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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Mémoire de Projet de Fin d’Etudes Pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur d’Etat en Génie des Matériaux Présenté par : Nazim ABDEDOU Sujet proposé par Mme Khawla BETTAHAR (Sonatrach/TRC) Sous la direction de Mr Kamel ABADLI (E.N.P) Présenté et soutenue publiquement le 19 Juin 2016 Composition du Jury : Mr Abderahmane DAIMELLAH Président Mr Kamel ABADLI Promoteur Mr Mohamed-Elamine DJEGHLAL Examinateur Mr Mabrouk BOUADALLAH Examinateur E.N.P 10, Avenue Hassen-Badi, EL HARRACH, ALGER Ecole Nationale Polytechnique Département de Métallurgie CARACTÉRISATION STRUCTURALE ET MÉCANIQUE DE L’ACIER A HAUTE LIMITE ÉLASTIQUE SOUDÉ DE GRADE API 5L X60 E.N.P. 2016 ملخص الھدف من ھذه ،الدراسة التي تم اقتراحھا من طرف الشركة سوناطراك/ت.غ. ،س ھو تحدید نسبة حد المرونة إلى مقاومة التمزق (E/R) بداللة السَّماكة و إجراء تمییز ھیكلي و میكانیكي لمختلف السماكات ألجل التحقق من مطابقة األنابیب الفوالذیة الملحومة API5L من الرتبة X60 ألنظمة السالمة الجزائریة الساریة ،المفعول و التي تشترط قیمة قصوى للنسبة E/Rقدرھا.0.90 كلمات مفتاحیة: فوالذHSLA ، فوالذ صغیر ،السبك ھیكل ،صغیر خصائص ،میكانیكیة ،صالبة ،مرونة ،شد النسبة .E/R Abstract The purpose of this study, which was proposed by the Sonatrach / TRC, concerns determining the variation of the yield-tensile ratio E/R with different thicknesses, and proceed to a structural and mechanical characterization of the steel, in order to check the compliance of welded steel tubes API 5L X60 grade with Algerian security regulations, which require maximum 0.90 E/R ratio. Key Words: HSLA steel, microalloyed steel, microstructure, mechanical properties, hardness, Charpy impact, strain, yield tensile ration. Résumé L’objet de cette étude, qui a été proposé par l’entreprise Sonatrach/TRC, porte sur la détermination du rapport de la limite d’élasticité sur la résistance à la rupture E/R en fonction de l’épaisseur et de faire une caractérisation structurale et mécanique des différentes épaisseurs afin de vérifier la conformité des tubes d’aciers soudés API 5L de grade X60 aux règlements de sécurité algérienne en vigueur, qui exigent un maximum de 0.90 du rapport E/R. Mots clés: Acier HSLA, acier microallié, microstructure, propriété mécanique, dureté, résilience, traction, rapport E/R. Remerciements Je tiens d’abord à remercier Mon Promoteur le Professeur Kamel ABADLI, pour son soutien et ses conseils. Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Mme Khawla BETTAHAR, Doctorante en Métallurgie, de Sonatrach/TRC pour sa proposition du présent sujet de fin d’études, ses conseils et son soutien Je remercie Mr Abdeslem MOUAFFAK, Chef Département Contrôle Qualité, pour m’avoir facilité l’accès à ALTUMET et d’avoir mis à ma disposition les moyens nécessaires pour l’accomplissement de mon travail. Je tiens aussi à remercier Monsieur Abderahmane DAIMELLAH d'avoir accepté de présider mon jury, et Messieurs: Mohamed Elamine DJEGHLAL, et Mabrouk BOUABDALLAH, qui m'ont fait l'honneur d’examiner ce travail. Je remercie également Mr RACHID et Mr SELMOUNE Ingénieurs à ALTUMET - Réghaïa, de m'avoir aidé à faire le découpage des échantillons, la préparation des éprouvettes, et les essais. Je tiens également à remercier l’ensemble du personnel de Sonatrach/TRC – Baraki pour leur accueil et gentillesse, et plus particulièrement Mr Mohamed ZELFA, Chef de Département, pour son soutien et précieuses aides qu’il m’a apporté. SOMMAIRE Liste des tableaux P.7 Liste des figures P.8 Liste des abréviations P.10 INTRODUCTION P.11 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE 1. Présentation de SONATRACH/TRC………………………………………………………………………… P.13 2. Présentation de l’entreprise ALTUMET………………………………………………… P.13 Chapitre 1 : LES ACIERS A HAUTE LIMITE ELASTIQUE 1. Aciers HSLA à haute limite élastique………………………………………………………………………. P.15 2. Normalisation…………………………………………………………………………………………………………….. P.17 3. Classification des aciers HSLA………………………………………………………………………………… P.19 3-1 Aciers résistants à la corrosion atmosphérique…………………………………………………. P.20 3-2 Aciers microalliés ferrito-perlitique……………………………………………………………………... P.20 3-2-1 Aciers Micro-alliés au Vanadium………………………………………………………………… P.20 3-2-2 Aciers Micro-alliés au Niobium…………………………………………………………………… P.20 3-2-3 Aciers Micro-alliés au Vanadium-Niobium…………………………………………………. P.20 3-2-4 Aciers Micro-alliés au Niobium-Molybdène………………………………………………... P.21 3-2-5 Aciers Micro-alliés au Vanadium-azote……………………………………………………… P.21 3-2-6 Aciers Micro-alliés au Titane………………………………………………………………………. P.21 3-2-7 Aciers Micro-alliés au Titane-Niobium……………………………………………………….. P.21 3-3 Aciers perlitiques de construction laminés………………………………………………………... P.21 3-4 Aciers à ferrite aciculaire (bainite à faible teneur en carbone)…………………………. P.21 3-5 Les aciers à double phase (dual phase)…………………………………………………………… P.21 3-6 Aciers en forme d'inclusions contrôlées……………………………………………………………. P.22 4. Microstructure des aciers HSLA……………………………………………………………………………….. P.22 5. Effets des éléments…………………………………………………………………………………………………... P.24 5-1 Effets du carbone………………………………………………………………………………………………. P.25 5-2 Effet du manganèse…………………………………………………………………………………………... P.25 5-3 Effet du molybdène……………………………………………………………………………………………. P.25 5-4 Effet du chrome…………………………………………………………………………………………………. P.26 5-5 Effet du nickel…………………………………………………………………………………………………….. P.26 5-7 Effet du cuivre……………………………………………………………………………………………………. P.26 5-8 Effet de l’aluminium…………………………………………………………………………………………… P.27 5-9 Effet de l’azote…………………………………………………………………………………………………… P.27 5-10 Effet du soufre…………………………………………………………………………………………………. P.27 5-11 Effet du silicium………………………………………………………………………………………………... P.27 5-12 Effet du phosphore…………………………………………………………………………………………... P.27 5-13 Effet du bore…………………………………………………………………………………………………….. P.27 5-14 Effet des éléments microalliés………………………………………………………………………… P.27 5-14-1 Titane………………………………………………………………………………………………………. P.27 5-14-2 Effet du niobium………………………………………………………………………………………. P.28 5-14-3 Effet du vanadium…………………………………………………………………………………… P.29 6. Traitements thermomécaniques……………………………………………………………………………….. P.29 6-1 Déroulement du traitement thermomécanique………………………………………………….. P.31 Chapitre 2 : LE SOUDAGE 1. Définition du soudage……………………………………………………………………………………………... P.32 2. Procédés de soudage……………………………………………………………………………………………... P.32 3. La soudabilité des aciers………………………………………………………………………………………… P.34 4. Procédé de soudage SAW……………………………………………………………………………………… P.36 5. Procédés de fabrication……………………………………………………………………………………………. P.37 5-1 Le soudage en spirale……………………………………………………………………………………….. P.38 5-2 Le soudage longitudinal……………………………………………………………………………………. P.39 6. Différentes parties d’un joint de soudure………………………………………………………………... P.40 7. Structure des aciers soudés…………………………………………………………………………………. P.41 7-1 Structure de la Zone Affectée Thermiquement (ZAT)………………………………………. P.42 7-2 Structure du métal fondu…………………………………………………………………………………… P.43 8. Les problèmes de soudage dans les aciers HSLA………………………………………………….. P.43 Chapitre 3 : TECHNIQUES EXPERIMENTALES 1. Présentation des matériaux utilisés……………………………………………………... P.46 2. Analyse chimique des matériaux………………………………………….…………….. P.46 3. Caractéristiques mécaniques des matériaux…………………………………………………………… P.48 4. Paramètres de soudage……………………………………………………………………………………………. P.48 5. Etude des propriétés mécaniques……………………………………………………………………………. P.49 5-1 L’essai de traction…………………………………………………………………………………………. P.49 5-2 La courbe conventionnelle de traction…………………………………………………………..…. P.49 6. Les propriétés et caractéristiques mécaniques déduites de la courbe de traction… P.51 6-1 Le module de Young………………………………………………………………..……………………. P.51 6-2 La limite d’élasticité…………………………………………………………………….…………………. P.51 6-3 Résistance à la rupture………………….…...………………………………………..………………. P.52 6-4 L’allongement à la rupture………………………………………………………………………………. P.52 6-5 La ductilité……………………………………………………………………………………. P.52 6-6 Le rapport E/R………………………………………………………………….………………………………. P.52 7. Mode opératoire……………………………..………………………………………………………………………. P.53 8. L’essai de résilience P.55 8-1- Mouton Charpy……………………………………………………………………………………………….. P.56 8-2- Les éprouvettes de résilience…………………………………………………………………………. P.57 9. Technique de caractérisation…………………………………………………………………………………. P.57 9-1- Préparation des échantillons…………………………………………………………………………. P.58 9-2- Métallographie en microscope optique………………………………………………….………. P.58 9-3- L’essai de dureté……………………………………………………………………………………………. P.59 9-3-1- Essai de dureté Vickers……………………………………….……………………………………. P.60 9-3-2- Mode opératoire………………………...………………………………………………………………. P.61 Chapitre 4 RESULTATS ET INTERPRETATION 1. Analyse des éléments de la composition chimique………………………………………..……… P.62 2. Analyse de la microstructure…………………………………………………………………………………. P.62 3. Mesure de dureté……………….………………………………………………………………………………. P.66 4. Etude de a résilience. ……………….………………………………………………………………………. P.68 5. Etude des résultats de traction………………………………………………………………………………. P.70 5-1- Courbes de traction…………………………………………………………………………………………. P.70 5-2- Limite élastique Re………...………………………………………………………………………………. P.72 5-3- Résistance à la rupture……………………………………...……………………………………………. P.73 5-4- Rapport E/R………………………………….…………………………………………………………………. P.74 5-5- Allongement………………………………………………….…………………………………………………. P.75 CONCLUSION…………………………………………..………………………………………………………………… P.77 PERSPECTIVES………………………………..……………...…………………………………………………………. P.78 BIBLIOGRAPHIE P.79 ANNEXE P.81 LISTE DES TABLEAUX Tab. I.1 Composition chimique pour pipe sans soudure PSL1.…………………………………... P. 18 Tab. I.2 Composition chimique pour pipe soudé PSL2………………………………………………... P. 18 Tab. I.3 Exigences pour les résultats des essais de traction pour pipe PSL………….…… P. 19 Tab. III.1 Composition chimique de l’acier X60M selon la norme API 5L…………..………….. P. 47 Tab. III.2 Caractéristiques exigées par la norme API 5L pour l’acier X60M…………..……… P. 48 Tab. III.3 Paramètre de soudage du procédé SAW……………………………………………….………. P. 48 Tab. III.4 Composition chimique du fil à souder…………………..…………………………………. P. 49 Tab. IV.1 Composition chimique des quatre épaisseurs d’acier X60M………………………….. P. 62 Tab. IV.2 Les valeurs de dureté Vickers mesurées pour les quatre épaisseurs……………. P. 67 Tab. IV.3 Valeurs moyennes de résilience mesurées pour les quatre épaisseurs………... P. 69 Tab. IV.4 Caractéristiques déduites des courbes de tractions du métal de base de chacune des épaisseurs………………………………………………………………………………….. P. 71 Tab. IV.5 Tableau des caractéristiques déduites des courbes de tractions de la soudure de chacune des épaisseurs………………………………………………………………. P. 72 LISTE DES FIGURES Fig. I.1 Images par microscopie optique de (a) Ferrite+Perlite, (b) Ferrite+Bainite, (c) Bainite+Martensite…………………………………………………………………………………………. P. 23 Fig. I.2 Image prise par microscopie à balayage d’aciers HSLA à : (a) FP+ un peu de FA, (b)0.20% pds de Mo FA+FP, (c) 0.41% pds Mo FA+B+M-A. (FA : Ferrite Aciculaire; FP : Ferrite Polygonale; B: Bainite; M-A : Martensite Austénite)……………………………………….……………………………………………..................................... P. 26 Fig. I.3 Microstructure d’un pipe standard………………………………………………………………………... P. 28 Fig. I.3 Microstructure d’un acier pipeline microallié au Nb (structurebainitique avec beaucoup de précipités dont NbC)……………………………..……………………………..………… … P. 28 Fig. I.5 Effet du Nb+V sur la limite élastique…………………………….…………………………...………… P. 29 Fig. I.16 Illustration schématique de traitement thermomécanique et évolution de la structure avec et sans refroidissement accéléré……………………….…………………...…… P. 30 Fig. II.1 Différents procédés de soudage……………………………………………………………………..…… P. 33 Fig. II.2 Parties constitutives du procédé de soudage SAW………………………….……………..….. P. 36 Fig. I.3 Technique de fabrication des tubes soudés en spirale…………………………….…………. P. 38 Fig. I.4 Formage sous forme ''U''……………………………………………………………………….…………… P. 39 Fig. I.5 Formage sous forme ''O''……………….……………………………………………………….………….. P. 49 Fig. I.6 Soudage et expansion……………………………………..…………………………………….…………… P. 40 Fig. II.7 Schéma illustrant les différentes régions d’un joint de soudure suite à une soudure à passe unique et les défauts éventuels…………………………..………………….... P. 40 Fig. II.8 Diagramme schématique de la ZAT d’un acier à 0.15%C indiqué dans le diagramme de phase Fe-Fe3C…………………………….……………………………………………..... P. 42 Fig. III.1 Spectromètre à émission optique FOUDRY-MASTER Pro………………………………… P. 46 Fig. III.2 Représentation d’une courbe de traction conventionnelle accompagnée des déformations subies par l’éprouvette…………………………………………………………………... P. 50 Fig. III.3 Machine de traction utilisée dans les tests……………………………………………………. P. 53 Fig. III .4 Prélèvement de l’éprouvette dans la soudure……………………………………………………. P. 54 Fig. III.5 Dimension des éprouvettes de traction……………………………………………………………….. P. 54 Fig. III.6 Eprouvettes de traction dans la soudure et le métal uploads/Ingenierie_Lourd/ abdedou-nazim.pdf