Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
?CA 02265573 1999-03-08 W0 98/10113 1 PCT/FR97/01578 4 PROCEDE DE FABRICATION DE FILS EN ACIER AUTOâTREMPANT, FILS DE FORME ET APPLICATION A UNE CONDUITE FLEXIBLE Ul La presente invention concerne des elements allonges de grande longueur, tels des fils d'acier pour renforcer des conduites flexibles destinees au transport d'effluent sous pression. L'invention concerne un precede de fabrication de ces fils de renfort, les fils obtenus par le procede et les eonduites flexibles qui comportent de tels fils de renfort dans 10 leur structure. On connait des applications dans lesquelles on utilise pour le transport cle fluides, notamment des hyclrocarbures, des conduites flexibles armees par des nappes d'armures constituees par des fils en acier. Dans certains cas, ces conduites sont placees dans des 13 conditions dans lesquelles elles sont soumises it une ambiance corrosive, par exemple en presence de fluides acides cornportant des produits sulfures. En outre, dans le cas ou de telles conduites flexibles sont disposees dans de grandes profondeurs d'eau, elles doivent, de plus en plus, presenter des performances mecaniques tres elevees en termes de resistance a la pression interieure, a la charge axiale, a la pression exterieure consecutive ii 20 la grande profondeur d'eau d'immersion. Dans les conduites flexibles, l'etanchéite etant assuree par une ou plusieurs gaines en polymers, la resistance mecanique it la pression interne et exteme et aux sollicitations mecaniques externes. est réalisee par une ou plusieurs nappes d'armures constituees par des fils ou des profiles en acier ayant un profil specifique. Generalement, le tube ?exible comporte au moins l'une des nappes d'armure suivantes : une carcasse de resistance 21 la pression exteme en fils ou profiles poses suivant un angle proche de 90° par rapport a lâaxe, une nappe, de resistance a la pression interne ?1 IO U1 U1 0 W0 98/10113 2 CA 02265573 1999-03-08 PCTIFR97/01578 â' (appelee vo?te) posee avec un angle supérieur :1 55°, les elements allonges de la carcasse et de la vo?te etant preferentiellement des fils agrafables, et au moins une nappe cl'armures de resistance 5. la traction posee avec un angle inferieur 21 55°. Selon un autre mode, la vo?te et les armures de traction sont remplacees par deux nappes d'armure syrnetriques armées a un angle d'environ 55°, ou par deux paires de nappes armees 51 55°, ou encore par un ensemble d'au moins deux nappes, Yangle cfarmage d'au moins une nappe etant inferieur 21 55° et l'angle d'armage clâau moins une autre nappe etant supérieur a 55°. L'acier des fils composant les armures doit étre choisi de fagon telle que ces fils, compte tenu de leur section, apportent la resistance mecanique necessaire en service, en meme temps qu'i1s resistent a la corrosion, en particulier dans certains cas en presence de H78. Ces fils dâacier, mis en forme generalement par laminage ou trefilage ix chaud ou E1 froid, peuvent avoir des profils, c'est-aâdire des sections droites, varies : sensiblement plat ou meplat, en U, en T, en Z, avec ou sans moyens d'accrochage sur un fil voisin, ou circulaire. Dans le cas de 1'utilisation en presence de gaz acide, essentiellement l'H,,S et le CO2, en plus de la corrosion generalisee, peuvent se poser des problémes lies a la penetration d'hydrogene dans Iâacier. En effet l'H,,S (ou plutét l'ion HS") est un inhibiteur de recombinaison des atomes cfhydrogene produits par reduction des protons it Ia surface de lâacier. Ces atomes d'hydrogene sâintroduiser1t £1 1âinterieur du metal et sây recombinent, etant ainsi a 1'origine de deux types de deteriorations : - des soufflures sous la surface de 1âacier ("Hydrogen Blistering", on parle alors de "Blister"), ou des fissurations internes (ciites en gradin), pouvant apparaitre en l'absence de contraintes et pouvant étre aggravees en presence de contraintes residuelles, â une fragilisation resultant en ruptures differees dans le cas 0121 1'acier est mis sous contraintes (corrosion sous contraintes par Fhydrogene). ? CA 02265573 1999-03-08 WO 98/10113 3 PCT/FR97I01578 4â Des normes NACE ont été prévues pour évaluer l'aptitude d'un élément structurel en acier E1 étre utilisé en présence d'H2S. Les aciers doivent subir un test sur un échantillon représentatif, sous contrainte en milieu H28 avec un pH de 2,8 £1 3,4 (NACE Test Method U\ TM 0177 relatif aux effets de fissuration sous contrainte, désignés communément par "Sulfide Stress Corrosion Cracking" ou SSCC), pour pouvoir étre considérés comrne utilisables dans la fabrication de structures métalliques devant résister aux effets de la corrosion sous contrainte en présence d'H2S. Une autre norme NACE (TM 0284) est relative aux effets de fissurationâ induits 10 par Yhydrogene, désignés communément par "Hydrogen Induced Cracking" ou HIC. La procédure de test recommandée par la norme ciâdessus consiste £1 exposer des échantillons, sans tension, dans une solution dâeau de mer saturée par de I'H2S, E1 temperature et pression ambiantes, :1 un pH compris entre 4,8 et 5,4. La procedure prévoit dâeffectuer ensuite des examens métallographiques pour quantifier la fissuration des échantillons, ou la constater l'absence de fissuration. Les conditions d'exploitation des gisements sousâmarins étant devenues de plus en plus séveres, il est apparu récemment que la qualification des matériaux pour leur utilisation en presence d'I-I28 doit viser le cas de milieu plus acide, le pH pouvant descendre jusqu'zâ1 environ 3. On a été ainsi conduit 51 spécifier que, dans certains cas, les 20 essais selon la norme NACE TM 0284 doivent étre réalisés dans une solution saturée en H,,S présentant un pH, par exemple de 3 ou 2,8, sernblable :1 la solution définie par la norme NACE TM 0177, et non plus avec un pH au moins égal a 4,8. Selon les techniques actuellernent connues, les fils d'armure des ?exibles, en particulier pour le cas du transport des fluides comportant de l'H2S, sont réalisés avec des ix) UI aciers au carboneâmanganese doux ou mi-dur (O,15 a 0,50% de carbone) présentant une structure ferriteâperlite, auxquels on applique, apres mise en forme it froid du fil machine, un traiternent thermique de recuit approprieâ pour amener la dureteâ a la valeur admise, si nécessaire. ?10 15 W0 98/10113 4 CA 02265573 1999-03-08 PCT/FR97/01578 4 La norme NACE 0175 définit que de tels aciers au carbone-manganese sontCompatibles avec un milieu H28 s'ils présentent une dureté inférieure ou égale a 22 HRC. II a été ainsi verifié que des fils d'armure tels que décrits ci-dessus, realises en acier au carboneâmanganE:se et présentant une structure ferrite-perlite, peuvent étre fabriqués par formage a froid suivi d'un recuit de facon a satisfaire les criteres NACE traditionnels. On connait un procédé décrit dans le document FRâAâ266l 194 permettant d'obtenir un acier de dureté supérieure a 22 HRC compatible avec l'I-I28 selon les normes NACE TM 0177 et TM 0284, la solution utilisée pour les essais selon TM 0284 ayant un pH compris entre 4,8 et 5,4. Par contre, il a été constaté que les aciers au carbone 51 structure ferri~teâperlite. sont inaptes a supporter de facon satisfaisante les essais HIC réalisés selon la procedure de la norme TM 0284 lorsque ces essais sont réalisés en milieu plus acide, par exemple avec un pH de l'ordre de 3 correspondant aux conditions dorénavant rencontrées dans certains cas d'exploitation des gisements pétroliers. Ces résultats inacceptables ont été obtenus méme dans le cas ou le traitement therrnique final est plus poussé de facon a obtenir une dureté HRC inférieure it 22 HRC. H y a done un besoin pour la réalisation de fils dâarmure des flexibles, dâun acier qui, dune part soit compatible avec 1âH2S dans les conditions nouvelles décrites ci-dessus et qui dâautre part, soit d'une composition et d'une procedure d'élaboration relativement classiques et peu sophistiquées dans le but de conserver des co?ts de fabrication suffisamment faibles. Par ailleurs, les aciers et les procédés dâélaboration utilisés pour réaliser les fils d'armure des flexibles doivent étre tels que le fil de forme peut étre produit en trés grandes longueurs continues, cle l'ordre de plusieurs centaines de metres ou de plusieurs kilometres. Le fil ainsi fabriqué est enroulé sur des bobines en we de sa mise en oeuvre ultérieure âpour réaliser les nappes dâarmure des flexibles. En outre, et malgré la longueur unitaire tres importante des fils ainsi produits, il est important qu'ils puissent étre raccordés par soudure pendant Fopération d'armage lors de la fabrication du flexible. Dans le but de reconstituer dans la zone de soudure, les propriétés spécifiées de l'acier. en ?wo 9s/10113 5 CA 02265573 1999-03-08 PCT/FR97l01578 â' particulier la resistance a l'H2S, un traitement thermique âest :1 prevoir apres soudure. Mais il est important, afin de ne pas surcharger excessivement les co?ts de fabrication que ce traitement thermique apres soudure permette d'atteindre le but fixe dans un delai suffisamrnent court, de quelques minutes si possible, preferablement moins de 30 minutes. Dans le cas oh la compatibilite avec l'H2S n'est pas requise (production de "sweet crude"), on utilise couramment des aciers au carbone a l'etat brut de formage it froid presentant également une structure ferriteâperlite, mais possedant des valeurs sensiblement plus elevees cle resistance mecanique et _de durete. Neanmoins, il a éte constate que Faugmentation de la resistance mecanique au dela de certaines limites, conduit pour de tels aciers a presenter une ductilite insuffisante compte tenu des operationsâ de preformation et d'armage qui doivent étre réalisees avec le fil d'armure. Dans la demande de la demanderesse FR 95/03093, le fil de forme est trempe dans un liquicie, typiquement, in lean ou it l'huile, ce qui impose de controler avec une grande precision les conditions de realisation de l'operation de trempe, et ce qui risque de rendre plus difficile les operations cl'elaboration du fil. L'objet de la presente invention est de decrire un procédé d'obtention d'un element allonge de grande longueurdestine 51 la fabrication de tube ?exible, l'eâ1ement allonge presentant des caracteristiques mecaniques optimisees ainsi que, dans une application selon l'invention, une bonne resistance 51 1'H2S . La presente invention concerne un procede de fabrication d'un fil de forme en acier, ce fil étant de grande longueur et apte it etre utilise comme fil d'armure d'un ?exible. Le procede comporte les étapes suivantes 2 â fabrication d'un fil de forme de grande longueur par laminage ou trefilage it chaud a partir d'un acier comportant les elements suivants : â de 0,18% E1 0,45% de C, et de preference de 0,20 51 0,40% de C, - de O,4% it l,8% de Mn, et de preference de 0,45 a 1,50% de Mn, â de l 51 4% de Cr, et de preference de 1,5 it 3,5% de Cr, ?10 15 W0 98/10113 5 CA 02265573 1999-03-08 PCT/FR97/01578 -' - de 0,1% 5 0,6% de Si, et de preference de 0,1 21 0,5% de Si, â de O 21 1,5% de M0,, et de preference de 0,25 51 1% de Mo, - de 0 51 1,5% de Ni, et de preference de 0 21 O,7% de Ni, - au plus 0,01% de S et 0,020% de P, - Iâacier pouvant en outre comporter des dispersoides, en particulier du Vanadium, avec V _<_ 0,1, ou eventuellement V entre 0,1 et 0,15, s'i1 n'est pas prévu de souder le fil, â le fil de forme ayant en fin de laminage ou de trefilage une temperature au moins superieure 51 la temperature AC3, de preference superieure de 50 5. 200°C, et en particulier de 100 '21 150°C, â enroulement du fil en couronne, et â refroidissement 51 l'air de la couronne de fil pour obtenir une durete HRC superieure ou egale ii 40 et de preference superieure ou egale 51 45, et pouvant avantageusement atteindre ou depasser 50, La structure de I'acier du fil de forme ainsi obtenu peut de preference étre du type martensiteâbainite, de preference :1 predominance bainitique. La quantite de ferrite sera preferentiellement faible, en particulier inferieure ou egale E1 10%, et avantageusement inferieure ou egale 5. 1%. Le laminage ou trefilage a chaud du fil de forme peut etre effectue E1 partir d'un lingot ou d'un fil machine prealablement lamine et porte 51 la temperature de transformation par le moyen de fours appropries. Le niveau de trempe Z1 1'air du fil enroule en couronne depend principalement de la nuance d'acier et des conditions de refroidissement. Les parametres principaux qui definissent les conditions de refroidissement sont notamment: la temperature en fin de iaminage, la section du fil, la quantite de fil et la compacite de la couronne, la dynamique de refroidissement. Le choix des systemes et mode de refroidissement est conditionné par la nuance d'acier, la section et la quantite de fil. Le refroidissement du type air calme correspond, par exemple, it la manutention rapide de la couronne apres laminage. Le refroidissement du type air agite ou pulse correspond, par exemple, it une ventilation de la ?LII »ââ- (II 20 W0 98/10113 7 CA 02265573 1999-03-08 PCTIFR97/01578 -' couronne par soufflerie ou air pulse. Dans une autre variante, la couronne peut étre ventilee sous cloche. Lorsque la quantité de fil est telle que la charge de la couronne dépasse 500 51 700 kg, le type de refroidissernent it air agite ou pulse est avantageusement utilise. La structure obtenue apres refroidissement est de preference a predominance de bainite avec un pourcentage compris entre 0 et 30% de martensite. De preference,â la bainite est :1 l'état bainite inferieure et non pas bainite superieure. De preference, la structure peut ne comporter qu'une quantite faible de ferrite, de preference inferieure ou egale £1 10%, et avantageusement inferieure ou egale it 1%. Le procede selon l'invention presente Yavantage que sa mise en oeuvre industrielle peut étre realisee de fagon relativement économique et aisée. En particulier, par rapport E1 des fils d'acier realises par formage it froid suivi d'une trempe classique dans un liquide, typiquement E1 l'eau ou 51 l'huile, grace au procede selon lâinvention. caracterise par un formage a chaud suivi par une trempe a l'air, les caractéristiques du fil realise sont moins sensibles aux variations possibles des divers parametres intervenant dans l'operation de trempe £1 l'air, aussi bien au niveau du reglage de la temperature daustenitisation qu'au niveau de la mise au point du dispositif de refroidissement. Il est ainsi possible, de fagon relativement facile et stable et avec un risque reduit d'apparition de defauts, d'obtenir les qualités desirées, en particulier l'absence cle'tapure, une resistance elevee, ainsi que dans le cas du mode de realisation decrit ci-apres, une bonne resistance de l'acier, apres traitement thermique de revenu, 51 la corrosion en presence de l'H2S. Le fil ainsi obtenu peut ne pas étre apte it resister it l'H2S clans certaines conditions dâexploitation_. rnais il peut étre utilise de fagon tres interessante, en particulier apres un eventuel traitement thermique de detente, comme fil d'armure pour des conduites flexibles grace 5. ses excellentes proprietes mecaniques optimisees, en particulier par la combinaison d'une resistance mecanique élevee et d'une ductilite superieure 51 celle que l'on peut obtenir avec les precedes connus. La limite de rupture Rm peut atteindre 1000 21 1600 MPa, egale ou superieure it celle des fils dâarmure les plus resistants actuellement connus, et Yallongement a la rupture peut etre superieur £1 5%, eventuellement superieur £1 ?10 15 WO 98/10113 8 CA 02265573 1999-03-08 10% et pouvant dépasser 15% dans certains cas. Alors que pour les fils d'acier connus 51 structure ferriteâperlite présentant un niveau de résistance comparable it 1'état écroui, ceux- ci présentent un allongement 51 la rupture ne dépassant pas 5%. L'invention permet de réaliser ainsi un fil de forme présentant apres \ \ refroidissement a l'air une structure a dominante bainit-ique de facon relativement homogene dans toute Yépaisseur du fil, malgreâ Yaugmentation de l'eâpaisseur du fil. On peut ainsi obtenir dans une te1le structure it dominante de bainite inférieure avec un pourcentage de martensite compris entre O et 30%, une teneur totale en bainite et martensite couramment au moins égale it 90%, et, dans Ies cas les plus favorables, pouvant atteindre approxirnativement 100%. Un tel résultat est obtenu en utilisant une nuance dâacier adaptée it la trempabilité i1l'air. Le tableau ci-dessous résume, en ordre de grandeur, les résultats obtenus dans le cas de trois nuances différentes correspondant aux exemples dont la description détaillée est faite plus loin. Les valeurs du tableau correspondent aux valeurs moyennes typiques pour un échantillon de fil enroulé en couronne et apres refroidissement, c'est E1 dire trempé 51 Pair, en fonction de la nuance d'acier utilisée. Nuance dâacier 35CDV6 30CD12 22CD12 I-IRC 50 45 42 Rp0,2 1100 1000 850 (MPa) Rm 1800 1500 1350 (MPa) Allongement £1 la 13,5 15 12,5 rupture A (%) Striction Z (%) 48 it 55 57 it 62 56 £1 59 PCT/FR97/01578 ~* ?CA 02265573 1999-03-08 wo 9s/10113 9 PCT/FR97l01578 â' Bien que relativement plus faibles, les valeurs de la limite elastique RpQ,2 et de la limite mecanique de rupture Rm de la nuance 22CDl2 sont encore tres elevees et interessantes pour Yutilisation comme fil dâarmure d'une conduite ?exible. Les fils selon 3 l'invention présentent des valeurs remarquablement elevees, par rapport aux fils d'acier connus dans cette utilisation, en allongement i1 121 rupture et en striction, ce qui s'avere tres interessant pour la realisation des conduites flexibles. II 21 ete trouve que le procede selon l'invention permet dâobtenir des resultats intéressants lorsque l'on utilise un acier dont la composition est telle que le carbone 10- equivalent presente une valeur au moins egale 51 0,75 et de preference au moins egale 51 0,85, le carbone equivalent etant calcule selon la formule suivante : Mn Cr+Mo+V Cu+Ni Cc =C+ââ+â-âââ-ââââ+âââ- â 6 6 I5 Cette formulation de carbone equivalent est, en soi, bien connue, mais generalement dans le but de fixer, pour 1'acier consiclere, non pas un carbone equivalent 1: minimum comme dans la presente invention, mais une valeur maximum de maniere Z1 faciliter le soudage par la diminution de la durete dans les zones affectees thermiquement, et de s'affranchir d'un traitement thermique apres soudage. Par comparaison avec les fils decrits dans la demande FR 95/03093, lesquels fils ayant subis apres laminage une operation de trempe dans un liquide, les nuances d'acier 20 etant 3OCD4, l2CD4, 20C-4 et 35C1, les fils ont alors une composition caracterisee par un carbone equivalent en general entre 0,5 et 0,6 et ne depassant pas 0,75.En outre, la demande FR 95/03093 qui decrit principalement Pelaboration du fil de forme par formage a froid suivi d'une trempe dans un liquide, propose egalernent une ~ variante d'elaboration du fil de forme par formage E1 chaud suivi necessairement d'une IQ Ul operation de trempe dans un liquide, mais dans ce cas il est specifie que le fil doit avoir une limite cle rupture Rm inferieure ou egale :1 850 MPa apres laminage it chaud. Alors que dans la presente invention, le fil de forme apres laminage E1 chaud presente une durete au moins egale £1 40 HRC, correspondant it une Rm d'au moins 1200 MP21. ?CA 02265573 1999-03-08 wo 93/10113 10 PCT/FR97/01578 4 L'eâ1aboration du fil dâarmure est avantageusement terminée par un traitement de détente qui peut étre realise it une temperature relativement basse, de I'ordre de 180°C :21 200°C. Cette procedure procure un double avantage : â elle est facile et peu co?teuse, la couronne de fil apres trempe it l'air pouvant étre 5 directement déposée dans une étuve, - les Iimites élastiques et de rupture ne sont pas dirninuées, la lirnite élastique pouvant meme étre légerement augmentée. Selon un mode de mise en oeuvre particulier de Yinvention afin d'obtenir des fils de forme optimisés resistant £1 1'H_2S, 1e procédé peut comporter, postérieurement au 10 refroidissement de la couronne, éventuellement complété par un traitement de détente, un traitement thermique final de revenu dans des conditions déterminées pour obtenir une dureteâ supérieure ou égale a 20 HRC et inférieure ou égale it 35 HRC, de préférence supérieure ou égale :1 22 HRC et inférieure ou égale 31 28 HRC, et plus particulierement inférieure ou égale £1 26 HRC, l'opération de revenu ayant résulté en la transformation de la structure 5. dominante de bainite inférieure en une structure du type trempé revenu présentant des nodules de carbure extrémement fins dans un état de tres grande dispersion dans une rnatrice de ferrite issue par revenu de la structure bainiteâmartensite. Les conditions du traitement thermique final de revenu peuvent etre adaptées de fagon it obtenir une dureté inférieure ou égale it 28 HRC compatible avec les conditions 20 d'exploitation pouvant prévoir une ambiance a pH voisin de 3. Dans tous les cas, apres un traitement thermique de revenu, tel que défini, y compris a pH voisin de 3, un acier selon la présente invention ne présente pas de cloque ni de fissure aux essais HIC, et en outre ne présente pas de fissuration 1orsquâi1 est soumis it des essais selon la norme NACE 0177 (SSCC) avec une contrainte de traction au moins Id U1 égale 2 60% de la Iirnite vélastique et pouvant atteindre environ 90% de cette derniere. Le revenu final peut étre effectué en botte dans un four. La temperature du revenu peut étre au plus égale a une temperature inférieure d'environ 10°C 51 30°C par rapport 51 la temperature AC1 de début d'austeânitisation de ?25 W0 93/10113 1 1 CA 02265573 1999-03-08 PCTIFR97/01578 -' l'acier, afin d'éviter une coalescence excessive de carbure _ pouvant conduire 21 une diminution des caractéristiques. Ce procédé de transformation it chaud présente Yavantage de co?ts de fabrication réduits. I1 permet en outre d'obtenir des fils de forme de sections plus irnportantes que le laminage it froid. L'invention concerne également un fil de forme de section constante et de grande longueur, adapté 21 étre utiliseâ comme fil d'armure dâune conduite flexible, ledit fil étant fabriqué it partir d'un acier comportant les éléments suivants : - de 0,18% 31 0,45% de C, et de préférence de 0,20 51 0,40% de C, - de O,4% 21 1,8% de Mn, et de preference de 0,45 21 1,50% de Mn, â de 1 £1 4% de Cr, et de préférence de 1,5 21 3,5% de Cr, â de O,1% 21 0,6% de Si, et de préférence de 0,1 E1 0,5% de Si, - de 0 it 1,5% de M0,, et de preference de 0,25 51 1% de Mo, â de 0 51 l,5% de Ni, et de préférence de 0 a 0,7% de Ni, - au plus 0,01% de S et 0,020% de P, â 1âacier pouvant en outre comporter des dispersoides, en particulier du Vanadium. avec V 3 0,1, ou éventuellement V entre 0,1 et 0,15, sâil n'est pas prévu de souder le fil, I Le fil de forme a une structure du type trempé, it predominance de bainite inférieure avec un pourcentage compris entre 0 et 50% de martensite. De préférence, la structure peut ne comporter quâune quantité faible de ferrite. Le fil peut avoir une dureté supérieure £1 401-IRC. De préférence, la taille du grain austénitique se situe entre les indices 5 et 12, et avantageusement entre les indices 8 et 11, selon la norme NF 04102. Dans une variante de 1'invention, Ie fil de forme a une structure du type trempé revenu présentant des nodules de carbure extrémement fins dans un état de tres grande dispersion dans une matrice de ferrite issue par revenu d'une structure bainite-martensite. Le fil de forme peut avoir une section ayant au moins 1âune des formes générales suivantes '. en U, en T, en Z, rectangulaire ou rond. ?10. 15 20 W0 98/10113 12 CA 02265573 1999-03-08 La section du fil de forme peut avoir une largeur L et une epaisseur e, et avoir les proportions suivantes: L/e superieur it 1 et inferieur 21 7. L'epaisseur peut varier entre 1 mm et 20 mm, pouvant atteindre 30 mm. Le profil du fil de forme peut comporter des moyens d'accrochage avec un fil adjacent. Selon un premier mode de realisation, le fil de forme selon Yinvention peut avoir une structure bainite martensite presentant une durete HRC superieure ou egale it 40, de ' preference superieure ou egale 51 45. Le fil ainsi obtenu peut ne pas étre apte it resister it l'H2S dans certaines conditions d'exploitation, mais i1 peut étre utilise de facon tres interessante comme fil d'armure' pour des conduites flexibles grace 21 ses excellentes proprietes mecaniques optimisees, en particulier par la combinaison d'une resistance mecanique elevee et dât1ne ductilite supérieure :1 celle que l'on peut obtenir avec les procedes connus. La limite de rupture Rm peut atteindre 1000 it 1600 MPa, de preference superieure ou egale it 1200 MPa. Un tel fil peut avantageusement etre utilise pour realiser 1'armure de flexibles destines au transport de petrole brut faiblement corrosif ("sweet crude"), de petrole degaze ("dead oil") ou d'eau. Le procede pour elaborer un tel fil comportera une transformation it chaud, un refroidissement a 1'air du fil obtenu et stocke en couronne en fin de transformation, de preference suivie par un traitement de detente. Selon un autre mode de realisation, le fil de forme selon l'invention restant enroule en couronne subit un traitement de revenu de facon it presenter une structure de type trempee, revenue avec une durete HRC supérieure ou egale £1 20 et lnferieure ou egale it 35, de preference superieure ou egale it 22 et inferieure ou egale it 28, et en particulier inferieure ou egale Z1 26. Le fil ainsi obtenu peut presenter des proprietes de resistance it l'H2S dans les conditions d'exploitation decrites ciâdessus, en particulier a la suite d'essais HIC en milieu tres acide (pH voisin de 2,8 ou 3). La resistance mecanique Rm peut etre de Iâordre de 700 2 900 MP2: sous pH voisin de 3 et peut atteindre au moins 1100 MPa avec un pH plus eleve. La contrainte appliquee dans les essais SSCC selon NACE. avec un pH voisin de 2,8, peut etre au moins de 400 MPa et peut atteindre 600 MPa. PCT/FR97l01578 ââ ?W0 98l10113 15 20 IO U\ CA 02265573 1999-03-08 13 PCTIFR97/01578 4 Dans le cas ou les essais SSCC sont realises avec un pH superieur 51 3, les contraintes admissibles peuvent étre plus elevees, pouvant atteindre environ 90% de la limite elastique. En vue de leur utilisation comme fils d'armure de conduites flexibles destinees au transport de petrole brut comprenant du gaz acide, en particulier du H28 et du CO2, le procede selon l'invention permet de realiser des fils de forme en acier du type martensiteâ bainite revenu dont la structure presente des nodules de carbure extrémement fins dans un etat de tres grande dispersion dans une matrice de ferrite issue par revenu d'une structure martensiteâbainite. Il est interessant de comparer cet acier 51 d'autres aciers deja proposes ou utilises pour realiser des fils cl'armure destines au meme usage, tels que des aciers obtenus par traitement de spheroidisation it partir d'une structure ferrite-perlite ecrouie. ces aciers comportant egalement des elements de carbure dans une matrice ferritique. Les elements de carbure spheroidises de ces aciers sont considerablement moins fins et moins disperses que dans le cas de l'acier selon l'invention, ce qui permet d'identifier de fagon evidente la difference entre les deux types de rnateriau. En outre. il semble que les proprietes superieures de fil de forme selon l'invention, en termes de resistance meczmique et de compatibilite it l'H2S, par comparaison aux fils de l'art anterieur, en particulier en acier spheroidise, peuvent avoir une relation avec le fait de presenter une structure nodulaire beaucoup plus fine et disperse. Des resultats particulierement interessants sont obtenus en ajustant les conditions cle larninage it chaud et de revenu, en fonction en particulier de la composition de lâacier et de la section du fil, de sorte que la durete soit comprise entre 22 et 26 HRC, avec une limite elastique Rp(),2 comprise entre 650 et 750 MPa, et une limite it la rupture Rm comprise entre 780 et 860 MPa. Dans le cas particulier de trois nuances correspondant aux exemples dont la description detaillee est faite plus loin, le tableau ciâdessous resume les valeurs types moyennes des temperatures de revenu it appliquer, pour une duree de trois heures, en les comparant aux temperatures AC1 de chaque nuance. ?15 CA 02265573 1999-03-08 14 WO 98/10113 PCT/FR97/01578 35CDV6 30CD12 22CD12 Temperature de 680 - 720 660 - 690 620 - 650 revenu (°C) 3 heures AC1 (°C) ~ 730 ~ 780 ~ 780 Ainsi qu'il a été exposé ciâdessus, la temperature de revenu doit étre inférieure d'au moins environ 10 it 30°C 21 la temperature AC1, cette condition résultant du fait qu'i1 a été trouvé que dans ces conditions le fil revenu présente de tres bonnes caractéristiques de resistance 51 lâH2S. On voit ainsi que la nuance 35CDV6 nécessite de régler avec un peu plus de precision la temperature de revenu. En comparant les caractéristiques mécaniques aprés revenu telles que résumées ciâdessus avec les caractéristiques mécaniques du fil 21 1'état trempé, on constate que, meme clans le cas of; un fil présente une limite élastique relativement plus faible ix l'état trempé, par exemple 850 MPa dans Ie cas de la nuance 2â2.CD12, au lieu de 1000 21 1100 pour les autres nuances, ce meme fil, par exemple en 22CDl2, présente £1 l'état revenu une limite élastique du meme ordre de grandeur que les autres nuances, ce qui est particulierement intéressant pour Fapplication it l'armage des conduites flexibles. Ceci correspond, dans ce cas, au fait que le traitement de revenu provoque une réduction de limite élastique beaucoup plus faible que la reduction de limite de rupture, ce qui est trés avantageux dans la realisation des conduites flexibles dans la mesure ou leur dimensionnement est conditionné par la Iimite élastique des fils d'acier. II faut noter que l'invention présente notamment Pavantage qu'a partir des memes lots de couronne de fils de forme obtenu selon le procédé selon l'invention, on peut réaliser, en fonction des besoins, soit des fils en acier trés resistant mécaniquement mais ne présentant pas parfois les propriétés requises de résistance it l'H,,S, soit des fils resistant ?CA 02265573 1999-03-08 wo 93/10113 15 PCT/FR97l01578 4 :1 l'H2S meme dans les conditions les plus séveres. Dans le premier cas, la gamme de fabrication est, de préférence complétée par un traitement de détente. Dans l'autre cas, la gamme de fabrication est, au moins, complétée par une étape complémentaire de revenu final. L'invention peut étre appliquée a un tube ?exible pour le transport d'un effluent com ortant de l'H S, le tube ouvant com orter au moins une coucbe d'armures de renfort P 2 P :1 la pression er/ou âa la traction cornportant des fils de forme selon l'invention. 10 La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront. plus clairement it la lecture des exemples suivants, nullement limitatifs. Le tableau I donne lâanalyse chimique de trois nuances d'aciers pouvant étre utilises selon le procédé de la présente invention, différents échantillons de fil ayant été réalisés dans ces nuances E1 titre d'essai. ._. UI Les produits T10, T14 correspondent 21 Line section en T de hauteur 10 et 14 mm, de sections respectivement 132 mm2 et 276 mm2. Le produit l5*5 correspond it un fil de section rectangulaire de largeur 15 mm et d'épaisseur 5 mm ayant pour section 75 mm2. 20 Les produits (315, â¬516 et Q19 correspondent a un fil de section circulaire de diametre 15, 16, 19 mm ayant respectivement pour section 176 mm2, 201 mm2 et 283 mm2. ?CA 02265573 1999-03-08 PCT/FR97l01578 -' 16 WO 98/10113 - 2.0 00.0 00.0 _ 00.0 000.0v 00.0 00.0 000.0 00 0:. - 3.0 00.0 00.0 20.0 000.0v 00.0 00.0 000.0 3 0:0 - 30.0 00.0 0 _ .0 _ _0.0 000.0v 00.0 00.0 000.0 E 2 00 6 , 2.0 00.0 8.0 _ _0.0 000.0v 00.0 00Ø 000.0 3 22 0.500 - 30.0 00.0 - 0Ø0 000.0v 00.0 000 000.0 0.0 aaie E - 00.0 00.0 - 0000 0000v 00.0 2.0 000.0 30 22 200000 2.0 2.0 00... 00.0 _00v 0000 00.0 000 $00 30 0. ® 3 2.0 2.0 :.._ 00.0 0. Ø0 0_0.0v 00; 00.0 02.0 00 0_.:.: Q 02.0% > 02 .6 _z 0 0 =2 5 o 05:00 .::aoE muz<.0z _ :<m:m<,0 s m .0 m ?U1 W0 98/10113 CA 02265573 1999-03-08 17 PCT/FR97/01578 4 Les différents produits référencés dans le tableau I ont été fabriqués par laminagep E1 chaud, 5. des temperatures qui ont été choisies, compte tenu du profil, de la nuance d'acier, de telle sorte que la temperature finale soit supérieure 51 la température AC3, de préférence d'environ 10 5. 50°C. Les couronnes de fil sont refroidies 51 Pair calme. La description qui suit montre la bonne homogénéité des couronnes aprés laminage et refroidissement 51 Fair, la caractérisation mécanique des produits Ea lâétat brut de laminage it chaud, la définition des domaines de revenu pour obtenir une dureté HRC comprise entre 20 et 30 correspondant en premiere approximation 51 des valeurs de RpO,2 comprises entre 650 et 750 MPa et des valeurs de Rm comprises entre 800 et 850 MPa. A) Caractere autotrempant des nuances (1), (2), (3), et homogénéité des couronnes 5. 1'état brut de laminage et refroidie £1 l'air calme (Tableau II): Les couronnes ont été découpées en trois troncons: A1âA2, B1-B2, C1-C2 pour effectuer des prélevements au début (A1), 51 la fin (C2) et dans deux portions intermédiaires (B 1 et C1). ?CA 02265573 1999-03-08 wo 98/10113 18 PCT/FR97l01578 4 Tableau II Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) HRC 35CDV6 A1 1760 1030 50 Q 19 B1 1754 1060 50 C1 1742 1 1 10 50 C2 1984 1054 53 T10 A1 2200 1344 55 B1 1851 1236 52 C1 1927 1233 52 C2 2172 1403 55 22CD12 A1 1392 840 42 Q 15 B1 1381 813 43 C1 1387 838 42 C2 1422 862 44 T14 A1 1445 896 43 B 1381 813 42 C1 1398 843 42 C2 1491 91 1 44 300312 A1 1502 931 42 T14 B1 1524 982 45 C1 1540 1003 45 C2 1549 1004 45 ?CA 02265573 1999-03-08 WO 98/10113 19 PCT/FR97/01578 âL La nuance 30CDl2 présente une meilleure homogénéité dans les valeurs de Rm, representative d'une meilleure trempabiliteâ du fait de la teneur en carbone de 0,30% et de la présence de 0,22% de Ni. Dans le cas de la nuance 35CDV6, la teneur en carbone de 0.35%, la teneur en 5 nickel de O,5%, et l'effet durcissant de la teneur de 0,13% de Vanadium, permettent d'expliquer les valeurs de Rm plus élevées par rapport aux autres nuances. B) Définition des revenus: Les tableaux III, IV et V donnent respectivement les caractéristiques mécaniques des produits respectivement fabriqués clans les nuances 35CDV6, 22CDl2 et 30CD12 en 10 fonction de temperature de traitement de revenu d'environ 3 heures. On note que pour la nuance 35CDV6 les conditions de revenu pour obtenir une valeur de dureté comprise entre 20 £1 25 HRC conduisent £1 des revenus de l'ordre de trois heures a une température tres proche du point AC1. Cette particularité est due 51 la teneur en vanadium. Dans le cas ou des soudures de fils sont rlécessaires pour réaliser des 13 conduites flexibles, les traitements thermiques des soudures posent probléme. De préférence, les fils fabriqués E1 partir de cette nuance pourront étre réservés E1 des conduites flexibles de courte longueur. ?CA 02265573 1999-03-08 W0 98/10113 20 PCT/FR97/01578 4â Tableau III 35CDV6 Revenu F11 RP0,2 Rm A Rp/Rm HRC (MPa) (MPa) (%) 3 h it 680°C Q 19 758 880 19,5 0,86 26-28 T10 866 945 19.7 0.92 3 h 5: 700°C Q 19 700 830 20,7 0,84 21-26 T10 807 878 21,7 0,92 3 h 51 720°C 1 Q 16 643 I 783 24 0,82 23 Q 19 487 878 20,3 ' 0,55 T10 733 811 24.2 0.90 Tableau IV 22CD12 Revenu , F11 RpO,2 Rm A Rp/Rm HRC (MPa) (MPa) (%) 600°C Q 15 890 _ 1030 14,5 0,86 30 T14 850 990 15,1 0.86 630°C Q 15 770 903 16,4 0,85 26 T14 773 910 16,2 0.85 660°C Q 15 l 707 835 17,5 0,85 22-24 T14 717 839 17,2 0,85 ?CA 02265573 1999-03-08 wo 98/10113 21 PCT/FR97/01578 4 Tableau V 30CD12 Raenu F11 Rp0,2 Rm A Rp0,2/Rm HRC (670) 3 h 231 625°C T14 795 957 19 0,83 30 T10 793 979 14 0,81 15x5 791 961 13 0.82 3 h âa 645°C T14 801 943 18,7 0,85 28 T10 745 914 14 0,82 15x5 760 913 13 0.83 3 h it 665°C T14 715 868 19,8 0,82 26 T10 719 871 16 0,83 15x5 764 878 14 0.87 3 h :1 675°C T14 716 845 20,8 0,85 24 T10 684 837 17 0,82 15x5 701 849 14.5 0.83 3 h 8 685°C T14 659 804 21.2 0,82 22 T10 655 . 806 17,5 0,81 15x5 646 802 16 0.81 C) Comportement en miiieu H28 Acier 35CDV6 Des fils de forme de section circulaire de diamétre 16 mm et de profil T10 ont été élaborés £1 partir d'un acier du type chrome molybdéne conforrne 51 la nuance 35CDV6 de la norme AFNOR. La composition de la coulée (a) £1 partir de Iaquelle Ies fils ont été fabriqués est donnée dans le tableau I. ?10 20 W0 98/10113 22 CA 02265573 1999-03-08 Aprés austénisation E1 une température d'au moms 910°C, puis laminage it chaud et refroidissement E1 Pair, nous obtenons les caractéristiques mécaniques mentionnées "Brut de laminage" dans les tableaux II et III. Des traitements de revenu de trois heures £1 730°C pour le fil Q 16 mm et de trois heures E1 700°C pour le fil T10 ont été rézilisés CI les caractéristiques mécaniques des éprouvettbes SSCC sont les suivantes : Rpo,2 Rm A Dureté (MPa) (MP21) ( %) (HRC) Q5 16 3h 5 730°C 620 822 21 23 T10 3h :1 700°C 760 825 24 26 Les essais SSCC ont été réalisés selon la norme NACE TM 01 77 méthode A (tension uni axiale). Pour le traitement £1 730°C (nécessaire pour obtenir une dureté de 23 HRC), nous avons obtenu des ruptures au bout de quelques jours sous 400 et 450 MPa. cette défaillance ayant été expliquée par le fait que la température de revenu dépasse la température du point AC1 (AC1 -3 720°C) de cette nuance. La présence de vanadium (O, 13%) est la cause de cette basse température AC1. Pour le traitement :1 700°C, les échantillons sont sournis au test: NACE TM 0177 sous une contrainte de 500 MPa (65% de Rp0,2), pendant 30 jours, sans obtenir de rupture. Par ailleurs, des fils T10 traités thermiquement trois heures :1 715°C ont montré une non sensibilité 21 la fissuration en gradin selon 16 test HIC NACE TMO284 avec la solution NACE TM 0177 (pH = 3). RPO,2 Rm Dureté (MPa) (MPa) (HRC) T10 3 hi1715°C 724 807 24 PCT/FR97/01578 -â ?CA 02265573 1999-03-08 W0 98/10113 23 PCT/FR97l0l578 4' Acier 22CD12 Des fils de forme ont été élaborés E1 partir d'un acier de type chrome molybdéne conforme it Ia nuance 22CD12 définie par la norme AFNOR. Les compositions des coulées sont données dams le tableau I. U! 21) Du fil de section circulaire de diametre 15 mm a été larniné it chaud, trempé it l'air puis revenu trois heures E1 650°C afin d'obtenir une dureté de 25 HRC. Un traitement de détente 51 630°C pendant deux heures a été réalisé apres trempe 51 Pair. Rp0,2 Rm A Dureté (MP21) (MPa) (_%) (HRC) revenu 3h 51 650°C 721 857 16,5 25 10 Des essais SSCC ont été réalisés selon la norme NACE TM 0177 Méthode A, sous une contrainte de 450 MPa (62% RpO,2), pendant 30 jours, sans obtenir de rupture. b) Des fils de forme rectangulaire 15x5 ont également larninés it chaud, trempés E1 1: Fair puis détensionnés deux heures :1 610°C avant 1e revenu de trois heures it 655°C. Les caractéristiques mécaniques obtenues sont les suivantes : RPO,2 Rm A Dureté (MPa) (MPa) (%) (HRC) revenu 3h 51 655°C 676 823 21 25 Des essais HIC selon la norme NACE TM 02.84 avec la solution TM 0177 (pH = 3) ont mis en évidehce une non sensibilité i: la fissluration en gradin. 20 La caractérisation SSCC a été effectuée selon la norrne NACE TM 0177 méthode A et dans des conditions de pH constant de la solution (pH = 3,5) pendant toute la durée de 30 jours dfessai. ?CA 02265573 1999-03-08 WO 98/10113 24 PCT/FR97/01578 4 Les contraintes d'essais SSCC sont : â pou1' la méthode TM 0177 méthode A (pH=3) <5 = 450 MP2: (66% Rpog) â pour la méthode 51 pH constant = 3,5 0' = 600 MPa (90% Rp(),2) Ul c) Des fi1s de forme T14 om de méme été laminés £1 chaud, trempés it 1'air, détensiormés deux heures E1 630°C et ils ont subi un traitement de revenu de trois heures $1â 650°C. RP0,2 Rm A Dureté '(MPa) (MPa) (%) (HRC) revenu 3h :31 650°C 706 832 19 24 10 Des essais HIC effectués selon la norme NACE TM 0284 avec la solution TM 0177 (pH = 3) indiquent une non sensibilité 51 1a fissuration en gradins. Acier 3OCD12 Des fils de forme ont été élaborés E1 partir d'un acier type chrome molybdéne 15 conforme 51 la nuance 30CD12 définie par la norme AFNOR. Les compositions des coulées sont données dans le tableau I. a) Des fils de forme rectangulaire 15x5 ont été laminés 31 chaud, trempés 51 Pair, détensionnés deux heures :21 610°C. Un traitement de revenu de trois heures 21 685°C 21 20 ensuite été réalisé. RPO,2 Rm A Dureté (MP3) (MP8) . (%) (HRC1 revenu 311 E1 685°C 691 811 19 23 ?CA 02265573 1999-03-08 25 WO 98110113 PCT/FR97/01578 â. La résistance SSCC a été établie selon la norme NACE TM 0177 méthode A sous la contrainte de 500 MPa (72% Rp0,2). Les examens réalisés apres les trente jours d'essais SSCC n'ont pas révélé de rupture ni de fissuration. UI b) Des fils de forme rectangulaire 15x5 ont été laminés it chaud, trempés a l'air et détensionnés une heure it 630°C. Des traitements de revenu de trois heures 5. 685 ou 675°C ont permis d'obtenir des duretés respectives de 22 ou 24 HRC. Les caractéristiques mécaniques correspondantes sont données dans le tableau V. Le comportement SSCC a été établi lors d'essai sous tension uni axiale avec une 10 solution dont le pH est maintenu constant £1 3,5. Pour les fils de dureté 22 HRC, sous la contrainte d'essai de 580 MPa (90% RpQâ2), il n'y a pas eu de rupture au bout de 30 jours d'essai. Pour les fils de dureté 24 HRC, sous la contrainte d'essai de 480 MP0. (70% Rp(),2), il n'y a pas eu de rupture au bout de 30 jours d'essai. 13 Des essais HIC effectués selon la norme NACE TM 0284 avec la solution TM 0177 (pH = 3) indiquent une non sensibilité 21 la fissuration en gradins. c) Des fils de forme T10 ont été laminés 53. chaud, trempés 2 l'air et détensionnés une heure 51 630°C. Les traiternents de revenu de trois heures it 685 ou 675 ou 665 ou 645°C 20 ont conduit a des duretés respectives de 22, 24, 26 ou 28 HRC (les caractéristiques mécaniques sont reportées dans le tableau V). Les essais HIC réalisés selon Ia norme NACE TM 0284 dans la solution NACE TM 0177 (pH = 3) ont indiqué une non sensibilité it la fissuration en gradin pour ces différentes duretés. 25 Le comportement SSCC a été établi selon la norme TMOl77 méthode C, c'est-a- dire sous sollicitation dite "ring". Dans la méthode C, les anneaux ont été réalisés de sorte que les échantillons incurvés par déformation plastique, présentent, en l'absence de forces extérieures, une courbure correspondante E1 celle du fil d'armure spiralé pour former une nappe d'armure du type vo?te de pression de diamétre intérieur 4 pouces (101,6 mm). ?CA 02265573 1999-03-08 26 W0 98l10113 PCT/FR97/01578 â' Pour la contrainte d'essai de 500 MPa (70% Rp0,2), le fil de dureté 26 HRC ne sâest pas rompu ni fissuré au bout des 30 jours d'essai. Pour la contrainte d'essai de 600 MPa (87% Rp0,2), le fil de dureteâ 24 HRC ne s'est pas rompu ni fissuré au bout des 30 jours dâessai.
