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FISSURATIONS DES CANALISATIONS
INTRODUCTION GENERALE
Problématique industrielle
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).
Quelque soit l’endroit que le pipeline traverse (mer ou terre), ce dernier est toujours exposé aux
risques d’endommagements que ce soit par des interférences externes ou environnementales.
Il faut bien noter que les ruptures des pipelines qui se trouvent sur terre ou immergés en mer sont
causées principalement par des agressions externes ou internes. Ces dernières se résument à des
enfoncements, des fissures ou aussi les combinaisons enfoncements +fissures.
Des études récentes faites par European Gas Pipeline Incident Group, pour 1060 cas de rupture dans
les pipelines, ont montré que 49.6 % ont été causées par des agressions externes.
Les autres causes d’incidents se répartissent en défauts de corrosion (15.3%), les défauts de
construction (16.5%), ouverture de vannes par erreur (4.6%), les glissements de terrain (7.3%) et
autres avec 6.7%.
Comme cela est mentionné précédemment, la demande d’énergie ne cesse d’augmenter et les sites de
production sont souvent très éloignés des centres de consommation et d’exploitation. Par exemple de
1970 à 2007 en Europe, la longueur des pipelines a été multipliée par 4. Par contre, le taux de
défaillance pour la même période a été divisé par 6.
Pour augmenter la rentabilité de ce mode d’acheminement, les industriels ont augmenté la pression de
service ainsi que le diamètre des canalisations. De 1910 à 2000, le diamètre des plus gros pipelines a
été multiplié par 4 et la pression de transport a été multipliée elle-même par 60. Tout cela a été rendu
possible grâce aux travaux de recherches qui ont permis l’amélioration des caractéristiques
mécaniques des pipelines.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSMéthodologie
Il existe dans la littérature des méthodes qui analysent la nocivité des défauts
précités. Elles sont généralement basées sur l’analyse limite, la mécanique de
rupture et la mécanique de rupture d’entaille. Selon le type du défaut, on choisit
l’outil adapté. Par exemple, les fissures sont traitées soit par la mécanique de
rupture soit par l’analyse limite, les problèmes de corrosion dans les tuyaux sont
évalués par l’analyse limite, les enfoncements sont traités par l’analyse limite ;
les éraflures sont traités par la mécanique de rupture d’entaille
Motivations
Généralement, 90% des ruptures dans les tuyaux sous pression sont dues à des concentrations de
contraintes au voisinage d’un défaut. Ces défauts se regroupent en cinq catégories : les cratères de
corrosion, les fissures, les éraflures, les enfoncements ainsi que les défauts dits combinés
(enfoncement+éraflure).
Le souci qui préoccupe les exploitants des réseaux de canalisations est d'assurer la maintenance de ces
réseaux pour préserver la sécurité des populations ainsi que l’impact que peut avoir une défaillance
majeure sur l’aspect environnemental.
En outre il ne faut pas oublier l’aspect économique et financier, car des pertes financières sont
considérables en termes de remplacement de conduites, de travaux publics et de pertes d’exploitation.
La prévention des ruptures est donc une nécessité et est réalisée par inspection et analyse de la
nocivité des défauts constatés.
Cette thèse a été proposée pour compléter l’expertise interne sur la nocivité des principaux défauts
précurseurs de la rupture des canalisations.
Ce travail a pour objectif de proposer une étude complète, à la fois
expérimentale et numérique, sur le comportement d’une canalisation sous
pression contenant les défauts décrits ci-dessus. Il se base sur l’extension de
l’analyse limite et la mécanique de rupture.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
I- Présentation de la société RTO :
La Région Transport Ouest (RTO) est l’une des sept (7) Directions Régionales de l ’Activité
Transport par Canalisation.
Sa mission essentielle est d’assurer le transport des hydrocarbures dans les meilleures conditions de
continuité, de sécurité et de respect de l’environnement.
La Région Transport Ouest (RTO) transporte les hydrocarbures suivants :
1. PÉTROLE BRUT 02 oléoducs totalisant 45MTEP /an
2. CONDENSÂT 01 oléoduc totalisant 17.60 MTEP/an
3. GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉ (G.P.L.) 02 oléoducs totalisant 12.83 MTEP/an
Et le troisième oléoduc LZ2-24’’ GPL en phase de construction.
4. GAZ NATUREL 04 gazoducs totalisant 38.80 MTEP/an
45 MTEP
38,8MTEP
17,6MTEP12,83MTEP
Petrole brut Gaz naturel Condensat GPL
FISSURATIONS DES CANALISATIONSAvec 5 472 Km de pipeline en exploitation. Soit :
GAZ NATUREL 2 037 Km
PETROLE BRUT 1 622 Km
CONDENSAT 507 Km
GAZ DE PETROLE LIQUEFIE (G.P.L.) 1 305 Km
Capacité Opérationnelle RTO : 114 MTEP/an soit 51% de la capacité de TRC
Gaz Naturel 38.8 MTEP soit 39% de TRC
Pétrole Brut 45 MTEP soit 48% de TRC
Condensât 17.60 MTEP soit 78 de TRC
GPL 12.83 MTEP soit 100%de TRC
1.1 PATRIMOINE DE LA RTO
• 09 canalisations totalisant plus de 5 400 Km
• 118 machines tournantes d’une puissance totale dépassant 1 000 000 CV
• 3 parcs de stockage (pétrole brut et condensât) totalisant une capacité de plus de
1 200 000 m3
• 8 postes de chargement de pétrole et de condensât (port d’Arzew et de Béthioua)
• 7 terminaux arrivés
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
FISSURATIONS DES CANALISATIONS DESCRIPTION DE L'OUVRAGE OZ1-OZ2
Dans le cadre du développement de ses réseaux de canalisations (ducs) dédiés au transport de
ses ressources énergétiques, la Société Nationale SONATRACH a confié à sa branche
transport la mission d'augmenter sur l'axe Hassi Messaoud - Arzew le potentiel de livraison à l'export
du pétrole brut des différents champs pétroliers de la zone sud-est.
Pour ce faire, la SONATRACH Branche Transport par Canalisation a donc lancé la réalisation d'un
projet consistant à :
a) Réaménager l'oléoduc OZ1 de diamètre 28" existant
b) Construire parallèlement à OZ1, un second oléoduc de 34" (OZ2), auquel sont associés les
ouvrages concentrés (2 terminaux et 6 stations) nécessaires pour une exploitation
conforme aux « règles de l'art ».
Les transformations proposées permettent de porter la capacité de transport de 21 MTA (million de
tonnes / An) à 45 MTA.
Cette augmentation de volume transporté obtenue par étape avec une première mise en service
à la date du 24 octobre 2003.
Dans se réalisation OZ2 consiste en :
- tine line de 34" de diamètre reliant les terminaux d'Aoud El Hamra et d'Arzew d'une
longueur de 822 km avec des postes de sectionnement disposes le long de la trace
- Un terminal départ qui comprend :
- Les raccordements aux trois parcs de stockage existent
- Le poste de coupure départ de l'oléoduc OZ2
- Le nouveau poste de coupure départ de l'oléoduc OZ1
- La nouvelle station de pompage SP1 pour OZ1 et OZ2
- Cinq (5) stations de pompage en ligne, installées proximité des stations existantes de
L’OZ1 dont la SP3 et la SP5, permettent avec la SP1 le fonctionnennent simultané mais indépendant
des deux lignes OZ1 / OZ2
SP2 - SP4 et SP6 sont plus particulièrement destinées à l'exploitation normale de I'OZ2 et
permettent, en cas d'arrêt de I'OZ2, de relever le débit de l'OZ1 à son maximum (18 MTA).
FISSURATIONS DES CANALISATIONSAux stations de pompage peuvent être associés les points d'injection intermédiaires normalement
utilisés sur l'OZ1 pour la production provenant des champs suivants :
* Haoud Bekaoui
* Guellala
* Oued Noumer
* Hassi'R'Mel
Notons toutefois, qu'en cas d'incident sur I'OZ1 les injections sont transférées sur I'OZ2.
Les six (6) stations de pompage sont équipées de toutes les installations nécessaires à leur
exploitation, à leur sécurité et à leur entretien.
* Une station de détente sur I'OZ1 et POZ2 à Kennenda
* Un terminal d'arrivée à Arzew, raccordé au Parc de stockage existant
* Un système de protection cathodique de l'ensemble de l'ouvrage intégré au système
commun de toute la nappe des lignes existantes
* Un système de télécommunication et télé-contrôle SCADA au niveau de chaque
station et d'interface avec le système de télécommunication existant
Description des lignes
Description de I'OZ1 :
Systèmes existants et modifications :
A. Généralités
L'oléoduc 28" OZ1 existant reliant Haoud El Hamra à Arzew d'une longueur totale de 801 kilomètres
a pour vocation l'évacuation du pétrole brut des champs de production situés en amont du terminal
départ HEH.
L'ouvrage comprend six (6) stations de pompage dont 3 principales (SP1 - SP3 et SP5) et 3
intermédiaires (SP2 - SP4 et SP6) et a été conçu pour réaliser les capacités de pompage allant
de 10.1 MTAà21.6MTA.
Les stations ci-dessus seront désactivées et rendues inopérantes dans la phase actuelle.
La ligne existante est modifiée dans la partie initiale à l'intérieur de l'aire HEH.
Un nouveau poste de coupure (gare de racleur départ) est installé à l'intérieur de la nouvelle
station SP1.
B. Injections intermédiaires
Suite à la découverte de nouveaux gisements sur l'itinéraire de la conduite, celle-ci a assuré
FISSURATIONS DES CANALISATIONSl'évacuation de la production de ces gisements.
Il y a donc quatre (4) points d'injection aux mêmes capacités.
- L'apport des débits d'injection a été pris en compte dans l'étude hydraulique et le mode de
régulation avec ou sans injections est traité dans la « Description des Automatismes ».
Ces injections sont raccordées également pour l'oléoduc OZ2, mais seulement en cas d'arrêt de la ligne
OZ1.
Sur chaque ligne sont installés les nouveaux systèmes suivants :
- Filtre en ligne avec by-pass et instrumentation locale, avec transmission via SCADA de la
pression différentielle
- Système de comptage du débit avec transmission via SCADA pour le contrôle de la portée
dans les stations de pompage
C. Station de détente de Zemoura
La station de détente de Zemoura est dotée d'un réservoir à toit fixe à pression atmosphérique de
12000 m3 et d'une batterie de soupape permettant de protéger la ligne principale contre les
éventuels méfaits d'une surpression statique dans la section descendante.
Cette station de Zemoura est désactivée, le système de protection est transféré en amont à
Kennenda (PK 698 + 770) et servira I'OZ1 et I'OZ2 avec un réservoir de 24000 m3.
Présentation de la ligne OZ1
- Diamètre extérieur : 28" (711.2 mm)
- Longueur : 801 km environ
- Acier : API 5L X 52
- Epaisseur : 6,35 à 11,13mm - télescopique (0.250" / 0,281" /0.344" / 0.469")
Le profil de la ligne est caractérisé par un point haut (appelé point de contrôle -NADOR)
Au-delà duquel les écoulements sont gravitaires
Description de la ligne OZ2
Généralité
De manière générale, le nouvel oléoduc suit le même tracé que le 28" et emprunte-le même
couloir que les gazoducs GZ1 n GZ2, GZ3 et GZO, NZ1, LNZ1 et LZ1.
La configuration générale des oléoducs OZ1 et OZ2 est montré sur le schéma de procédé
N°00-ZC-PR-PCF-001 attaché à la Section 2.
De Haoud El Hamra (HEH) à Hassi1 R' Mel (HR) l'OZ2 se positionne à droite de la nappe de
conduite existante.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSDe HR à Nador PK 589 + 650, I'OZ2 est à droite de toute la nappe et de Nador à Arzew I'OZ2 se
repositionne à gauche de la nappe existante.
Dans l'ensemble d'OZ2, on peut distinguer deux catégories d'installations qui ont fait l'objet de
marchés différents, ce sont la ligne, d'une part, et les stations, d'autre part
Présentation de la ligne OZ2
- D'un diamètre extérieur de : 34" (863.6 mm)
- D'une longueur de : 822km
- En acier type : API 5 L X60
- D'épaisseur variable de : 7.92 mm à 17.48mm
- Revêtue de polyéthylène
Cet oléoduc (OZ2) comporte, un terminal départ, cinq postes de coupures, une station de
détente, un terminal d'arrivée, vingt-cinq (25) postes de sectionnement et quatre points
d'injection
La canalisation 34" (constituée de tube en acier API 5L x 60 soudés bout à bout) est raccordée
au terminal départ au niveau des parcs de stockage de Haoud El Hamra et au terminal arrivée
au niveau du parc de stockage du terminal d'Arzew
Le terminal départ est constitué d'une gare de lancement des racleurs pour I'OZ2 et d'une autre
pour I'OZ1
Les postes de coupure sont équipés d'une gare départ et d'une gare arrivée pour chaque ligne.
En outre, ils sont situés au niveau des stations de pompage (SP2 - SP3 - SP4 - SP5 et SP6).
Le terminal arrivé est équipé de la gare de racleur arrivée (une pour chaque ligne).
Les 25 postes de sectionnement sont constitués de robinets à passage intégral équipés de
Motorisations hydropneumatiques et manœuvrables depuis le dispatching.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
CHAPITRE 1
CANALISATION, SOUDAGE ET CONTROLE
FISSURATIONS DES CANALISATIONSINTRODUCTION
I.1 Définition
Un pipeline est une canalisation enterrée ou aérienne transportant des biens, qu’ils soient
sous forme liquide ou gazeuse. Les pipelines sont le plus souvent construits à partir de tubes
d’acier soudés bout à bout, revêtus extérieurement voire intérieurement et généralement
enfouis dans le sol. Ces pipelines s’avèrent coûteux et parfois difficiles à mettre en ouvre
selon les caractéristiques des terrains traversés, en zone de risque sismique ou politiquement
instable. Au contraire de leur investissement initial ; leur utilisation est relativement peu
coûteuse par rapport à d’autres formes de transport concurrentes, au moins sur de petites et
moyennes distances.
I.2 Les gazoducs
La majorité des gazoducs acheminent du gaz naturel entre les zones d’extractions et les
zones de consommation ou d’exportation. On estime la longueur totale des gazoducs dans le
monde à un million de kilomètres, soit plus de 25 fois la circonférence terrestre.
Les gazoducs sont en majorité terrestre, soit enfouis à environ un mètre de profondeur dans les zones
habitées, soit posés à même le sol en zone désertique, ou en zone à sol dur. Leur
diamètre varie entre 50 mm (2 pouces) et 1400 mm (56 pouces) pour les plus importants.
Toutefois, le tarissement des sources de proximité et l’éloignement croissant des zones
d’exploitation ont conduit à l’établissement de gazoducs sous-marins. Selon leur nature
d’usage, les gazoducs peuvent être classés en trois familles principales :
- Gazoducs de collecte :
Ramenant le gaz sorti des gisements ou des stockages souterrains vers les sites de traitement.
- Gazoducs de transport ou de transit :
Acheminant sous haute pression le gaz traité (déshydraté, désulfuré …) aux portes des zones urbaines
ou des sites industrielles de consommation.-
- Gazoducs de distribution :
Répartissant le gaz à basse pression au plus près des consommateurs domestiques ou des petites
industries.
Construction et exploitation des gazoducs
Les gazoducs sont constitués de tubes d’acier soudés bout à bout, recouverts
d’un matériau
FIGURE : CANALISATIONS API5L
FIGURE : NAPPE DE GAZODUC
FISSURATIONS DES CANALISATIONSisolant (polyéthylène, polypropylène, ..) contribuant à leur protection contre la
corrosion.
Ils peuvent être également revêtus intérieurement pour améliorer l’écoulement
du fluide
transporté ou pour prévenir la corrosion interne si le gaz transporté est corrosif.
Selon leur nature d’usage, les gazoducs sont exploités par des industriels de
l’exploration
production, du transport ou de la distribution. L’exploitation d’un gazoduc
consiste à
maintenir l’ouvrage en bon état de service dans les conditions optimales de
sécurité et de coût.
Aujourd'hui, il y a des millions de Km de pipelines qui sont largement utilisé pour
transporter de l'eau, du gaz et du pétrole sous ou dessous terre ou sous mer,
depuis les sources
originale jusqu’aux usines de traitement des liquides (filtration, raffinage,
liquéfaction,…)
(Figure I.1).
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Remarque importante :
Il faut noter que pour le cas de notre payé la norme la plus utilisé au sein de SONATRACH
est la norme Américaine API que l’on va définis par suite.
Comparaison entre quelques normes
Domaine d’utilisation
EN DIN API 5L ASTMNorme Nuance
d’acierNorme Nuance
d’acierNuance d’acier
Tubes pour canalisationsde transport
defluides
jusqu’à 15 bar
10255
soudés et sans soudure
L 195 2440 +2441
St 33
Grade B
A 53
Tubes soudés pour
canalisations de transportde fluides
sous pressionjusqu’à 70 bar
10217-1Température
ambiante
P 235 TR1P 265 TR1 1626
St 37.0St 42.0
Grade BGrade X 42
A 53A 106
10217-2/10217-5Température
élevées
P 235 GHP 265 GH 17177
H IH II
Tubes pour laconstruction mécanique
10210tubes sans soudure
S 235 JRHS 275 J2HS 355 J2H
17120St 37-2
St 44-3NSt 52-3N
Grade BGrade X 42Grade X 52
A 53A 106
10219tubes soudés
S 235 JRHS 275 J2HS 355 J2H
17120/17123/17125
St 37-2St 44-3St 52-3
Grade BGrade X 42Grade X 52
A 53A 106
Tubes pour canalisationsde transport
de
102081/12007-3
L 235 GAL 245 GAL 290 GAL 360 GA
2470 Teil 1/1626
St 37.0St 52.0
Grade BGrade B
Grade X 42Grade X 52
A 53A 106A 106
L 245 NBL 290 NBL 360 NBL 415 NB
2470 Teil 2/17172
normalisé
StE 290-7StE 360-7StE 415-7
Grade BGrade X 42Grade X 52Grade X 60
A 106
A 106
FISSURATIONS DES CANALISATIONSproduits
inflammables10208-2/1594 NB
L 245 MBL 290 MBL 360 MBL 415 MBL 485 MBL 555 MB
MB
2470 Teil 2/17172laminé a chaud
StE 290-7 TMStE 360-7 TMStE 415-7 TMStE 480-7 TM
Grade BGrade X 42Grade X 52Grade X 60Grade X 70Grade X 80
A 106A 106
A .1.1 Définition de la norme API :
La norme Américaine définis par American Petroleum Institute, États-Unis est la norme la plus utilisé
au monde de la canalisation des produits « gaz et pétrole »
Comme on a cité précédemment la société SONATRACH est un client fidèle a ces produits
de canalisations (Pipelines. Pompes de stockage. Turbine ….ext).
La branche API5L est destinée aux tubes soudés en acier en ligne. Il comprend de poids standard et
extra-forte, tuyaux filetés et de poids standards plains de poids régulier spécial lisses, extra-fort lisses,
lisses spéciale, extra-forte plain- conduite d'extrémité, ainsi que la cloche et robinet à travers-le-flow
line (TFL) pipe.
A .1.2 Le but de cette spécification :
Le but de cette spécification est de fournir des normes pour les tuyaux pouvant être utilisés dans le
transport de gaz, d'eau et d'huile dans l'industrie pétrolière et du gaz naturel. Exigences
dimensionnelles sur les fils et calibres de filetage, stipulations sur les pratiques de mesure, les
spécifications de calibre et de certification, ainsi que des instruments et des méthodes pour inspection
des discussions sont données dans la norme API 5B et sont applicables aux produits couverts par cette
spécification.
A .1.3 Grades couverts par cette spécification :
FISSURATIONS DES CANALISATIONSA25, A, B, X42, X46, X52, X56, X60, X65, X70, X80 et grades intermédiaires et à l'X42 le
classement et la plus cités (voir note). La composition chimique et les propriétés mécaniques des
classes intermédiaires qui font l'objet d'un accord entre l'acheteur et le manufacturer doivent être
compatibles avec les exigences correspondantes pour les grades à laquelle le matériau est
intermédiaire
Note:
La désignation grade est utilisée ici pour les grades A et B ne font pas mention de la limite
d'élasticité minimale spécifiée. Autres appellations de grade est utilisé ici comprend la lettre
A ou X suivi par les deux premiers chiffres de la limite d'élasticité minimale spécifiée.
Tuyaux fabriqués en Grade X60 ou supérieur ne doit pas être substitué aux tuyaux
commandés pour les élèves de X52 ou moins à l'approbation acheteur-avec
Bien que la fin de la ligne pipe-plaine réunion de cette spécification soit principalement
destinée pour le maquillage sur le terrain par soudure circonférentielle, le fabricant n'assume
aucune responsabilité pour le soudage sur le terrain
Pour régulière du poids et spéciale-end ordinaire pour tuyaux (poids particulier) dans les
tableaux 6A, 6B et 6C et filetés poids des tuyaux standard supérieurs à la taille nominale de
12mm, les désignations des dimensions utilisées ici sont en dehors des tailles de diamètre.
Pour tous les autres tuyaux, les désignations de dimensions sont de dimensions nominales.
Dans le texte de cette spécification, les limites de taille de pipe (ou gammes de taille) sont en
dehors des tailles de diamètre, sauf s'ils sont énoncés nominale
Ces limites de taille de diamètre extérieur vont également demander à la taille nominale
correspondant.
Acier Ⅱ classe est déphosphoriez et probable a mieux enfiler des propriétés de la classe I.
Parce que la classe Ⅱ a des propriétés chimiques supérieures à la Classe I, il peut être un peu
plus difficile à plier
FISSURATIONS DES CANALISATIONS (SI) Unités métriques américaines sont utilisées dans cette spécification sont présentées à la
parenthèse dans le texte et dans nombreux tableaux. pour des informations spécifiques sur l'arrondissement des procédures et des facteurs de conversion
Caractéristiques mécaniques des tubes et composition chimiques
FIGURE : TYPES DE CANALISATIONS SELON LA NORME API 5L
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe développement des transports à grande distance de quantités importantes d'hydrocarbures a
nécessité l’emploi des tubes de grand diamètre, exploités à des pressions plus élevées. Pour éviter
d'atteindre des épaisseurs difficiles à souder et faire des économies d'acier, on a eu recours à de
nouvelles nuances à caractéristiques mécaniques améliorées. C'est ainsi qu'on a vu apparaître les
grades X60, X65, X70, X80 et même X100. Les aciers des tubes peuvent être divisés en deux groupes
: aciers au carbone faiblement alliés et aciers à faible teneur en carbone. Dans le premier groupe on
trouve les aciers ferrito-perlitiques X42 à X52 (selon API) renfermant jusqu'à 0,3 % C, 1,6 % Mn, 0,7
% Si. Dans le deuxième groupe on trouve les aciers ferrito-perlitiques faiblement alliés à basse teneur
en carbone X56, X50, X65, X70 renfermant 0,12 % C, 0,45 % Si, 0,25 % S, 1,9 % Mn, 0,1 % V,
0,1Nb, 0,015 % Al. Pour les conduites de diamètre supérieur à 1020 mm, destinée à fonctionner sous
des pressions élevées, on utilise généralement des tubes en acier de laminage contrôlé. Les propriétés
mécaniques des structures ferrito-perlitiques peuvent être modifiées, entre autre par l'affinement des
grains ferritiques. C'est le seul procédé qui permet d'améliorer à la fois les caractéristiques de traction
Re et/ou R et la température de transition TK. L’objectif est l’obtention d’une
structure ferrito-perlitiques à grains fin des produits plats laminés.
Figure II.3 : Éprouvette d'essai de traction
FISSURATIONS DES CANALISATIONSII.2.2 Évaluation des propriétés mécaniques :
Ces dernières années le laminage contrôlé a été complété par le refroidissement
accélérer par
arrosage à l'eau afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques des tôles. Cela
a permis
d'accroître la résistance de l'acier de laminage contrôlé, jusqu'à 700 MPa, sans
modifier
pratiquement la ténacité à la rupture et la tenue au froid. A des vitesses de
refroidissement
suffisamment élevées les éléments perlitiques de la structure sont remplacés par
une structure
bainitique. Dans les aciers ferritiques, de telles vitesses font augmenter la
quantité de bainite à
basse teneur en carbone. Les meilleures améliorations des propriétés
mécaniques sont
réalisables dans les aciers de classe bainitique à teneur en carbone
particulièrement basse. De tels aciers ont une grande perspective
pour l'emploi dans la fabrication des tubes pour la
réalisation des gazoducs de grand diamètre et haute pression de service.
Des études récentes montrent que l'efficacité de l'emploi de l'acier bainitique de
composition chimique: 0,03 % C, 0,15 % Si, 1,90 % Mn, 0,04 Ni, 0,02 % Ti, dans
la fabrication des tubes de dimensions 1420 x 18,7 mm. De tels tubes ont une
ténacité élevée à la rupture ductile, à des températures proches de – 30° C, avec
une tenue au froid suffisante et des limites de résistance à la rupture σr = 644
MPa et à l’écoulement σ0, 2 = 600 MPa : (British Steele 1995).
Les propriétés mécaniques de l'acier au carbone couramment utilisé dans l'industrie gazoduc dans la
direction longitudinale ont pu être déterminées à partir d'éprouvettes normalisées, celles-ci plates
normalisées (voir la figure )
Nous utilisons l'équation Analytique de Ramberg-Osgood qui représente le teste uni-axial de tension
du matériau et qui est exprimée par la relation suivante :
FISSURATIONS DES CANALISATIONSε = σE +
α . σe
E ( σ
σe )n
ε = σE +0.002 ( σ
σe )n
Exemple d'un acier API 5L X80 Leur caractéristiques
σ e= 595 MPa
E = 200000 MPa
n = 1633
σ m = 762 MPa
Les tableaux suivant reflètent la composition chimique et les caractéristiques mécaniques de l'acier
type API 5L, qui sont utilisés beaucoup dans l'industrie de tube de pipeline.
Nous remarquons que les valeurs de la résistance de rupture d'un même acier sont différentes, même
chose pour la limite élastique, cela est du aux résultats des essais expérimentaux. On donne dans ce
qui suit les tableaux représentants les caractéristiques mécaniques et la composition chimique de ces
aciers
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
LA COMPOSITION CHIMIQUE DES PIPELINES SELON API5L
NM – non mesuré
Acier
/
élément
X42 X52_A X52_B X60 X65 X70 X80 22-05
% en masse
C 0,24 0,16 0,16 0,21 0,24 0,24 0,24 0,019
Mn 1,3 1,22 1,17 1,52 1,45 1,65 1,85 1,68
Si NM 0,22 0,23 0,19 NM NM NM 0,44
P 0.025 0,007 0,007 0,012 0.025 0.025 0.025 0,024
S 0.015 0,009 0,007 0,003 0.015 0.015 0.015 0,0002
Cr NM 0,12 0,28 0,16 NM NM NM 22,67
Ni NM 0,08 0,12 0,15 NM NM NM 5,48
Cu NM 0,12 0,19 0,15 NM NM NM NM
Mo NM 0,01 0,06 0,16 NM NM NM 2,98
V NM 0,06 0,01 0,05 NM NM NM NM
Al NM 0,019 0,04 0,022 NM NM NM NM
W NM NM NM NM NM NM NM NM
Ti NM <0,01 0,01 0,01 NM NM NM NM
Nb NM 0,05 0,01 0,03 NM NM NM NM
N NM NM NM NM NM NM NM 0,17
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
LES PROPRIETES MECANIQUES DES PIPELINES SELON API5L
Avec :
Re : limite d’élasticité [MPa]
Rm : résistance à la rupture [MPa]
KV : résilience [J]
A : allongement à la rupture [%] HV : la dureté Vickers
NM – non mesuré
A .2 Comparaison entre quelques normes :
état
Acier
X42 X52_A
X52_B X60 X65 X70 X80 22-05
Re [MPa]
290
359
486
414
448
483
552
540
Rm
[MPa]
414
455 610
517
531
565
621
741
A [%] 17,5 33,7 22,6 21,8 18,2 19,5 28,5 33,5
Re/Rm
40,700
0,789
0,796
0,800
0,843
0,854
0,881
0,728
HV 122 136,3 190 156,8 160,5 173,8 192 230,5
KV0°C
[J]NM 196 218 148 165 NM NM NM
FISSURATIONS DES CANALISATIONSB- stations de l’ouvrage OZ2/34" :
B- 1 1 Fiche Technique
Stations Equipement Nombre Type Puissance
CV
Année de mise
en service
SP1 Turbopompe 06 Alsthom/Guinard 10190 2003
SP2 Turbopompe 04 Alsthom/Guinard 10190 2004
SP3 Turbopompe 06 Alsthom/Guinard 10190 2003
SP4 Turbopompe 04 Alsthom/Guinard 10190 2004
SP5 Turbopompe 06 Alsthom/Guinard 10190 2003
SP6 Turbopompe 04 Alsthom/Guinard 10190 2004
Turboalternateur 02 Turbomeca 3400 2004
Constructeur SPIE CAPAG / SAIPEM
B-2 Régimes d’exploitation actuels
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLes capacités de transport de l’ouvrage OZ.2/34’’ sont précisés comme suit :
Phase Régimes Capacité OZ2
01
Régime1 – m3/h
SP en service
Nbr de machines
1750
1 - 3 - 5
( 1+1)
02
Régime2 – m3/h
SP en service
Nbr de machines
3250
(1 -3- 5)
( 2+1)
03
Régime3 – m3/h
SP en service
Nbr de machines
5250
(1 -3- 5)+(2-4-6)
( 3+1)
B-3 Caractéristiques des conduites
FISSURATIONS DES CANALISATIONSB-3-1-Phase I (SP5)
Ouvrage Diamètre Epaisseur Service Nuance
Conduite d’aspiration (A1A) 24’’ 7,9 mm Aérien API 5L Gr B soudé longitudinal
Conduite de refoulement (A6A) 20’’ 11,1 mm Aérien API 5L Gr X60 sans soudure
Conduite de recyclage de chaque pompe (A6A)
6’’ STD Aérien API 5L Gr B sans soudure
Collecteur recyclage (A6D) 6’’ STD Enterré API 5L Gr B sans soudure, revêtu ext. Polyéthylène 3 couches
Conduite de recyclage OZ1
A6A
A1D
6’’
6’’
STD
6,4 mm
Aérien
Enterré
API 5L Gr B sans soudure.
API 5L Gr B sans soudure, revêtu ext. Polyéthylène 3 couches
Conduite de recyclage OZ2
A6A
A1D
6’’
6’’
STD
6,4 mm
Aérien
Enterré
API 5L Gr B sans soudure.
API 5L Gr B sans soudure, revêtu ext. Polyéthylène 3 couches
B-3-2 Phase 2 (SP4 /SP6)
FISSURATIONS DES CANALISATIONSOuvrage Diamètre Epaisseur Service Nuance
Conduite d’aspiration (A3A) 24’’ STD Aérien API 5L Gr X42 soudé longitudinal
Conduite de refoulement (A6A) 20’’ 11,1 mm Aérien API 5L Gr X60 sans soudure
Conduite de recyclage de chaque pompe (A6A)
6’’ STD Aérien API 5L Gr B sans soudure
Collecteur recyclage (A6D) 12’’ XS Enterré API 5L Gr B sans soudure, revêtu ext. Polyéthylène 3 couches
Conduite de recyclage OZ1
A6A
A3A
12’’
12’’
XS
8,4 mm
Aérien
Aérien
API 5L Gr B sans soudure.
API 5L Gr B sans soudure.
Conduite de recyclage OZ2
A6A
A3A
12’’
12’’
XS
8,4 mm
Aérien
Aérien
API 5L Gr B sans soudure.
API 5L Gr B sans soudure.
C) Procèdes de soudages utilisés pour l’assemblage des canalisations
1 INTRDODUTION
FISSURATIONS DES CANALISATIONS1.1 DEFINITION
Le soudage est une opération de micro- métallurgie consistant à exécuter un cordon fondu liant les bords de deux pièces. Il constitue un moyen d’assemblage privilégié pour toute construction faisant intervenir des matériaux métalliques, il dépend de:
La composition chimique ;
L’épaisseur ;
Le métal d’apport ;
Les réglages adoptés pendant l’opération de soudage.
Les procédés de soudage sont multiples et les plus fréquemment utilisés pour les assemblages de canalisations de transport de gaz sont préférentiellement effectués avec les procédés suivants :
1. procédé à l'arc électrique à l'électrode enrobée ;
2. procédé à l'arc électrique au fil plein ou fourré ;
3. procédé à l'arc électrique à l'électrode réfractaire, sous atmosphère inerte ;
4. Le procédé au chalumeau, très utilisé jadis, concerne un domaine d'application restreint aux faibles diamètres et épaisseurs.
1.2 AVANTAGES PAR RAPPORT AUX AUTRES TECHNIQUES D’ASSEMBLAGE
Le soudage assure une continuité métallique de la pièce lui conférant ainsi des caractéristiques au
niveau de l’assemblage équivalent à celles du métal assemblé. Caractéristiques mécaniques,
thermiques, chimiques, électriques, d’étanchéité, de durabilité…Il répond à des sollicitations élevées.
Il est durable car insensible aux variations de température, aux conditions climatiques…pour finir il
garantit l’étanchéité de la pièce à souder
1.3 DOMAINE D’APPLICATION
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe soudage trouve des applications dans des secteurs d’activité très diversifiés comme la production,
la construction, la réparation et la maintenance.
Ses principaux domaines d’application dans le domaine de l’acier sont la mécanique au sens large et
la construction, pour lesquels il constitue de loin le moyen d’assemblage prioritaire.
En construction métallique, lors de la préfabrication des éléments en atelier, on assemble
systématiquement par soudage. Sur les chantiers on aura plutôt recours au boulonnage des éléments
préfabriqués. En France dans les ponts métalliques on utilise le soudage dans 100% des cas.
1.4 TYPES DES MATERIAUX UTILISES
Il existe différents matériaux dans le domaine de la préfabrication dont notamment :
L’acier : est le métal le plus facile à souder, car on peut utiliser avec lui toute une gamme de procédés de soudage. Dans l’ère industrielle, c’est l’acier qui a le plus bénéficié du soudage.
L’aluminium et le titane : ces deux matériaux ont commencé à être soudés plus tard et ils conviennent moins bien au procédé de soudage. L’aluminium par exemple a été moins facilement soudable jusqu’ici (actuellement de nouveaux procédés permettent un soudage plus facile de ce matériau), car il faut enlever la couche d’alumine réfractaire qui se forme naturellement à sa surface et prendre les précautions nécessaires pour éviter que cette couche ne se reforme pendant le soudage.De même pour le Titane, qui est très fortement oxydable.
Les alliages : certains sont considérés comme intrinsèquement non soudables. La soudabilité d’un matériau dépend de ces caractéristiques métallurgiques mais aussi du procédé employé.
2 Les deux grandes familles de soudage
Le soudage manuel est différencié par le métal d’apport qui permet l’assemblage des deux pièces métalliques. Il existe deux types :
Soudage hétérogène ;
Soudage autogène.
Définition du soudage hétérogène : c’est le soudage de deux pièces de métal différent avec un métal d'apport.
Définition du soudage autogène: c’est le soudage de deux pièces du même métal avec un métal d’apport de même nuance.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSExemple : assemblage de l’acier A53 avec l’acier A106 implique que la composition de la baguette (métal d’apport) soit proche des deux nuances.
2.1 LE SOUDAGE AU GAZ OU AU CHALUMEAU :
Le soudage au gaz ou à la flamme, consiste à assembler des pièces de métal à l’aide d’un métal
d’apport amené à fusion par la chaleur de la flamme d’un chalumeau. Selon le type de pièces à
assembler et la résistance de l’assemblage que l’on souhaite obtenir, on utilise différentes techniques.
Parmi ces techniques on cite :
2.1.1 SOUDAGE OXYACETYLENIQUE OU AUTOGENE
Les deux pièces de métal sont chauffées jusqu’à fusion et le joint, entre elle, est formé de leur propre
métal ainsi que du métal d’apport, sous la forme d’une baguette. Le métal d’apport qui constituera la
soudure est identique au métal de base, la soudure est dite autogène.
La température de chauffe dépend du métal d’apport et le métal de base.
Le métal d’apport viendra combler l’espace entre les deux pièces à souder.
Dans le soudage dit « au chalumeau » deux techniques doivent être décrites.
Elles ne sont pas à proprement parler des techniques de soudage, mais elles sont fréquemment
utilisées par les soudeurs : le brasage et soudobrasage.
Chalumeau avec différents types de buses
EN PRATIQUE :
Le soudeur commence par mettre à nu (procédé mécanique : brossage ou meulage ou
chimique) le métal des deux pièces à souder.
Puis il allume l’acétylène, il règle le débit pour que la flamme touche juste la buse (en
augmentant le débit, la flamme se crée plus en avant)
Ensuite il allume l’oxygène et règle le débit pour ne voir qu’un seul dard (langue à
l’intérieur de la flamme)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS Si le débit est trop fort il y a deux dards. Le dard doit être assez court. Après quoi il
chauffe les deux pièces à souder sur une zone assez large, d’environ 2 cm, en faisant
des petits cercles, ceci sans que le dard ne touche le métal.
Jusqu’à ce que le métal prenne une couleur rouge cerise, 1 à 2 minutes en fonction de
l’épaisseur du métal et de sa température de fusion..
Celui-ci amène alors la baguette de soudage au niveau de l’espace entre les deux
pièces à souder et il commence par les pointer : c'est-à-dire faire des points de
soudure avant de les souder complètement ; ceci permet de stabiliser les deux pièces
l’une par rapport à l’autre et confère au cordon de soudure une meilleure résistance
aux forces de traction et de torsion.
Schéma de principe du soudage oxyacéthylénique
2.1.2 BRASAGE
Le brasage permet l’assemblage de deux pièces métalliques à l’aide d’un métal de différente nature.
Ce métal a une température inférieure à celle des pièces à assembler et lui seul participe à la
constitution du joint d’assemblage en se fusionnant au contact du métal de base plus chaud.
L’assemblage des pièces se fait par recouvrement, comme pour un collage.
Ce procédé permet de créer un joint d’étanchéité par pénétration du métal d’apport par capillarité
entre les deux tuyaux de métal.
EN PRATIQUE :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS Après avoir chauffé les deux parties à souder sur une zone large d’environ 2 cm autour
de la jonction, le soudeur amène la baguette de brasure à la jonction des deux pièces.
Celle-ci fond, au contact du métal de base chauffé et comble l’interstice. Il continue de
chauffer la jonction des pièces tout en faisant avancer la baguette le long de l’interstice.
Il n’y a pas de nécessité de protection gazeuse ou autre, car il n’y a pas, a proprement
parlé, de cordon de soudure.
Le métal d’apport est un alliage, on parle de procédé hétérogène. Il s’agit généralement
d’un alliage d’étain binaire voire ternaire, avec divers métaux comme le plomb,
l’argent mais aussi le cuivre, l’antimoine, le bismuth, l’indium, le cadmium, le zinc,
l’or… L’alliage le plus couramment utilisé est composé d’environ 60% d’étain et 40%
de plomb. La teneur en plomb peut cependant varier de 15 à 95% en fonction de
l’utilisation envisagée. Les alliages d’apport se présentent sous des formes diverses :
baguettes, tiges, fils, pastilles, poudres, crèmes…
On parlera de brasage fort ou tendre en fonction de la température appliquée.
L’application d’une température plus élevée augmente la résistance mécanique du
métal d’apport. Selon l’utilisation faite, on choisira donc un brasage tendre ou fort.
En dessous de 220 °C, le brasage est dit tendre,
Il trouve son application en plomberie, sanitaire, zinguerie, pour la création d’une
étanchéité à l’aide de joints brasés au niveau de tuyauterie d’alimentation d’eau sur
laquelle ne sera pas appliqué de contraintes mécaniques fortes. Mais aussi en
électronique (circuits imprimés), en électricité (connexion de fils) ou encore en
ferblanterie et en zinguerie.
Entre 780 et 800 °C on parlera de brasage fort,
Ce procédé est utilisé pour étanchéifier ou assembler les conduites de gaz, en cuivre,
offrant une bonne résistance aux contraintes mécaniques. Il permet des assemblages
résistants sur cuivre, laiton, métaux ferreux, aluminium, argent, or. (au delà de 920 °C,
point d’Eutexie, il y aura transformation du métal) Le brasage ne se fait pas sur l’acier
on parlera alors de soudobrasage :
2.1.3 SOUDOBRASAGE
FISSURATIONS DES CANALISATIONS Il s’agit d’un assemblage ayant une haute résistance mécanique.
La température de chauffe est supérieure à 950°C.
Il est surtout utilisé pour les métaux ferreux, mais aussi le cuivre, nickel, chrome...
On utilise un chalumeau butane propane ou un chalumeau oxygaz.
Ce procédé permet de déposer le métal d’apport à l’angle formé par deux pièces disposées à la
perpendiculaire l’une de l’autre. Et de les solidariser.
Les métaux des pièces soudées peuvent être de nature différente (par exemple acier et cuivre) Ceci
permet donc une utilisation dans les rénovations, la modification de l’existant étant possible sans
utiliser le même type de métal que l’existant.
Le cordon de soudure sera constitué du métal d’apport, enrobé, qui sera un alliage (cuivre, acier,
nickel, souffre, plomb, étain, cadmium…)
Il existe de nombreux alliages, le choix se fera en fonction des propriétés de chacun (l’argent et le
phosphore augmentent la résistance mécanique) Mais aussi en fonction de leur coût, certains alliages
peuvent atteindre un prix de 1200 euros/kg, les moins chers n’étant pas forcément les moins toxiques.
Le brasage amène une pénétration du métal d’apport par capillarité.
Dans le soudage, le métal d’apport ainsi que le métal de base sont amenés à fusion, ce
qui permet de combler l’espace entre les pièces de métal. La soudure se fait sous
protection de l’enrobage de la baguette fournissant le métal d’apport.
EN PRATIQUE :
Les outils qui fournissent la chaleur pour la mise en œuvre du brasage, du soudobrasage et du soudage à la flamme sont :
Le fer électrique qui peut atteindre une température de 250°C, voir 450°C pour les
fers utilisés en ferblanterie et en chaudronnerie.
Le fer à gaz ou la lampe à souder à cartouche de Butane, qui atteint une température
de 350°C à 600°C.
Un système de panne en cuivre alimentée par du gaz propane.
Le chalumeau atteint une température supérieure, il est utilisé lorsque de grandes
quantités d’alliage d’apport sont nécessaires ou pour des surfaces importantes de
SOUDAGEA L’ARC ELECTRIQUE
ÉlectrodeRéfractaire
ÉlectrodeFusible
MAGMIGTIG
SoudageManuel avec
ÉlectrodeEnrobée
Fils plein
FISSURATIONS DES CANALISATIONSmétaux à assembler ou lorsque le point de fusion de l’alliage est élevé (alliage à
base d’argent par exemple)
Le chalumeau : est muni d’une buse, il existe différents type de buses qui
permettent de faire varier le débit du mélange gazeux, 100 ou 70 litres. Ceci permet
alors de faire varier la température de la flamme
Principaux procédés de soudage à l’arc
FISSURATIONS DES CANALISATIONS3) SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE A L'ELECTRODE ENROBEE
3.1. PRINCIPE DU PROCEDE
Un arc électrique établi entre une électrode et les bords des pièces à assembler, provoque leur fusion
et crée un bain de métal liquide qui reçoit les gouttes de métal de l'électrode.
L'arc électrique résulte du passage d'un courant électrique intense à travers une atmosphère de gaz ou
de vapeur, normalement non-conductrice. Les électrons circulent de la cathode (pôle négatif) vers
l'anode (pôle positif) que constituent l'extrémité de l'électrode et l'impact de l'arc sur la pièce : la
polarité est choisie selon que l'on désire faciliter la fusion de la pièce ou de l'électrode.
L'atmosphère gazeuse de l'arc, portée à haute température (5 000°C à 8 000°C), fortement ionisée ne
représente qu'une faible part d'énergie calorifique mais irradie surtout des rayonnements
électromagnétiques (lumière visible, ultra violets, ...)
La tâche anodique et surtout la tache cathodique, où se présentent les ions positifs, fournissent
ensemble l'essentiel de la chaleur.
La tâche anodique, bombardée par les électrons est par contre à une température plus haute (3 500°C)
que celle de la tâche cathodique (2 400°C).
Cette situation est permanente en courant continu ; elle s'inverse à chaque alternance en courant
alternatif. Le réamorçage s'obtient dans la mesure où l'anode, devenue cathode, reste suffisamment
chaude pour devenir émettrice.
3.2. CARACTERISTIQUES DE L'ARC ET D'UN POSTE DE SOUDAGE
La courbe caractéristique de l'arc, c'est à dire la courbe donnant la différence de potentiel entre
l'électrode et la pièce en fonction de l'intensité de soudage à l’allure.
Le courant d'alimentation de l'arc est variable, trois paramètres essentiels sont à considérer :
- la tension à vide Uo du générateur en circuit ouvert (l'arc ne débite pas de courant), il faut que cette
tension Uo soit supérieure à la tension d'amorçage de l'arc.
Suivant les postes, Uo peut varier de 40 à 100 V. Par suite l'intensité doit être déphasée par rapport à
la tension, pour que l'intensité nulle ne corresponde pas à une tension nulle.
- l'intensité Icc du courant de court-circuit
Lorsque l'électrode et la pièce sont en contact : l'intensité Icc doit être supportée par le poste de
soudage sans dommage.
- l'intensité Is et la tension Us, lorsque l'arc est établie
Les valeurs moyennes de I s et U s s'obtiennent en cherchant l'intersection des caractéristiques de l'arc
FISSURATIONS DES CANALISATIONSet du poste de soudage.
Comme en soudage manuel, la longueur de l'arc ne peut rester rigoureusement constante, il est
nécessaire qu'à une variation de cette longueur d'arc soit associée une faible variation de l'intensité ;
les postes de soudage à l'arc électrique manuel doivent donc présenter des courbes caractéristiques
décroissantes (ou plongeantes)
Soudage a l’arc
3.3 LES ELECTRODES
FISSURATIONS DES CANALISATIONS3.3.1 Propriétés générales
Les électrodes de soudage sont constituées par :
- une âme métallique dont le rôle est de conduire le courant et dont la fusion forme le métal déposé
- un enrobage concentrique à l'âme dont la composition permet de remplir plusieurs rôles :
* stabilité électrique de l'arc
* protection du métal en fusion
* apport d'éléments dans le métal déposé.
3.3.1.1 Stabilité électrique de l'arc
Les gaz émis lors de la fusion de l'enrobage facilitent l'ionisation, donc l'établissement de l'arc entre
l'électrode et la pièce à souder.
Lors du soudage en courant alternatif, cette ionisation permet de stabiliser l'arc malgré l'annulation de
la tension à chaque phase.
3.3.1.2 Protection du métal en fusion
L'atmosphère créée lors de la fusion de l'enrobage isole le métal liquide de l'oxygène et de l'azote de
l'air. Chaque goutte de métal est entourée d'une protection de laitier qui viendra ensuite surnager sur le
bain de fusion en formant une couche protectrice pendant la solidification, ralentissant le
refroidissement et permettant aussi le départ des gaz occlus.
3.3.1.3 Apport d'éléments
Au cours de la fusion, certains constituants plus volatils ont tendance à disparaître, comme le silicium,
le manganèse, l'enrobage compense alors ces pertes. De surcroît, l'enrobage fournit des constituants
nouveaux (molybdène, nickel...)
Le laitier modifie également la tension superficielle du métal liquide, donnant au cordon une forme
plus ou moins concave.
3.3.2 Types d'électrodes
Les électrodes se définissent par le diamètre de l'âme et la nature chimique de l'enrobage.
Les diamètres normalisés sont :
1,25 - 1,6 - 3,15 - 4 - 5 - 6,3 mm
Les enrobages les plus utilisés sont :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS- l'enrobage cellulosique
- l'enrobage basique
- l'enrobage rutile
3 .3.2.1 - Électrodes à enrobage cellulosique
Les électrodes à enrobage cellulosique contiennent des produits volatils (cellulose de bois ou de
coton), des silicates naturels et des ferro-alliages réducteurs. Leur combustion dégage un volume
important de gaz réducteurs qui protègent le bain de fusion.
Le laitier, peu volumineux, se détache facilement.
Le métal déposé est affiné mais renferme beaucoup d'hydrogène (teneur généralement supérieure à 10
ml par 100 g de métal fondu). Toutefois, ces électrodes ne s'étuvent pas et doivent être conservées
dans un local suffisamment humide.
La résilience du métal déposé ainsi que la ductilité du joint sont plus basses que celles observées pour
des électrodes à enrobage basique.
Les électrodes à enrobage cellulosique nécessitent l'emploi de courant continu de façon à obtenir une
bonne pénétration de l'arc et une vitesse de fusion élevée, les polarités conseillées étant les suivantes :
• première passe : polarité négative à électrode
• autres passes : polarité indifférente
Certaines électrodes peuvent cependant être utilisées en courant alternatif.
Une fusibilité et une stabilité d'arc satisfaisantes nécessitent des postes de soudage ayant
des tensions à vide élevées (70 volts environ).
3 .3.2.2 Électrodes à enrobage basique
Les électrodes à enrobage basique sont constituées de carbonates (Ca ou Mg) mélangés à des produits
désoxydants, dénitrurants, (ferro-alliages) et à des fondants (spath Fluor...).
Lorsque leurs enrobages sont parfaitement secs elles procurent des teneurs en hydrogène basses dans
le métal déposé. Celui-ci est pur, à structure fine et exempt d'inclusions.
La quantité d'hydrogène est inférieure ou égale à 10 ml par 100 g de métal fondu.
Certaines électrodes dites à basse teneur en hydrogène conduisent à une teneur encore
plus basse, inférieure à 5 ml par 100 g de métal fondu.
La résilience et l'allongement sont élevés. La fissibilité à froid ou à chaud est faible.
Le laitier compact, peu abondant est facile à détacher.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLes enrobages basiques sont très hydroscopiques, de telles électrodes humides ne présentent pas les
caractéristiques de basse teneur en hydrogène dans le métal déposé qui sont précisément celles
recherchées par l'emploi de l'enrobage basique.
Il est donc impératif que les conditions de stockage et d'étuvage soient conformes à celles indiquées
par le fabricant.
Les électrodes à enrobage basique peuvent être utilisées en courant alternatif ou en courant continu où
la fusion est meilleure. L'emploi de certaines électrodes est limité au courant continu.
Les polarités conseillées sont :
- première passe : polarité négative à l'électrode
- autres passes : polarité positive à l'électrode
Une tension à vide de 50 volts est suffisante sauf en courant alternatif où la tension à vide du
générateur de courant devra toujours être supérieure ou égale à 75 volts.
Les électrodes à enrobage basique s'utilisent principalement en technique dite montante (le tube est
axe horizontal, la progression de soudage va de bas en haut). Les performances mécaniques du métal
déposé sont obtenues au détriment de la maniabilité (cordon de pénétration moins profond, arc moins
stable que pour une électrode à enrobage cellulosique). Le remède consiste à maintenir un arc court et
à limiter la vitesse de soudage, de l'ordre de 0,1 à 0,2 cm/s, au lieu de 0,7 cm/s environ pour une
électrode à enrobage cellulosique en technique dite descendante (progression du soudage de haut en
bas)
3 .3.2.3 Électrodes à enrobage rutile
Les électrodes à enrobage rutile contiennent essentiellement de l'oxyde naturel de titane ainsi que des
oxydes de fer, des ferro-alliages et silicates naturels.
Grâce au pouvoir d'ionisation élevé de l'oxyde de titane, ces électrodes sont très maniables l'amorçage
et la stabilité de l'arc sont plus faciles à assurer. Le laitier visqueux se détache facilement. Les
caractéristiques mécaniques, notamment de résilience et d'allongement, dépendent de la teneur en
ferro-alliages et sont plus faibles que celles obtenues avec les électrodes à enrobage basique. Leur
emploi peut générer des risques d'inclusions, de soufflures pour toutes les passes.
Ces électrodes peuvent s'employer en courant continu ou alternatif. En courant continu, la polarité
directe est conseillée pour toutes les passes.
Lorsque les enrobages comportent des additions de cellulose, ces électrodes peuvent aussi s'employer
en technique descendante (enrobage rutilo-cellulosique).
FISSURATIONS DES CANALISATIONSCet enrobage est donc adapté pour le soudage de produits en acier minces, de caractéristiques
moyennes (en tout état de cause nuances inférieures ou égales à TS E 290) de composition chimique
soignée (notamment, le taux de soufre doit être inférieur à 0,03%
4) SOUDAGE A L'ARC AVEC FIL
4.1 SOUDAGE A L'ARC AVEC FIL SOUS PROTECTION GAZEUSE
L'arc est entretenu entre un fil consommable et les bords de la pièce à souder. Le fil en fusion et le
bain de soudure est protégé de l'oxydation de l'air par un flux de gaz inerte
(Le procédé se dénomme alors M.I.G = Métal lnert Gas).ou actif (procédé M.A.G = Métal Active
Gas). Le déroulement du fil à vitesse constante permet d'alimenter en métal d'apport le bain de fusion.
Ces différentes fonctions de protection et d'amenée de métal sont remplies par une installation qui comprend :
- le générateur de courant continue
- une source de gaz protecteur
- un système de refroidissement à la torche
- le moto-dévideur
- la torche ou pistolet
Détail de la soudure MIG / MAG
4.1.1 Postes de soudage
Le poste de soudage utilisé pour ce procédé est à courant continu. Le fil est raccordé au pôle positif
est la pièce à souder au pôle négatif.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLa caractéristique doit être plate, ce qui permet une auto-régulation de l'arc : si la longueur d'arc
diminue, par exemple, la tension diminue et l'intensité augmente, conduisant à une fusion plus rapide
du fil, ce qui rétablit la longueur d'arc initial.
4.1.2 Fil d'apport et gaz de protection
On distingue les gaz inertes et les gaz actifs.
Les gaz inertes à base d'argon, pur ou mélangé à l'oxygène, ou d'hélium sont surtout utilisés
pour les métaux légers et les aciers inoxydables.
Les gaz actifs servent au soudage des aciers au carbone ou faiblement alliés (aciers à tube). Le
gaz carbonique, parfois mélangé à l'oxygène, est le gaz actif le plus fréquemment utilisé. Il
permet d'obtenir une pénétration plus importante et augmente la concavité du cordon.
Schéma de la torche MIG
La composition des fils dépend :
- de la nature des matériaux à souder
- des pertes d'éléments pendant le soudage.
4.2 SOUDAGE A L'ARC AVEC FIL FOURRE SANS GAZ
Le procédé de soudage relève des mêmes principes que ceux décrits au paragraphe 3.1.
Toutefois, le fil plein est remplacé par un fil fourré d'un flux pulvérulent, qui peut être
FISSURATIONS DES CANALISATIONSbasique ou rutile.
Ce flux joue le même rôle que l'enrobage extérieur des électrodes et dispense donc de l'utilisation d'un
gaz protecteur.
4.3 SOUDAGE AUTOMATIQUE
Les procédés à l'arc électrique avec fil (fourré ou plein) sont tels que le taux de fusion du fil s'ajuste à
chaque instant à sa vitesse : ce sont donc des procédés dits semi-automatiques.
Lorsque la torche ou le pistolet sont guidés par une machine, les procédés sont complètement
automatiques. La torche ou le pistolet se déplacent pour des colliers s'adoptant à la canalisation.
Les systèmes de commande programmés permettent d'exécuter et d'enchaîner toutes les opérations
nécessaires avec des volumes de paramètres prédéterminés (intensité, vitesse du fil, vitesse de
rotation...)
Les procédés de soudage automatique connaissent un essor dans l'industrie pétrolière ou gazière.
5) SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE AVEC ELECTRODE REFRACTAIRE SOUS GAZ INERTE :
5.1 PRINCIPE
L'arc est établi entre une électrode non fusible en tungstène et la pièce à souder.
La chaleur dégagée permet la fusion des bords à assembler et, si besoin est, du métal d'apport.
L'électrode et le bain de fusion sont protégés de l'oxydation par une atmosphère de gaz inerte.
Schema de la troche TIG
FISSURATIONS DES CANALISATIONS5.2 TORCHES DE SOUDAGE - ELECTRODES REFRACTAIRES
L'alimentation en gaz et en courant électrique se fait par une torche. Les électrodes réfractaires sont en
tungstène ou en tungstène thorié (1 à 2% d'oxyde de thorium), d'où l'abréviation couramment utilisé
T.I.G = Tungstène Inerte Gaz.
Les électrodes réfractaires doivent être parfaitement épointées pour que la densité de courant soit la
plus élevée possible.
5.3 GAZ DE PROTECTION - METAUX D'APPORT
L'argon pur, l'hélium ou l'azote hydrogéné sont les gaz les plus fréquemment utilisés. Hormis la
protection du bain de fusion, ces gaz n'ont aucune action bénéfique sur le métal fondu ; il importe
alors que les métaux d'apport fournissent les éléments nécessaires (désoxydants par exemple).
5.4 AUTOMATISATION
Ce procédé T.I.G peut aussi être utilisé en mode automatique grâce a la mise au point des têtes de
soudage dites orbitales, qui se déplacent le long de la circonférence du tube, en déposant une ou
plusieurs passes de soudure.
De façon identique aux procédés de soudage automatique avec fil, le procédé T.I.G automatique
requiert des systèmes de commande et reprogrammation des paramètres.
Les expériences de soudage de canalisations de transports sont peu nombreuses.
6) Soudage a LAZER
Le soudage Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation C’est à dire :
Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Radiation fait partie des soudages à « hautes
énergies ».
En effet la concentration en un point (dit « point focal ») de la lumière laser offre une densité de
puissance supérieure au mégawatt par mètre carré.
La particularité de ce soudage est que l’on voit apparaître un capillaire rempli de vapeurs du métal
soudé (« Key-hole », ou trou de serrure »), ainsi la chaleur est directement transmise au cœur du
matériel ce qui augmente considérablement la vitesse de pénétration et celle du soudage.
La vitesse est ainsi supérieure au mètre par minute et il n’y a besoin que d’une seule passe pour une
soudure ne dépassant pas les 7 mm de profondeur.
La soudure étant précise et propre les déformations mécaniques sont des plus faibles.
Mais le matériel requis revient très cher (de 150000 à 310000 €), et la soudure nécessite une
préparation plus que minutieuse du placement du faisceau.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSQui plus est, ce procédé exige des moyens de sécurité propre, et le fait que la source de chaleur soit
des rayons lumineux la soudure de matériel trop réfléchissant (comme l’or et le cuivre par exemple)
est difficile.
FIGURE : Principe de la soudure laser
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
CHAPITRE II
LES FISSURES AUX JOINTS SOUDES DES PIPELINES
FISSURATIONS DES CANALISATIONSINTRODUCTION
Avant d’étudier le phénomène de fissuration des pipelines, on doit tout d’abord passer par définir
l’influence de phénomène thermique (cycle thermique de soudage) sur les effets métallurgiques et
mécanique au niveau du joint soudé
L’étude de fissuration doit être effectuée par deux méthodes principales
L’analyse limite
La mécanique de la rupture
Qui sont l’Object des chapitres III, IV
A) SOUDABILITE DES ACIERS
1) PHENOMENES THERMIQUES EFFETS METALLURGIQUES
Le cycle thermique lié au soudage se décompose en 3 stades principaux :
- échauffement en phase solide
- fusion
- refroidissement
1.1 ECHAUFFEMENT EN PHASE SOLIDE
Il se traduit par les transformations métallurgiques suivantes :
- la suppression des états hors d’équilibre.
Les aciers écrouis subissent une recristallisation, les aciers trempés un revenu ;
les aciers trempés revenus sont sujets aux phénomènes de vieillissement (précipitations de carbures)
- l'austénisation
Le franchissement d'un point de transformation efface les états antérieurs du métal ; la zone modifiée
de façon irréversible est limitée à une bande étroite.
L'austénisation à des températures élevées peut provoquer une surchauffe, c'est-à-dire un
grossissement de grain qui, de façon irréversible, agira ultérieurement sur l'aspect final de la structure.
1.2. FUSION
Dans le bain de fusion, deux aspects essentiels sont à considérer :
- l'évolution de la composition chimique
FISSURATIONS DES CANALISATIONS- le phénomène de dilution
L'évolution de la composition chimique résulte de la volatisation de certains éléments, d'oxydation,
(formation de soufflures ...) de réactions avec le milieu ambiant (formation de phosphures de fer, de
sulfures...).
La dilution consiste en un mélange du métal de base avec la zone fondue, et entraîne des variations de
composition chimique selon la nature du métal d'apport employé.
1.3. REFROIDISSEMENT
Dans la zone fondue, le refroidissement conduit à une structure de solidification orientée dans le sens
de l'écoulement de la chaleur (dendrites).
A proximité de la zone fondue, le métal de base est le siège de transformations structurales qui selon
la vitesse de refroidissement et la composition chimique conduisent à des structures d'équilibre (retour
à la structure cristalline du métal de base) ou hors d'équilibre (apparition de cristaux aux propriétés
différentes)
2) PHENOMENES THERMIQUES EFFETS MECANIQUES
Une autre conséquence de l'application de cycles thermiques réside dans les déformations et les
contraintes internes.
Les déformations sont dues à la différence de dilatation entre le métal chaud et le métal refroidi.
Cette dilatation négative, ou retrait, est directement proportionnelle au coefficient de dilatation du
matériau.
L'empêchement du retrait, ou bridage, provoque des contraintes internes.
Le retrait se présente sous deux formes :
- le retrait longitudinal qui engendre des déformations (ou des contraintes) dans l'axe de la soudure.
- le retrait transversal qui s'exerce perpendiculairement à l'axe de la soudure.
Le retrait longitudinal provoque toujours des contraintes de l'ordre de la limite d'élasticité du
matériau de base.
Les effets du retrait transversal sont plus complexes : ils dépendent de l'écartement des bords, de
l'épaisseur, de la forme du chanfrein, du mode de pointage, du mode de soudage (fonctionnement,
sens d'exécution de chaque passe,...)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS2.1 ASPECTS DU JOINT SOUDE
Le cycle thermique du soudage entraîne donc des modifications locales de deux sortes :
- changement de structure, de composition chimique : ces changements modifient fondamentalement
les propriétés mécaniques
- apparition de contraintes résiduelles.
On peut délimiter alors trois zones :
- la zone fondue
- la zone affectée thermiquement (Z.A.T)
- le métal de base, sans modification
B) CONTROLES DES SOUDURES
1) GENERALITES
Les contrôles des soudures s'échelonnent sur trois périodes :
• les contrôles avant soudure
• les contrôles en cours d'exécution
• les contrôles après soudure
1.1 LES CONTROLES AVANT SOUDURE
FIGUR : LES DEFFIRENTS ZONES DU JOINT SOUDE
FISSURATIONS DES CANALISATIONSAfin de s'assurer des caractéristiques métallurgiques et mécaniques du métal déposé et de la zone
affectée thermiquement, il est nécessaire de vérifier que l'ensemble des paramètres régissant le
soudage conduit effectivement à la qualité attendue.
A cette fin, un mode opératoire préliminaire rassemblant tous les paramètres de soudage est qualifié.
Des essais destructifs permettent de vérifier les caractéristiques mécaniques ; de surcroît le métal
d'apport doit aussi être qualifié à l'issue d'essais mécaniques réalisés sur des moules.
Enfin, la compétence du soudeur est l'un des facteurs les plus importants. Cette compétence n'est pas
universelle : un soudeur compétent pour mettre en œuvre un procédé dans des conditions opératoires
données peut ne plus l'être pour le même procédé dans des conditions opératoires différentes : les
soudeurs sont donc soumis à des essais de qualification pour un mode opératoire bien défini.
1.2 LES CONTROLES EN COURS D'EXECUTION
Lorsque les conditions opératoires ont été qualifiées, il importe de vérifier qu'elles sont observées,
notamment :
- la préparation
- l'accostage, le calage des tubes
- les paramètres électriques (intensité ; tension...)
1.3 LES CONTROLE APRES SOUDURE
Les contrôles après soudure se répartissent en deux familles :
- les contrôles destructifs : des prélèvements de joints soudés peuvent permettre de s'assurer que le mode opératoire qualifié est appliqué et que les caractéristiques spécifiées sont obtenues
- les contrôles non-destructifs ; parmi lesquels on peut citer :
Contrôles visuel
le contrôle radiographique ou gamma-graphique
le contrôle par ultrasons
le ressuage
la magnétoscopie
FISSURATIONS DES CANALISATIONSREMARQUE : La méthode la plus utilisée sur les chantiers de pose de canalisation est le contrôle par Radiographie ou Gammagraphie.
2) CONTROLE PAR RADIOGRAPHIE OU GAMMAGRAPHIE
2.1 PRINCIPES
Ce moyen de contrôle est basé sur l'absorption différentielle des rayonnements électromagnétiques de
très courte longueur d'onde dans la matière en fonction de la densité des milieux traversés.
Le rayonnement sortant de la pièce en impressionnant, soit un film photographique, soit un écran
fluorescent donne une image des hétérogénéités de la matière examinée. L'image des défauts est la
projection de ces défauts sur le plan du film. Ce procédé donne peu d'informations sur la hauteur des
défauts. De surcroît la densité de l'image du défaut dépend de son épaisseur et un défaut plan,
perpendiculaire au rayonnement, risque de ne pas être décelé. Ce sont les principales limitations de ce
type d'examen.
2.2 CREATION DES RAYONNEMENTS
Les rayonnements électromagnétiques utilisés dans le contrôle des matériaux ont leur origine :
- soit dans l'émission d'un tube à rayons X,
- soit dans le rayonnement spontané d'une source radioactive.
Ces rayonnements utilisés sont de même nature que la lumière ou que les ondes hertziennes en
radiophonie, mais leur longueur d'onde est beaucoup plus petite.
2.2.1 Générateurs de rayons X
Lorsqu'un faisceau d'électrons émis par le filament d'une cathode est accéléré par un champ électrique
élevé à l'anode, des rayons X sont émis.
La cathode est reliée au pôle négatif d'un générateur du courant continu. L'anode est constituée par
une cible qui, dans le cas des rayonnements industriels, est généralement en tungstène et est reliée au
pôle positif du générateur. Un vide très poussé est établi dans l'ampoule contenant l'anode et la
cathode
La composition du rayonnement émis par l'anode dépend de l'énergie des électrons et de la nature du
métal de l'anode.
Le pouvoir de pénétration étant proportionnel à sa fréquence, la tension appliquée aux bornes du tube
de rayons X est choisie en fonction de l'épaisseur et du coefficient d'absorption de la matière à
radiographier.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSDans le cas de l'acier la relation épaisseur-tension est donnée au tableau suivant
Epaisseur Tension
6 mm
12
25
50
75
100KVA
250
250
300
400
Pour les épaisseurs supérieures à 100 mm, il est nécessaire de disposer de rayonnements de très haute
énergie, qui ne peuvent être obtenus que par des appareils spéciaux (accélérateur linéaire...).
2.2.2 Rayons gamma
Certains corps comme le radium émettent spontanément un rayonnement électromagnétique appelé
rayonnement gamma. Il est constitué par un ensemble de radiations monochromatiques ou raies
caractéristiques de l'élément émetteur. La découverte de la radioactivité artificielle a permis d'obtenir
de nouveaux radioéléments qui sont aujourd'hui couramment utilisés en radiographie industrielle.
Les principaux radioéléments utilisés sont :
le cobalt 60,
l'iridium 192,
le césium 137,
le thulium 170.
Une source radioactive est caractérisée par :
- l'énergie de ses raies,
- sa période,
- son activité,
- la dimension de son foyer.
Tableau : la relation épaisseur-tensionTableau : la relation épaisseur-tension
FISSURATIONS DES CANALISATIONS• Énergie des raies caractéristiques
Certains radioéléments émettent une série de radiations monochromatiques caractéristiques de
l'élément et dont l'énergie se mesure en méga- électrons-volts (MeV).
Un électronvolt (eV) est l'énergie prise par un électron soumis à une différence de potentiel de 1 Volt
(1 eV = 1,6. 10-19 joules). Le cobalt, par exemple, émet deux radiations distinctes, de 1,17 et 1,32
MeV. Par contre l'iridium émet toute une série de radiations monochromatiques d'énergie comprise
entre 0,137 et 0,651 MeV. Le thulium et le césium n'émettent chacun qu'une radiation: le premier, de
0,084 MeV et le second de 0,66 Mev.
• La période
C'est le temps au bout duquel l'intensité de la source est réduite de moitié. Elle peut varier de quelques
secondes à plusieurs centaines d'années. Il est évident que, dans le premier cas, l'utilisation industrielle
du radioélément n'est pas possible et qu'une valeur acceptable de la période est nécessaire pour son
utilisation en gammagraphie.
• L'activité de la source
L'activité d'une source dont dépend le temps d'exposition s'est mesuré longtemps en curies. Le curie
correspondait à l'activité d'un gramme de radium c'est-à-dire à 3,7.1010 désintégrations par seconde.
• Dimensions de la source
C'est une caractéristique importante dont dépend la finesse des images radiographiques obtenues. La
source se présente sous la forme d'un cylindre de diamètre ∅ et de hauteur h et est caractérisée par le
produit ∅.h. On trouve par exemple des sources de lXl, 2X2, 3X3. L'intensité maximale d'une source
dépend de sa dimension, de la puissance du réacteur dans laquelle elle a été obtenue et du temps
d'irradiation. Il existe une activité spécifique maximale qui correspond à l'excitation de tous les
atomes de la source. C'est l'activité de saturation.
La source est placée dans une capsule scellée appelée "porte-source". Elle est stockée dans un
container ou projecteur en plomb dont l'épaisseur dépend de la puissance de la source et de sa nature.
Un système d'utilisation comprend un dispositif d'éjection du porte-source permettant de manipuler
celui-ci à distance et de le conduire dans sa position de prise de vue.
2.3 IMPRESSION DU FILM RADIOGRAPHIQUE
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe film radiographique est le moyen le plus couramment utilisé pour obtenir une image des
hétérogénéités de la structure radiographiée. Il est constitué par une feuille d'acétate de cellulose mais
enduite, contrairement au film photographique, sur ses deux faces, par l'émulsion photosensible
composée d'halogénure d'argent dans de la gélatine. Sous l'effet du rayonnement et des traitements
ultérieurs subis par le film, une couche d'argent se dépose, son importance étant fonction de l'intensité
du rayonnement reçu et agissant sur l'émulsion.
La valeur d'un contrôle radiographique dépend en grande partie de la qualité des images obtenues ;
celle-ci est acquise par les moyens et méthodes suivantes:
1 - l'emploi d'écrans renforçateurs (écrans fluorescents ou en plomb) qui, sous l'effet du rayonnement
sortant de la pièce, réémettent un rayonnement secondaire renforçateur.
2 - l'augmentation du contraste qui est obtenue notamment par l'utilisation de rayonnements
de grande longueur d'onde, de films très sensibles ou encore d'une densité (c'est-à-dire d'un degré de
noircissement) aussi élevée que possible compte tenu des négatoscopes.
3 - l'amélioration de la définition de l'image qui est très liée au film et au flou géométrique.
Le flou géométrique provient de la projection de l'indication sur le film ; l'amélioration du flou passe
par le choix judicieux de la distance focale
2.4 MATERIELS
Les matériels de radiographie X et γ sont présentés à l'annexe 12.De grands progrès ont été faits dans
la réduction des dimensions des appareils à rayons X intra tubes. De même, le contrôle par rayons X
est en cours d'automatisation (radiographie avec traitement d'image).
Enfin, il faut souligner que les rayonnements X et γ présentent, à certaines doses, des dangers pour le
corps humain. En conséquence, la mise en œuvre des matériels et des techniques d'irradiation doivent
respecter l’imposition réglementaire, notamment celles visant à limiter la dose de rayonnement.
CONTROLE VISUEL .
L’examen visuel est indispensable à mètre en œuvre avant tout autre examen de contrôle. En effet ;
c’est en fonction de ces résultats qu’il peut fournir (entaille, amorce de fissure, manque de
pénétration...) qu’un contrôle plus complet peut s’imposer. C’est le contrôle visuel qui permet de
déterminer que la bonne température est atteinte, la couleur et l’aspect du métal sont observés en
permanence par le soudeur.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS Mode opératoire :
Ce contrôle est effectué soit à l’œil nu soit à l’aide d’une loupe. Il peut être aidé, par un éclairage laser
ou classique, une loupe binoculaire, ou un système de télévision (sont réalisées en général des
acquisitions d’images par balayage laser ou par utilisation de barrettes de capteurs optiques suivies de
traitement d’images tel que le seuillage ou la reconnaissance de formes )
Un bon nettoyage de la surface à examiner (illumination de laitier, oxydes, projections métalliques) et
un bon system d’éclairage s’avère nécessaire.
Notons que :
Le contrôle visuel des soudures d’angles est particulièrement important en raison des difficultés
d’application des autres procédés de contrôle et c’est la base des contrôles optiques non automatiques.
Il reste cependant sujet aux inconvénients liés à l’œil humain
LE RESSUAG
Le ressuage est une méthode qui nous permet de détecter les défauts débouchant en surface.
Il consiste à appliquer sur la surface de la pièce à contrôler, préalablement nettoyée et séchée,
un liquide d’imprégnation coloré ou fluorescent [BAL06]. Ce liquide pénètre, par capillarité,
dans les ouvertures des défauts. Après un certain temps correspondant à la pénétration du liquide
d’imprégnation dans les défauts, l’excès de liquide présent à la surface de la pièce est éliminé par lavage.
La surface est ensuite recouverte d’un révélateur qui attire le liquide d’imprégnation retenu dans les
défauts, ce que désigne le terme « ressuage ». Il donne ainsi une indication renforcée de ceux-ci, dont
l’observation est alors généralement réalisée visuellement.
Mode opératoire :
L’opération s’effectue en six étapes successives :
- Nettoyage des surfaces à examiner.
- Imprégnation de la surface à contrôler avec un liquide pénétrant coloré ou fluorescent
- Élimination de l’excès de pénétrant après un certain temps d’imprégnation (suivant
recommandation du fournisseur de produit)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS- Application d’une mince couche d’un révélateur blanc constitué le plus souvent de très fines
particules en suspension dans un liquide volatile. Le révélateur agit comme un buvard en
absorbant ce pénétrant qui ressue par capillarité des cavités apparentes dans la surface , en cas
de fluorescent la surface examiné est éclairée en lumière ultra violet .
- Interprétation des résultats : les indicateurs (les défauts des fissures…) sont caractérisés par
leurs formes et leurs dimensions.
- Remise à l’état de la surface contrôlée par lavage à l’eau ou nettoyage chimique à l’aide d’un
solvant.
Remarque :
Le ressuage est une technique rapide et peu coûteuse, mais qui connaît les mêmes
inconvénients que les procédés optiques, à cause de la nature visuelle de l’information utile.
De plus, le liquide utilisé est souvent un liquide toxique ou polluant, d’autant plus dangereux
s’il s’agit du contrôle de pièces de l’industrie pétrolières.
Les normes environnementales de plus en plus contraignantes tendent à décourager l’emploi
de cette technique, au profit des autres techniques existantes
FIGURE : CND PAR ULTRASON
CND PAR ULTRASON
Introduction
δ t =
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLa technique des ultrasons repose sur la propagation dans la pièce d’une onde ultrasonore générée à
l’aide d’un transducteur émetteur. Un transducteur récepteur généralement situé du même côté que
l’émetteur reçoit les ondes réfléchies avec un certain retard dû à la propagation des ondes à travers la
pièce. Connaissant la vitesse v de propagation sonore dans le matériau, il est alors possible de
distinguer l’écho correspondant au fond de la pièce, d’un éventuel écho correspondant à un défaut
situé à l’intérieur de la pièce. En effet, le temps de propagation s’exprime :
Le CND par ultrasons est une technique très utilisée, parce que relativement flexible et simple pour
détecter des défauts enfouis. La mesure d’épaisseur est aussi souvent effectuée par cette technique.
Des sondes multiéléments sont développées depuis quelques années, et permettent la mise en place de
techniques complexes comme la focalisation des ondes émises ou encore la décomposition de
l’opérateur retournement temporel
Cependant, l’usage presque obligatoire d’un couplant peut être gênant, et les frontières entre deux
matériaux engendrent des échos parasites
De plus, la recherche des défauts de dimensions submillimétriques requiert l’utilisation de fréquences
relativement élevées, pour lesquelles l’atténuation devient grande.
Objectifs
Contrôle des défauts de soudures de tuyaux
Classification des défauts.
Élimination des échantillons susceptibles de ne pas assurer une étanchéité parfaite ou une tenue mécanique en fatigue.
Mode opératoire :
Ce procédés est basé sur le contrôle de réflexion d’une impulsion ultra sonore et permet la détection
de défauts les plus fins (0.5 mm). Il a un bon pouvoir de pénétration.
On outre ; il offre la possibilité d’opérer d’un seul coté la soudure.
L’interprétation du signale renseigne sur l’existence et la position d’un quelconque défaut.
Classe 1 : soudure bonne Classe 2 : soudure avec fissureClasse 3 : soudure présentant un défaut de surface
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLes paramètres d’entrée du réseau de neurones sont les signaux ultrasonores associés aux différents
échantillons, la sortie étant la classe de défaut.
Construction de la base de données :
La base de données est constituée d’échantillons représentant trois classes de soudures :
Lorsque le système ne reconnaît aucune des trois classes, le réseau répond “DÉFAUT INCONNU”.
Toutefois, s’il s’agit d’un défaut qualifiable, une classe supplémentaire peut être intégrée à la base
d’apprentissage et prise en compte par le système neuronal lors de l’interrogation.
Conclusion
A l’aide des réseaux de neurones, le contrôle et la classification des soudures de tuyaux peuvent être
réalisés en ligne sans connaissances particulières en ultrasons et en réseaux de neurones formels
Avantage :
- Équipements compacte et portatifs
- Pas de danger de radiation
- Épaisseurs contrôlées illimitées
- Disponibilité immédiate des résultats d’essais.
Inconvénients :
- Difficultés d’interprétation des indications.
- Absence d’enregistrement de résultats d’essais.
6) COTROLE PAR MAGNETOSCOPIE «Flux de fuite magnétique »
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe contrôle par flux de fuite magnétique consiste à soumettre la pièce ou une partie de celle-ci un
champ magnétique constant.
À l’endroit d’une discontinuité géométrique notamment une fissure débouchant, les lignes
d’indication sont divisées, et il ya apparition d’un flux de fuite mise en évidence par une concentration
de la poudre magnétique à cet endroit.
Ce flux de fuite magnétique est engendré localement. Il est ensuite généralement visualisés soit :
À l’aide d’un produit indicateur porteur de limaille de fer (magnétoscopie)
À l’aide d’un film magnétisable (magnétographie)
À l’aide d’appareils de mesure de champ magnétique.
Le CND par flux de fuite magnétique n’est utilisable que pour les matériaux ferromagnétiques. Cette
technique est particulièrement efficace pour les défauts de surface (défauts superficielles) de très
petites dimensions, mais donne difficilement de bons résultats pour les défauts enfouis. La mise en
œuvre technique peut être complexe, à cause de la magnétisation originelle des matériaux et de la
démagnétisation souvent nécessaires
Donc ce type de contrôle magnétique présente un inconvénient ; en l’occurrence lorsqu’il s’agit d’une
structure martensitique (par exemple) qui représente une variation locale de coefficient de
perméabilité magnétique.
Ilya spectre magnétique plus au moins net ; celui-ci renseigne à tord sur l’existence de défaut
C) PHENOMENE DE FISSURE
La recherche de la sécurité dans les constructions soudées a conduit les sidérurgistes et les utilisateurs à rechercher les conditions d'utilisation optimales des aciers dans le domaine du soudage. Un critère de soudabilité a été choisi en tenant compte, dans la mesure du possible, de tous les facteurs de soudabilité de façon qu'il puisse être jugé par un moyen simple, rapide et le moins onéreux possible.
Le critère qui a été retenu pour caractériser la soudabilité globale est la sensibilité de la soudure à un
défaut grave d'origine métallurgique :
- fissuration à chaud
- fissuration au réchauffage
- corrosion fissurante par l'hydrogène
- arrachement lamellaire
FISSURATIONS DES CANALISATIONS- fissuration à froid
CAUSES ET REMEDS
3.1 SOUDURES SENSIBLES A LA FISSURATION A CHAUD
3.1.1 Description et causes provoquant ce défaut
La fissuration à chaud est associée généralement à la présence ou à la formation d'une phase fusible
favorisant la décohésion intergranulaire sous l'influence du soufre et du phosphore notamment.
La fissuration à chaud se forme généralement dans le métal fondu sous l'effet de contraintes
importantes au moment où le métal est encore très chaud. (Rôle important de la composition chimique
et de la capacité insuffisante d'allongement à chaud du métal fondu).
3.1.2 Types de fissure
- fissures longitudinales
- fissures transversales
- fissures à la racine ou à un défaut d'entaille
- fissures dans le cratère terminal d'un cordon de soudure.
3.1.3 Essais pour juger la sensibilité à la fissuration à chaud
Il existe plusieurs essais permettant de juger la sensibilité d'une soudure à la fissuration à chaud.
Parmi ceux-ci on retiendra l'essai BOEKHOLT qui consiste à déterminer la présence ou l'absence de
fissurations dans le métal déposé lorsqu'on modifie les paramètres de soudage. Les résultats sont
exprimés par une courbe limite de non-fissuration dans un diagramme. Cette courbe est tracée en
fonction de l'énergie calorifique linéique dissipée par l'arc (kJ/cm) et la vitesse de soudage ou vitesse
de dépôt du cordon de soudure (cm/min).
3.1.4 Remèdes pour éviter la fissuration à chaud
Il faut agir soit sur la composition chimique du métal, soit sur le mode opératoire de soudage.
- composition chimique pour le soudage à l'arc avec électrode enrobée, les conditions suivantes doivent être remplies :
S < 0, 04%
P < 0, 04%
C < 0, 13%
FISSURATIONS DES CANALISATIONSMn/ S> 20 S
Le nickel peut provoquer la fissuration à chaud en présence du soufre, mais pour des teneurs ne
dépassant pas 1,5%, il semble qu'il n'y ait aucune raison de limiter la teneur maximale en soufre à une
valeur inférieure à 0,04%.
- mode opératoire de soudage
• Choisir un produit d'apport bien adapté. L'électrode à enrobage basique réduit le risque de fissuration
à chaud.
• Obtenir une bonne configuration du cordon de soudure (éviter les cordons trop étroits par rapport
aux dimensions de la pièce).
• Eviter une vitesse excessive de soudage et des séquences de soudage provoquant l'accumulation des
déformations dues au retrait.
• Obtenir un bain de fusion dont le rapport longueur/profondeur ait une valeur suffisamment élevée
(par exemple 0,7).
3.2 SOUDURES SENSIBLES A LA CORROSION FISSURANTE PAR L'HYDROGENE
3.2.1 Description et causes provoquant ce défaut
L'action fragilisante de l'hydrogène en solution dans le métal est marquée par une réduction sensible
de la striction et se manifeste au cours d'une déformation plastique lente, en particulier quand cette
dernière s'applique à un métal déjà chargé en hydrogène.
Les soudures peuvent être plus ou moins sensibles à la corrosion fissurante.
Cette sensibilité dépend :
• de la composition chimique du joint soudé,
• de l'état structural du joint soudé,
• du niveau de contraintes subies par le joint soudé.
Les soudures, bout à bout, d'angle et à recouvrement sont concernées par ce défaut, lorsque il s'agit de
soudures d'appareils ou de canalisations contenant un gaz humide avec présence d'hydrogène sulfuré
(H2S)
3.2.2 Essais pour juger la sensibilité à la corrosion fissurante par l'hydrogène
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLa sensibilité des aciers à la corrosion fissurante diminuant lorsque leur structure métallurgique se
rapproche de l'état d'équilibre physico-chimique, il faut choisir des essais destructifs permettant de
déterminer la structure de la soudure.
Ces essais peuvent être, soit un essai micrographique, soit la mesure de la dureté de la
structure du joint terminé.
3.2.3 Remèdes
Il existe deux moyens pour que la structure de la soudure soit voisine de l'état d'équilibre physico-
chimique :
TRAITELENTS THERMIQUE DU JOINTS SOUDE
Le joint est soumis au traitement de "normalisation" permettant de produire une structure aussi voisine
que possible de la perlite fine.
Ce traitement favorise le relâchement des contraintes dues à l'opération de soudage et le dégazage de
la soudure.
MODE OPERATOIRE APPROPRIE
Le traitement thermique étant difficile à exécuter sur chantier, on détermine un mode opératoire
permettant d'obtenir une teneur en hydrogène du métal déposé faible (électrode basique).
Les passes successives faisant subir à la passe précédente un traitement thermique de recuit permettent
à la structure finale du joint d'avoir une dureté maximale inférieure à 250 HV5 sauf pour la dernière
passe qui n'est traitée thermiquement que partiellement.
Une soudure sensible à la corrosion fissurante peut être aussi sensible à la fissuration à froid. Il faut
donc choisir un mode opératoire de soudage qui permette d'éviter les deux défauts. Celui décrit ci-
dessus peut convenir mais en choisissant un couple, énergie calorifique linéique dissipée par
l'arc/température de l'acier juste avant le début de la première passe, qui tienne compte de la
composition chimique de l'acier et de l'épaisseur à souder.
3.3 SOUDURES SENSIBLES A L'ARRACHEMENT LAMELLAIRE
3.3.1 Description et causes provoquant ce défaut
L'arrachement lamellaire est une forme de fissuration qui se présente généralement pour des joints
soudés fortement bridés dont les dimensions sont telles que le matériau est sollicité dans une direction
FISSURATIONS DES CANALISATIONSperpendiculaire au plan de laminage. Cette particularité distingue les arrachements lamellaires des
fissures de la zone affectée thermiquement dues à l'hydrogène étant donné que ces arrachements se
présentent souvent dans le métal de base au-dessous de la zone affectées thermiquement, sous forme
de gradins.
L'arrachement lamellaire est un phénomène mécanique qui se produit généralement pendant le
soudage.
Il est causé par :
- les contraintes subies par la pièce dans le sens perpendiculaire au plan de laminage (sens "travers-
court"), principalement les contraintes de retrait.
- la faible ductilité de l'acier dans le sens "travers-court".
L'arrachement lamellaire est influencé par les facteurs suivants :
- nuance de l'acier
- conception des joints
- mode opératoire de soudage
La fissuration à froid peut jouer un rôle d'amorçage du défaut.
a) nuance de l'acier :
La nuance de l'acier dans le sens "travers-court" dépend de l'état inclusionnaire de la tôle.
Les inclusions sont essentiellement des sulfures, oxydes, silicates, aluminates.
b) conception des joints
Les types de joints suivants sont sensibles à l'arrachement lamellaire :
• joint en T avec soudures d'angle
• joint en T avec soudures d'angle complètement pénétrées
• joint avec soudures d'angle extérieur
c) mode opératoire de soudage :
L'arrachement lamellaire est lié directement au mode opératoire de soudage.
En particulier, un mauvais choix :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS• de la géométrie des bords à souder (effet de bridage)
• des produits d'apport
• des séquences de soudage peuvent entraîner l'occurrence du défaut.
3.3.2 Essais pour juger la sensibilité à l'arrachement lamellaire
Essais sur éprouvettes non soudées
a) Essais de traction
b) Essais de résilience : sur éprouvettes prismatiques à entailles en U ou V à différentes températures
Essais sur éprouvettes soudées
a) Essais où le soudage intervient comme mode de sollicitation
• Essais de traction
b) Essais où le soudage intervient comme moyen de réalisation d'éprouvettes sollicitées mécaniquement
• Essais de traction
• Essais de résilience : essais sur éprouvettes prismatiques
• Essais de pliage
• Essais d'emboutissage
c) Examens par ultrasons
3.3.3 Remèdes
3.3.3.1 Élaboration de l'acier
Pour éviter l'arrachement lamellaire, il faut que la ductilité de l'acier dans le sens "travers-court" soit
suffisante pour résister aux contraintes, dues notamment au soudage, que subit l'assemblage. Cette
ductilité dépend de l'état inclusionnaire de l'acier, (densité, répartition et nocivité des inclusions).
Pour obtenir les qualités requises dans le sens "travers-court", le sidérurgiste doit agir sur l'élaboration
de l'acier (désoxydation, désulfuration, déshydrogénation ...) et sur les conditions de laminage.
a) Additions d'éléments chimiques :
• pour la désoxydation : silicium, aluminium...
• pour la désulfuration de la fonte : sodium (carbonate), calcium (carbure, laitier synthétique),
magnésium (mélange avec du coke, de la chaux)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS• pour la désulfuration de l'acier:
- titane, zirconium
- terres rares : mischmetall (cérium + lanthane...)
Le cérium est l'élément principal et doit être injecté proportionnellement à la teneur en soufre. On obtient des sulfures et des oxysulfures non déformables.
- calcium : on obtient des oxysulfures résiduels, indéformables au cours du laminage. Le calcium disperse les inclusions alumineuses et conduit actuellement au meilleur résultat.
b) Laminage :
• la coulée continue diminue le corroyage géométrique et métallurgique.
3.3.3.2 Classification des aciers résistant à l'arrachement lamellaire
Une classification de résistance à l'arrachement lamellaire des aciers basée sur la teneur
en soufre et sur la valeur de la striction dans le sens "travers-court" est retenu.
• Classe Z A S ≤ 0,008 %
• Classe Z B S ≤ 0,008 %
• Classe Z C S ≤ 0,006 %
• Classe Z D spécification plus sévère
Les aciers de classes Z C et Z D sont utilisés pour des constructions dont le bridage est très sévère
dans le sens travers court. Toutes les classes, de Z A à Z D, sont obtenues par combinaison
appropriée de la désulfuration, du dégazage sous vide, et/ou de l'addition de terres rares. Il est très
important d'assurer la variation minimale des valeurs de la striction dans le sens travers-court, relevées
en différents endroits de la tôle.
Modes opératoires de soudage
a) Géométrie des bords à souder
b) Produits d'apport
FISSURATIONS DES CANALISATIONSIl ne faut jamais utiliser des électrodes conduisant à un métal d'apport ayant une limite d'élasticité
supérieure à la résistance effective de la tôle.
c) Séquences de soudage
Le risque d'arrachement lamellaire croît avec le nombre de passes.
Le soudage à larges passes contribue à diminuer sensiblement le risque de déclenchement de ce
défaut.
3.4 SOUDURES SENSIBLES A LA FISSURATION A FROID
3.4.1 Description et causes provoquant ce défaut
La fissuration à froid est une véritable cassure sans ramification à caractère intergranulaire. Elle a lieu
généralement vers la fin du refroidissement d'une soudure ou après celui-ci.
Elle résulte de la réunion des trois facteurs suivants qui doivent exister simultanément :
- contraintes subies par le joint soudé.
- présence d'hydrogène introduit, lors du soudage dans la zone affectée par la chaleur.
- formation de structures fragiles dans la zone affectée par la chaleur.
3.4.1.1 Contraintes subies par le joint soudé
3.4.1.2 Présence d'hydrogène introduit lors du soudage
L'hydrogène, résultant de la décomposition de la vapeur d'eau dans l'arc électrique se dissout dans le
métal fondu pendant l'opération de soudage.
Cet hydrogène ne diffuse pas aisément vers le métal de base (le coefficient de diffusion dans
l'austénite est faible). Il est retenu en sursaturation, laquelle s'accroît lorsque la température de l'acier
s'abaisse. Les contraintes subies par le joint soudé, les inclusions, les micro-
défauts, les entailles géométriques favorisent le rassemblement de l'hydrogène provenant:
- de l'humidité de l'atmosphère
- des pièces à souder
- du produit d'apport (enrobage des électrodes)
3.4.1.3 Structures fragiles en zone affectée thermiquement
La dureté est représentative, pour un acier, dans des conditions d'austénisation donnée de la microstructure formée. Elle est adoptée pour caractériser la Z.A.T. et elle est habituellement appelée "dureté sous cordon".
FISSURATIONS DES CANALISATIONSOn associe à cette dureté le paramètre de refroidissement comme le refroidissement obéit aux lois de diffusion de la chaleur, le cycle thermique de soudage peut être caractérisé par un paramètre représentant la vitesse de refroidissement.
Plusieurs paramètres peuvent être adoptés :
• Vitesse moyenne
• Vitesse à température donnée
• Temps de passage entre deux températures
Il est nécessaire qu'à même valeur du paramètre corresponde la même structure c'est-à dire la même dureté.
Les deux paramètres les plus utilisées, soit le temps écoulé entre 800 et 500°C, soit le temps écoulé entre 700 et 300°C, répondent à cette exigence.
En associant dureté sous cordon et paramètre de refroidissement on obtient pour chaque acier une courbe de dureté - paramètre de refroidissement qui n'est autre que la présentation sous une forme chiffrée des informations contenues dans le diagramme de transformation en refroidissement continu.
La figure ci-après donne un exemple de cette courbe. Elle possède certains traits caractéristiques que l'on retrouve dans pratiquement tous les cas :
- plateau supérieur (t < 10 secondes) où la dureté varie peu (structures martensitiques).
- zone de forte pente correspondant à la traversée du domaine mixte (10s< t< 36s).
- zone de plus faible pente correspondant à des structures ferrite + carbures.
3.4.2 Méthodes pour juger la sensibilité à la fissuration à froid
Deux méthodes existent actuellement pour juger la sensibilité à la fissuration à froid d'un joint soudé :
• méthode des implants
• méthode de "la dureté sous cordon"
3.4.2.1 Méthode des "implants"
Cette méthode de simulation consiste à faire des essais de soudage sur "implants" avec mise sous
contraintes de la soudure lorsqu'elle est exécutée mais sa température doit être suffisamment élevée
pour qu'aucun phénomène de fissuration ne puisse prendre naissance au moment de la mise en charge.
Les résultats des essais permettent de trouver une courbe de fissuration.
Cette courbe est tracée en fonction des contraintes subies par la soudure, du critère de refroidissement
et de l'énergie calorifique linéique dissipée par l'arc. A la courbe de fissuration est associée la courbe
FISSURATIONS DES CANALISATIONSde dureté de l'acier.
Les courbes de fissuration sont très dépendantes de la technique et des conditions d'essais utilisées.
Elles sont surtout utiles à titre comparatif entre différentes microstructures du même acier ou entre les
aciers.
3.4.2.2 Méthode de "la dureté sous cordon"
La dureté maximale de la zone affectée par la chaleur, produite par une passe unique, après la fin de
son refroidissement, ne doit pas dépasser une valeur maximale correspondant au début de la formation
des structures fragiles.
Actuellement RTO prend pour valeur de dureté maximale :
• 350 HV5 (dureté Vickers sous charge de 5 kgf ou 4,9 daN) si la température de la zone soudée juste avant le début de la 2ème passe est inférieure à 100°C.
• 380 HV5 si cette température est supérieure à 100°C.
Les mesures de dureté sont faites sur une première passe seule (retrait thermique, manutention,
concentration de contraintes plus importants). Tant que la température est supérieure ou égale à 100°C
environ (diffusibilité et solubilité de l'hydrogène favorisées dans le métal) la fissuration ne se
déclenche pas.
L'influence des éléments d'alliages (éléments durcisseurs, stabilisation de la phase austénite se
traduisant par un déplacement vers la droite de la courbe de début de transformation, diminution de la
vitesse de diffusion, formation de carbures...) à conduit à compléter la clause de limitation de la dureté
par la composition chimique. Les formules les plus souvent utilisées sont :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Remarque :
Il ne faut pas confondre la mesure de la dureté de la structure de la zone affectée par la chaleur
produite par une passe seule avec celle de la structure d'un joint réalisé avec plusieurs passes.
Dans le deuxième cas, les passes successives, faisant subir à la passe précédente un traitement
thermique de "recuit" (ré-austénisation de l'acier) sauf pour la dernière passe, permettent à la structure
finale du joint soudé d'avoir une dureté inférieure à celle de la structure du premier cas. Il en est ainsi
généralement pour le soudage à l'arc avec électrode enrobées.
Par contre, pour le soudage automatique avec fil électrode plein sous gaz la dureté de la structure du
joint peut-être élevée (soudage avec de faibles énergies calorifiques) ; il faut dans ce cas faire subir un
traitement thermique au joint pour "adoucir" la structure (exemple : soudage par le procédé C.R.C
Automatic Welding).
La mesure de la dureté de la structure d'un joint effectué avec plusieurs passes peut être utile si elle est
très différente de celle du métal de base. Il faut modifier, dans ce cas, le mode opératoire de soudage.
Certains spécifications ou codes donnent une valeur à respecter pour cette différence : elle peut être
par exemple de 80 HV5 au maximum avec une dureté maximale de 280 HV5.
3.4.3 Type de fissures
Dans la zone affectée par la chaleur on peut rencontrer quatre types de fissures :
- fissures "sous-cordon"
Si le taux de carbone est supérieur à 0, 18 %
C eq = C+ Mn6
+ Cr+Mo+V5 +
¿+Cu15
Si le taux de carbone est inférieur à 0,22 %
Pcm = C + SI30 +
Cr+Cu+Mn20 +
¿60 +
Mo15 +
V10 +5B
FISSURATIONS DES CANALISATIONS- fissures "au raccordement" ou "à la racine"
- fissures "transversales"
3.4.3.1 Fissures "sous-cordon"
Elles sont parallèles à la zone de liaison (fissures longitudinales par rapport au cordon de soudure) et
ne débouchent pas nécessairement à la surface des pièces à souder (Elles sont du type1)
Ce type de fissuration est fréquent lorsque la structure de la zone affectée par la chaleur est
franchement martensitique et que la teneur en hydrogène du métal déposé est élevée (électrodes à
enrobages cellulosique et rutile). La simple contrainte développée par le dépôt du cordon de soudure
suffit pour déclencher la fissure.
L'expression "fissure sous-cordon" a été généralisée, à tort à l'ensemble des fissures longitudinales
associées à l'influence de l'hydrogène.
3.4.3.2 Fissures "au raccordement" ou "à la racine"
Les fissures "au raccordement" sont du type 2.
Les fissures "à la racine" sont du type 3.L'effet d'entaille intervient dans le déclenchement de ce type
de fissuration. Ce déclenchement se produit avec une faible teneur d'hydrogène du métal déposé et
avec des contraintes transversales par rapport au cordon de soudure relativement élevées. Ces fissures
"longitudinales" ne débouchent pas nécessairement à la surface des pièces à souder.
3.4.3.3 Fissures "transversales"
Les fissures "transversales" (par rapport au cordon de soudure) sont des types 4 et 5.
- type 4 : les fissures se produisent dans la zone affectée par la chaleur et pour des aciers très trempant.
La teneur en hydrogène du métal déposé et les contraintes longitudinales interviennent dans le
déclenchement du phénomène
.- type 5 : les fissures se produisent dans la zone fondue et pour des contraintes longitudinales élevées.
3.4.4 Remèdes pour éviter la fissuration à froid
Il faut agir sur les trois facteurs la provoquant
3.4.4.1 Réduire les contraintes subies par le joint soudé.
• concevoir un mode opératoire de soudage permettant de diminuer les contraintes thermiques
(nombre et répartition des soudeurs, séquences de soudage etc.).
FISSURATIONS DES CANALISATIONS• diminuer les effets de bridage lors de la conception des pièces à souder.
• maintenir les tubes en position pendant le soudage de la première passe.
• supporter les tubes dans de bonnes conditions (cales - engins de levage...).
3.4.4.2 Réduire le taux d'hydrogène introduit dans le métal déposé
• favoriser la diffusion de l'hydrogène en préchauffant les soudures, en maintenant la température
entre passes ou en effectuant éventuellement un traitement thermique après soudage.
• utiliser des électrodes à bas hydrogène.
3.4.4.3 Éviter la formation de structure fragile et fragilisable
• obtenir une vitesse de refroidissement de la soudure inférieure à la vitesse critique de trempe de
l'acier (choix du couple énergie calorifique linéique dissipée par l'arc/température initiale du métal de
base en début de première passe en fonction de la composition chimique du métal et de son épaisseur).
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
CHAPITRE III
METHODE DE L’ANALYS
LIMITE
FISSURATIONS DES CANALISATIONSIII.1 INTRODUCTION
La théorie de l’analyse limite a fait son apparition à la fin des années 30, elle constitue une partie de la
théorie de la plasticité liée à un comportement élastique parfaitement plastique. A partir des années
50, plusieurs études ont débuté sur les défauts dans les pipelines en utilisant l’analyse limite et plus
particulièrement les études menées à l’institut Batelle à l’USA.
L’objectif de ces études étant de donner des solutions analytiques pour le calcul des charges ultimes
(Pression ultime). Cela a conduit par la suite à un remplacement progressive du concept de
dimensionnement basé sur la notion de la contrainte admissible par celui basé sur les états limites de
chargement. L’analyse limite a été utilisée dans un premier temps pour les tubes corrodés, par la suite
elle a été appliquée aux tubes fissurés et récemment on a étendu son utilisation aux tubes enfoncés.
Les différents travaux réalisés à ce jour pour ces trois types de défaut seront examinés par la suite.
III.1.1 Quelques rappels sur l’analyse limite appliquée aux matériaux
Le calcul de la charge limite d’une structure supposée composée de matériaux rigides parfaitement
plastiques, par la méthode de l’analyse limite, nécessite de respecter les hypothèses suivantes :
Le matériau rigide est parfaitement plastique,
La loi de comportement est conforme au principe du travail maximum.
C’est à dire que les contraintes vérifient un critère de plasticité f (σ) = 0, supposé convexe
qui est aussi une fonction potentielle des vitesses de déformation respectant la règle
d’écoulement dite loi de normalité,
Les conditions aux limites sont compatibles avec l’écoulement libre de la structure,
Les vitesses de déplacements et de déformation sont suffisamment petites.
Les contraintes sont admissibles dans un matériau élastique parfaitement plastique
si elles vérifient le critère de plasticité de Tresca ou de Von Mises donnée par : f(σ) ≤ σ y en un
point quelconque
III.2 Les applications de l’analyse limite pour les pipelines présentant des Fissures
La sensibilité des matériaux aux fissures est moindre si le matériau a un caractère ductile.
En effet, la présence de telles fissures entraîne la redistribution des contraintes localement.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLa rupture débute au voisinage de cette fissure où les contraintes seront élevées et peuvent êtres
comparées à la résistance à rupture du matériau. Ce fait permet d’utiliser des méthodes de calculs
simples pour estimer les dimensions critiques des fissures à partir de la limite d’écoulement ou de la
limite d’élasticité ou de la combinaison de la limite d’élasticité et de la résistance à la rupture. Ces
méthodes simplifiées de détermination de la limite d’admissibilité et dimension critique des fissures
dans un tube nécessitent de connaitre les données géométriques du tube et de la fissure ainsi que les
caractéristiques mécaniques du matériau.
Le tableau suivant résume deux solutions pour un tube fissuré extérieurement et Intérieurement :
La pression ultime pour une fissure débouchante axiale
interne dans un tube soumis à une pression interne est
donnée par la formule :
pult =σ 0.ln [ Re
R i+a]
La pression ultime pour une fissure débouchante axiale
externe dans un tube soumis à une pression interne est
donnée par la formule :
pult =σ 0 [ R i
R i+a] .ln [
Re
R i+a]
Tableau III.2 : Solution pour la pression ultime d’un tube avec une fissure externe et interne
D’autres travaux ont été réalisés sur les canalisations fissurées en utilisant la méthode d’analyse limite
basée sur des résultats d’essais d’éclatements ou des résultats d’analyse par éléments finis.
Les trois cas extrêmes retenus dans ces travaux sont :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
III.2.1Canalisation a parois épaisse sans défaut
La pression d’éclatement d’un tuyau épais sans défaut est donnée par la formule
p0
σ f
=D ln[1+t
R i] = D [
tR i
- 12 (
tR i
¿¿2+
13 (
tR i
¿¿3−…] … (1)
Avec :
p0: La pression d’éclatement du tuyau sans défaut σ f : La contrainte d’écoulement donnée par la formule suivante :
σ f=p0.2+R m
2 …(2)
Cette définition de la contrainte d’écoulement (σ f ) ramené à la limite d’élasticité si le
matériau est élastique parfaitement plastique, ce qui est le cas lorsqu’on applique la théorie de
l’analyse limite.
D est un facteur lié à la définition de la contrainte équivalente :
D={ 1dansle casdes contraites deTresca2
√ 3dans les cas descontraintesdeVon Mises
Ri et tsont respectivement le rayon intérieur et l’épaisseur du tube
Il faut bien noter que la série donnée par l’équation (1), converge si : t
R i
≤ 1
Re Ri
Figure III. A : fissure axiale débouchante courte
FISSURATIONS DES CANALISATIONSIII.2.2 Canalisation avec une fissure axiale débouchante courte
La contrainte a rupture d’une canalisation contenant une fissure axiale débouchante (figure.III.a) a été
étudié par plusieurs auteurs [l’institut Batelle] et des formules semi-empiriques ont été proposées.
En effet la pression d’éclatement est donnée par la formule suivante dite formule de Battelle
pe
σu = D
tR i . M F
…(3)
Avec :
pe: La pression d’éclatement
D : facteur de contraintes
σ u: représente la contrainte ultime du matériau
Ri: Le rayon intérieur du tuyau
M F : Facteur de Folias, il est donné par la formule suivante :
M F = √1+1,61C2
Ri .t …(4)
C représente la profondeur de la fissure.
Re Ri
Figure III.B : fissure axiale débouchante longue.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSPour c →0,M F →1.La pression d’éclatement dans ce cas, est celle d’un tube sans défaut donnée par la
formule (1)
Par conséquent, il a été suggéré de généraliser la formule de Battelle [formule (3)] par la formule ci-
dessous dans le cas des tubes épais :
pe
σu =
DM F
ln Re
R i …(5)
Cette modification a été appuyée par une analyse par éléments finis pour une fissure débouchante dans
le cas où on a :
at =1 et pour a
c
III.2.3 Canalisation avec une fissure axiale débouchante longue
La borne inférieure de la charge limite d’une canalisation épaisse avec une fissure longue est
proposée, (Figure III.B). Le tuyau est divisé en deux tuyaux coaxiaux et en se basant sur cette
considération, la formule suivante a été obtenue :
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
limc →∞
Pe
σu
=D [( Ri
R1¿ ) ln( Re
Ri+a )]…(6)
Avec :
R1¿ ={ R i sila partie fissurée du tuyau est exclue
Ri+a si la partie fissurée du tuyau est inclue
Cette solution a été donnée par Miller pour une fissure interne dans un tuyau avec R1¿ = Ri
Elle est la solution de borne inférieur avec : F (σ (r)) =σ u pour Ri+a R Re
Cette considération a été basée sur le fait que la pression interne agit sur un tuyau de rayon Ri+a .Une
correction a été apportée en remplaçantRl+apar le rayon interne du tuyauRl, l’équation(6) corrigée
alors par :
limc →∞
Pe
σu
=D [( Ri
Rl)(R i+a
Ri) ln( Re
Ri+a )]…(7)
Avec :
Rl = { Ri si la partie fissur é edu tuyau est exclue
Ri+a2
sila partie fissur é edu tuyau est inclue
Les équations (6et7) donnent la charge limite pour une fissure interne dans un tuyau.
Dans le cas d’une fissure externe, la charge limite est donnée par la relation suivante :
limc →∞
Pe
σu
=D [ ln( Re−a
Ri)]…(8)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Chapitre IV
La Mécanique de la rupture
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
INTRODUCTION
La fissuration n’est pas une maladie, mais le symptôme d’une maladie, Aucun médecin praticien n’est
spécialiste en fièvre ; on élimine la fièvre en soignant les maladies les plus diverses
En effet, la faible capacité de déformation et la faible résistance en traction, compression ou en
pression rendent les matériaux très sensibles à la fissuration.
Une fissure est définie comme la surface Σ séparant localement un solide en deux parties.
Le champ des déplacements est alors discontinu à travers cette surface.
L'objet de mécanique de la rupture est l'étude des évolutions de cette surface (propagation de la
fissure) en fonction des chargements appliqués et des caractéristiques du matériau constituant.
La présence d'une fissure dans une structure présente une flexibilité locale qui affecte la réponse
dynamique, d'ailleurs, une fissure de fatigue est une fissure qui s'ouvre et se ferme dans le temps selon
les conditions de charge et l'amplitude de la vibration.
VI.1 Définition :
La mécanique de la rupture (En anglais dite : Fractures Mechanics) est une étude qui met en jeu les
paramètres habituels de la mécanique à partir d’une discontinuité existante : fissure ou défaut. Elle
permet dans certains cas de prévoir, en fonction des dimensions d’une fissure et de l’état de
chargement, la vitesse de propagation de la fissure et la dimension à partir de laquelle cette fissure
peut entraîner une rupture brutale.
Quelques dates :
1920, Griffith rupture d’un milieu élastique-fragile, bilan énergétique
1956, Irwin, singularité du champ de contraintes en pointe de fissure
1968, intégrale de Rice-Cherepanov
années 70, développement des méthodes numériques, éléments finis
Années 80, fissuration en fatigue, chargements complexes
Années 90, aspects 3D
approche locale de la fissuration
FISSURATIONS DES CANALISATIONSEn ne considérant que les fissures planes se propageant dans leur propre plan, on montre que l’état le
plus général de propagation se ramène à la superposition de trois modes (figure 1) :
mode I (mode par ouverture) : les surfaces de la fissure se déplacent dans des directions
opposées et perpendiculairement au plan de fissure ;
mode II (glissement de translation) : les surfaces de la fissure se déplacent dans le même
plan et dans une direction perpendiculaire au front de fissure ;
mode III (glissement de rotation) : les surfaces de la fissure se déplacent dans le même plan
et dans une direction parallèle au front de la fissure.
La rupture plate correspond au mode I ; la rupture inclinée aux modes II et III
Nota : La rupture de mode I est généralement la plus dangereuse, ce qui explique le
développement particulier donné à l’étude de ce mode de rupture, en général.
On distingue les fissures superficielles, les fissures internes, les fissures traversantes sous
forme semi elliptique, elliptique ou en coin, etc. (figure 2).
Ces fissures sont généralement planes, c’est-à-dire que leurs deux faces sont très voisines d’un
plan moyen et se rejoignent selon un bord anguleux.
Figure 1 – Modes d’ouvertures de fissures
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI .2. Énergie de rupture
VI.2.1 Théorie de Griffith (paramètre G)
C’est à Griffith que l’on doit en 1920 l’approche énergétique de la mécanique de la rupture. Dans un
milieu solide élastique linéaire (avec la limite élastique conventionnelle à 0,2 % Re égale à la
résistance à la rupture R r), contenant une fissure de surface A et soumis à un champ de forces Fe, la
progression de la fissure est stable tant que l’énergie libérée par l’extension de cette fissure est
absorbée par la création de nouvelles surfaces. Si nous supposons que les forces extérieures Fe
dérivent d’un potentiel V, un accroissement virtuel δA d’aire fissurée libère une énergie GδA telle
que :
δP = - GδA
et P = W + V = W –T e
Avec
P : énergie potentielle totale de la structure fissurée,
W : énergie de déformation élastique,
Te : travail des forces extérieures,
Figure 2 – Types de fissures
FISSURATIONS DES CANALISATIONS G : paramètre qui peut s’exprimer en J/m2 ou en N/m, correspondant à une énergie libérée par
unité de surface, parfois appelée force d’extension de la fissure.
Il existe un seuil critique Gc au-delà duquel une extension de la fissure libère plus d’énergie qu’elle
n’en absorbe, et la fissure est instable pour G tel que :
GδA > GcδA
VI.2.2Applicationà un cas simple :
La figure 3 représente une éprouvette d’épaisseur constante e, contenant une fissure de longueur a,
soumise à une force constante F dont le point d’application se déplace suivant une loi linéaire :
z = C (a)F avec C (a) : compliance.
À un accroissement virtuel δa de la fissure, correspond :
δW=δ( 12
Fz) variation de l′énergie de déformation élastique
δT e = δ(Fz) = Fδz travail de la force extérieure
Figure 3 – Éprouvette d’essai
FISSURATIONS DES CANALISATIONSDans ce cas, l’énergie G libérée par unité de surface vaut :
G= F2
2 edCda
C’est une relation très générale, valable en théorie linéaire pour tous les chargements et
déplacements
VI .3. Mécanique élastique linéaire de la rupture
VI. 3.1 Théorie d’Irwin (paramètre K)
En 1957, Irwin donna, pour les milieux bidimensionnels relativement simples et en ignorant les
phénomènes plastiques en fond de fissure, la forme du premier terme, singulier, du développement
limité des contraintes au voisinage d’un front de fissure. Le champ singulier en r−12 des contraintes
s’exprime sous la forme :
σ ij (r, θ) = K
√2 π r f ij (θ) + ε (r)
r et θ étant les coordonnées polaires du point considéré (figure 4) par rapport au fond de la fissure, i et
j indiquant les différentes composantes de contrainte : σ xx , σ yy et τ xy (dans le plan)
Le champ des déplacements s’exprime, quant à lui, sous la forme :
μi=K√ r2 π
gi (θ )
Figure 4 – Point M repéré en coordonnées polaires
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe paramètre K, qui fait la synthèse à lui tout seul de la géométrie de la pièce fissurée, de la longueur
de la fissure et du chargement appliqué, est appelé facteur d’intensité des contraintes. Les facteurs
K I , K II , K IIIsont définis respectivement pour les modes I, II et III décrits au (paragraphe 1.)
Mode I
[σ xx
τ xy
σ yy] = K I
√2 π rcos
θ2 [1−sin
θ2
sin3θ2
sinθ2
cos3 θ2
1+sinθ2
sin3θ2
][ μx
μ y]= K I
2G √ r2 π [cos
θ2 ( x−1+2sin2 θ
2 )sin
θ2 (x+1−2cos2 θ
2 )]Mode II
[σ xx
τ xy
σ yy]= K II
√2 π r¿
[ μx
μ y ] ¿ K II
2G √ r
2 π [cosθ2 (x−1+2sin2 θ
2 )sin
θ2 (x+1−2 cos2 θ
2 )]Mode III
[τ xz
τ yz ] = K III
√2 π r [−sin
θ2
cosθ2
]μz=2
K III
G √ r
2 π sin
θ2
σ zz = 0 en contrainte plan
σ zz = v (σ xx+σ yy) en déformations plan
Tableau 1 – Champs des contraintes et des déplacements au voisinage de l’extrémité de fissure
FISSURATIONS DES CANALISATIONSModule de cisaillement du matériau G :
G =E
2(1+V )
Avec :
E : module d’Young du matériau
V : coefficient de Poisson du matériau.
Le coefficient x vaut :
x=3 – 4ν en déformation plane ;
x=3 – ν1+ν
en contrainte plan
Le tableau 1 fournit le résultat de l’analyse des contraintes et des déplacements au voisinage de
l’extrémité de fissure, dans le cas d’un milieu bidimensionnel élastique, et ce pour chacun des trois
modes définis précédemment.
Rappelons que chacune des expressions indiquées dans ce tableau, relative au champ des contraintes,
est le premier terme d’un développement en série.
VI .3.2 Facteur d’intensité des contraintes
L’expérience a montré que la progression des fissures et la résistance résiduelle d’une structure
possédant un défaut sont très bien gouvernées par « le facteur d’intensité des contraintes K. »
L’hypothèse d’un milieu bidimensionnel élastique permet de déterminer l’expression de K par la
théorie de l’élasticité plane.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSExpression de K dans le cas d’une plaque infinie comportant une fissure de longueur 2a
Hypothèses :
— état de traction pure, avec une contrainteσ ∞ (très loin de la fissure) suivant l’axe y (figure 4)
— fissure infiniment mince, de longueur 2a, de direction perpendiculaire à la contrainte σ ;
— corps totalement élastique ;
— état de contraintes planes (CP).
Le facteur d’intensité des contraintes s’exprime par :
K I=σ ∞ √π a
Expression de K dans le cas général
D’une manière générale, K s’exprime sous la forme :
K =ασ √π a
α étant un facteur dit de correction. Pour chaque cas particulier, il convient de déterminer α
α dépend de la nature de la fissure et des sollicitations extérieures.
Le facteur d’intensité des contraintes K ne doit pas être confondu avec le facteur de
concentration de contraintesK t qui donne la contrainte maximale sur un défaut de rayon de
courbure non nul
K t est d’ailleurs sans dimension, alors que K s’exprime en N. m– 3/2 ou en hbar.√mm
L’unité la plus usuelle étant le MPa. √m
Sachant que : 1 MPa. √m =3,16 hbar.√mm= 0,91 Ksi.√¿
VI.3.3 Relations entre G et K
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Le facteur d’intensité de contraintes K est relié au facteur G (et ca quel que soit le mode I, II, III) par
les relations :
G =k ²E (1-v²) en déformations planes (DP)
G =k ²E en contraintes planes (CP)
Avec :
E : module d’Young du matériau
V : coefficient de Poisson du matériau
VI .4 Méthodes de calcul du facteur K
Il existait des solutions analytiques à certains problèmes plans particuliers. Mais les problèmes qui se
posent aux bureaux d’études sont souvent difficiles, car les solides ont des dimensions finies et les
fissures se trouvent souvent dans les régions soumises à des contraintes non uniformes, par exemple
au voisinage d’une concentration de contraintes.
En se limitant au mode, bon nombre de problèmes peuvent néanmoins résolus grâce à des progiciels
qui informatisent ces recueils de solutions.
Dans le cas où les formulaires ne répondent pas aux problèmes pratiques (y compris les problèmes
plans) parce que les conditions aux limites ou les chargements ne sont pas ceux rencontrés, il convient
alors d’utiliser les fonctions de poids introduites par Bueckner [14] et par Rice qui ne dépendent que
de la géométrie du solide fissuré. Le facteur d’intensité des contraintes peut être calculé par une
quadrature :
K I=√ 2π∫0
l
M ( x ) p ( x ) dx
Avec :
M(x) : fonction de poids qui ne dépend que de la géométrie,
FISSURATIONS DES CANALISATIONS l : profondeur de la fissure,
p(x) : pression appliquée sur la fissure.
Enfin, pour des problèmes tridimensionnels, il faut souvent recourir à des méthodes numériques
complexes parmi lesquelles la méthode des éléments finis est la plus connue.
Moyennant un maillage suffisamment fin et l’emploi d’éléments finis spéciaux de front de fissure
tenant compte de la singularité en1
√r , on arrive à connaître les contraintes en avant du front de fissure
et les déplacements sur la fissure pour calculer, par extrapolation, les facteurs d’intensité de
contraintes comme les limites définies par les équations suivantes :
K I= limr → 0θ=0
¿ (σ zz √2 πr) =
limr → 0θ=0
¿ (
E2(1−v2)
μz √ π2 r )
K II= limr → 0θ=0
¿ (τ zn √2πr) =
limr → 0θ=0
¿ (
E2(1−v2)
μn√ π2 r
)
K III= limr → 0θ=0
¿ (τ zt √2 πr) =
limr → 0θ=0
¿ (
E2(1−v2)
μt √ π2 r
)
Les différents termes des expressions précédentes étant indiqués sur la figure 5
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
.
Figure 5 – Définition des paramètres permettant le calcul des facteurs K
VI .5. Mécanique élastoplastique de la rupture
VI .5.1 Position du problème
Dans le plan de la fissure, la courbe représentant :
σ y = K I
√2 πr
À l’allure donnée (sur la figure 6). On constate que lorsque r→0 la contrainte devient infinie, ce qui
est en contradiction avec la théorie de l’élasticité. Il faut donc modifier le modèle de calcul pour tenir
compte du phénomène de plasticité en déterminant l’importance et la forme de la zone plastique au
moyen des critères de dimensionnement usuels de la Résistance des Matériaux et en corrigeant le
facteur d’intensité des contraintes précédent K.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI.5.2 Étendue de la zone plastique
Autour du fond de fissure, il existe une zone de déformation plastique dont la frontière est le lieu des
points où le champ de contraintes satisfait un critère de limite élastiqueRe. On détermine l’étendue de
la zone plastique par l’utilisation des critères de Tresca et de Von Mises. Dans le cas du mode I et en
utilisant les équations du paragraphe (3.1), on obtient les résultats suivants concernant la limite de
zone de déformation plastique :
r = K I ²
2 π R ²e f (θ) = r E f (θ)
Avec : F (θ) fonction présentant les quatre formes possibles données par le tableau suivant :
Contraintes planes Déformations planes
Critère de Tresca cos²θ2 (1+sin
θ2) ² cos²
θ2 (1-2v+ sin
θ2) ²
Critère de Von Mises cos²θ2 (1+3sin²
θ2)
cos² θ2¿(1-2v) ²+3sin²
θ2]
Figure 6 – Courbe σ y = f(r)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
La figure 7 montre l’étendue des zones plastiques et, en particulier, la différence entre l’état de
déformations planes et l’état de contraintes planes. En particulier sur l’axe Bx (θ = 0), on obtient :
r = { r E encontraintes planes
rE (1−2v )2 endéformations planes en posant r E =
K I ²
2 π Re ²
L’existence de la forte tri-axialité en déformations planes (au cœur de la structure) tend donc à
diminuer considérablement la dimension de la zone plastique par rapport à celle régnant en contraintes
planes (près de la surface de la structure), dans un rapport proche de 6.
Figure 7 – Étendue des zones plastiques selon les deux critères
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI.5.3 Profil équivalent d’Irwin
La zone plastique à fond de fissure est en fait plus étendue, car le matériau doit supporter localement
une force supplémentaire correspondant à l’aire hachurée (figure 8). D’après Irwin ; la structure se
comporte comme si elle contenait une fissure de longueur effective aeffégale à : aeff = a + r E
Par exemple, l’expression deK I correspondant au cas d’une plaque infinie est modifiée comme suit :
K I=σ ∞ √π (a+r E) avec r E = K I ²
2 π Re ² De
façon plus générale, le facteur d’intensité des contraintes doit être corrigé pour tenir compte de la
plasticité en extrémité de fissure.
Figure 8 – Modèle simple de déformation plastique à la pointe de la fissure, avec ou sans correction d’Irwin
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI .6 Propagation brutale des fissures :
VI .6.1 Critère d’énergieGc et critère de contrainteK c :
Introduction
Ce paragraphe examine les paramètres qui régissent l’apparition de la propagation brutale d’une
fissure, paramètres qui permettent de quantifier la résistance résiduelle d’une pièce endommagée.
Critère d’énergie (Griffith)
Il y a rupture lorsque le paramètre G atteint une valeur critique Gc
Pour les corps fragiles (verre par exemple), en supposant, de plus, que l’on est en mode I et
déformations planes, Griffith prend pour cette valeur critique l’énergie de surface des surfaces créées,
soit :
G Ic = 2γ s
γ s étant la densité d’énergie superficielle.
Pour les corps métalliques, dont la rupture s’accompagne, en fond de fissure, d’une forte déformation
plastique, le critère de Griffith est modifié sous la forme :
G Ic = 2γ s+γ p
γ p : étant l’énergie de déformation plastique par unité de surface ; γ p est très grand par rapport
à γ s , le rapport pouvant atteindre 1 000.
Critère de contrainte (Irwin)
Il y a rupture lorsque le paramètre K atteint une valeur critiqueK c. Dans le cas du mode I,K c dépend
de l’épaisseur de la pièce (figure 10) et tend, lorsque l’épaisseur augmente, vers une limiteK Ic dite
facteur d’intensité des contraintes critique en mode I et déformations planes ; cette quantité est une
caractéristique du matériau, appelée ténacité.
Les paramètresK c et Gcsont liés par les relations définies au paragraphe 3.3
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI .6.2 Ténacité du matériau
La ténacité du matériauK Ic représente le minimum des valeurs critiques K cqui dépendent de
l’épaisseur et du mode de rupture. Elle permet de chiffrer l’aptitude du matériau à la résistance à la
propagation des fissures, et est considérée comme une caractéristique intrinsèque du matériau dans un
état bien défini (température, traitement thermique donné, etc.).
K Ic est homogène à σ √ π a et s’exprime en MPa.√m (unité pratiquée couramment) ou bien en
hbar.√mm ou encore en ksi.√¿ (ouvrages anglo-saxons).
La ténacité dépend, pour un alliage donné, du sens du prélèvement et des traitements
thermiques.
D’une manière générale,K Ic diminue quand Re augmente
Le critère K<K Ic peut s’appliquer de deux manières :
pour une fissure de longueur 2a donnée, on détermine la contrainte maximale avant rupture
brutale.
pour une contrainte donnée appliquée à la pièce, on détermine la longueur critique 2ac de la
fissure qui entraîne la rupture.
Figure 10 – Dépendance deK c en fonction de l’épaisseur de la pièce
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
VI.6.3 Cas des contraintes planes (courbes R)
Nous venons de voir que les conditions d’instabilité des pièces fissurées suffisamment épaisses (en
pratique, e≥6 mm) sont définies avec une bonne précision par la ténacité K Ic .
Autrement dit, lorsque l’on applique à la pièce un chargement résiduel de façon progressive pour ne
pas introduire d’effet dynamique, le critère de rupture s’écrit :
K¿ K Ic pas de propagation
K=K Ic rupture instable
En revanche, pour les pièces de faible épaisseur où l’état de contraintes planes domine, le critère de
rupture s’écrit :
K¿ K c possibilité de propagation « stable »
K=K c instabilité
K c dépend du matériau, de l’épaisseur de la pièce, de la longueur initiale de la fissure.
Dans tous les cas K c>¿ K Ic.
La valeur critiqueK c (ouGc par la relation G=K ²E ) s’obtient par comparaison de deux courbes G (a)
et R(a) … (figure 11)
Comme suit :
G énergie disponible pour la fissuration, dépendant des forces extérieures et de l’élasticité de
la pièce (correspond au facteur d’intensité de contraintes appliqué K)
R énergie nécessaire à la fissuration, son évolution en fonction de la fissuration ne dépendant que du
matériau et de son épaisseur et non de la longueur initiale a0de la fissure au moment où est appliquée
la charge.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
La propagation est stable tant que
G (a) > R(a).
L’instabilité apparaît lorsque :
G (a) = R(a) et ( ∂ G∂ a )
σ c
= ( ∂ R∂ a )
σ c
Utilisation des courbes
L’évolution de G (ou de K) étant connue ; on translate latéralement la courbe R jusqu’à obtenir la
tangence qui correspond à l’instabilitéK Ic .
Figure 11 – Courbe R
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLes courbes représentées en pointillé Gσ 1(a) et Gσ 2(a) schématisent des étapes intermédiaires lors de
la montée en charge d’un essai de résistance résiduelle
VI.7 Propagation lente des fissures
VI.7. 1 Lois de Paris et de Forman
Avant rupture finale, les dommages se développent sous l’effet de charges appliquées sous la forme
de fissures dont l’orientation est liée au champ des contraintes qui règnent localement dans la pièce.
Les lois qui suivent, essentiellement empiriques, permettent de déterminer le taux de propagationdadn
pendant la phase de propagation de la fissure, avec a longueur de la fissure et n nombre de cycles
appliqués.
Citons :
La loi de Paris : dadn
= c(∆ k )m
La loi de Forman : dadn = c (∆ k )m
(1−R ) K c−∆ k
Avec
ΔK= Kmax - Kmin variation de K pour un cycle de charge donné
Rapport R = Kmin
Kmax
La loi de Forman présente l’avantage de prendre en compte l’effet de la contrainte moyenne grâce à
l’introduction du rapport R et traduit l’accélération brutale de la vitesse de fissuration lorsque K tend
vers sa valeur critique K c
C, m caractéristiques du matériau, m est de l’ordre de 4 pour les alliages d’aluminium, et de 3 pour les
aciers. En ce qui concerne C, différentes expressions, tirées de l’exploitation des résultats
expérimentaux, ont été données. À titre indicatif, C ≈10−8 pour les alliages d’aluminium en choisissant comme unité le MPa.√m pour le facteur d’intensité des contraintes.
FISSURATIONS DES CANALISATIONSLe nombre de cycles n, nécessaire pour que la fissure progresse de sa longueur initiale a i à sa longueur
finalea f est obtenu par intégration de l’équation précédente
La prévision de la longueur admissible a f = ac se fait en utilisant les notions de ténacité K Ic ou de
courbe R, comme vu aux paragraphes précédents
VI.7. 2 Facteurs d’influence
Les lois de propagation en fatigue ainsi que les seuils d’instabilité KCsont influencés par des
paramètres tels que :
L’environnement :
la constante C des lois de propagation dépend de l’environnement, une fissure pouvant se propager
plus rapidement en présence d’un milieu corrosif qu’en ambiance protégée
La température :
l’effet le plus important concerne la ténacité qui peut être réduite dans certains cas (aciers en
particulier) dans des proportions considérables lorsque la température est inférieure à la température
de transition. À l’inverse, une température supérieure à l’ambiante augmente de façon générale la
ductilité et la ténacité des matériaux, bien que certains aciers et réfractaires présentent un domaine de
température intermédiaire où ces propriétés chutent ;
La séquence de chargement :
Les lois de Paris et de Forman restent valables tant que le facteur d’intensité de contraintesKmax est
une fonction croissante du nombre de cycles. Dans le cas de chargements quelconques, ces lois
peuvent donner des résultats très erronés ; cela provient de l’effet de mémoire associé à la zone
plastique à la pointe de la fissure. C’est ainsi qu’une surcharge effectuée lors d’un essai de fatigue
peut avoir comme effet de bloquer la fissure momentanément, ou de ralentir sa vitesse de propagation.
Ce phénomène de retard de propagation engendré par l’application d’une surcharge trouve son
explication par la création d’un champ de contraintes résiduelles de compression en tête de fissure,
dès le déchargement consécutif à cette surcharge. Différents modèles ont été élaborés afin de tenir
compte d’effets de l’histoire des charges (telles que surcharges) pour la propagation d’une fissure.
Citons les modèles de Wheeler, Willenborg et Elber.
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
PARTIE EXPERIMENTAL
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
L’objective en pratique :
Après ce qu’on a vu précédemment- dans la partie théorique- ce qui nous intéresse dans le domaine du
transport de gaz par canalisations « pipe-lines » c’est en premier lieu établir les conditions de ruine de
ce pipeline.
1) L’inspection
Durant notre visite et inspection des stations des régions RTO, nous avons constaté ce qui suit :
1.1 Région Transport Ouest (RTO)
1.1.1 Station SP5/Laghouat
Des fuites ont été décelées au niveau des piquages instruments sur les conduites d’aspiration et
refoulement (figure 1) suite à des vibrations lors de démarrage des machines.
Figure 1. Illustration d’une fuite au niveau d’un cordon soudé
Lors du commissionning des modifications ont été portées par l’installation des supports de fixation
pour chaque piquage comme illustrés sur la figure 2, malgré la pose de ces supports, d’autres fuites
ont été enregistrées. Ce type de fixation, empêche le démontage des instruments lors d’une
intervention (à titre d’exemple : tarages des soupapes)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Figure 2. Schéma des supports de fixation
Mauvaise conception et répartition des supports des canalisations aérienne (figure 3), ce qui
amplifie l’intensité des vibrations existantes (des vannes suspendues, pas de contacte de
fixation entre le socle en béton et le support soudé sur la conduite).
Figure 3. Schéma de la conception des supports,
Vibrations excessives au niveau des circuits de recyclage aériens en forme de U des conduites
OZ1 et OZ2 (interconnectés entre les collecteurs de recyclage de diamètre 6‘’ et les collecteurs
d’aspiration)
Un bruit important au niveau des circuits de recyclage aériens (OZ1 et 0Z2), qui est dû
essentiellement à une vitesse d’écoulement importante (vitesse de l’ordre de 27m/s).
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
Figure 4. Collecteur aérien de recyclage 6’’
Ces vibrations sont l’origine de l’amorce des fissurations et des fuites, qui s’avèrent néfaste pour
l’ensemble de la station.
A cet effet, un incident a été enregistré au niveau de la station SP5 en date du 23/02/2011,
provoquant un arrêt de quatre (04) jours de la ligne OZ2/34’’. Voir figure5
Il est à noter que le risque est imminent, probabilité de survenance d’incident de nouveau sur les
piquages du circuit de recyclage OZ1 et OZ2.
Figure 5. Impact de la fissure et intervention par RTO et DRC
FISSURATIONS DES CANALISATIONS1.1.2 Stations SP4 et SP6
Pour des raisons d’exploitations (mise en service de la phase II /OZ2), un test de démarrage a été
effectué sur deux machines en recyclage. Nous avons constaté :
Les vibrations au niveau des stations paires sont moins intenses que celles enregistrées au
niveau des stations impaires.
Une différence de diamètre du collecteur de recyclage 12’’ par rapport à celui des stations
impaires qui est de 6’’
2) ETUDE D’UN CAS DE FISSURATION
L’image ci-dessus été capté par microscope optique après polissage d’échantillon du pipe fissuré
(API 5L Gr X52_B = soudé longitudinale).
On voie clairement la fissuration au niveau du joint soudés
La fissure est de type axiale débouchante longue, fissuration aussi dite à froid
Figure 6 Image par microscope optique à balayage
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
CND PAR RADIOGRAPHIE
Le contrôle par la radiographie comme nous avons noté précédemment est très nocifs pour la senti
humaine, nous n’avons pas pu assister à cette opération désormais mais on a pris quelques résultats
concernant la nuance API 5L Gr X52_B = soudé longitudinale. (Voir figure 7)
Fissure axiale débouchante longue
Le joint soudé
Figue 7 : film radiographique de la nuance API 5L Gr X52_B soudé longitudinale (Fissure en niveau du joint soudée)
FISSURATIONS DES CANALISATIONS3) INTERPRETATION DES RESULTATS
On fait appelle au schéma suivant (figure8) afin d’établir les conditions de ruine de ce pipeline.
Figure 8 : Assimilation du pipeline fissuré
Solution M.E.F : Méthode des éléments finis
FISSURATIONS DES CANALISATIONSApplication Numérique avec les données suivantes sur le pipeline fissuré (API5L X52_B)
R = 30.48cm =3.3048m (rayon du pipeline)
e =3 cm =0.3m (Epaisseur du pipeline)
a = 6,35mm = 0.00635m (profondeur de la fissure)
K IC = 60 MPa facteur d’intensité critique des contraintes
P = 70 MPa pression interne de pipe
σ e =595 MPa limite élastique du pipe line σ y = 644 MPa limite d’écoulement σ r = 762 MPa limite à la rupture du pipe
E = 200000 MPa Module de Young
n = 16.333 nombre de cycle à rupture
C = 5.10−15 μm MPa−a m−a/2
α = 3
Rm = 758 N/mm2 Resistance à la rupture
HV= 237 La dureté Vickers
Sachant que :
1’’ (pouce) = 2.54 cm=25.4mm
Application
D =24pouce=60.96cm=609.6mm → R = 609.6mm/2 = 304.8mm
On pourra écrire l’équilibre d’une demi-section de tube telle que celle représentée sur la Figure8 ci-
dessus.
On trouve alors :
2 e σ θ = ∫0
π
R sin θ p dθ = 2 R p
Ce qui donne :
σ θ = p Re
FISSURATIONS DES CANALISATIONSAvec
σ θ : La contrainte orthoradiale dans le tube loin de la fissure
AN :
σ θ = pRe =
3.30480,3 70 = 771,12 MPa
2 RUPTURE PAR CHARGEMENT LIMITE
On considère que le tube casse par ruine plastique (chargement limite). En écrivant l’équilibre du tube
fissuré, considéré localement comme une tôle plate, et en négligeant l’effet de concentration des
contraintes. On cherche à Calculer la pression limite pL. . On considère également que le tube est
parfaitement plastique avec une limite d’écoulement notée σ y en négligeant l’effet de concentration
des contraintes
Figure 9 : Rupture par chargement limite
L’hypothèse est forte ! Mais cela permet d’introduire le concept de rupture par chargement limite dans
la zone fissurée. La Figure 8 représente les hypothèses du problème mécanique.
On trouve alors :
(e-a) σ y= e σ θ
D’où (e-a) σ y= epL Re
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
D’où pL = (1−ae )σ y
eR
AN :
pL= (1- 0.00635
0,3 ) 644
0,33.3048
= 57,22 MPa
3 RUPTURE PAR PROPAGATION BRUTALE DE LA FISSURE
Le facteur d’intensité des contraintes est donné par :
K I = 0.6 √π a g ( ae ) p
Re
avec
g ( ae ) =
1+2( ae )
(1−ae )
3 /2
Soit K Ic la ténacité du matériau.
On cherche à calculer la pression d’éclatement pe pour une longueur de fissure donnée en supposant
que la rupture se produit cette fois par propagation brutale d’une fissure et non par chargement limite.
On a choisi de garder la forme complexe deK Ien fonction de a et de ae
pour souligner que tout n’est
pas analytique ! On souligne aussi que :
K I = 0.6 √π a g ( ae ) σ θ= Y √π a σ θ
Qui est la forme classique mais avec Y exprimé comme une fonction du rapport a/e.
La solution est évidente :
K I = K Ic = 0.6 √π a g ( ae ) p
Re
d’où
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
pe = K Ic
0.6√π a g( ae )
eR
AN :
g ( ae ) =
1+2( ae )
(1−ae )
3 /2 = 1,044
d’où
pe = 60
0,6√3,14 .0,00635 .1,044 0,3
3,3048 = 61 ,57 MPa
CONCLUSION
FISSURATIONS DES CANALISATIONS
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