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

Recommandation