1 - Contraintes induites dans la structure de l’ESP

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1 1 - Contraintes induites dans la structure de l’ESP
Effets de la pression 1 - Contraintes induites dans la structure de l’ESP P Message de la diapo: dans la paroi d ’un ESP les efforts de traction ne sont pas répartis de façon homogène. Localement la paroi peut être très sollicitée en traction. Flèches rouges: efforts de traction induits dans le métal sous l’effet de la pression interne de l’ESP. Flèches oranges: efforts de traction résiduels induits par la soudure s’ajoutant aux efforts de traction évoqués ci-dessus. On constate ainsi des concentrations d’efforts de traction réparties de façon très hétérogènes dans la paroi de l’ESP. Risque de fissuration si la métal est localement fragile là où sont concentrés les efforts.

2 Effets de la pression 2 - Comportement d’un métal ductile
- Est capable de s’allonger au-delà de sa limite d’allongement élastique - F F Allongement élastique -Réversible - Allongement plastique - Irréversible - Message de la diapo: si le métal(matériau le plus utilisé) est élastique et plastique, l ’effort de traction concentré peut provoquer un allongement plastique local. L ’effort de traction alors s ’étale dans la paroi et s ’atténue localement( le métal s ’adapte: il est ductile). Allongement plastique: des atomes des grains glissent les uns par rapport aux autres. Les grains se déforment et s’allongent. La paroi paroi de l’ESP s’allonge d’autant. Ce mécanisme peut avoir lieu dans des zones microscopiques à fortes concentration d’efforts de traction (contraintes). Il a pour effet de libérer les contraintes. La répétition localisée de ces déformations plastiques aboutit à une déformation mesurable de la paroi.

3 Effets de la pression 3 - Comportement d’un métal fragile
- Est incapable de s’allonger au-delà de sa limite d’allongement élastique - F F Allongement élastique Rupture fragile Message de la diapo: si le métal(matériau le plus utilisé) est seulement élastique sans être plastique l ’effort de traction concentré peut provoquer un allongement élastique local jusqu ’à la rupture ( le métal ne s ’adapte pas: il est fragile). Contrairement au cas précédent les atomes des grains sont bloqués par la présence de très nombreux défauts dans la structure cristalline des grains et ne peuvent plus glisser les uns par rapport aux autres. Il s’en suit que si les efforts de traction dépassent la résistance élastique du métal il y aura rupture des liaisons atomiques et fissuration locale et à terme risque de rupture de la paroi de l’ESP.

4 Effets de la pression 4 - Coups de bélier Amont Aval Dépression
Surpression Dépression Amont Aval Message de la diapo: le coup de bélier est un excès de pression local pouvant provoquer un allongement plastique(éventuellement jusqu ’à la rupture)ou une rupture fragile. Le coup de bélier peut-être dû aussi: à une vaporisation instantanée de condensats au contact d’une zone chaude, à une condensation instantanée d’une vapeur au contact d’une zone froide, à une fermeture brusque d ’un robinet.

5 Effets de la température
1 - Température de transition ductile - fragile METAL FRAGILE METAL DUCTILE T° Transition peut augmenter dans le temps F F CHAUD FROID Précautions à prendre : Arrêt Épreuve hydraulique Démarrage Message de la diapo: le métal peut devenir fragile à des températures plus froides, donc dangereux: risque élevé d ’éclatement. TEMPERATURE DE TRANSITION 0 °C pour les aciers alliés au Mo, Mo-Mn et Cr-Mo 0 °C à - 40 °C pour les aciers carbone < °C pour les aciers inox

6 Effets de la température
2 - Choc thermique sur paroi ductile Message de la diapo: l ’échauffement brusque d ’un côté de la paroi froide génèrera des efforts de traction très élevés qui provoqueront des allongement locaux si le métal est ductile ou des ruptures si le métal est fragile Echauffement brusque: le côté droit sur le dessin s’allonge tandis que le côté gauche ne varie pas. Ce qui induit des efforts de traction très élevés dans le métal du côté gauche, qui dépassent la résistance élastique du métal ductile et provoquent sa déformation plastique permanente de ce côté là. Paroi froide déformée: le côté droit est revenu à sa longueur initiale, tandis que le côté gauche est resté allongé ce qui provoque la déformation globale de la paroi et induit des efforts de traction et de compression très importants. La paroi devient plus fragile, elle perd de sa résistance mécanique et devient plus sensible à de la corrosion sous contraintes ou à la fatigue. PAROI FROIDE ECHAUFFEMENT BRUTAL PAROI REFROIDIE DEFORMEE

7 Effets de la température
3 - Choc thermique sur paroi fragile JET D’EAU INCENDIE Message de la diapo: le refroidissement brusque d ’un côté de la paroi chaude génèrera des efforts de traction très élevés qui provoqueront des allongement locaux si le métal est ductile à froid ou des ruptures si le métal est fragile Même mécanisme que dans le cas précédent mais le métal est fragile et n’a donc pas la capacité de se déformer plastiquement si on dépasse sa résistance élastique localement. Il s’en suit une fissuration localisée. PAROI REFROIDIE FISSUREE OU ROMPUE REFROIDISSEMENT BRUTAL PAROI CHAUDE

8 Effets de la température
4 - Variation des caractéristiques mécaniques Message de la diapo: la résistance mécanique d ’un métal chaud est plus faible et inversement. Un métal chauffé voit : sa résistance mécanique diminuer, tandis que sa capacité d’allongement augmente. 1 2 3 4 Température

9 Effets de la température Température constante
5 - Fluage 4 Température constante (> 440 °C) Charge constante 3 2 1 Message de la diapo: en service une paroi métallique chaude normalement sollicitée en traction peut s ’allonger très lentement dans le temps. Ce phénomène est accéléré si la pression ou la température de service excède les limites prévues. Fluage: à une température constante supérieure à 440°c, et sous un effort de traction constant et inférieur à la résistance élastique du métal, la paroi s’allonge lentement dans le temps et peut aller jusqu’à la rupture (ex: tubes de four). Temps

10 Effets de la température
6 - Dilatation d’un liquide Calorifuge P P P Traceur Message de la diapo: la dilatation d ’un liquide chauffé et confiné peut créer des efforts de traction plus élevés que la résistance élastique d ’une paroi. Celle-ci se déformera (métal plastique) jusqu ’à la rupture éventuellement.

11 Effets de la température
7 - Détente d’un fluide sous-pression Refroidissement de la paroi GLACE RUPTURE Message de la diapo: dans un ESP la détente et la vaporisation d ’un gaz liquéfié refroidira la paroi. Celle-ci peut devenir fragile et ainsi risquer de se rompre. Un gaz liquéfié sous pression qui se détend et se vaporise dans un équipement se refroidit (détente adiabatique). Il s’en suit que les parois se refroidissent à des températures qui pourraient se situer en dessous de la température de transition ductile/fragile du métal. Le métal pourrait alors être dans un état fragile et si des efforts de traction induits par des différences de dilatations dépassent localement la résistance élastique, la paroi pourrait se fissurer ou se rompre sous l’effet de la pression interne ou d ’un choc. BULLES DETENTE (REFROIDISSEMENT)

12 Effet de la corrosivité des fluides
1 - Corrosion humide(présence d’eau liquide) Corrosion uniforme Par de l’eau acide, par des acides, des bases Corrosion galvanique Pile électrochimique entre deux métaux : ex. : acier carbone / acier inoxydable Message de la diapo: les fluides contenant de l ’eau peuvent provoquer la dissolution du métal de la paroi puis le percement ou la fissuration de cette dernière et/ou la réduction de sa section résistante localement. Il peut s ’en suivre une fuite ou l ’éclatement. Corrosion caverneuse Différence d’accessibilité de l’oxygène entre 2 parties d’une structure ex. : tube/plaque tubulaire, joint/portée de joints... Corrosion par piqûres Produit par certains anions (comme Cl-) sur des métaux protégés par un film mince d’oxyde ex. : Aciers inoxydables

13 Effet de la corrosivité des fluides
1 - Corrosion humide(suite) Corrosion inter-granulaire Attaque sélective aux joints de grain devenus sensibles à la corrosion par par manque de chrome(<11%) Corrosion sous contraintes Résulte de l’action commune d’un effort de traction statique et d’une réaction électrochimique Cloque H2 Fissure H Message de la diapo: les fluides contenant de l ’eau peuvent provoquer la dissolution du métal de la paroi puis le percement ou la fissuration de cette dernière et/ou la réduction de sa section résistante localement. Il peut s ’en suivre une fuite ou l ’éclatement. Le cloquage par l ’hydrogène (blistering) provient de la corrosion par l’H2S en milieu humide à des températures inférieures à 120°C. Corrosion par l’hydrogène Diffusion et agglomération de l’hydrogène atomique dans les défauts de la structure métallique et les zones à concentration de contraintes (Fragilisation par l’hydrogène) Corrosion - fatigue Action commune d’un effort de traction variable et d’une réaction électrochimique

14 Effet de la corrosivité des fluides
1 - Corrosion humide(suite) Écoulement Corrosion sélective Oxydation d’un composant de l’alliage, conduisant à la formation d’une structure métallique poreuse Corrosion-érosion Action conjointe d’une réaction électrochimique et d’un enlèvement mécanique de matière(film passif) Calorifuge humide Eau Message de la diapo: les fluides contenant de l ’eau peuvent provoquer la dissolution du métal de la paroi puis le percement ou la fissuration de cette dernière et/ou la réduction de sa section résistante localement. Il peut s ’en suivre une fuite ou l ’éclatement. Corrosion bactérienne Par leur métabolisme en milieu aqueux, les bactéries favorisent la fabrication de produits agressifs comme l’H2S Corrosion sous calorifuge

15 Effet de la corrosivité des fluides
2 - Corrosion sèche (Température > 260 °C) PRODUIT DE CORROSION MILIEU AGRESSIF METAL Oxygène Oxydes Vapeur d’eau Oxydes Gaz carbonique Oxydes Message de la diapo: les fluides chauds sans eau liquide peuvent provoquer la diminution de la section résistante de la paroi et éventuellement son éclatement. Les atomes de la surface métallique réagissent avec ceux du milieu environnant et forment des oxydes ou des sulfures ou des chlorures. L’hydrogène réagit avec le carbone des aciers et forme du méthane. Soufre Sulfures Chlore Chlorures Carbures du métal Hydrogène Méthane

16 P T °C Conception des ESP 2 - Épaisseurs calculées T °C P T °C P
Augmentation de pression T °C P Message de la diapo: la pression intérieur et la température de la paroi de l ’ESP sont pris en compte dans l ’évaluation de l ’épaisseur minimum nécessaire à sa résistance mécanique. Le calcul de l’épaisseur d’une paroi d’ESP aboutit à une augmentation de cette épaisseur: si l’on augmente la pression de service, si l’on choisit une température de service plus élevée (la résistance mécanique de l’acier est alors plus faible). T °C P Élévation de température T °C

17 Conception des ESP P 3 - Surépaisseurs de sécurité Dm E calculé
Surépaisseur = Corrosion Dm P Surépaisseur = tolérance de fabrication E calculé Message de la diapo: à l ’épaisseur minimum de résistance mécanique sont ajoutées des surépaisseurs de métal pour compenser les amincissements et les défauts dus à la fabrication et à la corrosion. Dans le calcul de l’épaisseur d’une paroi on applique: un COEFFICIENT DE SECURITE sur la résistance mécanique du métal pour tenir compte des hétérogénéités de l’acier (exemple: coefficient 3 sur la résistance à la rupture, coefficient 1,6 sur la limite d ’élasticité…). un COEFFICIENT DE SOUDURE pour tenir compte de la présence éventuelle de défauts dans les soudures (exemple: coefficient 0,7, ou 0,85 impliquant un contrôle de 10% des soudures, ou 1 impliquant un contrôle de 100% des soudures). Ces coefficients ont pour effet d’augmenter l’épaisseur calculée. On rajoute donc du métal pour compenser les hétérogénéités ou défauts éventuels. De plus à l’épaisseur calculée on rajoutera des surépaisseurs pour compenser: les variations d’épaisseur de laminage de la tôle(tolérances), la dissolution du métal dans le milieu agresseur ( corrosion).

18 anticorrosion organique
Conception des ESP REVETEMENTS Revêtement interne anticorrosion organique ou métallique Paroi froide Revêtement interne isolant réfractaire Peinture thermosensible Message de la diapo: le métal apportant la résistance mécanique de la paroi peut-être protégé du fluide intérieur et de l ’environnement extérieur par des revêtements. Revêtement externe anticorrosion Revêtement externe calorifuge

19 Structure écrouie après formage
Construction des ESP RISQUES DE DEFAUTS DE CONSTRUCTION Fissures Inclusions Grains grossis après traitement thermique Soudure non relaxée Message de la diapo: la fabrication est réalisée dans les règles de l ’art afin d ’éviter des défauts pouvant fragiliser la paroi. Inclusions: de gaz ou de laitier. Grains: petits paquets d’atomes formant un réseau cristallin. Le métal est constitué d’un amalgame de grains. Soudure relaxée: a subi un traitement thermique (600°C pendant 1h) de détensionnement (diminution des efforts de traction induits par la contraction du métal fondu lors de sa solidification et de son refroidissement pendant le soudage). Structure écrouie: les grains ont été déformés par l’opération de formage du fond ou du coude .Ce qui rend la structure plus résistante mais plus fragile (risque de fissuration). Les structures écrouies ou non détensionnées sont aussi sujettes à des corrosions sous contraintes dans certaines conditions. Structure écrouie après formage Fissures