Estimation du risque de rupture fragile de soudures de pipelines en aciers à haut grade : caractérisation et modélisation

Risk assessment of brittle failure of high grade pipeline steel girth welds : characterization and modeling

• Auteur / Autrice : Anne-Sophie Bilat
• Direction : André Pineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Matériaux -- Essais dynamiques

Rupture, Mécanique de la

Acier à haute limite d'élasticité

Pipelines

Infrastructures de transport

Résumé

Dans le but de réduire les coûts de transport du gaz, il est prévu d’augmenter les pressions de service des pipelines. Pour ce faire, des aciers à haute limite d’élasticité ferrito-bainitiques, type X100 (limite d’élasticité supérieure à 100 ksi, soit 690 MPa), ont été développé. Les propriétés à froid des soudures de raboutage réalisées par un procédé MAG automatique sont vérifiées par des essais mécaniques. Des essais Charpy ont montré que lorsque l’entaille est centrée en ligne de fusion, l’énergie de rupture à 20 °C est inférieure à 40 Joules. La zone fragile se situe dans la zone affectée thermiquement à gros grains. Les deux ZAT, trop petites pour être testées individuellement, sont reproduites à l’aide d’une machine Gleeble. Une procédure spécifique pour l’identification des lois de comportement mécanique est mise en place pour les éprouvettes de ZAT simulée, afin de tenir compte des hétérogénéités métallurgiques de ces éprouvettes. Des essais de traction sur éprouvettes lisses et entaillées, des essais de flexion en quasi-statique et des essais Charpy sont réalisés entre 196 et 20 °C. Cette base expérimentale est utilisée pour caler les équations constitutives du modèle du matériau qui sont utilisées dans un code par éléments finis pour prédire la rupture de la soudure. Les résultats obtenus par l’approche locale sont comparés à ceux obtenus par les règles de dimensionnement usuellement utilisées par les exploitants (Failure Assessment Diagrams).

As a consequence to reduction of gas transportation costs, pressure inside pipe will tend to increase. To achieve it, ferritic-bainitic steel with high strength, such as X100 (yield strength above 100 ksi, or 690 MPa) were developed. Girth welds of modern line pipe steel X100, issued from a pulsed automatic gas metal arc welding, were tested to check their performance in artic temperature conditions. It is shown that an impact specimen at 20 °C with a notch placed in the middle of the fusion line could break at low energy (<40 J). The brittle zone is located in the coarse-grained heat-affected zone of the weld. The reproduction of two heat-affected zones with a thermal-mechanical simulator, Gleeble 1500, allows determining the mechanical behavior of representative microstructures of the welded joint. Tension tests with or without notch, bend tests and impact tests are performed between 196°C and 20 °C. This experimental database is used to fit materials constitutive equations which are used in a finite element code to predict the fracture of the welded joint. Results obtained by local approach are compared with those obtained by the usual dimensioning rules used by exploiters (Failure Assessment Diagrams).