FR2891364A1 - High grade steel acceptance test method for e.g. gas pipeline, involves fabricating test piece having traction of specific width, and elongating piece so as to place metal in state representative of metal state of pipe after fabrication - Google Patents
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Abstract
Description
Le domaine de la présente invention concerne l'industrie de fabrication deThe field of the present invention relates to the manufacturing industry of
tubes en acier pour gazoduc, et en particulier dans le cadre d'utilisation de haut grade d'acier. steel pipe for pipeline, and especially in the framework of using high grade steel.
La mise sur le marché de tubes en acier pour gazoduc nécessite d'avoir à disposition un test de recette des aciers sous forme d'essai mécanique permettant d'établir la résistance à la rupture brutale des tubes fabriqués à partir de ces aciers. The placing on the market of steel pipes for pipelines requires the availability of a test for the acceptance of steels in the form of a mechanical test to establish the resistance to sudden failure of tubes made from these steels.
A ce jour, ce rôle est tenu par l'essai Charpy. Il mesure la résilience 15 du métal, c'est-à-dire l'énergie nécessaire pour casser par choc lent une éprouvette entaillée calibrée de section nette 0,8 cm2. To this day, this role is held by the Charpy trial. It measures the resilience of the metal, i.e., the energy required to break by slow shock a calibrated notch specimen of 0.8 cm2 net section.
Dans le cadre des gazoducs, l'utilisateur souhaite avoir le maximum de garanties que la nature du métal des conduites en service est telle que, si par malheur une rupture en service s'amorce, celle-ci s'arrête rapidement. In the context of pipelines, the user wishes to have the maximum guarantees that the nature of the metal pipes in service is such that, if unfortunately a break in service begins, it stops quickly.
Jusqu'au grade d'acier X70, voire X80, (les grades X70, X80, X100, etc... désignent une nuance d'acier au carbone faiblement allié, selon les normes de l'American Petroleum Institute API- dans lesquelles le nombre donne la limite d'élasticité de l'acier considéré en ksi (1 ksi=6,89 MPa), l'essai Charpy permet d'obtenir une corrélation d'une qualité suffisante entre la résilience ainsi mesurée et les expériences 2891364 2 d'arrêt de fissuration axiales à échelle 1. Toutefois, on observe que, plus le grade de l'acier augmente, plus la précision de la corrélation se dégrade. Up to the grade of steel X70, or even X80, (grades X70, X80, X100, etc ... denote a grade of low alloy carbon steel, according to the standards of the American Petroleum Institute API- in which the number gives the elastic limit of the steel considered in ksi (1 ksi = 6.89 MPa), the Charpy test makes it possible to obtain a correlation of a sufficient quality between the resilience thus measured and the experiments 2891364 2 d However, it is observed that the higher the grade of the steel, the more the accuracy of the correlation deteriorates.
Au-dessus du grade X80, l'industrie estime qu'une corrélation entre l'essai Charpy et l'essai de fissuration à l'échelle 1 ne peut plus être trouvé. Le remplacement de l'essai Charpy par l'essai "Battelle Drop Weight Tear Test (BDWTT)", dans lequel l'éprouvette est beaucoup plus lourde, n'est pas plus satisfaisant. On pourra se référer à la publication suivante: BUZZICHELLI, G (2000). "Designing Against Ductile Fracture Propagation in High Strength Steel Gas Pipelines: a Review", Fracture Mechanics: Applications and Challenges, Eds. M. Fuentes, M. Elices, A. Martin-Meizoso and J.M. Martinez-Esnaola, ESIS publication 26. Above grade X80, the industry believes that a correlation between the Charpy test and the scale 1 crack test can no longer be found. Replacement of the Charpy test by the Battelle Drop Weight Tear Test (BDWTT), in which the test specimen is much heavier, is no more satisfactory. Reference can be made to the following publication: BUZZICHELLI, G (2000). "Designing Against Ductile Fracture Propagation in High Strength Steel Gas Pipelines: a Review", Fracture Mechanics: Applications and Challenges, Eds. M. Fuentes, M. Elices, A. Martin-Meizoso and J.M. Martinez-Esnaola, ESIS publication 26.
En effet, lorsque le grade d'acier augmente, on observe sur les ruptures à l'échelle 1 des basculements des trajets de fissuration, voire du délaminage en milieu de tôle. Les méthodes globales d'analyse de la mécanique de la rupture sont impuissantes à rendre compte de ce phénomène. Indeed, when the steel grade increases, it is observed on scale failures 1 tilting cracking paths, or even delamination in sheet metal. Global methods of analysis of fracture mechanics are powerless to account for this phenomenon.
Dans le cas des aciers de grade élevé, c'est à dire supérieur à X80, par exemple X100 (correspond à une limite élastique de 100000 psi ou 690 MPa), on constate également un autre phénomène. Le front de rupture se propage, en essai échelle 1, à une vitesse de l'ordre de 200 m/s. Dans un essai Charpy, ou un essai BDWTT, il se propage à environ 1 m/s. Cela représente une différence fondamentale. En effet, plus la vitesse de propagation est rapide, moins la chaleur fournie par dissipation plastique en pointe de fissure peut diffuser dans la plaque dans le temps d'avancée de la fissure d'une quantité 0 arbitraire, et plus le champ de température en pointe de fissure est élevé. On peut atteindre ainsi une température qui modifie notablement la loi de comportement de l'acier, et donc sa résistance à la fissuration. In the case of high grade steels, that is to say greater than X80, for example X100 (corresponds to an elastic limit of 100000 psi or 690 MPa), there is also another phenomenon. The breaking front propagates, in scale test 1, at a speed of the order of 200 m / s. In a Charpy test, or a BDWTT test, it spreads at about 1 m / s. This represents a fundamental difference. Indeed, the faster the speed of propagation, the less the heat provided by plastic dissipation at the crack tip can diffuse into the plate in the time of advancing the crack of an arbitrary amount, and the temperature field in crack tip is high. It is thus possible to reach a temperature that significantly modifies the law of behavior of the steel, and therefore its resistance to cracking.
2891364 3 Ainsi, la présente invention propose une méthode d'essai de réception d'un acier de haut grade destiné à la fabrication de tube, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on fabrique une éprouvette d'essai de traction de largeur 1, on étire ladite éprouvette de manière à placer le métal dans un état représentatif de celui du métal du tube après fabrication, - on réalise une entaille de profondeur a, - on effectue un essai de traction de manière à atteindre une 10 propagation de la rupture supérieure à 10 m/s, - on interprète l'essai dynamique pour déterminer la résistance du tube à la fissuration. Thus, the present invention proposes a method of test for receiving a high grade steel for the manufacture of tubes, in which the following steps are carried out: a tensile test specimen of width 1 is produced, said specimen is stretched so as to place the metal in a state representative of that of the metal of the tube after fabrication, a depth notch is made, a tensile test is carried out so as to achieve a propagation of the superior fracture. at 10 m / s, the dynamic test is interpreted to determine the resistance of the tube to cracking.
Selon l'invention, on peut utiliser un simulateur de rupture pour déterminer la largeur 1 de l'éprouvette, la profondeur a de l'entaille, en 15 fonction de la géométrie du tube et des conditions de service. According to the invention, a rupture simulator can be used to determine the width 1 of the specimen, the depth a of the notch, as a function of the tube geometry and the operating conditions.
La largeur 1 de l'éprouvette peut être telle que l'on atteint une vitesse de propagation de la rupture au moins supérieure à 40 m/s. The width 1 of the test specimen may be such that a breaking velocity of at least greater than 40 m / s is reached.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages 20 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit. The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the description which follows.
Pour suppléer aux méthodes globales d'analyse de la mécanique de la rupture, on se propose d'employer une méthode de simulation issue de l'Approche Locale de la Rupture Ductile pour analyser les phénomènes. To supplement the global methods of fracture mechanics analysis, it is proposed to use a simulation method derived from the Local Approach to Ductile Fracture to analyze the phenomena.
Alors, il faudra disposer d'une loi de comportement de l'acier. La difficulté liée à la vitesse de propagation décrite plus haut, montre qu'il 2891364 4 est nécessaire de prendre en compte de façon adaptée la montée de température et l'altération du comportement que cela entraîne. So, it will be necessary to have a law of behavior of steel. The difficulty related to the speed of propagation described above, shows that it is necessary to adequately take into account the rise in temperature and the alteration of the behavior that entails.
Toutefois, des essais de fissuration atteignant 200 m/s, s'ils sont souhaitables (notamment pour un recalage mineur de l'outil de simulation), ne sont pas indispensables. En effet, il suffit d'atteindre une vitesse V telle que le faciès caractéristique des essais à l'échelle 1 apparaisse. A titre d'exemple, sur de l'acier de grade X100, des essais ont été menés sur une machine de type D3 ARCELOR-RESEARCH, ladite machine de test est décrite notamment dans la publication suivante: - RIVALIN, F, PINEAU, A, DI FANT, M and BESSON, J (2001): "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates I. Dynamic and quasi-static experiments", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345 (référence I). However, cracking tests up to 200 m / s, if desirable (especially for a minor registration of the simulation tool), are not essential. Indeed, it suffices to reach a speed V such that the characteristic facies of the scale tests 1 appear. For example, on steel grade X100, tests were conducted on a machine type D3 ARCELOR-RESEARCH, said test machine is described in particular in the following publication: - RIVALIN, F, PINEAU, A , DI FANT, M and BESSON, J (2001): "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates." Dynamic and Near-static Experiments, "Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345 (reference I).
Ces essais ont montré qu'atteindre une vitesse de l'ordre de 40 m/s suffit pour être représentatifs en obtenant des lèvres à 45 avec ou sans délaminage. Il est également envisageable qu'une vitesse plus faible, de l'ordre de 10 m/s, soit suffisante. La machine précitée permet de charger une plaque entaillée de dimensions de l'ordre de 20x250x700 (en mm) avec une charge de l'ordre de 4 MN, la "souplesse" de la machine étant suffisamment élevée, de l'ordre de 40 kN/m, pour fournir à l'instant de la rupture l'énergie nécessaire pour que la vitesse de la pointe de fissure atteigne plusieurs dizaines de mètres par seconde. These tests have shown that reaching a speed of the order of 40 m / s is sufficient to be representative in obtaining lips at 45 with or without delamination. It is also conceivable that a lower speed, of the order of 10 m / s, is sufficient. The above-mentioned machine makes it possible to load a notched plate of the order of 20x250x700 (in mm) with a load of the order of 4 MN, the "flexibility" of the machine being sufficiently high, of the order of 40 kN / m, to provide at the moment of rupture the energy necessary for the speed of the crack tip to reach several tens of meters per second.
On est donc conduit à suivre les étapes suivantes: (a) mettre au point un outil de simulation de rupture de plaque D3 fondé sur une approche locale de la mécanique de la rupture ductile. Cette outil est à la portée de l'homme du métier, comme le montre les publications suivantes:- RIVALIN, F, PINEAU, A, DI FANT, M and 2891364 5 BESSON, J (2001): "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates - I. Dynamic and quasi-static experiments", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345, et "Ductile tearing of pipeline-steel wide plates II. Modeling of in-plane crack propagation", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 347-364. The following steps are therefore required: (a) to develop a D3 plate rupture simulation tool based on a local approach to ductile failure mechanics. This tool is within the reach of those skilled in the art, as shown in the following publications: RIVALIN, F, PINEAU, A, DI FANT, M and 2891364 BESSON, J (2001): Ductile tearing of pipeline-steel wide plates - I. Dynamic and quasi-static experiments ", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 329-345, and "Ductile tearing of pipeline-wide steel plates." Modeling of in-plane propagation crack ", Engineering Fracture Mechanics, 68, pp. 347-364.
(b) étendre cet outil à la simulation d'une rupture de tube; (c) mener les essais de type D3 sur plaques pour: (d) alimenter (a) et (b); (e) ajuster les paramètres géométriques d'une plaque adaptée à 10 l'essai de recette; On note que les étapes (a) et (b) permettent de passer de l'échelle du test visé en (e) à la situation à l'échelle 1. (b) extend this tool to the simulation of tube rupture; (c) conduct plate type D3 tests to: (d) feed (a) and (b); (e) adjusting the geometrical parameters of a plate suitable for the recipe test; It is noted that steps (a) and (b) make it possible to go from the scale of the test referred to in (e) to the situation at scale 1.
On notera qu'il est improbable que le test Charpy soit abandonné. 15 Il servira de paramètre de contrôle de dérive du procédé de fabrication avec un échantillonnage supérieur au test proposé ici. It should be noted that it is unlikely that the Charpy test will be abandoned. It will serve as a drift control parameter of the manufacturing process with sampling greater than the test proposed here.
Description d'un test de recette dynamique Description of a dynamic recipe test
Les éléments précédents justifient que l'on mette en place, auprès de la chaîne de production de tube, un test de rupture dynamique. Pour cela il faut une machine de test adaptée et une éprouvette entaillées ayant deux particularités: (i) le ligament de l'éprouvette est suffisamment grand pour que le front de fissure puisse accélérer suffisamment, et (ii) la machine est suffisamment souple pour continuer à fournir de l'énergie mécanique à l'éprouvette en cours de rupture, accélérant ainsi sa vitesse. Cela impose: É une éprouvette de taille d'autant plus grande que l'on souhaite atteindre une vitesse de fissuration élevée (environ 10 m/s, et de préférence 40 m/s pour un ligament de 200 mm), É une force maximale proportionnelle à la racine carrée de 5 cette taille (environ, car l'épaisseur de l'éprouvette est variable, étant celle de la tôle utilisée par le client), É un stockage d'énergie d'autant plus grand que l'éprouvette est grande. The above elements justify the introduction of a dynamic rupture test at the tube production line. For this purpose a suitable test machine and a notched specimen having two particularities are required: (i) the ligament of the specimen is large enough that the crack front can accelerate sufficiently, and (ii) the machine is sufficiently flexible to continue supplying mechanical energy to the specimen being broken, thus accelerating its speed. This imposes: É a larger test specimen that we want to achieve a high cracking rate (about 10 m / s, and preferably 40 m / s for a ligament of 200 mm), É maximum force proportional to the square root of this size (approximately, because the thickness of the specimen is variable, being that of the sheet used by the customer), É energy storage even greater than the specimen is big.
On effectue un essai selon l'invention suivant le processus ci-après. A test according to the invention is carried out according to the process below.
(i) A l'arrivée de la plaque d'acier chez le fabricant de tubes, on prélève une bande de longueur 1 (dans le sens de la largeur de la plaque). On prépare 3, ou 4, plaquettes dans cette bande. La valeur de 1 est à déterminée en fonction de la fabrication. (i) At the arrival of the steel plate at the tube manufacturer, a strip of length 1 (in the direction of the width of the plate) is taken. 3 or 4 platelets are prepared in this band. The value of 1 is determined according to the manufacture.
(ii) Dans une des plaquettes, on réalise l'ébauche d'une éprouvette de type D3 (selon la référence I). On soude des renforts de tête, et on alèse les trous de goupille (avec un jeu de 0,1 mm). Puis, on amincie (délardage) la partie centrale de 10 mm de chaque côté. (ii) In one of the platelets, the blank is made of a specimen D3 type (according to reference I). Head reinforcements are welded and the pin holes are sprung (0.1 mm clearance). Then, thinned (trimming) the central portion of 10 mm on each side.
(iii) On effectue un étirement jusqu'à une déformation uniformément répartie dans la section nette égale à une valeur telle que cette étape place le métal de l'éprouvette dans un état représentatif du tube après expansion mécanique. (iii) Stretching is carried out to a uniformly distributed deformation in the net section equal to a value such that this step places the metal of the test piece in a representative state of the tube after mechanical expansion.
(iv) On entaille l'éprouvette par une fente terminée par un rayon de 0,5 mm, et réalisé par électro-érosion. (iv) The specimen is scored by a slot terminated by a radius of 0.5 mm, and produced by electro-erosion.
(v) On prépare l'éprouvette (peinture, grille, fils ruptibles). (v) The test piece is prepared (paint, grid, ruptible wires).
(vi) On réalise la traction.(vi) Traction is performed.
(vii) On interpréte le résultat suivant la procédure D3. (vii) Interpret the result according to procedure D3.
(viii) On sanctionne l'essai.(viii) The test is sanctioned.
(ix) Si la sanction est négative, on pourra tester les autres plaquettes, et comparer le nouveau résultat à un nouveau critère. Toutefois, l'éprouvette étant de grande taille, on s'attend à une faible dispersion des résultats. (ix) If the penalty is negative, we can test the other boards, and compare the new result to a new criterion. However, since the test specimen is large, the results are expected to be slightly dispersed.
Certains paramètres essentiels du test sont à déterminer en fonction de l'application. Le paragraphe ci-dessous expose une méthode pour les déterminer. En particulier: É la largeur nette (délardée) de l'éprouvette 1; 10 É la pré déformation; É la profondeur de l'entaille; É les critères de sanction. Some essential parameters of the test are to be determined according to the application. The paragraph below describes a method for determining them. In particular: É the net width (delicately) of specimen 1; 10 pre-deformation; The depth of the cut; É the criteria of sanction.
C'est l'objet de la présente invention de définir une méthodologie 15 pour fixer les différents paramètres. It is the object of the present invention to define a methodology for setting the various parameters.
É Création d'un outil logiciel de simulation de rupture sur une grande distance, sur plaque puis sur tube. É Creation of a software tool for simulation of rupture over a long distance, on a plate and then on a tube.
É Calage de l'outil par simulation d'essais centimétriques, décimétriques et échelle 1. Calibration of the tool by simulation of centimetric, upright and scale tests 1.
É Optimisation des paramètres de l'essai en prenant en compte les éléments technico-économiques par le biais de la simulation, et établissement de critères approchés. É Optimization of test parameters by taking into account techno-economic elements through simulation, and establishing approximate criteria.
É Utilisation d'essais décimétriques D3 et d'essais échelle 1 pour obtenir des critères précis. É Use of D3 UHF and Scale 1 tests to obtain precise criteria.
Il apparaît que le présent test est clairement d'une mise en oeuvre plus complexe que le test Charpy, et d'un coût plus élevé. Il convient donc de donner quelques éléments technico-économiques. It appears that the present test is clearly of a more complex implementation than the Charpy test, and of a higher cost. It is therefore necessary to give some technical and economic elements.
Il est raisonnable d'estimer qu'un marché pour un gazoduc de grand débit (30 G(n)m3/an), de longueur approximative 3000 km, et d'une masse environ 3 Mt, représentant 3 G , serait partitionné en environ trois fournisseurs de 1 Mt pour 1 G . Cette quantité d'acier représente 3000 coulées de 333 t, soit 50 jours à 60 coulées/jour. It is reasonable to estimate that a market for a high-volume gas pipeline (30 G (n) m3 / yr), approximately 3000 km long, with a mass of about 3 Mt, representing 3 G, would be partitioned into approximately three suppliers of 1 Mt for 1 G. This quantity of steel represents 3000 castings of 333 t, ie 50 days at 60 castings / day.
On peut estimer qu'une ligne d'essais doit ainsi pouvoir réaliser un essai dans le temps que le fabricant de tubes met à traiter une coulée, soit 30 tubes, soit environ 3 heures. Cela est possible, mais avec un retard fixe. Sur chaque essai, il y a 15 heures de travail. L'ensemble de la commande prendra 9000 heures, soit 6 ans (en un poste). It can be estimated that a test line must thus be able to carry out a test in the time that the manufacturer of tubes makes to treat a casting, ie 30 tubes, or about 3 hours. This is possible, but with a fixed delay. On each test, there are 15 hours of work. The entire order will take 9000 hours, or 6 years (in one position).
Les coûts d'investissement comprennent la construction des machines (pseudo D3 et traction simple). On considère que la machine devra fonctionner pendant 10 commandes correspondant chacune à un gazoduc de longueur de l'ordre de 3000 km. Dès lors, son amortissement sur une commande est de 1/10 de leur coût, lequel est estimé à 1000 k . Ainsi, l'investissement vaut 100 H. Il faut cinq personnes (un usineur, un opérateur "prédéformation", un préparateur D3, un opérateur D3, un interpréteur), soit 3 heures de 25 travail pour chacun. Cela fait 30 homme.ans, soit environ 1800 k . The investment costs include the construction of the machines (pseudo D3 and single traction). It is considered that the machine will have to operate during 10 orders each corresponding to a pipeline length of the order of 3000 km. Therefore, its depreciation on an order is 1/10 of their cost, which is estimated at 1000 k. Thus, the investment is worth 100 H. It takes five people (a machinist, a "predefined" operator, a preparer D3, a D3 operator, an interpreter), or 3 hours of work for each. That's 30 man.ans, about 1800 k.
On prélève une bande de 0,3 m tous les 300 mètres, soit un coût matière de environ 0,1 % de la commande, soit 1000 k . A strip of 0.3 m is taken every 300 meters, a material cost of about 0.1% of the order, or 1000 k.
Coût de l'environnement: 40% du coût de personnel, soit - 700 k Selon ces hypothèses, les coûts opératoires sont d'environ 3500 k , sur une commande de 1000 M , soit 0,36%. Cela peut être considéré comme raisonnable. Cost of the environment: 40% of the personnel cost, ie - 700 k According to these assumptions, the operating costs are approximately 3500 k, on a 1000 M order, ie 0.36%. This can be considered reasonable.
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