FR2473555A1 - Methode pour refroidir des tubes d'acier - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une méthode pour refroidir des tubes d'acier. La méthode de refroidissement d'un tube en acier trempé après maintien du tube à une température de revenu pendant une durée donnée consiste à pulvériser l'eau de refroidissement depuis l'extérieur, sur la surface externe du tube qui circule selon la direction de son axe longitudinal, avec un débit qui n'est pas inférieur à 0,05 m**3/min.m**2 et qui n'est pas supérieur à 2 m**3/min.m**2, en commençant le refroidissement à une température du tube comprise entre 400 degrés C et 700 degrés C et en poursuivant le refroidissement jusqu'à ce que la température du tube tombe à une température entre la température ambiante et 350 degrés C. Les tubes obtenus par cette méthode conviennent particulièrement aux applications pétrolières. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

Méthode pour refroidir des tubes d'acier.

L'invention concerne une méthode pour refroidir des tubes d'acier qui améliore la capacité de refroidissement de la grille de refroidissement ou refroidissoir en imposant un refroidissement forcé à des tubes soumis à un revenu et/ou accroît la résistance à l'écrasement des tubes sans accrois-

sement de leur résistance à la traction.

De nombreuses méthodes de trempe ont été proposées comme traitement thermique des tubes d'acier. La plupart de ces méthodes consistent à refroidir les tubes d'acier, tout

d'abord chauffés au-dessus de la température de transforma-

tion AC3 (par exemple 850'C), jusqu'à une température infé-

rieure à approximativement 1000C, en faisant passer les tubes

à travers une ou plusieurs têtes annulaires portant de nom-

breux gicleurs pour pulvériser l'eau de refroidissement. Pour

réduire l'addition des éléments coûteux accroissant l'apti-

tude à la trempe,ces méthodes de trempe font appel à des

techniques qui peuvent assurer des capacités de refroidisse-

ment extrêmement élevées (qui ne sont pas inférieures à 35-

40*C/sec. exprimées en coefficient de refroidissement moyen sur la surface interne de la paroi du tube). Dans ce but, différentes techniques ont été proposées qui comportent des

conditions telles que le débit d'eau moyen ne soit pas infé-

rieur à 3 m3/min.m2 et que le coefficient de transfert ther-

mique moyen ne soit pas inférieur à 54,5 KJ /m2.h.OC. Dans

ce cas, le débit d'eau moyen signifie la quantité d'eau ali-

mentée à la zone de refroidissement divisée par la surface superficielle externe du tube en cours de refroidissement, dans la zone de refroidissement. Ceci veut dire que le débit d'eau moyen q(m 3/min.m2) peut être.exprimé par q=Q/irDL dans laquelle-D(m) est le diamètre externe du tube, L(m) estila longueur de la zone de refroidissement (ou de la partie du tube qui est exposée à l'eau) et Q(m 3/min.) est le-volume d'eau alimenté. En d'autre termes, q représente la quantité d'eau de refroidissement pulvérisée par unité de temps sur

l'unité de surface de la surface externe du tube.

Après avoir été ainsi rapidement trempé, le tube est réchauffé

jusqu'à une température comprise entre 500 et 700'C, tempé-

rature à laquelle le tube est maintenu pendant une courte

durée pour assurer ce qui est connu sous le nom de revenu.

Ensuite, habituellement, le tube est laissé à refroidir sur le refroidissoir ou grille de refroidissement jusqu'à une température voisine de 1000C ou de la température ambiante,

très lentement, sous une condition analogue au refroidisse-

ment par convexion naturelle. Toutefois ce refroidissement des tubes soumis à un revenu sur la grille de refroidissement demande une longue durée de sorte que l'amélioration de la capacité du refroidissoir o de la grille de refroidissement ou la mise au point d'une nouvelle méthode de refroidissement plus efficace se sont avérées nécessaires afin de répondre à

l'accroissement récent dans la demande en tubes traités ther-

miquement de haute qualité.

De même si la résistance à l'écrasement du tube pouvait être accrue en assurant un refroidissement convenablement choisi après le revenu, une telle méthode serait favorable pour la fabrication de produits tubulaires pour des exploitations pétrolières et similaires, produits sur lesquels une pression

élevée est susceptible d'être exercée.

Différentes méthodes de refroidissement des tubes chauffés ont été proposées mais elles étaient toutes destinées à d'autres buts que la trompe. Par exemple les demandes de

brevet japonaises publiées N0 94415/1979 et 34667/1978 décri-

vent des méthodes pour refroidir des tubes chauffés depuis l'intérieur. Leur but est de rendre la dimension des grains cristallins de l'acier du tube plus fine ou d'accroître la résistance à la corrosion du tube en compensant la pression

interne par application d'une contrainte résiduelle de com-

pression sur l'intérieur du tube. Ainsi ces méthodes ne peu-

vent satisfaire aux conditions ci-dessus mentionnées. La demande de brevet japonaise publiée No 80211/1979 décrit une méthode de refroidissement du tube depuis l'extérieur. Cette invention, comme la présente invention, concerne une méthode

de refroidissement externe forcé mais est principalement des-

tinée à un affinage du grain cristallin comme les deux métho-

des de refroidissement interne précédentes.

Un but de la présente invention, qui a été faite sur la base de l'état de la technique ci-dessus décrit, est de fournir une méthode de refroidissement de tubes d'acier soumis à un revenu qui peut être réalisée dans une durée courte sur une

grille de refroidissement d'une surface qui n'est pas impor-

tante. Un autre but de la présente invention est de fournir une méthode de refroidissement de tubes d'acier qui permet de

produire des tubes qui ont une haute résistance à l'écrase-

ment. Pour atteindre les buts ci-dessus mentionnés, la méthode de refroidissement conforme à la présente invention maintient tout d'abord les tubes d'acier trempés à la température de revenu pendant une durée donnée et refroidit ensuite le tube

relativement plus rapidement.que par la méthode convention-

nelle. Pour être plus précis, l'eau de refroidissement est pul-

vérisée, avec un débit d'eau moyen qui n'est pas inférieur à 0,05 m3/min. m2 et qui n'est pas supérieur à 2 m3/min.m2 sur

la surface externe du tube qui est transporté dans la direc-

tion de son axe longitudinal. Le refroidissement démarre à une température comprise entre 400 et 700'C et se termine entre

la température ambiante et 3500C.

Un tel refroidissement rapide forcé permet de réduire la

surface de la grille de refroidissement et la durée du refroi-

dissement.

Le coefficient de refroidissement moyen de la présente inven-

tion tombe dans la gamme comprise entre 50C/sec. et 40'C/sec.

Lorsque le tube-est refroidi avec un tel coefficient, une contrainte résiduelle périphérique de traction se développe sur la surface de la paroi interne du tube, ce qui accroît la

résistance à l'écrasement de celui-ci.

La présente invention sera décrite plus en détail ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels

La figure 1 illustre un exemple de la caractéris-

tique du refroidissement suivant le revenu par comparaison avec celle d'une opération de trempe usuelle; la figure 2 est une vue en élévation frontale illustrant une tête de refroidissement

et la condition dans laquelle--l'eau de refroi-

dissement est éjectée à partir de celle-ci; la

figure 3 représente des vues en élévation laté-

rale d'un appareil de refroidissement illustrant

différents modes d'éjection de l'eau de refroi-

dissement; la figure 3a illustrant un appareil utilisant des ajutages a jet de pulvérisation

plan et la figure 3b un appareil avec des ajuta-

ges à jet de pulvérisation conique; la figure

4 illustre graphiquement l'importance de la con-

trainte résiduelle résultant du refroidissement après revenu et les effets des conditions de

refroidissement; la figure 5 illustre la distri-

bution de la contrainte qui se développe lors de l'application d'une pression externe sur le tube,

la contrainte résultant de la pression périphéri-

que s'accroissant depuis l'extérieur vers l'inté-

rieur sur l'épaisseur de la paroi du tube; la fi- gure 6 illustre la relation entre le rapport du diamètre externe à l'épaisseur du tube d'acier avec une résistance constante et l'intensité de la pression d'écrasement, le rapport du diamètre externe à l'épaisseur étant porté en abscisse et la pression d'écrasement en o r d o n n é e; la

figure 7 illustre les distributions de la contrain-

te résiduelle développée à l'intérieur d'un tube

par la méthode de refroidissement externe contrô-

lé conforme à la présente invention; les graphi-

ques supérieur, central et inférieur illustrant la distribution périphérique, axiale et selon l'épaisseur de la contrainte r é s i d u e 1 1 e

respectivement; dans ces trois figures, l'épais-

seur de paroi du tube est portée en abscisse et la contrainte résiduelle selon les directions périphérique et axiale et selon l'épaisseur en ordonnée; la figure 8 illustre une ellipse de Mises de la contrainte élastique pour un tube sans contrainte résiduelle et celles au voisinage des surfaces interne et externe d'un tube soumis à un refroidissement externe contrôlé conforme à la présente invention; la contrainte périphérique appliquée est portée en abscisse et la contrainte appliquée axialement en ordonnée (toutes les deux e n Pa); la figure 9 illustre la relation entre la contrainte élastique apparente obtenue par le refroidissement externe contrôlé conforme à la présente invention et la contrainte produite par la pression externe dans différentes parties sur l'épaisseur de la paroi du tube, l'épaisseur de la paroi du tube étant portée en abscisse et la résistance élastique ou la contrainte appliquée en ordonnée; la figure 10 illustre la relation - entre la contrainte résiduelle périphérique sur

la surface interne et la résistance à l'écrase-

ment, la contrainte résiduelle périphérique sur

la surface interne étant portée en abscis-

se et les taux de la résistance à l'écrasement des tubes soumis à différentes contraintes résiduelles par rapport à celles d'un tube sans contrainte

résiduelle en ordonnée.

Comme indiqué préalablement, différentes méthodes de trempe

pour réaliser la trempe ont été étudiées et proposées. Toute-

fois très peu s'intéressent à la caractéristique du refroidis-

sement suivant le revenu. Des études-expérimentales compara-

tives ont révélé des caractéristiquesrésultant du refroidis-

sement à la suite du revenu telles que représentées à titre

d'exemple dans la figure 1 avec comparaison avec le refroidis-

sement pour la trempe. Les caractéristiques trouvées qui sont

indiquées brièvement ci-après suggèrent la nécessité de met-

tre au point une nouvelle technique de refroidissement. La figure 1 illustre graphiquement la relation entre le débit

d'eau moyen et l'indice de la capacité de refroidissement.

L'indice de la capacité de refroidissement est proportionnel au coefficient de transfert thermique moyen multiplié par le

diamètre moyen des gicleurs de pulvérisation de l'agent re-

froidissant divisé par la conductivité thermique de l'agent refroidissant. Les caractéristiques révélées sont les suivantes (1) dans le cas d'un refroidissement de trempe, un film en

ébullition se produit tout d'abord parce que le refroi-

dissement démarre à une température élevée (3 à appro-

ximativement 8500C) de sorte que le transfert thermique pour le même débit d'eau est beaucoup plus limité que dans le refroidissement après revenu; (2) avec le refroidissement après revenu une ébullition par

noyaux d'évaporation, qui permet un bon transfert thermi-

que, est dominante en raison de la température de départ

basse (entre 4000C et 700'C), en d'autres mots un coeffi-

cient élevé de transfert thermique peut être atteint avec une petite quantité d'eau; (3) dans les deux cas, le coefficient de transfert thermique devient presque saturé lorsque le débit d'eau atteint approximativement 4 à 5 m3/min.m2; toutefois dans le refroidissement après revenu le transfert thermique n'est pas aussi fortement affecté par le débit d'eau dans la gamme entre 0,5 et 4 m3/min.m2; (4) en conséquence le refroidissement après revenu nécessite une technique de haut niveau, plus spécialement en ce qui

concerne le coefficient de refroidissement.

Comme on le voit d'après la figure 1, la capacité de refroi-

dissement devient saturée lorsque le débit d'eau atteint 4 à

3 2

m /min.m. Sur ce point des études expérimentales ont été effectuées sur l'économie d'eau et de la puissance consommée par le moteur de la pompe. Les études ont montré que lorsque le refroidissement est démarré à une température comprise entre 400'C et 7000C, il est suffisant, même si l'épaisseur de paroi est grande, de concevoir l'appareil de refroidissement et son équipement auxiliaire de manière à assurer un débit d'eau maximum de 2 m3/min.m2. En procédant ainsi, il devient possible d'assurer un refroidissement forcé après revenu pour accrottre la capacité de refroidissement de la grille de refroidissement (o un refroidissement à l'air est effectué

de manière conventionnelle). Ce refroidissement forcé contrô-

lé à la suite du revenu assure une valeur convenable de la contrainte résiduelle, ce qui se traduit par un accroissement

de la résistance à l'écrasement.

Il a été également trouvé qu'un débit d'eau qui n'est pas supérieur à 1 m3/min.m2 suffit lorsque le refroidissement externe forcé à l'eau après revenu est appliqué à des tubes sans soudure ou autres usuels avec une épaisseur de paroi qui n'est pas supérieure à 25,4 mm en supplément de ou comme substituant au refroidissement à l'air conventionnel sur la

grille de refroidissement.

3 2

La limite inférieure du débit d'eau moyen est de 0,05m /min.m Pour accroître la résistance à l'écrasement en donnant une contrainte résiduelle, la quantité d'eau de refroidissement pulvérisée ne doit pas être en dessous de cette limite. Si le débit d'eau moyen n'atteint pas ce niveau, la capacité de la

grille de refroidissement ne peut pas être accrue.

Au cours d'expériences, des tubes d'acier soumis à un revenu ont été passés à travers un laminoir de calibrage à chaud

prévu immédiatement en amont d'un four de revenu puis refroi-

dis par la méthode de la présente invention. Les tubes en résultant ont été mieux conformés que ceux refroidis par la méthode conventionnelle qui est proche du refroidissement par convexion naturelle sur la grille derefroidissement, ce qui a évité la nécessité du dressage et d'un recuit de libération des contraintes (ou libération de la contrainte résiduelle

développée au cours du procédé de dressage). -

La figure 2 illustre un exemple pratique d'appareil pour mettre en oeuvre la méthode de refroidissement de la présente invention qui comporte une ou plusieurs têtes annulaires 3 disposées le long de l'axe longitudinal du tube 4, chaque tête portant un jeu d'ajutages, indiqués par 2 ou 3, qui sont espacés à des intervalles réguliers mais étagés par rapport à

ceux sur une autre tête, le long de la périphérie concentrique-

ment au tube 4. Les ajutages 2 sur une tête frontale et l'eau

de refroidissement 5 éjectée à partir de ceux-ci sont repré-

sentés en traits pleins tandis que les ajutages 4 sur une tête arrière et l'eau de refroidissement 6 éjectée à partir de ceux-ci sont représentés en pointillé. Il est préférable d'insérer des ailettes de redressement à l'intérieur de la tête 1 quoique celles-ci ne soient pas représentées dans la figure. A partir des ajutages, l'eau de refroidissement peut être

éjectée sous la forme d'un écran ou de jets relativement lar-

ges. Egalement de l'eau seule ou un mélange atomisé d'eau et d'air peuvent être pulvérisés. Même dans le cas d'un mélange d'eau et d'air atomisé, la capacité de refroidissement est

virtuellement déterminée par le débit d'eau moyen.

Quelle que soit la forme d'éjection, la méthode assure une capacité de refroidissement élevée parce que, comme indiqué précédemment, le refroidissement démarre à une température inférieure à celle d'un refroidissement de trempe usuel et l'ébullition par noyaux de vaporisation est dominante. Parce que le film de vapeur est instable, la pression d'éjection

ne nécessite pas d'être supérieure à 29,4 -Pa également.

Toute pression d'éjection plus élevée signifie un gaspillage d'énergie. Les figures 3(a) et (b) sont des vues en élévation latérale illustrant les conditions d'éjection sur l'appareil de refroidissement. Dans la figure 3 (a), un ajutage plat éjecte un courant d'eau de refroidissement 9 en forme d'écran contre le tube 8 à refroidir. Après avoir frappé sur le tube 8, l'eau de refroidissement s'écoule le long de la surface de celui-ci comme indiqué par la référence 10. Dans la figure 3 (b) un ajutage à pulvérisation conique 7 pulvérise des

gouttes finement atomisées d'eau de refroidissement 11.

Des études expérimentales extensives ont également été faites sur les effets du refroidissement forcé à l'eau après revenu

sur les propriétés des tubes d'acier traités thermiquement.

Il a été trouvé que le refroidissement forcé à l'eau provo-

que une contrainte de traction résiduelle et une contrainte de compression résiduelle périphériques respectivement sur les surfaces interne et externe du tube et que ces contraintes

varient avec l'intensité du refroidissement. Un exemple typi-

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que est représenté dans la figure 4. Il a également été trouvé que les contraintes résiduelles peuvent être contrôlées en

faisant varier l'intensité du refroidissement en tirant avan-

tage du fait que la capacité de refroidissement varie avec le débit d'eau moyen (ou le coefficient de transfert thermique

moyen) comme illustré dans la figure 1.

Dans des tubes d'acier que l'on a laissé se refroidir lente-

ment sur la grille de refroidissement d'une manière semblable au refroidissement par convexion naturelle, aucune contrainte

résiduelle supérieure à approximativement 4900 Pa n'apparaît.

(Ce sont pour la plupart des contraintes de traction mais,

dans de rares cas, ce peut être des contraintes de compres-

sion). Dans tous les cas de telles contraintes limitées

n'exercent pratiquement aucun effet sur les propriété mécani-

ques du tube.

Lorsqu'une contrainte résiduelle de traction apparaît.selon la direction périphérique d'un tube, il a été trouvé que la résistance à l'écrasement du tube s'accroit sans qu'il y ait accroissement de la résistance de l'acier lui-même. On envisage d'utiliser de tels tubes avec une résistance à l'écrasement

accrue dans les forages pétroliers profonds, sous haute pres-

sion, avec un pétrole hautement corrosif, qui ont été mis en exploitation au cours des années récentes et pour d'autres

applications sévères similaires.

De nombreuses études et expériences ont été faites en ce qui concerne l'application de la méthode de refroidissement après revenu de l'invention pour la fabrication de tubes d'acier

ayant une résistance à la corrosion élevée et une haute résis-

tance à l'écrasement. Il a été trouvé qu'un refroidissement excessif suivant le revenu développe une contrainte résiduelle de traction élevée le long de la périphérie de la surface

interne. En même temps, cependant, une contrainte de compres-

sion élevée subsiste sur la surface externe. En conséquence, la résistance à l'écrasement de l'ensemble du tube n'est pas il accrue. A la suite d'études supplémentaires, on a trouvé que la résistance à l'écrasement de l'ensemble du tube peut être accrue en maintenant le coefficient de refroidissement moyen

sur la surface interne du tube (entre la température à laquel-

le le refroidissement à l'eau, y compris celui avec un mélange atomisé d'eau et d'air, commence et 350'C) entre 5 et 'C/sec. et en contrôlant la température à laquelle le

refroidissement se termine.

En appliquant une pression externe sur un tube d'acier, une contrainte de compression périphérique prend naissance comme illustré dans la figure 5. Cette contrainte de compression est plus grande sur le côté de la surface interne que sur le côté de la surface externe, la différence s'accroissant avec

un accroissement de l'épaisseur de la paroi du tube.

L'écrasement signifie un phénomène au cours duquel le tube flambe sous l'effet d'une pression externe. Pour être plus

précis, il y a deux régions d'écrasement, une région d'écra-

sement élastique et une région d'écrasement par fléchissement comme illustré dans la figure 6. Dans la région d'écrasement

élastique, le flambage se produit avant que l'acier du maté-

riau fléchisse sous l'effet combiné du rapport de l'épaisseur de la paroi du tube au diamètre externe et de la résistance élastique de l'acier constitutif. Dans la région d'écrasement

par fléchissement, le flambage se produit après le fléchisse-

ment. Dans cette dernière région, le fléchissement progresse

depuis la surface interne vers la surface externe, la résis-

tance à la déformation dans la zone affectée devenant remar-

quablement basse. En conséquence, la rigidité de la totalité du tube contre la pression externe tombe également, ce qui se

traduit par un écrasement.

Le procédé de la présente invention peut être utilisé pour accroître la résistance à l'écrasement dans la région de

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l'écrasement par fléchissement. Lorsque, à la suite du revenu, de l'eau ou un mélange d'eau et d'air est pulvérisé depuis l'extérieur, des contraintes résiduelles de traction et de compression se développent respectivement sur les surfaces interne et externe du tube comme illustré dans la figure 7.

Cette combinaison des contraintes accroît la résistance élas-

tique du tube contre une pression externe. En conséquence, le même tube présente une rigidité plus grande pour résister à

une pression externe plus élevée, ce qui assure 'une résistan-

ce à l'écrasement plus élevée que celle des tubes sans con-

trainte résiduelle.

Comme cela sera discuté ultérieurement, les contraintes rési-

duelles ne peuvent accroître la résistance élastique contre une pression externe qu'à l'intérieur d'une certaine gamme limitée. A ce sujet, le procédé de la présente invention a l'intérêt majeur de permettre de contrôler les contraintes

résiduelles à volonté.

Les paragraphes qui suivent décrivent la gamme, et les effets, des contraintes résiduelles dans laquelle le refroidissement à l'eau contrôlé externe de la présente invention peut produire

une résistance à-l'écrasement élevée.

La distribution des contraintes résiduelles résultant du

refroidissement à l'eau externe (figure i) présente deux carac-

téristiques, l'une étant que, à la fois la contrainte rési-

duelle de traction sur la surface interne et la contrainte

résiduelle de compression sur la surface externe varient liné-

airement selon l'épaisseur du tube, l'autre étant que les con-

traintes résiduelles dans les directions périphérique et axiale sont sensiblement égales en grandeur et en tracé. De plus il n'existe pratiquement aucune contrainte résiduelle s'étendant selon la direction de l'épaisseur. En conséquence, la condition élastique de l'acier matériau peut être considérée sur la base de l'ellipse de Mises de la contrainte élastique

biaxiale. La figure 8 compare les ellipses de Mises de la con-

trainte élastique pour un tube en acier soumis au revenu et à un refroidissement externe avec celle pour un tube en acier

sans contrainte résiduelle après revenu.

Lorsque les contraintes résiduelles axiale et périphérique sont égales, comme cela est obtenu avec le refroidissement externe conforme à la présente invention, le centre de

l'ellipse élastique se déplace le long d'une ligne d qui cor-

respond à la bissectrice des premier et troisième quadrants

de la figure 8. Si, par exemple, il y a une contrainte rési-

duelle de tension d e 98 Pa sur la surface interne d'un tube, le centre de l'ellipse élastique pour cette partie peut être exprimé par les coordonnées (-10, -10). En déplaçant une ellipse élastique c pour un tube sans contrainte résiduelle le long de l'axe le plus long de celle-ci dans la direction du troisième quadrant d'une quantité / fois plus grande que la contrainte résiduelle, on obtient l'ellipse élastique a pour un tube présentant des contraintes résiduelles de traction axiale et périphérique. De la même manière, en déplaçant la même ellipse élastique c dans la direction opposée, ou vers le premier quadrant, de la même quantité, on obtient l'ellipse élastique b pour un tube avec des contraintes résiduelles de compression axiale et périphérique. Dans le tube sur lequel est exercée une pression externe, une contrainte se développe selon la direction de la flèche (OP). En conséquence, la résistance élastique du tube refroidi extérieurement s'accroit, du côté de la surface interne, de la quantité A mais s'abaisse, du côté de la surface externe, de la quantité B. Apparemment ainsi il semble que la réduction compense l'accroissement,

ce qui ne donne aucun avantage. En fait, cependant, la con-

trainte de compression périphérique induite par la pression

externe est plus grande sur la surface interne que sur la sur-

face externe. En conséquence, comme illustré dans la figure 9, l'effet négatif de la contrainte résiduelle sur la surface externe peut être compensé par la distribution de la contrainte appliquée. Mais si une contrainte résiduelle élevée quelconque est développée par suite d'un refroidissement excessif, la

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résistance élastique tombe même en dessous du niveau de celle des tubes sans contrainte résiduelle. Ceci signifie que la contrainte résiduelle doit être maintenue dans une certaine gamme appropriée qui varie avec le rapport du diamètre externe du tube à l'épaisseur du tube. Pour des produits tubu- laires pour applications pétrolières en usage courant, la contrainte résiduelle appropriée tombe dans la gamme de

9800 Pa à 14700 Pa.

Pour obtenir une telle contrainte résiduelle appropriée, le coefficient de refroidissement moyen doit de préférence se trouver dans la gamme définie ci-après. Lorsque le coefficient

de refroidissement moyen n'est pas supérieur à 50C/sec., la-

contrainte résiduelle résultante est trop faible. Lorsque le

coefficient dépasse 40'C/sec., la contrainte résiduelle de-

vient trop élevée. Dans l'un et l'autre cas, la résistance à l'écrasement de l'ensemble du tube n'est pas améliorée. Le coefficient de refroidissement approprié et la température de

fin du refroidissement dépendent du coefficient de refroi-

dissement moyen, de la composition chimique et des dimensions du tube et autres facteurs. Toutefois, on doit s'assurer que la contrainte résiduelle n'est pas modifiée par le recuit de

libération des contraintes prévu dans le processus de refroi-

dissement à l'air suivant le refroidissement forcé à l'eau

et également que le tube n'est pas déformé du fait d'une dif-

férence de température partielle quelconque se produisant durant le refroidissement à l'air. Toutes choses prises en considération, la limite supérieure de la température de fin

de refroidissement a été fixée à 350'C.

Le refroidissement contrôlé conformément à la méthode de l'invention est appliqué en aval du four de revenu ou, lors-

qu'un laminoir de calibrage à chaud est prévu entre le four de revenu et la grille de refroidissement, de préférence en aval du laminoir de calibrage. Dans les expériences auxquelles il a été procédé, cependant, la distribution et l'importance des contraintes résiduelles sur les tubes différaient peu même lorsque le même refroidissement contrôlé a été appliqué entre le four de revenu et le laminoir de calibrage, pour autant que la réduction fractionnelle du diamètre externe du tube sur le laminoir de calibrage restait aussi faible que de 2 à 3%. Une expérience a également été faite sur l'application du

même refroidissement contrôlé dans le laminoir de calibrage.

Il a été toutefois très difficile de contrôler l'opération

de refroidissement et, en conséquence, les contraintes rési-

duelles.

Tout dressage suivant le refroidissement contrôlé est suscep-

tible de provoquer une modification de la distribution des

contraintes résiduelles dans le tube. Par exemple la contrain-

te résiduelle périphérique de traction sur la surface interne peut être modifiée en une contrainte de compression. Ainsi un dressage, plus spécialement un dressage important, devait

être évité. Avec un dressage ainsi étroitement limité ou pra-

tiquement interdit, un soin spécial doit être apporté pour empêcher l'apparition d'une distribution d'épaisseur de paroi irrégulière au cours du chauffage, du laminage et des procédés

de formage et éviter une distribution de température irrégu-

lière dans le four de revenu, etc., ainsi que pour assurer un

refroidissement contrôlé uniforme de manière qu'il n'en résul-

te aucune irrégularité de forme.

* Il a été confirmé qu'un appareil de refroidissement et une installation auxiliaire assurant un débit d'eau moyen maximum

de 2 m3/min.m2 est suffisant également pour le refroidisse-

ment contrôlé donné après le revenu.

Des expériences sur le refroidissement contrôlé uniforme ont montré que la pulvérisation atomisée d'eau ou d'un mélange d'eau et d'air à partir d'un ajutage donnant un jet conique ou de tout autre ajutage similaire, assure une plus grande uniformité et une plus grande aptitude au contrôle de l'effet de refroidissement que la pulvérisation en écran ou sous forme

de gouttes assurée par des ajutages plats ou similaires.

Parce que le film de vapeur est instable et le débit d'eau faible, le débit d'eau influence fortement la capacité de la méthode de refroidissement contrôlé conforme à la présente invention. En conséquence. , la pression d'éjection de l'eau de refroidissement n'a pas besoin d'être très élevée. Ainsi l'appareil de refroidissement peut être conçu de manière qu' une pression d'éjection maximale, qui naturellement dépend du type d'ajutage et du mode d'éjection, de 29,4 Pa soit assurée. Les paragraphes suivants décrivent un exemple de fabrication

de tubes d'acier à haute résistance à l'écrasement conformé-

ment à la méthode de la présente invention.

Des tubes échantillons trempés ont été maintenus à la tempé-

rature de revenu pendant 30 minutes et ensuite refroidis sous un certain nombre de conditions en utilisant un appareil de refroidissement externe placé du côté de la sortie du four de revenu. Les ajutages de refroidissement à l'eau utilisés étaient du type donnant un jet conique illustré dans la

figure 3 (b). Le Tableau l indique les dimensions, la résis-

tance (contraintes d'essai API) et la composition chimique des tubes échantillons. Le Tableau 2 indique les conditions

de refroidissement, les contraintes résiduelles et les résis-

tances à l'écrasement pour les tubes échantillons refroidis

sous des conditions variables et pour ceux soumis à un dres-

sage au laminoir après refroidissement.

TABLEAU 1,

Dimensions, résistance et composition chimique des tubes échantillons, Dimensions Résistance Composition chimique (%) (contrainte 1 DiamtreEpaisseur d'épreuve API) C Si Mn P S TiB externe de paroi 178,0mm 10,4mm 588x102-627x102 Pa 0,18 0,27 1,50 0,015 0,012 0,038 0,0012

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _, _012_

N %i w %A %A

TABLEAU 2.

Condition de refroidissement, contraintes résiduelles

et résistances à l'écrasement.

Conditions du.refroidissement.externe Propriété du tube Echan- Débit Temp6ra- Pression Coeffi- Tempéra- Contrain- Rgsis- Rapport tillon dia du début cient de ture de te péri- tance à de la eau du refroi- d'éjection refroi- fin du phérique l'écra- résistance

N moyen dissement dissement refroi- interne sement à l'écra-

moyen dissement résiduelle sement \(m3/min.m2) ( PC)(a) ( C/sec). ( C) (Pa) (Fa) .........i....'', i.... ; , ......, _..,, Refroidissement à 1 l'air après - 670 - - - 0 6409 1 revenu .......i,

-2 - Refroidissement - 0,150 l " 4,9 20,0 - 365 - 4900_ 6987 1,09 -

-3 - - 0,194 " t. ". 24,4 - 286 - 10780_- 7438 1,16 4 externe _ -4-exen _, ._ ".-25,3 - 315.- 12740.6918 1,08

- 5 - à l'eau " - " " 25,8 343 13720 7438 -1,16 -

- 6 - - 0,312 - " " 30,2 256 - 20580.6664 1,04 -

- 7- après revenu " " 29,8 212 22540 6536 1,02 -

- 8-- - 0,453 " " 43,6 175 27440 5448 0,85 -

_- 9-_ _._ ô! S " _ ".-42,8 143 30380 5703 0,89

-10 - -_ l"" " 42,2 102 31360 --5066 0,79 -

-11 - Refroidissement - 0,194 - " " 24,2 277 _-4900 5899 0,92 -12 externe à l'eau _- " " ". 24,8 309 -8820 5507 0,86 -13 - après revenu suivi - l" " " 25,4 338 -1 -0780 5360- 0,84 -14 - par un redresse- - 0, 388 " " - 32,3 - _109.-10780 --4939 - 0,77

-15 - ment au laminoir. _- " " " 33,0- 133 - -11270 5321.- 0,83.

Coefficient de refroidissement moyen de 650IC à 350C (sur la surface interne).

*Coefficient de refroidissement moyen de 650'C R 35000 (sur la surface interne).

M As U1 w %A %A tn Le rapport de la résistance à l'écrasement dans la colonne la plus à droite est la valeur comparée avec le chiffre de

base (1) pour le tube sans contrainte résiduelle et repré-

sente l'effet de la contrainte résiduelle appliquée. L'échan-

tillon NO 1 a été refroidi par le procédé conventionnel tandis

que les échantillons N0 2 à 10 ont été refroidis par le pro-

cédé de la présente invention. Les échantillons 11 à 15 ont

été soumis à un dressage au laminoir dans un but de compa-

raison. La figure 10 illustre la relation entre le rapport de la résistance à l'écrasement et la contrainte résiduelle. Comme on le voit, la résistance à l'écrasement atteint un maximum lorsque la contrainte résiduelle à la traction périphérique

de la surface interne est comprise entre 9800 et 14700 Pa.

La méthode de refroidissement de la présente invention est efficace sur des tubes d'acier dans lesquels le rapport du

diamètre externe à l'épaisseur s'établit entre approximative-

ment 12 et 30, plus spécialement entre 15 et 35. Ainsi elle est largement applicable aux produits tubulaires, tubes pour

canalisation et similaires pour exploitations pétrolières.

De même, les aciers auxquels le procédé est applicable sont ceux soumis à un revenu tels que ceux trempés et soumis à un

revenu ou normalisés et soumis à un revenu.

Claims (2)

Revendications

1. Une méthode de refroidissement d'un tube en acier trempé après maintien du tube à une température de revenu pendant une durée donnée, caractérisée en ce qu'on pulvérise l'eau de refroidissement depuis l'extérieur, sur la surface externe du tube qui cir- cule selon la direction de son axe longitudinal, avec un

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débit qui n'est pas inférieur à 0,05 m /min.m et qui n'est

pas supérieur à 2 m3/min.m2, en commençant le refroidisse-

ment à une température du tube comprise entre 400'C et 7000C

et en poursuivant le refroidissement jusqu'à ce que la tem-

pérature du tube tombe à une température entre la température

ambiante et 3500C.

2. Une méthode de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coefficient de refroidissement moyen n'est pas inférieur à 50C/sec et n'est pas supérieur

à 40'C/sec.