CA2801012C

CA2801012C - Acier faiblement allie a limite d'elasticite elevee et haute resistance a la fissuration sous contrainte par les sulfures

Info

Publication number: CA2801012C
Application number: CA2801012A
Authority: CA
Inventors: Laurent Delattre; Herve Marchebois; Michel Piette; Christoph Bosch; Michaela Hoerstemeier; Joachim Konrad
Original assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: CN102939400A; WO2011151186A1; AU2011260493B2; EA201270785A1; EP2593574B1; US20130061988A1; AR081190A1; BR112012030817A8; FR2960883A1; AU2011260493A1; JP2013534563A; UA106660C2; US9273383B2; FR2960883B1; EP2593574A1; CA2801012A1; MX2012014058A; EA023196B1; CN102939400B; SA111320502B1

Abstract

Acier contenant, en poids, C : de 0,3 à 0,5%, Si : de 0,1 à 1%, Mn : inférieur ou égal à 1%, P : inférieur ou égal à 0,03%, S : inférieur ou égal à 0,005%, Cr : de 0,3 à 1%, Mo : de 1 à 2%, W : de 0,3 à 1%, V : de 0,03% à 0,25%, Nb : de 0,01 à 0,15%, A1 : de 0,01 à 0,1%, le reste de la composition chimique de l'acier étant constitué de Fe et des impuretés ou des résiduels résultants des ou nécessaires aux procédés d'élaboration et de coulée de l'acier. L'acier permet de fabriquer des tubes sans soudure pour puits d'hydrocarbures dont la limite d'élasticité après traitement thermique est supérieure ou égale à 862 MPa, voire à 965 MPa.

Description

ACIER FAIBLEMENT ALLIE A LIMITE D'ELASTICITE ELEVEE ET
HAUTE RESISTANCE A LA FISSURATION SOUS CONTRAINTE PAR LES
SULFURES
L'invention concerne les aciers faiblement alliés à limite d'élasticité élevée qui possèdent une excellente tenue à la fissuration sous contrainte par les sulfures.
L'invention vise à notamment à s'appliquer à des produits tubulaires pour les puits d'hydrocarbures contenant du sulfure d'hydrogène (H1S).
Avec l'exploration et le développement de puits d'hydrocarbures de plus en plus profonds soumis à des pressions de plus en plus fortes, à des températures de plus en plus élevées et à des milieux de plus en plus corrosifs chargés notamment en sulfure d'hydrogène, la nécessité d'utiliser des tubes en acier faiblement allié
présentant à la fois une limite d'élasticité élevée et une haute résistance à la fissuration sous contrainte induite par les sulfures ne cesse d'augmenter.
En effet, la présence de sulfure d'hydrogène H2S est responsable d'une forme dangereuse de fissuration des aciers faiblement alliés à limite d'élasticité
élevée connue sous le nom de fissuration sous contrainte par les sulfures ou SSC
(Sulfide Stress Cracking) qui peut affecter aussi bien les tubes de cuvelage (casing) que ceux de production (tubing), les tubes pour colonnes montantes sous-marines (riser) ou les tiges de forage (drill pipe) et les produits associés. Le sulfure d'hydrogène est en outre un gaz mortel pour l'homme à des doses de quelques dizaines de parties par millions (ppm) et il est impératif qu'il ne puisse s'échapper suite à des fissurations ou à des ruptures des tubes. La résistance à la SSC est donc d'une importance toute particulière pour les compagnies pétrolières puisqu'elle met en jeu la sécurité des hommes et du matériel.
Les dernières décennies ont ainsi vu le développement successif d'aciers faiblement alliés résistants à l'H2S avec des limites d'élasticité minimum spécifiées de plus en plus élevées : 551 MPa (80 ksi), 620 MPa (90 ksi), 655 MPa (95 ksi) et plus récemment 758 MPa (110 ksi), voire 862 MPa (125 ksi).

2 Aujourd'hui, la profondeur des puits d'hydrocarbures atteint souvent plusieurs milliers de mètres et le poids des colonnes de tubes traités pour des niveaux standards de limite d'élasticité est alors très important. Les pressions des réservoirs d'hydrocarbures peuvent en outre être très élevées, de l'ordre de plusieurs centaines de bars et la présence d'H2S, même à des niveaux relativement faibles de l'ordre de 10 à
100 ppm, engendre des pressions partielles de l'ordre de 0,001 à 0,1 bar, suffisantes lorsque le pH est faible pour engendrer si le matériau de tubes n'est pas adapté des phénomènes de SSC. Aussi, l'utilisation d'aciers faiblement alliés combinant une limite d'élasticité minimum spécifiée de 862 MPa (125 ksi) ou mieux de 965 MPa (140 ksi) à une bonne résistance à la SSC serait-elle particulièrement bienvenue dans de telles colonnes de tubes.
C'est pourquoi on a cherché à obtenir un acier faiblement allié présentant à
la fois une limite d'élasticité minimum spécifiée de 862 MPa (125 ksi) et préférentiellement de 965 MPa (140 ksi) et une bonne tenue à la SSC, ce qui est difficile car il est bien connu que la résistance à la SSC d'aciers faiblement alliés diminue lorsque leur limite d'élasticité augmente.
La demande de brevet EP1862561 propose un acier faiblement allié avec une limite d'élasticité élevée (supérieure ou égale à 862 MPa) et une résistance à
la SSC
excellente en divulguant une composition chimique associée avantageusement à
un traitement thermique de transformation isotherme bainitique dans la plage de température 400-600 C.
Pour obtenir un acier faiblement allié avec une limite d'élasticité élevée, il est bien connu de réaliser un traitement thermique de trempe et revenu à
relativement basse température (inférieure à 700 C) sur un acier allié au Cr-Mo. Cependant, d'après la demande de brevet EP1862 561, un revenu à basse température favorise une densité
de dislocations élevée et la précipitation de gros carbures M23C6 aux joints de grains conduisant à une mauvaise tenue à la SSC. La demande de brevet EP 1892561 propose alors pour améliorer la résistance à la SSC d'augmenter la température de revenu pour diminuer la densité de dislocations et de limiter la précipitation de gros carbures aux joints de grains par une limitation de la teneur conjointe en (Cr+Mo) à une valeur

3 comprise entre 1,5 et 3%. Mais la limite d'élasticité de l'acier risquant alors de diminuer du fait de la température élevée de revenu, la demande de brevet EP
1 862 561 propose d'augmenter la teneur en C (entre 0.3 et 0.6%) associée à
une addition suffisante en Mo et V (respectivement supérieure ou égale à 0,5% et entre 0,05 et 0,3 'A) pour obtenir une précipitation de fins carbures MC.
Cependant, une telle augmentation de la teneur en C risquant d'engendrer des tapures de trempe avec les traitements thermiques classiques appliqués (trempe eau +
revenu), la demande de brevet EP1862561 propose un traitement thermique de transformation bainitique isotherme dans la plage de température 400-600 C qui permet d'éviter d'une part des tapures lors de la trempe à l'eau des aciers à teneurs en carbone élevées et d'autre part des structures mixtes martensite-bainite considérées comme néfastes pour la SSC en cas de trempe plus douce, par exemple à l'huile.
La structure bainitique obtenue (équivalente, d'après la demande de brevet EP1862561, à la structure martensitique obtenue par les traitements thermiques classiques de trempe + revenu) présente alors une limite d'élasticité élevée (supérieure ou égale à 862 MPa ou 125 ksi) associée à une excellente tenue à la SSC testée selon les standards NACE TM0177 méthodes A et D (National Association of Corrosion En gin eers).
Cependant la mise en oeuvre industrielle d'une telle transformation bainitique isotherme suppose une maîtrise très fine de la cinétique de traitement pour ne pas déclencher d'autres transformations (martensitique ou perlitique). De plus, en fonction de l'épaisseur du tube, la quantité d'eau utilisée pour la trempe varie, ce qui nécessite la mise en place d'un contrôle des vitesses de refroidissement des tubes pour obtenir une structure monophasée bainitique.
On a cherché par la présente invention à réaliser une composition d'acier faiblement allié :
- apte à être traité thermiquement pour atteindre une limite d'élasticité
supérieure ou égale à 862 MPa (125 ksi) et préférentiellement supérieure ou égale à 965 MPa (140 ksi),

4 - dont la résistance à la SSC testée selon le standard NACE TM0177 méthode A mais avec des pressions partielles d'H2S de=0,03 bar est excellente pour les niveaux de limite d'élasticité indiqués ci-dessus, - et qui ne nécessite pas une installation industrielle de trempe isotherme bainitique, occasionnant ainsi un coût de production de tubes sans soudure inférieur à
celui mise en uvre par le document EP1 862561.
Selon l'invention, l'acier contient en poids :
C: de 0,3 à 0,5%
Si: de 0,1 à 1%
Mn: inférieur ou égal à 1%
P: inférieur ou égal à 0,03%
S : inférieur ou égal à 0,005%
Cr: de 0,3 à 1%
Mo: de 1 à 2%
W: de 0,3 à 1%
V: de 0,03 à 0,25%
Nb: de 0,01 à 0,15 A.
Ai: de 0,01 à 0,1%
Le reste de la composition chimique de cet acier est constituée de fer et des impuretés ou des résiduels résultants des ou nécessaires aux procédés d'élaboration et de coulée de l'acier.
Selon un aspect, l'acier contient en poids :
C: de 0,3 à 0,5%
Si: de 0,1 à 1%
Mn: inférieur ou égal à 1%
P: inférieur ou égal à 0,03%
S : inférieur ou égal à 0,005%
Cr: de 0,3 à 1%
Mo: de 1 à 2%
W: de 0,3 à 1%
V: de 0,03 à 0,25%

=
4a Nb: de 0,01 à 0,15%
Ai: de 0,01 à 0,1%, et Fe, dans lequel une microstructure de l'acier consiste en une structure martensique, et dans lequel Ti n'est pas ajouté volontairement et est une impureté issue de la production de l'acier de telle sorte que la teneur en Ti est inférieure ou égale à
0,005%.
L'influence des éléments de la composition chimique sur les propriétés de l'acier est la suivante:
CARBONE : 0,3% à 0,5%
La présence de cet élément est indispensable à l'amélioration de la trempabilité de l'acier et permet l'obtention des caractéristiques mécaniques élevées recherchées. Les inventeurs ont en outre constaté que des teneurs relativement élevées en carbone procuraient une meilleure résistance à la SSC, sans qu'un tel comportement soit identifié ni que sa raison en soit connue. Une teneur inférieure à 0,3% ne permet d'atteindre la limite d'élasticité souhaitée (supérieure ou égale à 140 Ksi) que pour des températures relativement basses de revenu, ce qui n'est pas favorable pour garantir une résistance suffisante à la SSC. En revanche, si la teneur en carbone excède 0,5%, d'une part, le traitement thermique, notamment la trempe martensitique dans un milieu

5 moins sévère que l'eau, devient difficile à gérer sur des tubes de grande longueur (10 à
mètres) et, d'autre part, la quantité de carbures formés lors du revenu devient excessive et peut conduire à une détérioration de la résistance à la SSC.
Si l'on ne dispose que d'une installation de trempe à l'eau, il sera préférable de choisir 10 une teneur en carbone vers le bas de la fourchette indiquée ci-dessus pour éviter les tapures de trempe : par exemple on choisira une teneur en carbone comprise entre 0,32% et 0,38%.
Si l'on dispose d'une installation de trempe à l'aide d'un fluide de trempe dont la caractéristique de sévérité de trempe est inférieure à celle de l'eau (par exemple, trempe à l'huile ou trempe à l'eau additionnée de polymères), il sera avantageux de choisir une teneur en carbone vers le haut de fourchette indiquée ci-dessus :
par exemple on choisira une teneur en carbone comprise entre 0,38% et 0,46% et de préférence une teneur en carbone comprise entre 0,40 et 0,45%.
SILICIUM : 0,1% à 1%
Le silicium est un élément désoxydant de l'acier liquide. Une teneur d'au moins 0,1%
permet un tel effet. Le silicium s'oppose également à l'adoucissement au revenu et contribue de ce fait à améliorer la résistance à la SSC. Au delà de 0,5% il est souvent écrit que cet élément conduit à la détérioration de la résistance à la SSC.
Cependant les inventeurs ont constaté que la teneur en Si pouvait atteindre 1% sans atteindre d'effet défavorable sur la résistance à la SSC. C'est pourquoi sa teneur est fixée entre 0,1% et 1%. Une fourchette comprise entre 0,5 et 1% a même pu se révéler intéressante en combinaison avec les autres éléments de la composition selon l'invention.
MANCANESE : inférieur ou égal à 1%
Le manganèse est un élément qui améliore la forgeabilité de l'acier et qui favorise sa trempabilité. Au delà de 1%, il donne cependant lieu à des ségrégations néfastes à la

6 résistance à la SSC. C'est pourquoi sa teneur maximale est fixée à 1% et préférablement à 0,5%.. Pour éviter les problèmes de forgeabilité (brûlure), sa teneur minimale est préférablement fixée à 0,2%.
PHOSPHORE : inférieur ou égal à 0,03% (impureté) Le phosphore est une impureté qui dégrade la résistance à la SSC par sa ségrégation aux joints de grains. C'est pourquoi sa teneur est limitée à 0,03%,.
SOUFRE : inférieur ou égal à 0,005% (impureté) Le soufre est une impureté qui forme des inclusions néfastes à la résistance à
la SSC et qui peut aussi ségréger aux joints de grains. L'effet devient sensible au-delà
de 0,005%. C'est pourquoi sa teneur est limitée à 0,005% et de préférence à un niveau extrêmement bas tel que 0,003%.
CHROME : 0,3 A à 1%
Le chrome est un élément utile pour améliorer la trempabilité et les caractéristiques mécaniques de l'acier et augmenter sa résistance à la SSC. C'est pourquoi sa teneur minimale est fixée à au moins 0,3%. 11 convient toutefois de ne pas dépasser une teneur de 1% pour éviter une dégradation de la résistance à la SSC.
C'est pourquoi sa teneur est fixée entre 0,3% et 1%. Les limites inférieure et supérieure préférées sont respectivement égales à 0,3% et 0,8% et très préférablement respectivement égales à 0,4 et 0,6%.
MOLYBDENE : 1% à 2%
Le molybdène est un élément utile pour améliorer la trempabilité de l'acier et permet également d'augmenter la température de revenu de l'acier. Les inventeurs ont constaté un effet particulièrement favorable de teneurs en Mo supérieures ou égales à
1%. En revanche si la teneur en cet élément excède 2%, il tend à favoriser la formation de composés grossiers après revenu poussé au détriment de la résistance à la SSC.
C'est pourquoi sa teneur est fixée entre 1% et 2%. La plage préférentielle se situe entre 1,2% et 1,8%, et très préférentiellement entre 1,3% et 1,7%.

7 TUNGSTENE : 0,3% à 1%
Tout comme le molybdène, le tungstène est un élément qui améliore la trempabilité et la résistance mécanique de l'acier. C'est un élément important de l'invention qui permet non seulement de tolérer une teneur notable en Mo sans entrainer la précipitation des gros carbures M23C6 et de carbures ksi lors d'un revenu poussé mais au contraire de favoriser une précipitation fine et homogène de micro-carbures MC en limitant leur grossissement grâce à son faible coefficient de diffusion. Par son effet, le tungstène permet ainsi d'augmenter la teneur en molybdène pour relever la température de revenu et donc de baisser la densité de dislocations et d'améliorer la résistance à la SSC. Une teneur d'au moins 0,3% est fixée à cet effet. Au-delà
de 1%
son effet n'évolue plus. C'est pourquoi la teneur en Mo est fixée entre 0,3%
et 1%. Les limites inférieure et supérieure préférées sont respectivement égales à 0,4%
et 0,7%.
VANADIUM : 0,03% à 0,25%
Comme le molybdène, le vanadium est un élément utile pour améliorer la résistance à
la SSC en formant de fins micro-carbures MC qui permettent de relever la température de revenu de l'acier. Il doit être présent à au moins 0,03% pour exprimer son effet.
Toutefois une précipitation trop abondante de ces carbures tend à fragiliser l'acier.
C'est pourquoi sa teneur est limitée à 0,25%. Les inventeurs ont constaté une influence conjointe des éléments Nb et V. Lorsque la teneur en Nb est relativement faible (0,01% à 0,03%), la plage préférentielle de teneur en V se situe entre 0,1 et 0,25% et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,2%..
NIOBIUM : 0,01% à 0,15%
Le niobium est un élément d'addition qui forme avec le carbone et l'azote des carbonitrures dont l'effet d'ancrage contribue efficacement à affiner le grain lors de l'austénitisation. Aux températures usuelles d'austénitisation, les carbonitrures sont partiellement dissous et le niobium a un effet durcissant (ou retardateur sur l'adoucissement) par précipitation de carbonitrures au revenu plus faible que le vanadium. Par contre les carbonitrures non dissous ancrent efficacement les joints de grains austénitiques lors de l'austénitisation et permettent ainsi d'obtenir un grain austénitique très fin avant trempe, ce qui a un effet très favorable sur la limite d'élasticité et sur la résistance à la SSC. Les inventeurs sont en outre d'avis que cet

8 effet d'affinage du grain austénitique est augmenté par une double opération de trempe. Pour que l'effet du niobium s'exprime, cet élément doit être présent à
au moins 0,01%. Cependant, à plus de 0,15% les carbonitrures de Nb sont trop abondants et relativement grossiers, ce qui n'est pas favorable pour la résistance à la SSC.
Lorsque la teneur en V est relativement élevée (0,1 à 0,25%), la plage préférentielle de teneur en Nb se situe entre 0,01% et 0,03%.
VANADIUM + 2xNIOBIUM : optionnellement compris entre 0,10 et 0,35%
Les inventeurs ont constaté une influence conjointe des éléments V et Nb sur le retard au revenu et donc sur la résistance à la SSC. On peut ajouter davantage de Niobium lorsque la teneur en V est relativement basse (autour de 0,04%) et réciproquement (effet de bascule entre ces éléments). Pour exprimer cette influence conjointe des éléments Nb et V, les inventeurs ont optionnellement introduit une limitation sur la somme V+2.Nb qui peut être comprise entre 0,10% et 0,35% et préférentiellement entre 0,12 et 0,30%.
ALUMINIUM : 0,01% à 0,1%
L'aluminium est un puissant désoxydant de l'acier et sa présence favorise également la désulfuration de l'acier. Il est ajouté à une teneur d'au moins 0,01% pour cela.
Cependant, à plus de 0,1%, d'une part, on n'améliore plus sensiblement la désoxydation et la désulfuration de l'acier et, d'autre part, on tend à former des nitrures d'Al grossiers et néfastes. C'est pourquoi la limite supérieure de teneur en Al est fixée à 0,1%. Les limites inférieure et supérieure préférées sont respectivement égales à
0,01% et 0,05%.
TITANE : (impureté) Une teneur en Ti supérieure à 0,01% favorise la précipitation de nitrures de titane TiN
dans la phase liquide de l'acier et peut conduire à la formation de gros précipités TiN
néfastes à la résistance à la SSC. Des teneurs en Ti inférieures ou égales à
0,01%
peuvent être des impuretés issues de l'élaboration de l'acier liquide et non pas résulter d'une addition volontaire. Des teneurs aussi basses n'ont d'ailleurs pas d'effet néfaste sur la résistance à la SSC pour des teneurs en azote faibles (inférieures ou égales à

9 0,01%) d'après les inventeurs. De préférence la teneur maximale en impureté Ti est limitée à 0,005%.
AZOTE : (impureté) Une teneur en azote supérieure à 0,01% est susceptible de diminuer la résistance à la SSC de l'acier. Sa teneur est donc de préférence maintenue inférieure à 0,01%.
BORE : impureté
Cet élément très avide d'azote améliore énormément la trempabilité lorsqu'il est dissous dans l'acier Pour obtenir cet effet il est nécessaire d'ajouter du bore à des niveaux d'au moins 10 ppm (10-4%).
Les aciers micro-alliés au bore contiennent généralement du titane pour fixer l'azote sous forme de composés TiN et laisser le bore disponible.
Les inventeurs ont trouvé à l'occasion de la présente invention que, pour des aciers à
très haute limite d'élasticité devant résister à la SSC, une addition en bore n'était pas nécessaire dans l'acier selon l'invention, voire pouvait être nuisible. Le bore est donc sous forme d'une impureté dans l'acier selon l'invention.
EXEMPLE DE MODE DE REALISATION
Deux coulées de laboratoire de 100 Kg chacune repérées A et B en acier selon l'invention ont été élaborées puis façonnées par laminage à chaud en plats de largeur 160 mm et d'épaisseur 12 mm.
A titre de comparaison, une coulée de laboratoire repérée C en dehors des fourchettes de composition de la présente invention a également été élaborée et transformée en.
plats similaires à ceux des coulées A et B.
Le tableau 1 fournit la composition chimique sur produit (plat laminé) des trois coulées testées (tous les % sont exprimés en poids).

Repère C Si Mn P S Cr Mo W V
A 0,43 0,79 0 0,010 0,003 0,50 1,46 0.64 0,20 ____________ 0,34 0,36 0,39 0,011 0,003 0,49 1,29 0,52 0,10 C* 0,33 0,37 0,38 0,011 0,003 0,98 1,50 0,008* 0,05 Repère Nb V+2Nb Al N Ti A 0,019 0,24 0,03 0,0045 0,002 0,0005 0,021 0,14 0,02 0,0023 0,002 0,0005 C* 0,081 0,21 0,02 0,0031 0,009 0,0012*
* exemple comparatif Tableau 1 Les coulées A et B présentent une forte teneur en V et une faible teneur en Nb et la 5 coulée C une balance opposée pour ces éléments.
La coulée B est une variante de la coulée A à plus basse teneur en C et Si.
La coulée C ne contient pas de W mais contient une addition de Ti et de bore.
La coulée A a fait l'objet d'essais dilatométriques pour détermination des points de transformation au chauffage Acl et Ac3, des températures Ms et Mf de transformation martensitique et de la vitesse critique de trempe martensitique.
Acl= 765 C Ac3=880 C Ms= 330 C MF 200 C
Le point Acl est élevé et permet d'effectuer un revenu à température élevée.
La structure obtenue avec une vitesse de refroidissement de 20 C/s est entièrement martensitique et présente 15% de bainite pour une vitesse de refroidissement de 7 C/s.
La vitesse critique de trempe martensitique est ainsi voisine de 10 C/s.
Le tableau 2 indique les valeurs de limite d'élasticité Rp0,2 et résistance mécanique à
la rupture Rm obtenues sur les plats des diverses coulées après traitement thermique de double trempe et revenu.
On a effectué deux opérations de trempe à des températures voisines de 950 C
pour tenter de mieux affiner la taille de grains austénitiques et un revenu entre les deux opérations de trempe pour éviter de générer des tapures de trempe entre ces opérations.

Le revenu final a été effectué entre 680 C et 730 C selon les repères A à C
pour obtenir une valeur de limite d'élasticité supérieure ou égale à 965 MPa (140 ksi).
Repère Produit / Traitement Limite Résistance à Rp0,2/Rm épaisseur thermique d'élasticité la rupture (mm) (**) MPa (ksi) MPa (ksi) A Plat laminé/ TE+R+TE+R 1005 (146) 1051 (152) 0,96 12 mm Plat laminé/ TE+R+TE+R 1010 (147) 1078 (156) 0,94 12 mm C* Plat laminé/ TE+R+TE+R 995 (144) 1066 (155) 0,93 12 mm * exemple comparatif ** TE = trempe eau ; R = revenu Tableau 2 Les valeurs de résistance mécanique Rm sont très voisines de celles de limite d'élasticité (rapport Rp0,2/Rm voisin de 0,95), ce qui est favorable à la résistance à la SSC. Il est vraisemblablement souhaitable que Rm soit inférieur ou égal à 1150 MPa et préférablement à 1120 voire à 1100 MPa pour favoriser la résistance à la SSC.
La taille de grains austénitiques antérieurs à la seconde opération de trempe a été
mesurée et le tableau 3 présente les résultats obtenus.
repère Taille de grains austénitique selon ASTM E112 * exemple comparatif Tableau 3 Dans tous les cas les grains sont très fins et cette taille de grains résulte probablement des effets bénéfiques d'une double trempe.
Le tableau 4 présente les valeurs moyennes de trois empreintes de dureté
Rockwell C
(HRc) réalisées sur les échantillons traités selon tableau 2 à trois localisations différentes : près de chacune des surfaces et à mi-épaisseur des plats.
repère Dureté HRc surface l mi-épaisseur surface 2 A 34,2 34,5 34,5 33,9 34,9 34,1 C* 33,6 33,3 34,0 * exemple comparatif Tableau 4 On note peu de variation de dureté dans l'épaisseur des plats (au plus 1 HRc) ce qui dénote une trempe martensitique de toute l'épaisseur des plats.
Les valeurs maximales du tableau sont voisines de l'ordre de 35 HRc et une valeur maximale de 36 HRc peut apparaître souhaitable pour favoriser la SSC.
Le tableau 5 présente les valeurs moyennes de résultats d'essais de résilience Charpy V à basse température (-20 C et -40 C) sur éprouvettes prélevées en sens longitudinal des plats de la coulée A traités selon tableau 2.
repère KV (J) à -40 C KV (J) à -20 C

Tableau 5 Les valeurs obtenues sont toutes supérieures à 27 J (valeur d'énergie correspondant au critère de la spécification API 5CT) à -40 C.
Le tableau 6 présente les résultats des essais pour évaluer la résistance à la SSC selon la méthode A de la spécification NACE TM0177.

Les éprouvettes d'essai sont des éprouvettes cylindriques de traction prélevées sur les tubes en sens longitudinal à mi-épaisseur des plats traités selon tableau 2 et usinées selon la spécification NACE TM0177 méthode A.
Le bain d'essai utilisé est de type EFC 16 (Fédération Européenne de Corrosion). La solution aqueuse est composée de 5% de chlorure de sodium (NaC1) et de 0.4%
d'acétate de sodium (CH3COONa) avec un barbotage continu du mélange de gaz 3%
H2S / 97% CO2 à 24 C ( 3 C) et ajustée à un pH de 3.5 à l'aide d'acide chlorhydrique (HC1).
La contrainte de chargement est fixée à 85% de la limite d'élasticité minimum spécifiée (SMYS), c'est-à-dire 85% de 965 MPa soit 820 MPa. Trois éprouvettes sont testées dans les mêmes conditions d'essais compte tenu de la relative dispersion de ce type d'essais.
La résistance à la SSC est jugée bonne (symbole 0) en l'absence de rupture d'au moins deux éprouvettes au bout de 720h et mauvaise (symbole X) s'il y a rupture avant les 720h dans la partie calibrée d'au moins deux éprouvettes sur les trois testées.
Les essais sur le repère A ont été doublés.
Essais NACE Méthode A
Rp0,2 environnement contrainte appliquée résultat Repère (MPa) contrainte de valeur en pH H2 S ( % ) chargement MPa (ksi) A**
720h ) A** 1005 3,5 3 85% SMYS 820(119) 1010 3,5 3 85% SMYS 820(119) X
C* 995 3.5 3 85% SMYS 820 (119) X
* exemple comparatif ** essais doublés Tableau 6 Les résultats obtenus sur les repères A et B en acier selon l'invention traité
à des niveaux de 1005 et 1010 MPa passent les essais contrairement à ceux sur le repère C
en acier comparatif traité à 995 MPa.
L'acier selon l'invention vise particulièrement à s'appliquer à des produits destinés à
l'exploration et à la production de gisements d'hydrocarbures tels que, par exemple, des tubes de cuvelage (casing), des tubes de production (tubing), des tubes pour colonnes montantes sous-marines (risers), des tiges de forage, des tiges lourdes de forage, des masse-tiges ou encore à des accessoires pour les produits précédents.

Claims

REVENDICATIONS

1. Acier faiblement allié à limite d'élasticité élevée et excellente tenue à la fissuration sous contrainte induite par les sulfures, comprenant en poids :
C : de 0,3 à 0,5%
Si : de 0,1 à 1%
Mn : inférieur ou égal à 1%
P : inférieur ou égal à 0,03%
S : inférieur ou égal à 0,005%
Cr : de 0,3 à 1%
Mo : de 1 à 2%
W : de 0,3 à 1%
V : de 0,03 à 0,25%
Nb : de 0,01 à 0,15%
Al : de 0,01 à 0,1%, le reste de la composition chimique de cet acier étant constitué de Fe et des impuretés ou des résiduels résultants des ou nécessaires aux procédés d'élaboration et de coulée de l'acier.

2. Acier selon la revendication 1, dans lequel la teneur en C est comprise entre 032% et 0,38%.

3. Acier selon la revendication 1, dans lequel la teneur en C est comprise entre 0,40% et 0,45%.

4. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la teneur en Mn est comprise entre 0,2% et 0,5%.

5. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur en Cr est comprise entre 0,3% et 0,8%.

6. Acier selon la revendication I, dans lequel la teneur en Mo est comprise entre 1,2% et 1,8%.

7. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la teneur en W est comprise entre 0,4% et 0,7%.

8. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la teneur en V est comprise entre 0,1% et 0,25%, et la teneur en Nb est comprise entre 0,01 % et 0,03%.

9. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la teneur en V
+ 2.Nb est comprise entre 0, 10% et 0,35%.

10. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la teneur en impureté Ti est inférieure ou égale à 0,005%.

11. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la teneur en impureté N est inférieure ou égale à 0,01%,

12. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, étant traité
thermiquement par trempe et revenu pour que sa limite d'élasticité soit supérieure ou égale à 862 MPa (125 ksi).

13. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, étant traité
thermiquement par trempe et revenu pour que sa limite d'élasticité soit supérieure ou égale à 965 MPa (140 ksi).

14. Acier selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le traitement thermique comprend deux opérations de trempe.

15. Acier faiblement allié, comprenant en poids :
C : de 0,3 à 0,5%
Si : de 0,1 à 1%
Mn : inférieur ou égal à 1%
P : inférieur ou égal à 0,03%
S : inférieur ou égal à 0,005%

Cr: de 0,3 à 1%
Mo: de 1 à 2%
W : de 0,3 à 1%
V : de 0,03 à 0,25%
Nb : de 0,01 à 0,15%
Al : de 0,01 à 0,1%, et Fe, dans lequel une microstructure de l'acier consiste en une structure martensique, et dans lequel Ti n'est pas ajouté volontairement et est une impureté issue de la production de l'acier de telle sorte que la teneur en Ti est inférieure ou égale à
0,005%.

16. Acier selon la revendication 15, dans lequel la teneur en C est comprise entre 0,32% et 0,38%.

17. Acier selon la revendication 15, dans lequel la teneur en C est comprise entre 0,40% et 0,45%.

18. Acier selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, dans lequel la teneur en Mn est comprise entre 0,2% et 0,5%.

19. Acier selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, dans lequel la teneur en Cr est comprise entre 0,3% et 0,8%.

20. Acier selon l'une quelconque des revendications 15 à 19, dans lequel la teneur en V est comprise entre 0,1% et 0,25%, et la teneur en Nb est comprise entre 0,01 % et 0,03%.

21. Acier selon l'une quelconque des revendications 15 à 20, dans lequel la teneur en V + 2.Nb est comprise entre 0, 10% et 0,35%.

22. Acier selon la revendication 15, dans lequel N n'est pas ajouté
volontairement et est une impureté issue de la production de l'acier de telle sorte que la teneur en N
est inférieure ou égale à 0,01%.

23. Acier selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, étant traité
thermiquement par trempe et revenu pour que sa limite d'élasticité soit supérieure ou égale à 862 MPa (125 ksi).

24. Acier selon l'une quelconque des revendication 15 à 23, étant traité
thermiquement par trempe et revenu pour que sa limite d'élasticité soit supérieure ou égale à 965 MPa (140 ksi).

25. Acier selon la revendication 23 ou 24, dans lequel le traitement thermique comprend deux opérations de trempe.

26. Acier selon la revendication 15, ayant une limite d'élasticité
supérieure ou égale à 862 MPa (125 ksi), et lorsque testé dans un bain de type Fédération Européenne de Corrosion (EFC) type 16 pour la fissuration sous contrainte par les sulfures, des spécimens ne présentant pas de rupture après 720 h sont obtenus.