FR2764669A1

FR2764669A1 - METHOD FOR MANUFACTURING A FLEXIBLE PIPE

Info

Publication number: FR2764669A1
Application number: FR9707328A
Authority: FR
Inventors: Francois Dupoiron
Original assignee: Coflexip SA
Current assignee: Technip Energies France SAS
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1998-12-18
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: FR2764669B1; WO1998057085A1; AU8112698A

Abstract

The invention concerns a method for making a flexible conduit comprising a flexible metal frame (1) consisting of a helical winding spires with a clamping profile made from a stainless steel strip with a clamping profile; the method consists in a thermal treatment for temper-hardening the metal constituting the frame, carried out during or after winding the frame. The steel can be austenitic and cooling brings about hardening by martensitic transformation; alternatively the steel is austeno-ferritic and heating brings about hardening of the ferritic phase.

Description

Procédé de fabrication d'une conduite flexible
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une conduite flexible susceptible d'être utilisée pour le transport de fluides tels que des hydrocarbures par exemple, en particulier dans le cadre d'installations de production pétrolière sous-marines.Method of manufacturing a flexible pipe
The present invention relates to a method of manufacturing a flexible pipe capable of being used for the transport of fluids such as hydrocarbons for example, in particular within the framework of underwater oil production installations.

De telles conduites flexibles sont bien connues, par exemple par le document EP-A-0 429 357 au nom de la Demanderesse dont on incorpore ici l'enseignement par référence. Elles comprennent, de l'intérieur vers l'extérieur, au moins une couche tubulaire de carcasse métallique flexible constituée par un enroulement hélicoïdal de spires d'un feuillard profilé agrafé, une gaine interne d'étanchéité disposée autour de ladite carcasse, au moins une nappe d'amures enroulée autour de ladite gaine d'étanchéité interne et au moins une gaine d'étanchéité externe. Such flexible pipes are well known, for example from document EP-A-0 429 357 in the name of the Applicant, the teaching of which is incorporated here by reference. They include, from the inside to the outside, at least one tubular layer of flexible metal carcass constituted by a helical winding of turns of a stapled profiled strip, an internal sealing sheath disposed around said carcass, at least one ply of tack wrapped around said internal sealing sheath and at least one external sealing sheath.

Le feuillard destiné à la carcasse est généralement préparé par laminage à froid d'une bande d'acier, suivi d'un recuit puis d'un laminage superficiel ("skin pass") donnant un léger écrouissage de surface. Le feuillard subit ensuite un profilage sur galets, destiné à lui conférer sa section d'agrafage caractéristique. On enroule ensuite la bande profilée hélicoidalement avec un faible pas et avec emboîtement des spires successives. La flexibilité de la couche tubulaire est obtenue par ltexistence d'un certain jeu axial entre les spires agrafées successives. Pour donner un ordre de grandeur des produits concernés, la couche tubulaire est couramment d'un diamètre de 50 à 500 mm, et le feuillard constitutif a une épaisseur de 0,5 à 2,5 mm. Les aciers utilisés sont généralement des aciers de type 304, 304L, 316, ou 3 16L (selon la terminologie AISI de l'ASTM), de caractéristiques mécaniques moyennes Rp = 310 MPa sur feuillard, conduisant à des carcasses garanties Rp supérieure à 450 MPa et Rm supérieure à 540 MPa. On utilise aussi des aciers austéno-ferritiques ("duplex"), notamment 22-05 (c'est-à-dire 22% de Cr-équivalent et 5% de
Ni-équivalent), de caractéristiques moyennes plus élevées Rp supérieure à 450 MPa, conduisant à des carcasses garanties Rp supérieure à 550 MPa et
Rm supérieure à 660 Mpa. Des aciers de type martensitique et ferrite peuvent aussi être utilisés. The strip intended for the carcass is generally prepared by cold rolling of a steel strip, followed by annealing and then by surface rolling ("skin pass") giving a slight surface hardening. The strip then undergoes profiling on rollers, intended to give it its characteristic stapling section. The profiled strip is then wound helically with a small pitch and with the interlocking of successive turns. The flexibility of the tubular layer is obtained by the existence of a certain axial clearance between the successive stapled turns. To give an order of magnitude for the products concerned, the tubular layer is commonly of a diameter of 50 to 500 mm, and the constituent strip has a thickness of 0.5 to 2.5 mm. The steels used are generally steels of type 304, 304L, 316, or 3 16L (according to the terminology AISI of ASTM), with average mechanical characteristics Rp = 310 MPa on strip, leading to guaranteed carcasses Rp greater than 450 MPa and Rm greater than 540 MPa. Austeno-ferritic ("duplex") steels are also used, in particular 22-05 (that is to say 22% of Cr-equivalent and 5% of
Ni-equivalent), with higher average characteristics Rp greater than 450 MPa, leading to guaranteed carcasses Rp greater than 550 MPa and
Rm greater than 660 Mpa. Martensitic and ferrite steels can also be used.

Les conduites sont utilisées en mer de plus en plus profonde ; aussi doit-on orienter l'évolution des matériaux constitutifs de la carcasse, destinée à résister aux énormes pressions hydrostatiques en jeu, vers des caractéristiques mécaniques de plus en plus élevées. Ces matériaux doivent néanmoins rester compatibles avec les moyens de production, qu'il s'agisse de la réalisation du feuillard, de son profilage ou de la mise en forme (spiralage). The pipes are used in increasingly deep sea; we must therefore orient the evolution of the materials constituting the carcass, intended to withstand the enormous hydrostatic pressures involved, towards increasingly high mechanical characteristics. These materials must nevertheless remain compatible with the means of production, whether it is the production of the strip, its profiling or the shaping (spiraling).

I1 serait théoriquement possible de choisir des nuances d'acier présentant d'emblée les caractéristiques mécaniques requises pour la résistance accrue souhaitée de la carcasse, mais on se heurte en pratique à des difficultés de mise en oeuvre liées à l'allongement du matériau, voire une impossibilité, sans un surdimensionnement prohibitif des moyens de profilage et surtout de spiralage. It would theoretically be possible to choose grades of steel which immediately present the mechanical characteristics required for the desired increased strength of the carcass, but in practice there are implementation difficulties linked to the elongation of the material, or even an impossibility, without a prohibitive oversizing of the profiling and especially spiraling means.

Le but de l'invention est d'améliorer les caractéristiques de la carcasse sans entraîner ces difficultés. The object of the invention is to improve the characteristics of the carcass without causing these difficulties.

Ce but est atteint conformément à l'invention grâce à un traitement thermique de durcissement du métal constituant la carcasse, réalisé pendant ou après enroulement de la carcasse. De tels traitements sont, dans leur aspect général, connus en eux-mêmes du métallurgiste ; l'invention réside dans le fait qu'on puisse choisir des compositions métalliques convenant à la fabrication des conduites flexibles et susceptibles de subir avec succès un traitement thermique de durcissement pratiqué non pas sur le feuillard avant enroulement mais pendant ou après le formage de la carcasse. Les connaissances du métallurgiste permettent de choisir le métal ou la nuance de métal la plus adaptée pour obtenir le durcissement souhaité par ce traitement thermique. This object is achieved in accordance with the invention thanks to a heat treatment for hardening the metal constituting the carcass, carried out during or after winding the carcass. Such treatments are, in their general aspect, known in themselves to the metallurgist; the invention lies in the fact that it is possible to choose metal compositions suitable for the manufacture of flexible pipes and capable of undergoing successfully a heat treatment of hardening practiced not on the strip before winding but during or after the forming of the carcass . The knowledge of the metallurgist makes it possible to choose the metal or the metal grade most suitable for obtaining the hardening desired by this heat treatment.

Le métal pourra être l'acier, et notamment l'acier inoxydable. On trouvera, notamment dans "Les aciers inoxydables" publiés en 1990 par "Les éditions de Physique", les éléments de théorie expliquant le phénomène de durcissement recherché par l'invention et permettant de guider le choix de la nuance d'acier à retenir. On pourra en particulier se reporter au diagramme de Schaeffler publié page 573 et reproduit dans les dessins ci-annexés en figure 2. The metal may be steel, and in particular stainless steel. We will find, notably in "Stainless steels" published in 1990 by "Les éditions de Physique", the theoretical elements explaining the hardening phenomenon sought by the invention and making it possible to guide the choice of steel grade to be retained. In particular, reference may be made to the Schaeffler diagram published on page 573 and reproduced in the attached drawings in FIG. 2.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'acier est un acier austénitique et le traitement thermique est un refroidissement qui conduit au durcissement par transformation martensitique de l'acier. La température de refroidissement est choisie par le métallurgiste en fonction de la nuance d'acier utilisée ; elle sera généralement comprise entre des températures inférieures à la température ambiante et, par exemple, -196 C (température de l'azote liquide). According to a first embodiment of the invention, the steel is an austenitic steel and the heat treatment is a cooling which leads to hardening by martensitic transformation of the steel. The cooling temperature is chosen by the metallurgist according to the steel grade used; it will generally be between temperatures below room temperature and, for example, -196 C (temperature of liquid nitrogen).

De manière particulièrement avantageuse, on choisira une nuance d'acier adaptée au durcissement par transformation martensitique obtenue par combinaison d'une déformation à froid et d'un refroidissement simultané. On sait qu'une telle combinaison conduit à des résultats particulièrement satisfaisants en termes de transformation martensitique. In a particularly advantageous manner, a steel grade suitable for hardening by martensitic transformation obtained by combination of cold deformation and simultaneous cooling will be chosen. We know that such a combination leads to particularly satisfactory results in terms of martensitic transformation.

Avantageusement, l'acier est un acier inoxydable comprenant de 12 à 25 % de Cr-équivalent et de 3 à 15% de Ni-équivalent, et est choisi de manière à se situer dans la zone des aciers présentant la transformation martensitique recherchée. Ceci conduit à éliminer les aciers 316 ou 31 6L (correspondant à la norme française Z2CND17-12-2) employés jusque là, puisqu'ils ne produisent pas de martensite d'écrouissage ni de martensite thermique. En revanche, les aciers 304 et 304L (correspondant à la norme française Z2CN18-10) qui produisent de la martensite par écrouissage conviennent ; le refroidissement à basse température conforme à l'invention renforce la consolidation martensitique. Il peut être particulièrement intéressant de choisir une nuance d'acier dont la teneur en Ni-équivalent est abaissée, pour encore favoriser la formation de martensite ; par exemple, on peut utiliser des aciers 301 ou 301LN (18% de Cr-équivalent, 7% de Niéquivalent, et présence d'azote favorisant les caractéristiques mécaniques globales). Advantageously, the steel is a stainless steel comprising from 12 to 25% of Cr-equivalent and from 3 to 15% of Ni-equivalent, and is chosen so as to be located in the zone of steels having the desired martensitic transformation. This leads to eliminating the 316 or 31 6L steels (corresponding to the French standard Z2CND17-12-2) used up to this point, since they do not produce hardening martensite or thermal martensite. On the other hand, steels 304 and 304L (corresponding to French standard Z2CN18-10) which produce martensite by work hardening are suitable; the low temperature cooling according to the invention reinforces martensitic consolidation. It may be particularly interesting to choose a steel grade whose Ni-equivalent content is lowered, to further promote the formation of martensite; for example, 301 or 301LN steels can be used (18% Cr-equivalent, 7% Niéquivalent, and the presence of nitrogen promoting overall mechanical characteristics).

Selon un second mode de réalisation de l'invention, l'acier est un acier du type austéno-ferritique comprenant de 30 à 70% de ferrite dans une matrice d'austénite, et le traitement thermique est un chauffage qui conduit à un durcissement de la phase ferritique. Il s'agit donc en particulier d'aciers, dits couramment "duplex", dont les teneurs en Cr-équivalent et en Niéquivalent sont respectivement de l'ordre de 20 à 25% et de 2,5 à 10%, conduisant à un sensible équilibre des phases alpha (ferrite) et gamma (austénite), comme le montre le diagramme de Schaeffler ci-annexé (figure 2). De tels aciers sont connus pour leur bonne tenue à la corrosion et pour leurs excellentes caractéristiques mécaniques. Le traitement thermique de l'invention, typiquement à des températures de l'ordre de 350"C à 550"C, conduit à une transformation de la phase ferritique, peu stable thermiquement, se traduisant par un durcissement de cette phase ferrite. Un tel durcissement peut être activé, comme le sait le métallurgiste, par la présence de molybdène et/ou de cuivre dans des proportions adéquates dans l'acier. La proportion de ferrite durcie peut être ajustée pour éviter que la chute de résilience qu'elle entraîne ne pénalise l'application. According to a second embodiment of the invention, the steel is a steel of the austeno-ferritic type comprising from 30 to 70% of ferrite in an austenite matrix, and the heat treatment is a heating which leads to hardening of the ferritic phase. It is therefore in particular steels, commonly called "duplex" steels, the contents of Cr-equivalent and Niéquivalent are respectively of the order of 20 to 25% and 2.5 to 10%, leading to a sensitive balance of the alpha (ferrite) and gamma (austenite) phases, as shown in the attached Schaeffler diagram (Figure 2). Such steels are known for their good resistance to corrosion and for their excellent mechanical properties. The heat treatment of the invention, typically at temperatures of the order of 350 "C to 550" C, results in a transformation of the ferritic phase, which is not very stable thermally, resulting in a hardening of this ferrite phase. Such hardening can be activated, as the metallurgist knows, by the presence of molybdenum and / or copper in adequate proportions in the steel. The proportion of hardened ferrite can be adjusted to prevent the fall in resilience it causes from penalizing the application.

On pourra avantageusement choisir la nuance qui convient pour que la durée du traitement thermique conduisant au durcissement soit de l'ordre de deux ou trois heures au plus, afin d'assurer une industrialisation correcte du procédé. It is advantageously possible to choose the shade which is suitable for the duration of the heat treatment leading to hardening to be of the order of two or three hours at most, in order to ensure correct industrialization of the process.

Dans le cas où le traitement thermique est un chauffage à haute température, on pourra préalablement débarrasser le feuillard de l'huile résiduelle résultant du profilage. In the case where the heat treatment is heating at high temperature, the strip can be freed of the residual oil resulting from the profiling beforehand.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante, se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique éclatée partiellement en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation de conduite tubulaire flexible auquel s'applique le procédé de l'invention,
- la figure 2 est le diagramme de Schaeffler déjà mentionné illustrant le partage des différentes phases constitutives d'un acier inoxydable selon le taux d'équivalent chrome (en abscisse) et d'équivalent nickel (en ordonnée).The invention will be better understood from the following description, referring to the accompanying drawings in which
FIG. 1 is a schematic exploded view partially in longitudinal section of an embodiment of a flexible tubular pipe to which the method of the invention applies,
- Figure 2 is the Schaeffler diagram already mentioned illustrating the sharing of the different constituent phases of a stainless steel according to the rate of chromium equivalent (on the abscissa) and nickel equivalent (on the ordinate).

La conduite représentée sur la figure 1 est de type dit "rough bore" (à passage non lisse). Elle comporte une carcasse intérieure 1 destinée à assurer la résistance de la conduite aux effets d'écrasement et constituée par l'enroulement hélicoïdal d'une bande profilée en S. Une gaine interne d'étanchéité 3 la sépare d'une armure 2 de résistance à la traction et à la pression intérieure constituée de préférence d'une ou de plusieurs paires de nappes croisées de fils d'armage métalliques ou en matériaux composites résistant à la traction. Une gaine externe 4 entoure le tout. The pipe shown in Figure 1 is of the type called "rough bore" (not smooth passage). It comprises an internal carcass 1 intended to ensure the resistance of the pipe to the effects of crushing and constituted by the helical winding of a strip profiled in S. An internal sealing sheath 3 separates it from an armor 2 of resistance tensile and internal pressure preferably consisting of one or more pairs of crossed plies of metallic reinforcing wire or composite materials resistant to traction. An external sheath 4 surrounds the whole.

Claims

1. A method of manufacturing a flexible pipe of the type comprising at least one tubular layer of flexible metal carcass (1) constituted by a helical winding of turns of a stapled profiled strip, characterized by a heat treatment to harden the metal constituting the carcass (1), made during or after winding the carcass.

2. Method according to claim 1, characterized in that the metal of the carcass (1) is steel.

3. Method according to claim 2, characterized in that the steel is an austenitic steel and the heat treatment is a cooling which leads to hardening by martensitic transformation of the steel.

4. Method according to claim 3, characterized in that one chooses a steel grade suitable for hardening by martensitic transformation obtained by combination of cold deformation and cooling.

5. Method according to claim 4, characterized in that the steel is a stainless steel comprising from 12 to 25% of Cr-equivalent and from 3 to 15% of Ni-equivalent.

6. Method according to claim 5, characterized in that the steel grade is chosen from the grades 304, 304L, 301, 301LN.

7. Method according to claim 2, characterized in that the steel is a steel of the austenitic-ferritic type comprising from 30 to 70% of ferrite in an austenite matrix, and the heat treatment is a heating which leads to hardening of the ferritic phase.

8. Method according to claim 7, characterized in that the heating temperature is between 350 "C and 5500C.

9. Method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that the steel comprises copper and / or molybdenum in proportions activating the hardening of the ferritic phase.

10. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pipe further comprises an internal sealing sheath (3) disposed around said carcass (1), at least one layer of armor (2 ) wrapped around said internal sealing sheath and at least one external sealing sheath (4).