Ces dix dernières années, des projets de recherche en eaux profondes, portant sur la pose de pipelines sous-marins, ont été menés pour le transport du gaz naturel. Pour le transport de gaz naturel sur de longues distances, les pipelines doivent résister à la pression de l'eau en eaux profondes.Tuyaux en acier UOELes tubes en acier UOE sont généralement utilisés. Leur fabrication repose sur le formage à froid, et leur résistance est anisotrope. Afin de prédire la résistance à la compression de ces tubes et d'élucider leur mécanisme d'écrasement, Nippon Steel a réalisé des simulations numériques intégrant le formage et l'évaluation des performances. Ces simulations comprennent un modèle bidimensionnel de formage et un modèle tridimensionnel d'écrasement, prenant en compte la forme du tube et les contraintes résiduelles. Des mesures expérimentales ont permis de déterminer l'épaisseur de paroi et l'anisotropie de résistance circonférentielle, ainsi que les contraintes résiduelles. La validité du modèle numérique a ainsi été évaluée à partir des mesures de résistance à la compression réelles des tubes.
1. Anisotropie de résistance et contraintes résiduelles des tubes en acier UOE
Il est bien connu que les facteurs influençant la résistance à la compression des tubes en acier sont leur forme (irrégularité de la circularité et épaisseur de paroi non uniforme), leur limite d'élasticité (YS) et les contraintes résiduelles. La limite d'élasticité en compression et les contraintes résiduelles circonférentielles sont fortement corrélées. La distribution de la limite d'élasticité en fonction de l'épaisseur de paroi, mesurée sur des éprouvettes rondes et cylindriques (de 6 mm de diamètre), montre que la diminution de la limite d'élasticité en compression est particulièrement marquée dans la direction circonférentielle externe du tube. La comparaison des courbes de contrainte en fonction de l'épaisseur de paroi révèle l'apparition d'une courbe circulaire à l'extérieur, due à l'effet Bauschinger de la déformation élastique à partir du centre de la paroi. La comparaison entre les tubes en acier UOE et les tubes en acier sans soudure pour puits de pétrole montre que les contraintes résiduelles des deux types de tubes tendent à se concentrer sur la surface interne, mais que la valeur des contraintes résiduelles des tubes UOE est plus faible.
2. Simulation d'analyse numérique
Lors de l'analyse numérique, un modèle intégré a été utilisé pour évaluer la résistance à la compression par formage des tubes en acier UOE. Dans le modèle de formage (élément de déformation plan bidimensionnel) du tube en acier UOE, la courbe de contrainte-déformation (SS) de la plaque est utilisée, et les contraintes résiduelles sont appliquées au modèle d'écrasement (élément solide tridimensionnel). La prédiction précise de l'évolution de la courbe SS entre la plaque et le tube en acier par simple simulation numérique s'avérant difficile, une méthode semi-expérimentale (essai de déformation simulé) est employée. Concrètement, l'hystérésis de déformation plastique équivalente calculée est appliquée à une éprouvette cylindrique prélevée dans la plaque, permettant ainsi de définir la courbe SS de compression résultante pour chaque épaisseur de paroi.
3. Résultats et recherche
3.1. Validité du modèle d'écrasement
La précision des prédictions est principalement déterminée par le nombre de combinaisons d'éléments, l'incrément de pression et le critère de convergence du modèle. En corrigeant ces facteurs, l'erreur de prédiction est estimée à environ 5 %. Cette correction permet d'améliorer encore la précision des prédictions. La comparaison des valeurs d'écrasement obtenues avec le modèle complet et le modèle d'approximation elliptique, pour une même circularité, révèle une faible différence moyenne. Il apparaît donc que la circularité dépend du diamètre extérieur maximal et du diamètre intérieur minimal. En ajustant les paramètres à ceux d'une ellipse, il est possible de modéliser la distribution des diamètres extérieurs des tubes en acier UOE présentant des variations locales de courbure. En comparant la valeur d'écrasement prédite par le modèle elliptique avec la valeur calculée par la formule classique de prédiction de la résistance à la compression des tubes en acier UOE, on constate que les valeurs prédites pour différents rapports D/t (diamètre extérieur/épaisseur de paroi) et degrés de circularité sont identiques à celles prédites par la formule classique. On peut donc supposer que le modèle intégré de formage-écrasement conduit au même résultat. Par conséquent, ce modèle intégré permet d'analyser le mécanisme d'écrasement et de quantifier l'influence des conditions de formage sur la résistance à la compression.
3.2. Mécanisme de broyage des tubes en acier UOE
Nous avons étudié la relation contrainte-déformation en simulant l'hystérésis de déformation plastique équivalente prédite lors du processus de production de tubes en acier UOE à l'aide d'une barre ronde, et comparé la courbe de contrainte-déformation prédite à la courbe simulée. Les résultats ont montré que la courbe de contrainte-déformation prédite est plus conforme à celle du tube réel, même pour une section de paroi soumise à une hystérésis de déformation différente ; la limite d'élasticité (YS) reste identique à la valeur mesurée. La chute de la limite d'élasticité externe de la paroi lors de l'hystérésis de déformation, dans ces conditions de formage, est principalement due à la contrainte de traction appliquée pendant l'emboutissage en U. De plus, la chute de la limite d'élasticité en compression due à l'effet Borgesine de la déformation élastique est quasi nulle à l'intérieur du tube. Grâce à l'essai de déformation simulé proposé, la résistance circonférentielle du tube réel peut être prédite avec une plus grande précision.
Date de publication : 10 août 2023