can have a section having at least one of the following general shapes: U, T, Z, rectangular or round.
  • the section of the form wire can have a width L and a thickness e, and have the following proportions: L / e greater than 1 and less than 7.
  • the thickness can vary between 1 mm and 20 mm, being able to reach 30 mm.
  • the profile of the shaped wire may include means for hooking with an adjacent wire.
  • the carbon content C can be less than or equal to 0.45%
  • the steel comprises at least one of the following two alloying elements, in small quantity:
  • the carbon content of the steel can be greater than or equal to 0.4%, while remaining less than 0.8%. and correspond to a standard carbon-manganese hard or semi-hard steel. conventional in wire drawing or cable making, without the addition of an alloying element such as Cr or Mo. with possibly a small amount of dispersoid.
  • Such steels can be included in the range of steel FM40 to FM80, according to the AFNOR standard.
  • the shaped wire according to the invention can have an HRC hardness greater than or equal to 32. preferably greater than or equal to 35.
  • the wire thus obtained may not be able to withstand 1 ⁇ -, S under certain operating conditions, but it can be used very advantageously as armouring wire for flexible pipes thanks to its excellent optimized mechanical properties, in particular by the combination of high mechanical strength and superior ductility to that which can be obtained with known methods.
  • the breaking limit Rm can reach 1000 to 1600 MPa., Preferably greater than or equal to 1200 MPa.
  • Such a wire can advantageously be used to make the armor of hoses intended for the transport of weakly corrosive crude oil ("sweet crude”). degassed oil (“dead oil”) or water.
  • the process for producing such a wire can end in a quenching operation, preferably followed by an expansion treatment.
  • the shaped wire according to the invention can have an HRC hardness greater than or equal to 20, preferably less than or equal to 35.
  • the wire thus obtained can have properties of resistance to H ? S under the operating conditions described above, in particular following HIC tests in very acidic medium (pH close to 2.8 or 3).
  • the mechanical resistance Rm can be of the order of 700 to 900 MPa under a pH close to 3 and can reach at least 1100 MPa with a higher pH.
  • the stress applied in the SSCC tests according to NACE. with a pH close to 2.8. can be at least 400 MPa and can reach 600 MPa. In the case where the SSCC tests are carried out with a pH higher than 3, the admissible stresses can be higher, being able to reach approximately 90% of the elastic limit.
  • the method according to the invention makes it possible to produce steel wires of martensite type.
  • tempered bathite the structure of which has extremely fine carbide nodules in a state of very great dispersion in a ferrite matrix produced by tempering of a martensite-bainite structure. It is interesting to compare this steel with other steels already proposed or used to make armor wires intended for the same use, such as steels obtained by spheroidization treatment from a hardened ferrite-pearlite structure, these steels also comprising carbide elements in a ferritic matrix.
  • the spheroidized carbide elements of these steels are considerably less fine and less dispersed than in the case of the steel according to the invention, which makes it possible to clearly identify the difference between the two types of material.
  • the superior properties of shaped wire according to the invention in terms of mechanical resistance and compatibility with H2S, compared to the wires of the prior art, in particular spheroidized steel. may be related to having a much finer and more dispersed nodular structure.
  • the invention has in particular the advantage that from the same batches of wire rod and by carrying out the same quenching operations, possibly relaxation, it is possible to produce, depending on the needs, either very steel wires mechanically resistant but not sometimes having the required properties of resistance to H 9 S, ie H ⁇ S resistant threads even under the most severe conditions.
  • the production range ends with the quenching operation, preferably followed by expansion.
  • the manufacturing range is continued by an additional stage of final income.
  • the invention can be applied to a flexible tube for the transport of an effluent comprising H S, the tube being able to comprise at least one layer of reinforcements of reinforcement at the pressure and / or at the traction comprising son of form according to the invention.
  • 15 mm diameter circular section wires were produced from a chromium-molybdenum type steel conforming to grade 30CD4 of the AFNOR standard (equivalent to the ASTM 4130 standard in correspondence with the number UNS G41300).
  • the steel used has the following composition:
  • the quenching operation was carried out at the parade at a speed of 1.8 m / minute with high frequency induction heating at 980 ° C-1000 ° C, then quenching in oil.
  • the stress relief treatment was carried out in the oven for 2 hours at 180 ° C.
  • the grain size corresponds to an index 8 of standard NF 04.102.
  • the welds performed by induction or resistance heating, with axial compression, supplemented by tempering treatments of less than 5 minutes satisfy the SSC NACE TM 0177 test under uni-axial tension of 400 MPa.
  • the post-welding tempering temperatures should be higher than that of the metal tempering treatment and lower than the start austenitization temperature ACl. preferably 20 to 30 ° C lower than AC l.
  • a wire was made having a T section (height 14 mm, width 25 mm). After a process of quenching at the runway and a treatment of relaxation, the wire has a hardness of 40 HRC.
  • Shaped wires have been produced from a chromium-molybdenum type steel conforming to grade 12CD4 defined by the AFNOR standard comprising:
  • the wires after tempering treatment adjusted so as to obtain 24 HRC, passed the tests according to the NACE TM 0177 procedure (Method A) under 500 MPa of stress.
  • the tempering was carried out at the speed of 15 m / minute by medium frequency induction heating at different powers leading to the following mechanical characteristics as a function of the temperature measured at the output of the heating coil: T coil output (° C) 680,700 710
  • the wire obtained has a hardness of 27.5 HRC.
  • Tempering in the oven for about 4 hours was carried out at temperatures of 510 ° C, 525 ° C and 540 ° C to obtain the hardnesses of 26, 24 and 22 HRC respectively.
  • SSCC type stress corrosion tests according to NACE TM 0177 standard could reach a duration of 720 hours without the appearance of rupture or cracking. In one case, the stress reached 90% of the elastic limit, i.e.

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Description

PROCEDE DE FABRICATION DE FILS EN ACIER - FILS DE FORME ET APPLICATION À UNE CONDUITE FLEXIBLE
La présente invention concerne des éléments allongés de grande longueur, tels des fils d'acier pour renforcer des conduites flexibles destinées au transport d'effluent sous pression. L'invention concerne un procédé de fabrication de ces fils de renfort. les fils obtenus par le procédé et les conduites flexibles qui comportent de tels fils de renfort dans leur structure.
On connaît des applications dans lesquelles on utilise pour le transport de fluides, notamment des hydrocarbures, des conduites flexibles armées par des nappes d'armures constituées par des fils en acier. Dans certains cas, ces conduites sont placées dans des conditions dans lesquelles elles sont soumises à une ambiance corrosive, par exemple en présence de fluides acides comportant des produits sulfurés. En outre, dans le cas où de telles conduites flexibles sont disposées dans de grandes profondeurs d'eau, elles doivent, de plus en plus, présenter des performances mécaniques très élevées en termes de résistance à la pression intérieure, à la charge axiale, à la pression extérieure consécutive à la grande profondeur d'eau d'immersion.
Dans les conduites flexibles, l'étanchéité étant assurée par une ou plusieurs gaines en polymère, la résistance mécanique à la pression interne et externe et aux sollicitations mécaniques externes, est réalisée par une ou plusieurs nappes d'armures constituées par des fils ou des profilés en acier ayant un profil spécifique. Généralement, le tube flexible comporte au moins l'une des nappes d'armure suivantes : une carcasse de résistance à la pression externe en fils ou profilés posés suivant un angle proche de 90° par rapport à l'axe, une nappe de résistance à la pression interne (appelée voûte) posée avec un angle supérieur à 55°, les éléments allongés de la carcasse et de la voûte étant préférentiellement des fils agrafables. et au moins une nappe d'armures de résistance à la traction posée avec un angle inférieur à 55°. Selon un autre mode, la voûte et les armures de traction sont remplacées par deux nappes d'armure symétriques armées à un angle d'environ 55°, ou par deux paires de nappes armées à 55°, ou encore par un ensemble d'au moins deux nappes, l'angle d'armage d'au moins une nappe étant inférieur à 55° et l'angle d'armage d'au moins une autre nappe étant supérieur à 55°. L'acier des fils composant les armures doit être choisi de façon telle que ces fils, compte tenu de leur section, apportent la résistance mécanique nécessaire en service, en même temps qu'ils résistent à la corrosion, en particulier dans certains cas en présence de H-,S.
Ces fils d'acier, mis en forme généralement par laminage ou tréfilage à chaud ou à froid, peuvent avoir des profils, c'est-à-dire des sections droites, variés : sensiblement plat ou méplat, en U, en T, en Z, avec ou sans moyens d'accrochage sur un fil voisin, ou circulaire.
Dans le cas de l'utilisation en présence de gaz acide, essentiellement l'H-,S et le CO2. en plus de la corrosion généralisée, peuvent se poser des problèmes liés à la pénétration d'hydrogène dans l'acier. En effet l'H^S (ou plutôt l'ion HS ) est un inhibiteur de recombinaison des atomes d'hydrogène produits par réduction des protons à la surface de l'acier. Ces atomes d'hydrogène s'introduisent à l'intérieur du métal et s'y recombinent, étant ainsi à l'origine de deux types de détériorations •
- des soufflures sous la surface de l'acier ("Hydrogen Bhsteπng". on parle alors de "B ster"), ou des fissurations internes (dites en gradin), pouvant apparaître en l'absence de contraintes et pouvant être aggravées en présence de contraintes résiduelles,
- une fragilisation résultant en ruptures différées dans le cas où 1 acier est mis sous contraintes (corrosion sous contraintes par l'hydrogène)
Des normes NACE ont été prévues pour évaluer l'aptitude d un élément structurel en acier à être utilisé en présence d'H~S Les aciers doivent subir un test sur un échantillon représentatif, sous contrainte en milieu H S avec un pH de 2,8 à 3.4 (NACE Test Method TM 0177 relatif aux effets de fissuration sous contrainte. désignés communément par "Sulfide Stress Corrosion Cracking" ou SSCC), pour pouvoir être considérés comme utilisables dans la fabrication de structures métalliques devant résister aux effets de la corrosion sous contrainte en présence d'F S
Une autre norme NACE (TM 0284) est relative aux effets de fissuration induits par l'hydrogène, désignés communément par "Hydrogen Induced Cracking" ou HIC La procédure de test recommandée par la norme ci-dessus consiste à exposer des échantillons, sans tension, dans une solution d'eau de mer saturée par de l'H?S. à température et pression ambiantes, à un pH compris entre 4,8 et 5,4 La procédure prévoit d'effectuer ensuite des examens métallographiques pour quantifier la fissuration des échantillons, ou constater l'absence de fissuration Ln critère complémentaire d'évaluation de l'endommagement des échantillons peut être la détermination des caractéristiques mécaniques après essai HIC Ce critère ne figure pas dans la norme NACE TM 0284 Les déposants ont ainsi été amenés à définir une méthode d'évaluation complémentaire consistant à effectuer des essais de traction sur les échantillons pour déterminer les caractéπstiques mécaniques après HIC et comparer ces résultats aux caractéristiques mécaniques avant HIC Cette méthode s est révélée particulièrement intéressante dans le cas des fils d'armure \ ises par la présente invention, ces fils étant soumis à un régime de contraintes uniaxiales longitudinales par comparaison avec la paroi des tubes en aciers, tubes qui constituent la principale application des normes NACE Une autre méthode complémentaire consiste a comparer les valeurs de perte de striction Z (%) avant et après essai HIC, la différence devant être relativement faible et de préférence inféπeure à 30%
Les conditions d'exploitation des gisements sous-maπns étant devenues de plus en plus sévères, il est apparu récemment que la qualification des matériaux pour leur utilisation en présence d'H S doit viser le cas de milieu plus acide, le pH pouvant descendre jusqu'à environ 3. On a été ainsi conduit à spécifier que. dans certains cas les essais selon la norme NACE TM 0284 doivent être réalisés dans une solution saturée en H S présentant un pH, par exemple de 3 ou 2,8. semblable à la solution définie par la norme NACE TM 0177, et non plus avec un pH au moins égal à 4.8 Selon les techniques actuellement connues, les fils d'armure des flexibles, en particulier pour le cas du transport des fluides comportant de 1Η S, sont réalisés avec des aciers au carbone-manganèse doux ou mi-dur (0, 15 à 0.50% de carbone ) présentant une structure ferπte-per te, auxquels on applique, après mise en forme a froid du fil machine, un traitement thermique de recuit approprié pour amener la dureté à la valeur admise, si nécessaire.
La norme NACE 0175 définit que de tels aciers au carbone-manganèse sont compatibles avec un milieu H-,S s'ils présentent une dureté inféπeure ou égale à 22 HRC II a été ainsi vérifié que des fils d'armure tels que décrits ci-dessus, réalises en acier au carbone-manganèse et présentant une structure ferπte-perhte, peuvent être fabriqués par formage à froid suivi d'un recuit de façon à satisfaire les critères NACE traditionnels On connaît un procédé décrit dans le document FR-A-266 I 194 permettant d'obtenir un acier de dureté supérieure à 22 HRC compatible avec 1 H-, S selon les normes NACE TM 0177 et TM 0284, la solution utilisée pour les essais selon TM 0284 ayant un pH compris entre 4.8 et 5,4 Par contre, il a été constaté que les aciers au carbone à structure ferπte-perhte sont inaptes à supporter de façon satisfaisante les essais HIC réalises selon la procédure de la norme TM 0284 lorsque ces essais sont réalises en milieu plus acide. par exemple avec un pH de l'ordre de 3 correspondant aux conditions dorénavant rencontrées dans certains cas d'exploitation des gisements pétroliers Ces résultats inacceptables ont été obtenus même dans le cas où le traitement thermique final est plus poussé de façon à obtenir une dureté HRC inférieure à 22 HRC.
Il y a donc un besoin pour la réalisation de fils d'armure des flexibles, d'un acier qui, d'une part soit compatible avec l'H-,S dans les conditions nouvelles décrites ci-dessus et qui d'autre part, soit d'une composition et d'une procédure d'élaboration relativement classiques et peu sophistiquées dans le but de conserver des coûts de fabrication suffisamment faibles.
Par ailleurs, les aciers et les procédés d'élaboration utilisés pour réaliser les fils d'armure des flexibles doivent être tels que le fil de forme peut être produit en très grandes longueurs continues, de l'ordre de plusieurs centaines de mètres ou de plusieurs kilomètres. Le fil ainsi fabriqué est enroulé sur des bobines en vue de sa mise en oeuvre ultérieure pour réaliser les nappes d'armure des flexibles. En outre, et malgré la longueur unitaire très importante des fils ainsi produits, il est important qu'ils puissent être raccordés par soudure pendant l'opération d'armage lors de la fabrication du flexible. Dans le but de reconstituer dans la zone de soudure, les propriétés spécifiées de l'acier, en particulier la résistance à 1Η9S, un traitement thermique est à prévoir après soudure. Mais il est important, afin de ne pas surcharger excessivement les coûts de fabrication que ce traitement thermique après soudure permette d'atteindre le but fixé dans un délai suffisamment court, de quelques minutes si possible. préférablement moins de 30 minutes.
Dans le cas où la compatibilité avec l'H S n'est pas requise (production de "sweet crude"), on utilise couramment des aciers au carbone à l'état brut de formage à froid présentant également une structure ferrite-perlite. mais possédant des valeurs sensiblement plus élevées de résistance mécanique et de dureté. Néanmoins, il a été constaté que l'augmentation de la résistance mécanique au delà de certaines limites, conduit pour de tels aciers à présenter une ductilité insuffisante compte tenu des opérations de préformation et d'armage qui doivent être réalisées avec le fil d'armure. L'objet de la présente invention est de décrire un procédé d'obtention d'un élément allongé de grande longueur destiné à la fabrication de tube flexible, l'élément allongé présentant des caractéristiques mécaniques optimisées ainsi que, dans une application selon l'invention, une bonne résistance à l'H^S .
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un fil de forme en acier, ce fil étant de grande longueur et apte à être utilisé comme fil d'armure d'un flexible Le procédé comporte les étapes suivantes :
- on fabrique un fil de forme de grande longueur par laminage ou tréfilage à partir d'un acier comportant les éléments suivants :
- de 0,05% à 0,8% de C,
- de 0,4% à 1,5% de Mn, de préférence moins de 1 % de Mn,
- de 0 à 2,5% de Cr, entre 0,25 et 1 ,3%, - de 0,1% à 0,6% de Si, - de O à 1% de Mo,
- au plus 0,50% de Ni,
- au plus 0,02% de S et de P, et de préférence S inférieur ou égal à 0,005%,
- avec éventuellement, en complément de l'action du Si, un calmage avec de l'aluminium ou du silico-calcium,
- on effectue un traitement thermique comprenant au moins une opération de trempe du fil de forme dans des conditions déterminées pour obtenir une dureté HRC supérieure ou égale à 32 et de préférence supérieure ou égale à 35, et pouvant avantageusement atteindre ou dépasser 50, - la structure de l'acier du fil de forme ainsi obtenu étant à prédominance martensitique-bainitique.
La quantité de ferrite sera préférentiellement faible, en particulier inférieure ou égale à 10%, et avantageusement inférieure ou égale à 1 %. Selon une variante de la présente invention, la teneur en carbone C peut être supérieure ou égale à 0,08%, de préférence supérieure ou égale à 0,12% et l'acier peut comporter au plus 0,4 de Si.
Le fil de forme peut être fabriqué par formage à froid, en particulier par laminage ou tréfilage à partir d'un fil machine. Le fil machine a pu être laminé à chaud avec un refroidissement contrôlé, par exemple du type STELMOR, de façon à conduire à des valeurs de Rm inférieures à 850 MPa. Dans le cas de fils machines ayant une valeur de Rm supérieure à 850 MPa, il peut être avantageux de les soumettre à un recuit pour adoucir la nuance à Rm<850 MPa. Le fil de forme peut aussi être obtenu directement par laminage à chaud. Dans ce cas, la contrainte à la rupture Rm du fil sera de préférence également inférieure à 850 MPa, soit après laminage soit après un recuit d'adoucissement afin de faciliter les opérations de manipulation de l'élément allongé, avant ou en cours des opérations de trempe. Le procédé comporte ainsi normalement une étape préliminaire de formage à chaud, soit d'un fil machine ultérieurement transformé en fil de forme par formage à froid, soit directement du fil de forme. Dans les deux cas. le fil ainsi formé à chaud présente une structure à prédominance ferritique-perlitique, mais pouvant comporter des zones dures, telles que de la martensite. De préférence, avant toute opération ultérieure de formage à froid et/ou de trempe, l'acier doit présenter une limite de rupture Rm inférieure à 850 MPa, cette propriété pouvant être obtenue, soit directement après formage à chaud, soit grâce à un traitement de recuit-adoucissement. De préférence, l'opération de trempe peut être réalisée en continu au défilé. Le procédé peut comporter en complément de ladite trempe, un traitement thermique de détente. Dans ce cas, la limitation de dureté HRC devant être supérieure ou égale à 32, et de préférence supérieure ou égale à 35, doit être respectée après le traitement de détente.
Le traitement de détente peut être effectué en botte dans un four. La trempe et ledit traitement de détente peuvent être effectués au défile, de préférence en ligne, ce qui permet la fabrication des fils de très grande longueur nécessaires à la réalisation des nappes d'armure des flexibles
Selon une première variante de la présente invention, la teneur en carbone C peut être inférieure ou égale à 0,45%, de préférence inférieure ou égale à 35% et 1 acier comporte au moins l'un des deux éléments d'alliage suivant, en faible quantité
- entre 0,1% et 2,5% de Cr, de préférence entre 0.25 et 1.3%
- entre 0, 1 % et 1% de Mo, l'acier étant ainsi du type faiblement allié et pouvant correspondre a des nuances courantes dans l'industrie et de coût relativement limité
Un tel acier, contenant une teneur limitée de Cr et/ou de Mo peut éventuellement ne pas contenir d'autre élément d'alliage, ni de dispersoide Cependant on ne sortira pas du cadre de la présente invention si l'acier contient un peu de dispersoide, tel que du vanadium, du titane ou du niobium. en particulier pour des aciers à faible carbone, la teneur en carbone pouvant être égale ou supérieure a 0,05% Dans ce cas, la teneur en vanadium peut être limitée à une valeur faible de façon a éviter une durée trop importante de recuit après soudure, de préférence la teneur en v nadium sera inférieure ou égale à 0,10%
Selon une autre variante de l'invention, la teneur en carbone de 1 acier peut être supérieure ou égale à 0,4%, tout en restant inférieure a 0,8%, et correspondre a un acier standard au carbone-manganèse dur ou mi-dur, classique en tréfileπe ou câbleπe sans addition d'élément d'alliage tels que du Cr ou du Mo L'aciei pourra éventuellement contenir une faible quantité de dispersoide, telle qu on peut en trouver couramment dans les aciers du commerce De tels aciers peuvent être compris dans la gamme d acier FM40 à FM80. selon la norme AFNOR
Le traitement thermique de trempe peut comporter le passage dans un four d austenitisation à une température supérieure au point AC3 de la nuance d acier du fil puis dans une zone de trempe dans un fluide de drasticite adaptée a la fois a la nuance d acier et à la taille des fils, la température et le temps de séjour étant adaptes selon la nuance pour obtenir une taille de grain se situant entre les indices 5 et 12, et avantageusement entre les indices 8 et 11 , selon la norme NF 04102. La structure obtenue après trempe, peut être à prédominance martensitique avec un pourcentage compris entre 0 et 50% de bainite inférieure ou à prédominance de bainite inférieure avec un pourcentage compris entre 0 et 50% de martensite. De préférence, la bainite est à l'état bainite inférieure et non pas bainite supérieure. De préférence, la structure peut ne comporter qu'une quantité faible de ferrite.
Le procédé d'élaboration peut se terminer avec l'opération de trempe, de préférence suivie d'un traitement de détente. Les températures du traitement de détente peuvent être :
- au défilé entre 300 et 550°C, la vitesse étant adaptée à la section du fil de façon à obtenir la dureté selon la présente invention, supérieure ou égale à 32 HRC.
- en botte dans un four entre 150 et 300°C.
Le fil ainsi obtenu peut ne pas être apte à résister à l'H-,S dans certaines conditions d'exploitation, mais il peut être utilisé de façon très intéressante comme fil d'armure pour des conduites flexibles grâce à ses excellentes propriétés mécaniques optimisées, en particulier par la combinaison d'une résistance mécanique élevée et d'une ductilité supérieure à celle que l'on peut obtenir avec les procédés connus. La limite de rupture Rm peut atteindre 1000 à 1600 MPa, égale ou supérieure à celle des fils d'armure les plus résistant actuellement connus, et l'allongement à la rupture peut être supérieur à 5%, éventuellement supérieur à 10% et pouvant dépasser 15% dans certains cas. Alors que pour les fils d'acier connus présentant un niveau de résistance comparable à l'état écroui, ceux-ci présentent un allongement à la rupture ne dépassant pas 5%.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention afin d'obtenir des fils de forme optimisés résistant à l'H-,S, le procédé peut comporter, postérieurement au traitement thermique de trempe, éventuellement complété par un traitement de détente, un traitement thermique final de revenu dans des conditions déterminées pour obtenir une dureté supérieure ou égale à 20 HRC et inférieure ou égale à 35 HRC
Les conditions du traitement thermique final de revenu peuvent être adaptées de façon à obtenir une dureté inférieure ou égale à 28 HRC, compatible avec les conditions d'exploitation pouvant prévoir une ambiance à pH voisin de 3
Dans tous les cas, après trempe et revenu final, tels que définis, y compris a pH voisin de 3, un acier selon la présente invention ne présente pas de cloque ni de fissure aux essais HIC, et en outre ne présente pas de fissuration lorsqu'il est soumis à des essais selon la norme NACE 0177 (SSCC) avec une contrainte de traction au moins égale à 60% de la limite élastique et pouvant atteindre environ 90% de cette dernière.
Le revenu final peut être effectué au défilé, en ligne ou séparé.
Le revenu final peut être effectué en botte dans un four
La température du revenu peut être au plus égale à une température inférieure d'environ 10°C à 30°C par rapport à la température ACl de début d'austénitisation de l'acier, afin d'éviter une coalescence excessive de carbure pouvant conduire à une diminution des caractéristiques.
En fin de fabrication, le fil est enroulé sur une bobine de façon à pouvoir être ultérieurement monté sur une spiraleuse ou armeuse pour la fabrication d'armure de la conduite flexible
D'une façon générale, en particulier dans le but d'obtenir les meilleures caractéristiques possibles de résistance mécanique, la nuance d'acier peut être optimisée en fonction du procédé de formage du fil de forme à partir du fil machine - Formage du fil par transformation a froid
Il a été trouvé que cette méthode de mise en oeuvre de l'invention permet d obtenir des résultats intéressants en choisissant un acier faiblement allié, ou du tvpe acier au carbone La teneur en éléments d'alliage, tout en étant faible, doit être suffisante pour obtenir après trempe une structure à dominante martensitique ou bainitique avec peu de ferrite (on peut ainsi, dans les cas les plus favorables, obtenir une structure contenant près de 100% de martensite et couramment, au moins 90% de martensite et bainite). Par ailleurs, la teneur en éléments d'alliage doit être limitée à des valeurs relativement faibles. En effet, si cette teneur dépasse certaines limites (qui peuvent être déterminées par l'homme de l'art en procédant à plusieurs essais successifs), il en résulte des conséquences rendant le fil inapte aux opérations de transformation à froid: a) risque de formation d'une quantité de martensite excessive dans la structure du fil machine, par le simple effet du refroidissement suivant le formage à chaud du fil machine. b) dureté du fil machine trop élevée pour pouvoir effectuer correctement le laminage à froid de transformation du fil machine en fil de forme selon les dimensions spécifiées. II a été ainsi trouvé qu'il est possible, entre des aciers trop faiblement alliés et des aciers excessivement alliés, de trouver des aciers présentant une teneur optimisée en éléments d'alliage de manière à réaliser par laminage à froid des fils de forme de caractéristiques particulièrement intéressantes après trempe et revenu. - Formage du fil par laminage à chaud: Ce procédé permet de réduire les coûts de fabrication. Il permet en outre d'obtenir des fils de forme de sections plus importantes que le laminage à froid.
L'invention permet de réaliser ainsi un fil de forme présentant après trempe une structure à dominante martensitique ou bainitique de façon relativement homogène dans toute l'épaisseur du fil. malgré l'augmentation de l'épaisseur du fil. On peut ainsi obtenir, dans les cas les plus favorables, jusqu'à environ 100% de martensite. la teneur totale en martensite et bainite étant couramment, au moins égale à 90%.
Un tel résultat est obtenu en utilisant une nuance d'acier plus alliée que les aciers recommandés pour le formage par laminage à froid. De tels aciers plus fortement allies auraient d'ailleurs été difficile à utiliser ou même inadaptés pour le laminage à froid
Selon l'invention, on peut, en particulier, réaliser des fils de forme présentant à la fois une résistance mécanique élevée et une tenue excellente en présence de H2S par transformation à froid, même si le corroyage induit des déformations globales ou locales fortes. Ce résultat est obtenu bien qu'un niveau élevé de déformation à froid risque, en fonction du taux de déformation et de la nuance, de provoquer des augmentations excessives de résistance et une réduction de la ductilité pouvant entraîner des défauts lors des opérations ultérieures de formage Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le formage à froid comportant au moins deux étapes successives de transformation à froid, une opération intermédiaire de traitement thermique est réalisée entre la première et la dernière étape de transformation à froid Par exemple, l'opération intermédiaire de traitement thermique peut être réalisée entre une opération préliminaire de tréfilage et le début de laminage, ou entre deux passes successives de laminage.
Un tel traitement thermique intermédiaire intermédiaire peut être réalisé de diverses façons connues en métallurgie, de façon à abaisser la résistance mécanique, de préférence en dessous de 850 MPa, et à retrouver la ductilité permettant la transformation à froid
L'invention concerne également un fil de forme de section constante et de grande longueur, adapté à être utilisé comme fil d'armure d'une conduite flexible, ledit fil étant fabriqué à partir d'un acier comportant les éléments suivants
- de 0,05% à 0,8% de C,
- de 0.4% à 1 ,5% de Mn, de préférence moins de 1 % de Mn.
- de 0 à 2.5% de Cr. de préférence entre 0,25 et 1.3%. - de 0,1% à 0.6% de Si,
- de 0 à 1 % de Mo,
- au plus 0,50% de Ni, - au plus 0,02% de S et de P, et de préférence S inférieur ou égal à 0,005%. Selon une variante de la présente invention, la teneur en carbone C peut être supérieure ou égale à 0,08%, de préférence supérieure ou égale à 0, 12% et l'acier peut comporter au plus 0,4 de Si. L'acier du type martensitique bainitique revenu, le revenu pouvant être plus ou moins prononcé, en particulier tel qu'un revenu de détente, de sorte que le fil obtenu présente la ductilité nécessaire pour son utlisation ultérieure comme fil d'armure, ou tel qu'un revenu de qualité rendant le fil apte à l'utilisation en présence d'H2S. De préférence, la structure martensitique bainitique est à prédominance martensitique avec un pourcentage compris entre 0 et 50% de bainite inférieure ou à prédominance de bainite inférieure avec un pourcentage compris entre 0 et 50% de martensite. De préférence, la structure peut ne comporter qu'une quantité faible de ferrite. Le fil peut avoir une dureté supérieure à 20 HRC. De préférence, la taille du grain austénitique se situe entre les indices 5 et 12, et avantageusement entre les indices 8 et 1 1. selon la norme NF 04102.
Le fil de forme peut avoir une section ayant au moins l'une des formes générales suivantes : en U, en T, en Z, rectangulaire ou rond.
La section du fil de forme peut avoir une largeur L et une épaisseur e, et avoir les proportions suivantes : L/e supérieur à 1 et inférieur à 7. L'épaisseur peut varier entre 1 mm et 20 mm, pouvant atteindre 30 mm.
Le profil du fil de forme peut comporter des moyens d'accrochage avec un fil adjacent.
Dans une première variante du fil de forme selon la présente invention, la teneur en carbone C peut être inférieure ou égale à 0.45%, et l'acier comporte au moins l'un des deux éléments d'alliage suivant, en faible quantité :
- entre 0, 1 % et 2.5% de Cr. de préférence entre 0,25 et 1 ,3%. - entre 0, 1 % et 1 % de Mo. Dans une autre variante du fil de forme selon l'invention, la teneur en carbone de l'acier peut être supérieure ou égale à 0,4%, tout en restant inférieure à 0,8%. et correspondre à un acier standard au carbone-manganèse dur ou mi-dur. classique en tréfilerie ou câblerie, sans addition d'élément d'alliage tels que du Cr ou du Mo. avec éventuellement une faible quantité de dispersoïde. De tels aciers peuvent être compris dans la gamme d'acier FM40 à FM80, selon la norme AFNOR.
Selon un premier mode de réalisation, le fil de forme selon l'invention peut avoir une dureté HRC supérieure ou égale à 32. de préférence supérieure ou égale à 35. Le fil ainsi obtenu peut ne pas être apte à résister à 1Η-,S dans certaines conditions d'exploitation, mais il peut être utilisé de façon très intéressante comme fil d'armure pour des conduites flexibles grâce à ses excellentes propriétés mécaniques optimisées, en particulier par la combinaison d'une résistance mécanique élevée et d'une ductilité supérieure à celle que l'on peut obtenir avec les procédés connus. La limite de rupture Rm peut atteindre 1000 à 1600 MPa., de préférence supérieure ou égale à 1200 MPa. Un tel fil peut avantageusement être utilisé pour réaliser l'armure de flexibles destinés au transport de pétrole brut faiblement corrosif ("sweet crude"). de pétrole dégazé ("dead oil") ou d'eau. Le procédé pour élaborer un tel fil peut se terminer par une opération de trempe, de préférence suivie par un traitement de détente. Selon un autre mode de réalisation, le fil de forme selon l'invention peut avoir une dureté HRC supérieure ou égale à 20, de préférence inférieure ou égale à 35. Le fil ainsi obtenu peut présenter des propriétés de résistance à l'H?S dans les conditions d'exploitation décrites ci-dessus, en particulier à la suite d'essais HIC en milieu très acide (pH voisin de 2,8 ou 3). La résistance mécanique Rm peut être de l'ordre de 700 à 900 MPa sous pH voisin de 3 et peut atteindre au moins 1 100 MPa avec un pH plus élevé. La contrainte appliquée dans les essais SSCC selon NACE. avec un pH voisin de 2,8. peut être au moins de 400 MPa et peut atteindre 600 MPa. Dans le cas où les essais SSCC sont réalisés avec un pH supérieur à 3, les contraintes admissibles peuvent être plus élevées, pouvant atteindre environ 90% de la limite élastique.
En vue de leur utilisation comme fils d'armure de conduites flexibles destinées au transport de pétrole brut comprenant du gaz acide, en particulier du H2S et du C02, le procédé selon l'invention permet de réaliser des fils de forme en acier du type martensite-bainite revenu dont la structure présente des nodules de carbure extrêmement fins dans un état de très grande dispersion dans une matrice de ferrite issue par revenu d'une structure martensite-bainite. Il est intéressant de comparer cet acier à d'autres aciers déjà proposés ou utilisés pour réaliser des fils d'armure destinés au même usage, tels que des aciers obtenus par traitement de sphéroidisation à partir d'une structure ferrite-perlite écrouie, ces aciers comportant également des éléments de carbure dans une matrice ferritique. Les éléments de carbure sphéroidisés de ces aciers sont considérablement moins fins et moins dispersés que dans le cas de l'acier selon l'invention, ce qui permet d'identifier de façon évidente la différence entre les deux types de matériau. En outre, il semble que les propriétés supérieures de fil de forme selon l'invention, en termes de résistance mécanique et de compatibilité à l'H2S, par comparaison aux fils de l'art antérieur, en particulier en acier sphéroidisé. peuvent avoir une relation avec le fait de présenter une structure nodulaire beaucoup plus fine et dispersé.
Il faut noter que l'invention présente notamment l'avantage qu'à partir des mêmes lots de fil machine et en procédant aux mêmes opérations de trempe, éventuellement de détente, on peut réaliser, en fonction des besoins, soit des fils en acier très résistant mécaniquement mais ne présentant pas parfois les propriétés requises de résistance à l'H9S, soit des fils résistant à l'H^S même dans les conditions les plus sévères. Dans le premier cas. la gamme de fabrication se termine avec l'opération de trempe, de préférence suivie d'une détente. Dans l'autre cas, la gamme de fabrication est poursuivie par une étape complémentaire de revenu final L'invention peut être appliquée à un tube flexible pour le transport d'un effluent comportant de l'H S, le tube pouvant comporter au moins une couche d'armures de renfort à la pression et/ou à la traction compoπant des fils de forme selon l'invention.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples suivants, nullement limitatifs.
Exemple 1 :
Des fils de forme de section circulaire de diamètre 15 mm ont été élaborés à partir d'un acier du type Chrome-Molybdène conforme à la nuance 30CD4 de la norme AFNOR (équivalente à la norme ASTM 4130 en correspondance avec le nombre UNS G41300). L'acier utilisé a la composition suivante :
C : 0,30% Mn : 0,46% Cr : 0,90% Si : 0,32% Mo : 0, 18% Ni : 0, 12% S=0,003% P=0,009%
L'opération de trempe a été réalisée au défilé à la vitesse de 1 ,8 m/minute avec chauffage par induction à haute fréquence à 980°C-1000°C, puis trempe à l'huile. Le traitement de détente a été effectué au four pendant 2 heures à 180°C.
Après ces traitements thermiques de trempe et de détente, la dureté du fil est de 40 HRC (Rm=1200 MPa) et sa structure est à prépondérance martensitique. La taille des grains correspond à un indice 8 de la norme NF 04.102.
Des traitements thermiques de revenu en four pendant 2 heures conduisent aux caractéristiques mécaniques suivantes :
Temp.(°C) 600 620 645 655 675
Dureté HRC 30 28 26 24 22 Des fils ainsi traités thermiquement ayant une dureté entre 22 et 26 HRC satisfont les essais SSC NACE TM 0177 pendant 30 jours sous les contraintes de tensions uni-axiales (T) suivantes :
Contrainte Caractéristiques de l'acier de tension (en fonction du revenu)
T (MPa) HRC Re (MPa) Rm (MPa)
500 22 650-680 760-800
550 24 680-700 800-830
450 26 700-750 830-860
Après ces essais NACE, des essais de traction sur les éprouvettes montrent que les caractéristiques mécaniques et notamment l'allongement à la rupture ne sont pas affectées, restant très voisines des valeurs obtenues avant l'essai NACE.
Des essais HIC réalisés selon la procédure NACE TM 0284, mais dans une solution dite type "NACE TM 0177" (pH=2,8) au lieu d'eau de mer synthétique (pH environ 5) révèlent une non sensibilité à la fissuration en gradin pour ces trois niveaux de dureté (22, 24 et 26 HRC) :
CLR=0% CTR=0% CSR=0%
De plus, les soudures réalisées par chauffage par induction ou résistance, avec compression axiale, complétées par des traitement de revenu de moins de 5 minutes, satisfont l'essai SSC NACE TM 0177 sous tension uni-axiale de 400 MPa. De préférence, les températures de revenu de post soudage devront être supérieures à celle du traitement de revenu du métal et inférieures à la température de début d austénitisation ACl. préférentiellement inférieure de 20 à 30°C par rapport à AC l .
Dans la fabrication industrielle des flexibles, de telles opérations de soudure sont indispensables pour raccorder les sections unitaires de fils. Il convient de noter qu'il est particulièrement intéressant d'obtenir de bons résultats aux essais NACE sur les fils et également la possibilité de réaliser rapidement l'opération de revenu après soudure. Il a été trouvé, par exemple, que la durée nécessaire d'un tel traitement de revenu dépasse 30 minutes dans le cas où l'acier comporte plus de 0, 10% de vanadium et que, par voie de conséquence, l'utilisation de cet acier n'est pas recommandée pour les applications visées par la présente invention, alors qu'a priori, il semblerait évident de recourir à l'addition de vanadium pour un usage de ce genre.
A partir d'un acier légèrement différent, également du type 30CD4, et ayant la composition suivante : C=0,31 %, Mn=0,66%, Si=0,23%, Cr= l ,02%, Mo=0,22%, Ni=0.24%.
S=0,010%, P=0,009%,
on a fabriqué un fil ayant une section en T (Hauteur 14 mm, largeur 25 mm). Après une opération de trempe au défilé et un traitement de détente, le fil a une dureté de 40 HRC.
Après revenu au four pendant environ 3 heures à une température voisine de 650°C, on obtient les caractéristiques mécaniques suivantes en fonction des duretés entre 23 et 25 HRC :
HRC Re(MPa) Rm(MPa)
23 675 790
24 715 815
25 740 854
Les essais HIC effectués comme pour le fil rond de 15 mm. montrent les mêmes résultats d'absence de fissuration.
Les essais SSCC donnent au moins une valeur de tension uni-axiale de 400 MPa pour chacune des duretés. Exemple 2 :
Des fils de forme ont été élaborés à partir d'un acier de type chrome-molybdène conforme à la nuance 12CD4 définie par la norme AFNOR comportant :
C :0, 14% Mn :0,74% Cr : 1 ,095% Si :0,203% Mo :0,246% Ni :0,24% S=0,006% P=0,008%
A partir d'un fil machine rond de 8 mm de diamètre (ayant une contrainte à la rupture de 750 MPa environ), on a obtenu un fil plat de largeur 9 mm et d'épaisseur 3 mm (9x3) par tréfilage et laminage à froid. La trempe a été réalisée à l'huile au défilé suivie par un revenu de détente au défilé dans un bain de plomb dans une température au voisinage de 500°C. On obtient une dureté de 40 HRC et une contrainte à la rupture de 1240 MPa. La taille des grains correspond à un indice 8 de la norme NF 04.102.
Traitement de revenu au four :
Le tableau ci-dessous permet de comparer les caractéristiques mécaniques des fils avant et après essai HIC réalisé selon la procédure NACE TM 0284 mais dans une solution dite "NACE TM 0177" (pH=2,8) au lieu de l'eau de mer synthétique (pH environ 5) : HRC Re Rm A(%)
Z(%)
Après détente, avant revenu final :
40 AvantHIC 1140 1230 18 81
Après HIC 1100 1177 18,4 77
Après revenu final :
570°C 28 Avant HIC 790 850 24 85 Après HIC 800 861 22 67
600°C 26 Avant HIC 740 830 26 66 Après HIC 750 792 23 72
630°C 24 Avant HIC 720 796 28 64 Après HIC 670 746 24 70
640°C 22 Avant HIC 700 781 30 82 Après HIC 640 731 24 76
Les fils après traitement de revenu réglé de façon à obtenir 24 HRC, ont satisfait les essais selon la procédure NACE TM 0177 (Méthode A) sous 500 MPa de contrainte.
Traitement de revenu au défilé : Le revenu a été effectué à la vitesse de 15 m/minute par chauffage par induction moyenne fréquence à différentes puissances conduisant aux caractéristiques mécaniques suivantes en fonction de la température mesurée en sortie de la self de chauffage : T sortie self (°C) 680 700 710
Dureté HRC 29 28 26
Dans les deux cas de traitement de revenu (revenu au four ou au défilé), des essais HIC sont réalisés pour chaque niveau de dureté, selon la procédure NACE TM 0284, mais dans une solution dite type "NACE TM 0177" (pH=2,8) au lieu de l'eau de mer synthétique (pH environ 5). Les essais révèlent une non sensibilité à la fissuration en gradin pour les différents niveaux de dureté (de 22 à 28 HRC pour le traitement au four et de 26 à 29 pour le traitement au défilé) :
CLR=0% CTR=0% CSR=0%
Exemple 3 :
Aciers au carbone-manganèse avec addition de chrome entre 0, 1 et 1 %. aptes à la trempe et au revenu, conformes à la gamme 20C4 à 40C1 selon la norme AFNOR
1 )- Dans la nuance 35C1 (0,35 de C) on fabrique des fils de forme rectangulaire (9x3) avec un acier présentant la composition suivante : C=0,35%, Mn=0,75%, Si=0,26%, Cr=0,35% S=0.02%, P=0,02%, sans addition de molybdène ni de nickel.
Après trempe à l'huile et traitement de détente, on obtient des fils de dureté 40 HRC et de Rm= 1310 MPa. La taille des grains correspond à un indice 8 de la norme NF 04.102. - Traitement de revenu au four :
Pendant un traitement d'une heure environ aux températures suivantes, on obtient les duretés :
Temp. de revenu 450°C 500°C 550°C 600°C HRC 27,3 27,2 26,1 22
Après essais HIC selon la procédure NACE TM 0284 mais dans une solution dite "NACE TM 0177" (pH=2,8) au lieu de l'eau de mer synthétique (pH environ 5). on obtient les caractéristiques mécaniques suivantes comparées à celles mesurées avant HIC : HRC Re Rm A (%)
27 Avant HIC 730 890 16
Après HIC 730 890 14.5
22 Avant HIC 705 780 18 Après HIC 710 780 20
- Traitement de revenu au défilé :
Pour une température de 700°C. le fil obtenu a une dureté de 27,5 HRC.
Re=7 10 MPa, Rm=940 MPa et A= 14,6%.
Dans les deux cas de traitement de revenu, les essais HIC réalisés selon la procédure NACE TM 0284. mais dans une solution dite type "NACE TM 0177" (pH=2,8) au lieu d'eau de mer synthétique (pH environ 5) révèlent une non sensibilité à la fissuration en gradin pour les niveaux de dureté compris entre 22 et 27 HRC.
Dans le cas du traitement de revenu au défilé (HRC=27,5) les essais SSC NACE TM 0177 (Méthode A) sont satisfaits sous une tension axiale de 400 MPa.
2)-On effectue des essais sur un fil de forme rectangulaire 9x3 fabriqué à partir d'un acier conforme aux nuances 18C4 ou 20C4 selon les normes AFNOR. La composition comprend : C : 0, 18% - Mn : 0,85% - Si : 0, 1 1 % - Cr : 0,9 1 -Ni : 0, 174% - Mo :0,039% - S et P= 0,015%. On effectue une trempe à l'huile, suivie d'un traitement de détente, pour obtenir une dureté de 39 HRC et Rm= 1 180 MPa. La taille des grains correspond à un indice 8 de la norme NF 04.102.
Un revenu au four pendant environ 4 heures a été effectué aux températures de 510°C, 525°C et 540°C pour obtenir respectivement les duretés de 26, 24 et 22 HRC.
Les tests HIC, réalisés dans une solution dite "NACE TM 0177" (pH=2.8) au lieu de l'eau de mer synthétique (pH environ 5), donnent les mêmes résultats satisfaisants que précédemment. Le test SSCC est satisfait selon les duretés (22 à 26 HRC) sous une contrainte comprise entre 400 et 450 MPa.
Pour un fil rond de diamètre 13 mm, dans le même acier et à la suite de traitements équivalents, on peut donner les caractéristiques mécaniques en fonction des duretés :
HRC Re (MPa) Rm(MPa)
23 700 790
24 720 805
25 740 825 3)-En utilisant une variante de la nuance avec 0,35% de C décrite ci-dessus, on fabrique des fils de forme d'épaisseur entre 2 et 7,5 mm et de largeur entre 5 et 15 mm, avec un acier présentant la composition suivante :
C=0,33%, Mn=0,73%, Si=0,21 %, Cr=0,34% S=0,015%, P=0,007%,
Après trempe à l'eau et traitement de détente, on obtient des fils de dureté 380 Vickers (40 HRC) et de Rm=1400 MPa. La taille des grains correspond à un indice 1 1 de la norme NF 04.102.
Après traitement de revenu dans un four à 615°C pendant 15 minutes (résultat équivalent pouvant être obtenu par traitement à 680°C pendant environ 1 minute), on obtient un fil final présentant une dureté HRC de 24, avec une limite de rupture Rm=828 MPa et une limite élastique Rpoι2=724 MPa. Les essais du type HIC ont montré que ce fil ne présente pas de sensibilité à la fissuration en présence d'H2S, les essais étant conduits selon la norme NACE TM 0284, mais dans une solution selon NACE TM 0177 avec pH=2,7.
Des essais de corrosion sous contrainte du type SSCC selon la norme NACE TM 0177 ont pu atteindre une durée de 720 heures sans apparition de rupture ni de fissure. Dans un cas, la contrainte atteignait 90% de la limite élastique, soit
652 MPa, le pH étant égal à 3,5. Dans un autre cas. le pH était à la valeur très basse de 2,7, la contrainte appliquée étant de 600 MPa. soit 83% de la limite élastique.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de fabrication d'un fil en acier adapté à être utilisé comme fil d'armure d'un flexible, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- on fabrique un fil de forme de grande longueur par laminage ou tréfilage à partir d'un acier comportant les éléments suivants :
- de 0,05% à 0,8% de C, - de 0,4% à 1,5% de Mn,
- de 0 à 2,5% de Cr, - de 0,1% à 0,6% de Si, - de O à l% de Mo,
- au plus 0,50% de Ni, au plus 0,02% de S et de P,
- on effectue un premier traitement thermique comprenant au moins une opération de trempe du fil de forme dans des conditions déterminées pour obtenir une dureté HRC supérieure ou égale à 32, et une structure de l'acier dudit fil à prédominance martensitique-bainitique.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dureté après ledit premier traitement thermique est supérieure ou égale à 35 HRC.
3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fil de forme est obtenu par transformation à froid d'un fil machine et en ce que ledit fil machine est fabriqué et/ou traité thermiquement de façon à obtenir une valeur de Rm inférieure à environ 850 MPa. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2. caractérisé en ce que le fil de forme est obtenu directement par laminage à chaud, éventuellement suivi par une opération de recuit d'adoucissement de façon à obtenir une valeur de Rm dudit fil de forme inférieure à environ 850 MPa.
5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'opération de trempe est réalisée en continu au défilé.
6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier traitement thermique comporte un traitement de détente en complément de ladite trempe.
7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement de détente est effectué en botte dans un four.
8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite trempe et ledit traitement de détente sont effectués au défilé.
9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit acier comporte :
- au plus 0,45% de C, et au moins l'un des deux éléments suivants : - entre 0, 1 % et 2,5% de Cr, - entre 0, 1 % et 1 % de Mo.
10) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8. caractérisé en ce que ledit acier comporte :
- entre 0,40% et 0,8% de C. - pas de quantité utile de Cr et de Mo,
- éventuellement des dispersoïdes en quantité faible.
1 1 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite trempe comporte le passage dans un four d'austénitisation à une température supérieure au point AC3 de l'acier, puis dans une zone de trempe avec un fluide de drasticité adaptée à la nuance d'acier et à la taille des fils.
12) Procédé selon l'une des revendications 6 à 1 1 , caractérisé en ce que la température dudit traitement de détente sont :
- entre 300 et 550°C en traitement au défilé,
- entre 150 et 300°C en traitement en botte dans un four.
13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, postérieurement au premier traitement thermique, un traitement thermique final de revenu dans des conditions déterminées pour obtenir une dureté supérieure ou égale à 20 HRC et inférieure ou égale à 35 HRC.
14) Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la dureté est inférieure ou égale à 28 HRC.
15) Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le revenu final est effectué au défilé.
16) Procédé selon l'une des revendications 13 à 14. caractérisé en ce que le revenu final est effectué en botte dans un four. 17) Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la température dudit revenu final est au plus égale à une température inférieure d'environ 10°C à 30°C par rapport à la température ACl de début d'austénitisation de l'acier.
18) Fil de forme de grande longueur et de section constante, caractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir d'un acier comportant les éléments suivants \
- de 0,05% à 0,8% de C, - de 0,4% à l,5% de Mn,
- de 0 à 2,5% de Cr, - de 0, 1 % à 0,6% de Si,
- de O à 1% de Mo,
- au plus 0,50% de Ni, au plus 0,02% de S et de P, en ce qu'il a une structure à prédominance martensitique-bainitique.
19) Fil de forme selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il a une dureté HRC supérieure ou égale à 20.
20) Fil de forme selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que ledit acier comporte :
- au plus 0,45% de C, et l'un au moins des éléments suivants : - entre 0, 1% et 2.5% de Cr.
- entre 0, 1% et 1 % de Mo.
21 ) Fil de forme selon l'une des revendications 18 ou 19. caractérisé en ce que ledit acier comporte :
- entre 0,40% et 0.8% de C,
- pas de quantité utile de Cr et de Mo, - éventuellement une quantité faible de dispersoïdes.
22) Fil de forme selon l'une des revendications 18 à 21, caractérisé en ce qu'il a une dureté supérieure ou égale à 32 HRC, une valeur de Rm supérieure à 1000 MPa et un allongement à la rupture supérieur ou égal à 5%.
23) Fil de forme selon l'une des revendications 18 à 21 , caractérisé en ce qu'il a une dureté supérieure ou égale à 20 HRC et inférieure ou égale à 35 HRC. et une Rm supérieure à 700 MPa.
24) Fil de forme selon l'une des revendications 18 à 23, caractérisé en ce que ladite section a une largeur L et une épaisseur e, et en ce qu'il a les proportions suivantes : L/e supérieur à 1 et inférieur à 7, avec e inférieur ou égal à 30 mm.
25) Fil de forme selon l'une des revendications 18 à 24, caractérisé en ce que le profil de la section comporte des moyens d'accrochage avec un fil adjacent.
26) Tube flexible pour le transport d'un effluent comportant de l'H S ,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche d'armures de renfort à la pression et/ou à la traction comportant des fils de forme selon l'une des revendications 18 à 25.
27) Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que ledit acier comporte de 0,08% à 0,8% de C et Si inférieur ou égal à 0.4.
28) Procédé selon la revendication 27. caractérisé en ce que ledit acier comporte de 0.12% à 0.8% de C. 29) Fil de forme selon l'une des revendications 18 à 26, caractérisé en ce que ledit acier comporte de 0,08% à 0,8% de C et Si inférieur ou égal à 0,4.
30) Fil de forme selon la revendication 29, caractérisé en ce que ledit acier comporte de 0,12% à 0,8% de C.
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