Steel with austenitic structure, characterised by the corresponding mass proportions of the following elements: Carbon
| FR2672904A | ||||
| GB779591A | ||||
| GB902440A | ||||
| FR2071667A |
La pr¢esente invention concerne les aciers inoxydables amagn¢etiques £a hautes caract¢eristiques de r¢esistance m¢ecanique, ainsi que les pi£eces r¢ealis¢ees en ces aciers et leurs proc¢ed¢es de fabrication.
L'invention s'applique typiquement £a la r¢ealisation de pi£eces pour l'industrie p¢etroli£ere de forage, notamment pour les forages en mer (off-shore), telles que les < < masses-tiges >> (drill-collars), qui sont des pi£eces m¢ecaniques amagn¢etiques dispos¢ees en t¥ete du train de forage permettant le guidage de l'ensemble de la colonne, cette derni£ere ¢etant constitu¢ee, pour le reste, par des ¢el¢ements en acier conventionnel ferromagn¢etique.
Ces pi£eces doivent pr¢esenter £a la fois des caract¢eristiques d'amagn¢etisme, de haute r¢esistance m¢ecanique et de haute r¢esistance £a la corrosion.
En premier lieu, la perm¢eabilit¢e magn¢etique de ces pi£eces doit ¥etre la plus faible possible, dans tous les cas inf¢erieure £a 1,01 et g¢en¢eralement inf¢erieure £a 1,005. Cette propri¢et¢e physique essentielle permet de guider le train de tiges dans sa progression non rectiligne dans le milieu £a forer, en combinant la composante du champ magn¢etique cr¢e¢e par un aimant log¢e dans la masse-tige avec celle du champ magn¢etique terrestre. Cette propri¢et¢e d'amagn¢etisme est ¢egalement requise pour d'autres pi£eces que les masses-tiges, notamment les < < stabilisateurs >> ou divers autres ¢equipements de mesure ou de commande moins critiques sur le plan m¢ecanique, mais devant n¢eammoins ¥etre r¢ealis¢es en acier amagn¢etique.
La seconde exigence est l'aptitude £a r¢esister aux sollicitations auxquelles ces pi£eces sont soumises pendant le travail, que ces sollicitations soient en flexion, en traction ou en torsion. A cet ¢egard, des minima impos¢es (SPEC 7 du 28 mai 1984) ont ¢et¢e ¢etablis par l'API (American Petroleum Institute), pr¢evoyant notamment, en direction longitudinale, une limite d'¢elasticit¢e Ep 0,2 en traction d'au moins 760 MPa pour les diam£etres compris entre 79 mm (3 1/8") et 175,0 mm (6 7/8") et d'au moins 690 MPa pour les diam£etres compris entre 178 mm (7") et 254 mm (10").
En troisi£eme lieu, et c'est ici que r¢eside la difficult¢e la plus s¢erieuse, il est indispensable que les pi£eces r¢ealis¢ees offrent la plus grande r¢esistance aux divers modes de corrosion, compte tenu des milieux agressifs dans lesquels les pi£eces sont amen¢ees £a travailler.
En g¢en¢eral, le risque encouru le plus important est celui d'une fissuration par corrosion sous contrainte provoqu¢ee par la nature des terrains et des adjuvants ajout¢es aux boues de forage pour accro¥itre les vitesses de forage, qui contiennent en particulier des proportions importantes de chlorures (de sodium, de magn¢esium, de potassium, de calcium, notamment), particuli£erement actifs compte tenu notamment des temp¢eratures de travail ¢elev¢ees, voisines de 80 £a 100 DEG C et quelquefois sup¢erieures, qui exacerbent tous les m¢ecanismes de corrosion.
Par nature, la corrosion sous contrainte se localise dans les zones fortement sollicit¢ees du point de vue m¢ecanique, tout particuli£erement dans les al¢esages des pi£eces, o£u s'ajoutent aux contraintes de travail les contraintes engendr¢ees par l'op¢eration d'usinage sur le m¢etal ¢ecroui ; la r¢esultante de toutes ces contraintes peut alors largement d¢epasser localement la valeur de la limite ¢elastique du m¢etal et y provoquer la fissuration.
En outre, de nombreux puits sont des milieux typiques de corrosion diff¢er¢ee par l'hydrog£ene au contact de m¢elanges ClNa + H2S, le m¢ecanisme de corrosion pouvant ¥etre, selon la structure du m¢etal, transgranulaire et/ou intergranulaire.
Or un m¢etal sujet £a la corrosion intergranulaire (suite £a la pr¢ecipitation de carbures et carbonitrures de chrome dans les joints de grains qui, associ¢ee £a une zone appauvrie en chrome de part et d'autre du joint, < < sensibilise >> le m¢etal £a la corrosion intergranulaire) est ¢egalement sensible au m¢ecanisme de corrosion sous contrainte, qui prend sa source dans les joints de grains, et ce m¢ecanisme peut se combiner tr£es rapidement £a la corrosion en mode transgranulaire.
La r¢esistance £a la corrosion doit donc ¥etre adapt¢ee aux divers milieux dans lesquels seront susceptibles de travailler les outillages r¢ealis¢es au moyen de ces aciers.
On sait certes r¢ealiser des < < superalliages >> £a base nickel pr¢esentant la totalit¢e des propri¢et¢es voulues ; la tr£es forte teneur en nickel (pouvant aller jusqu'£a 55 %) y rend l'alliage insensible £a la corrosion sous contrainte. Toutefois, en raison de leur prix tr£es ¢elev¢e, leur utilisation a ¢et¢e tr£es limit¢ee, excluant en pratique la r¢ealisation de pi£eces de grandes dimensions.
La voie g¢en¢eralement suivie consiste plut¥ot £a r¢ealiser des aciers aust¢enitiques £a base mangan£ese-chrome contenant des quantit¢es non n¢egligeables (0,2 £a 0,6 %) d'azote, ¢el¢ement durcissant par excellence des aust¢enites et ¢egalement g¢en¢erateur et stabilisateur de cette phase. D'autres ¢el¢ements, tels que le nickel et le molybd£ene, y sont ajout¢es, mais en moindre quantit¢e.
Un tel acier est par exemple d¢ecrit dans le EP-A-0 277 065, qui d¢ecrit un acier comprenant des proportions massiques d'au plus 0,006 % de carbone, 19 £a 26 % de mangan£ese, 7 £a 13 % de chrome, environ 0,3 % d'azote et 0,6 % de silicium, moins de 0,2 % de nickel et moins de 0,1 % de molybd£ene.
Dans tous les cas, quelle que soit la nuance d'acier ¢elabor¢ee, cet acier est durci par ¢ecrouissage £a chaud.
Or cet ¢ecrouissage pr¢esente l'inconv¢enient - et ceci pour toutes les nuances d'acier £a base mangan£ese-chrome connues jusqu'£a pr¢esent- de provoquer la pr¢ecipitation de carbures et carbonitrures de chrome dans les joints de grains induisant, comme on l'a expliqu¢e plus haut, une sensibilit¢e £a la corrosion intergranulaire et, simultan¢ement, £a la corrosion sous contrainte, qui prend naissance ¢egalement dans les joints de grains.
Cet inconv¢enient n'existe pas avec les aciers non ¢ecrouis (m¢etaux hypertremp¢es), mais ces derniers ne pr¢esentent pas les caract¢eristiques m¢ecaniques suffisantes pour les utilisations envisag¢ees.
Pour combattre le risque de fissuration, et donc pour annihiler les effets de la corrosion cons¢ecutifs £a l'¢ecrouissage, on proc¢edait jusqu'£a pr¢esent, pour toutes les nuances d'acier, £a un traitement m¢ecanique de surface aux endroits les plus expos¢es aux contraintes.
Ce traitement ¢etait effectu¢e soit par grenaillage (shot-peening), soit par martelage, cette op¢eration ayant pour effet de mettre en compression la surface trait¢ee sur une certaine profondeur (jusqu'£a 1,5 mm pour le grenaillage et jusqu'£a 5 mm pour le martelage), permettant alors £a la pi£ece de r¢esister convenablement £a la corrosion sous contrainte £a l'endroit ainsi trait¢e.
Cette intervention m¢ecanique pour le traitement de surface induisait cependant un surco¥ut non n¢egligeable de la pi£ece r¢ealis¢ee.
£A l'oppos¢e, la pr¢esente invention propose une nuance d'acier qui rem¢edie aux inconv¢enients pr¢ecit¢es et qui, tout en offrant les propri¢et¢es requises d'amagn¢etisme et de hautes performances m¢ecaniques, soit par nature - et non apr£es traitement de surface - r¢esistante £a la corrosion sous contrainte et £a la corrosion intergranulaire. De la sorte, les pi£eces r¢ealis¢ees pourront ¥etre employ¢ees nues, directement apr£es mise en forme, sans qu'il soit n¢ecessaire de pr¢evoir un traitement superficiel et local des surfaces sensibles.
En d'autres termes, l'invention propose une nuance d'acier amagn¢etique qui, une fois ¢ecroui, poss£ede les propri¢et¢es m¢ecaniques d'un acier ¢ecroui mais r¢esiste aussi bien £a la corrosion sous contrainte et £a la corrosion intergranulaire qu'un m¢etal hypertremp¢e, non ¢ecroui.
L'invention propose ¢egalement, comme on le verra, un proc¢ed¢e qui se pr¥ete parfaitement £a la r¢ealisation de toute pi£ece amagn¢etique et £a haute limite ¢elastique, notamment les masses-tiges amagn¢etiques et les pi£eces analogues (stabilisateurs, notamment), qui sont des pi£eces typiques devant pr¢esenter ces caract¢eristiques et qui, en outre, sont les plus difficiles £a fabriquer compte tenu de leur tr£es grandes dimensions.
A cet effet, l'acier de l'invention est un acier £a structure aust¢enitique caract¢eris¢e par les proportions massiques respectives des ¢el¢ements suivants : Columns=2
On notera en particulier, dans cette composition, la tr£es faible teneur en carbone combin¢ee £a une faible teneur en nickel et £a une forte teneur en molybd£ene. On exposera plus bas les raisons et les cons¢equences de ces choix particuliers.
En outre, comme on verra ¢egalement, le choix d'une tr£es faible teneur en carbone permet de mettre en oeuvre un proc¢ed¢e sp¢ecifique, particuli£erement avantageux, de fabrication d'une barre homog£ene.
Ce proc¢ed¢e comprend les ¢etapes suivantes : ¢elaboration d'un lingot de d¢epart en une nuance d'acier du type que l'on vient d'indiquer, premier chauffage homog£ene, £a une temp¢erature sup¢erieure £a la temp¢erature de recristallisation de l'acier, typiquement entre 1240 et 1280 DEG C environ, ¢ebauchage de la barre par ¢etirage a chaud du lingot, ¢eventuellement, ¢elimination des extr¢emit¢es du lingot, premier refroidissement jusqu'£a temp¢erature ambiante, second chauffage homog£ene, £a une temp¢erature typiquement comprise entre 800 et 1000 DEG C environ (suivant la section de l'¢ebauche et le diam£etre de la pi£ece £a fabriquer), mise en forme de la barre par forgeage et dressage £a la presse, second refroidissement jusqu'£a temp¢erature ambiante, et usinage final.
Les transformations appliqu¢ees £a la barre ¢ecrouissent celle-ci, de pr¢ef¢erence, avec un facteur de corroyage d'au moins 1,5.
On peut pr¢evoir en outre, apr£es l'¢etape d'¢ebauchage ou, le cas ¢ech¢eant, l'¢etape d'¢elimination des extr¢emit¢es du lingot, une ¢etape suppl¢ementaire de sectionnement du lingot ou, respectivement, de la partie subsistante du lingot, en une pluralit¢e de longueurs distinctes, chaque longueur ¢etant ensuite trait¢ee individuellement par les ¢etapes subs¢equentes du proc¢ed¢e.
On verra par ailleurs ¢egalement que, gr¥ace £a la nuance d'acier propos¢ee et le proc¢ed¢e que l'on vient d'exposer, l'invention permet la r¢ealisation de barres d'acier amagn¢etique ¢ecroui de grande longueur (typiquement, sup¢erieure £a 2 ou 3 m) pr¢esentant sur toute leur longueur des caract¢eristiques m¢ecaniques homog£enes, notamment des caract¢eristiques r¢epondant aux valeurs impos¢ees par les recommandations API ¢evoqu¢ees plus haut.
Cette propri¢et¢e est £a opposer notamment au cas des barres obtenues avec la nuance d'acier et le proc¢ed¢e d¢ecrits dans le EP-A-0 277 065 pr¢ecit¢e, qui ne permettent d'aboutir qu'£a des barres pr¢esentant localement les caract¢eristiques voulues, aux deux extr¢emit¢es et non sur la totalit¢e de leur longueur.
La pr¢esente invention a donc ¢egalement pour objet, £a titre de produit industriel nouveau, une barre d'acier amagn¢etique ¢ecroui de longueur sup¢erieure £a 2,5 m, notamment pour des ¢equipements de forage, pr¢esentant, sur toute sa longueur et de fa©con homog£ene, une r¢esistance m¢ecanique, en direction transverse, £a la rupture en traction au moins ¢egale £a 830 MPa et une insensibilit¢e £a la corrosion intergranulaire et £a la corrosion sous contrainte.
On peut ainsi obtenir soit un produit final de tr£es grande longueur et de propri¢et¢es homog£enes, soit, apr£es coupe de la barre, des tron©cons £a caract¢eristiques homog£enes, quelles que soient leur longueur et leur position dans la barre de d¢epart. Exemple
On va maintenant d¢ecrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention.
On r¢ealise, par des techniques en elles-m¥emes classiques, une nuance d'acier pr¢esentant la composition suivante : Columns=2
On notera en particulier, dans cette composition, la faible teneur en nickel (que l'on recherche la plus basse possible) car cet ¢el¢ement, si on l'ajoutait en quantit¢es croissantes dans l'acier, d¢et¢eriorerait d'autant la r¢esistance £a la corrosion sous contrainte dans les milieux qui la provoquent.
En revanche, la teneur en molybd£ene est choisie ¢elev¢ee car, bien que, comme pour le nickel, une teneur ¢elev¢ee en molybd£ene amoindrisse la r¢esistance £a la corrosion sous contrainte, la pr¢esence de cet ¢el¢ement est un facteur de r¢esistance £a la piq¥uration et £a la corrosion caverneuse. Les propri¢et¢es de la nuance selon l'invention permettent en effet d'obtenir une r¢esistance si ¢elev¢ee £a la corrosion sous contrainte que l'incidence n¢egative du molybd£ene sur cette r¢esistance devient n¢egligeable. La pr¢esence de molybd£ene, auparavant consid¢er¢ee comme n¢efaste, devient alors avantageuse car elle procure un suppl¢ement de r¢esistance £a d'autres formes de corrosion.
Enfin et surtout, en ce qui concerne la tr£es faible teneur en carbone, il s'agit l£a d'une caract¢eristique tr£es importante car elle est n¢ecessaire pour garantir une microstructure exempte de pr¢ecipitations intergranulaires, notamment de pr¢ecipitations intergranulaires continues. Une teneur sup¢erieure en carbone amoindrirait la r¢esistance £a la corrosion en provoquant une pr¢ecipitation excessive de carbures et carbonitrures d¢eshomog¢en¢eisant les zones voisines des joints de grains.
En outre, cette faible teneur en carbone permet de mettre en oeuvre le proc¢ed¢e que l'on va maintenant d¢ecrire.
On prendra l'exemple de la r¢ealisation d'une masse-tige de 9,300 m de longueur et de 203,2 mm de diam£etre ext¢erieur (g¢en¢eralement les diam£etres de ces pi£eces varient de 120,6 £a 279,4 mm ; l'exemple choisi correspond £a une masse-tige typique, situ¢ee dans le milieu de la gamme).
Ces masses-tiges sont des pi£eces tubulaires, filet¢ees £a leurs deux extr¢emit¢es et al¢es¢ees axialement, sur toute la longueur, £a un diam£etre compris entre 50,8 et 76,2 mm (cette valeur d¢ependant du diam£etre ext¢erieur).
Le m¢etal de d¢epart est constitu¢e par un lingot octogonal de 10 t, de section moyenne 60 dm <2> environ (les poids extr¥emes de lingot correspondant au plus petit et au plus grand diam£etres sont respectivement de 3,5 et 10 t environ).
Ce lingot est tout d'abord chauff¢e dans un four £a gaz £a une temp¢erature comprise entre 1240 et 1280 DEG C pendant une dur¢ee comprise entre 16 et 24 heures.
Le lingot ainsi rendu homog£ene en temp¢erature est alors d¢efourn¢e et soumis £a une premi£ere transformation thermom¢ecanique consistant en une op¢eration d'¢ebauchage par ¢etirage £a la presse (presse de 4500 t), permettant d'obtenir une ¢ebauche octogonale de 290 mm sur plats.
Cette op¢eration, dont la dur¢ee est d'une heure environ, doit n¢ecessairement aboutir £a une barre octogonale dont la longueur est inf¢erieure £a 6 m afin d'appliquer ult¢erieurement un corroyage minimum de 1,5 sur le produit fini.
Apr£es ¢ebauchage, on ¢elimine les deux extr¢emit¢es du lingot (soit environ 15 % du poids total) et on coupe en deux longueurs le restant de la barre.
Les deux tron©cons ainsi coup¢es sont pos¢es £a terre et refroidis jusqu'£a temp¢erature ambiante. On fabrique alors deux masses-tiges £a partir de ces deux ¢ebauches octogonales de 290 mm, chacun d'une longueur voisine de 5,8 m.
A cet effet, on op£ere une seconde transformation thermom¢ecanique, d¢ebutant par un second chauffage jusqu'£a une temp¢erature (dans le cas de cet exemple) de 980 £a 1000 DEG C, la temp¢erature ¢etant fonction de la section de l'¢ebauche et du diam£etre de la pi£ece £a fabriquer. Ce chauffage est effectu¢e dans un four £a gaz pendant 8 heures environ, afin d'obtenir une temp¢erature homog£ene sur toute la longueur de la barre et sur toute l'¢etendue de la section.
Les deux ¢ebauches sont alors soumises, en une seule op¢eration, £a un forgeage rapide en ¢etampes avec dressage simultan¢e sur la presse de 4500 tonnes, ceci permettant d'obtenir une barre d'environ 230 mm de diam£etre et 10 m de longueur. La barre est retourn¢ee en fin d'op¢eration pour forger la partie extr¥eme auparavant tenue dans les mors. Pendant cette op¢eration, la temp¢erature baisse en peau jusqu'£a 750 DEG C.
La barre est alors pos¢ee £a terre, refroidie le plus rapidement possible, puis le dressage est parachev¢e.
Les op¢erations de formage thermom¢ecanique sont alors termin¢ees.
On peut d£es lors proc¢eder aux op¢erations d'usinage final comportant, de fa©con en elle-m¥eme classique, la mise en longueur, le dressage des faces et le forage de l'al¢esage £a 71,4 mm de diam£etre, ces diff¢erentes ¢etapes ¢etant assorties de contr¥oles interm¢ediaires et finals.
Les masses-tiges ainsi r¢ealis¢ees se sont r¢ev¢el¢ees parfaitement conformes aux exigences de r¢esistance £a la corrosion aussi bien qu'£a celles de tenue m¢ecanique.
Pour ¢evaluer la r¢esistance £a la corrosion sous contrainte, on a pr¢elev¢e des ¢eprouvettes sur des masses-tiges fabriqu¢ees industriellement comme indiqu¢e ci-dessus.
En ce qui concerne la corrosion intergranulaire, les ¢eprouvettes de corrosion pr¢elev¢ees et plac¢ees dans un milieu sulfocuprique bouillant (essai selon ASTM A 262) n'ont montr¢e aucun d¢ebut de corrosion intergranulaire.
En ce qui concerne la corrosion sous contrainte, une ¢eprouvette en anneau (¢eprouvette C-Ring selon ASTM G 38) a ¢et¢e sollicit¢ee soit en d¢eformation constante soit en sollicitation constante et plac¢ee dans des milieux d'essais propres £a provoquer la corrosion sous contrainte, dont le plus classique est un milieu CL2Mg, 6H2O 44% bouillant £a 154 DEG C (essai selon ASTM G 36), ou encore en milieu d'essai £a la corrosion diff¢er¢ee par l'hydrog£ene, dont le plus courant est un milieu ClNa £a 50 g/l tamponn¢e par l'acide ac¢etique glacial £a pH 3 et satur¢e par H2S £a temp¢erature ambiante (essai selon NACE TM 01-77).
Les ¢eprouvettes, contraintes jusqu'£a des sollicitations ¢egales £a 80% de la limite ¢elastique Ep 0,2 n'ont montr¢e aucune rupture apr£es 720 h d'essai, ces essais ayant d'ailleurs m¥eme ¢et¢e prolong¢es sans autres cons¢equences jusqu'£a 1000 h.
En ce qui concerne les caract¢eristiques m¢ecaniques, celles-ci sont conformes aux minima impos¢es figurant dans les SPEC 7 de l'API, £a savoir : pour des ¢eprouvettes futures dans le sens longitudinal une limite ¢elastique Ep 0,2 £a la traction sup¢erieure £a 760 MPa pour les diam£etres compris entre 79 et 175 mm et £a 690 MPa pour les diam£etres compris entre 178 et 254 mm. La r¢esistance est toujours sup¢erieure £a 830 MPa, l'allongement sup¢erieur £a 13 %.