Gérer l’intégrité des systèmes de pipelines vieillissants de l’Amérique du Nord est l’une des tâches les plus difficiles auxquelles font face les ingénieurs d’aujourd’hui employés par les exploitants de pipelines. Le défi s’intensifie davantage lorsqu’on considère le rôle crucial que jouent les pipelines dans la vie quotidienne des personnes vivant en Amérique du Nord. En plus des méthodes avancées d’inspection et d’évaluation technique, les essais à grande échelle peuvent jouer un rôle important pour aider les cadres de pipeline et les ingénieurs en intégrité à prendre les meilleures décisions concernant les défauts lésifs. Essentiellement, les tests à grande échelle aident à « affûter le crayon » pour s’assurer que les fonds d’intégrité sont investis là où ils obtiennent le meilleur retour sur investissement.
Le bureau Magnolia d’Acren comprend une installation d’essais de 14 000 pieds2 où sont réalisées l’analyse des défaillances, les essais mécaniques et les essais destructifs à grande échelle. Cet article présente des exemples où des essais à grande échelle ont été utilisés pour évaluer les effets des bosses, soudures de circonférence, courbes de plis et fissures sur la disponibilité des pipelines. Une discussion est également incluse sur la création de défauts simulés et des techniques utilisées pour leur création.
Création simulée de défaut
Comme il existe un nombre limité de caractéristiques réelles disponibles pour l’évaluation expérimentale, les tests nécessitent souvent la création de caractéristiques et de défauts simulés. Un avantage important dans la création de caractéristiques est la capacité de construire une matrice d’essai bien définie qui inclut des variations de variables clés, notamment la profondeur et la longueur de corrosion, la profondeur des bosses, ainsi que la profondeur et la longueur des fissures.
Les caractéristiques de corrosion peuvent être fabriquées à l’aide de techniques d’usinage conventionnelles, d’usinage par décharge électrique (EDM) et de gravure chimique pour générer un profil piqué. Les bosses sont fabriquées en pressant un indenteur dans le tuyau à une profondeur prescrite, souvent avec une pression interne dans le tuyau. Il existe plusieurs techniques pour fabriquer des fissures axiales, bien que l’une des plus répétables implique l’installation d’une encoche EDM dans la paroi du tuyau, suivie d’un cycle de pression limité pour générer des fissures à la base de l’encoche. Les défauts de soudure de circonférence ont été créés en effaçant une partie du passage raciculaire lors de la fabrication de soudure ou, dans le cas d’une soudure de circonférence existante, en utilisant une encoche EDM pour générer un manque de pénétration ou des caractéristiques de pénétration incomplètes.
Les sections qui suivent fournissent des exemples de la façon dont les défauts réels et simulés ont été testés de façon destructive afin d’en quantifier la gravité.
Bosses
La plupart des pipelines ont des bosses. Depuis la création de l’industrie des pipelines, les bosses représentent une menace. Au cours des 40 dernières années, un corpus important de recherches a été mené pour quantifier les menaces posées par les bosses et les dommages mécaniques, y compris les explosions à grande échelle et les cycles de pression. La figure 1 présente une photographie montrant un système d’installation de bosses et un procédé par lequel les bosses sont créées en laboratoire d’essai à l’aide d’un entrant et d’un cylindre hydraulique. Une fois la bosse installée dans l’échantillon de tuyau, une pression cyclique est appliquée à l’échantillon pour simuler un fonctionnement futur jusqu’à ce qu’une défaillance par fatigue survienne. La figure 2 montre une photo d’un échantillon d’essai cabossé ainsi qu’une fissure de fatigue qui s’est développée dans l’épaule de la bosse après environ 10 000 cycles de pression.
Figure 1 : Photographie d’un banc d’essai d’installation de bosses
Figure 2 : Photographie montrant la défaillance de la bosse à cycle de pression
Soudures de circonférence
La perte de confinement du pipeline due à une charge géohazard peut survenir lorsque des déformations axiales élevées sont générées dans une conduite déplacée. Lorsque la charge est en traction, la rupture se produit généralement sous forme de rupture au niveau d’une soudure de circonférence. Lorsque la charge est en compression, une boucle se forme d’abord, suivie parfois d’une fissure à la boucle. Les essais à grande échelle sont un moyen idéal pour évaluer la capacité de déformation des soudures anciennes et peuvent inclure l’absence de caractéristiques de pénétration. Dans les essais à grande échelle, la charge inclut soit la charge axiale sous tension comme illustré à la Figure 3, soit l’application de la flexion à l’aide d’un cadre de flexion à 4 points comme illustré à la Figure 4. La charge peut être quasi-statique ou cyclique et conduite avec une pression interne dans la conduite.
Figure 3 : Photographie et schéma du cadre à charge sous tension d’Acren, pesant 1 million de livres.
Figure 4 : Cadre de flexion à 4 points
Courbures à plis
Les courbes plissées étaient une méthode courante pour construire des courbes dans les conduites de transmission jusqu’au milieu des années 1950. Il y a littéralement des dizaines de milliers de courbes en forme de plis en Amérique du Nord. Les flexions de plissage échouent généralement sous forme de fissures orientées circumférentiellement à cause de la fatigue de la flexion à faible cycle ou de la déformation à faible cycle. Il existe plusieurs défis liés au test des courbes de plis : le premier consiste à faire retirer les plis réels du service et le second est à simuler les charges extrêmes de flexion auxquelles ils sont soumis.
La figure 5 présente une photographie du cadre de fatigue à haute déformation et faible cycle d’Acuren, avec une capacité de flexion de 800 000 ft-lbs. Tester les courbes de plis est une méthode efficace pour quantifier le nombre de cycles qu’une caractéristique de plis peut survivre avant de fuir. Une fois cette valeur déterminée, les opérateurs de pipelines peuvent déterminer si la charge géohazard dans une région particulière pourrait générer des conditions similaires.
Figure 5 : Cadre de flexion à forte déformation (capacité de 800 000 pi-lb)
Défauts planaires et défauts semblables à des fissures
Certains des travaux les plus importants impliquant des essais à grande échelle ont été réalisés en lien avec l’évaluation de l’impact des défauts plans et des caractéristiques semblables à des fissures sur la capacité de pression des matériaux de tuyaux anciens. Les méthodes actuelles d’évaluation des fissures ont tendance à sous-estimer la pression de défaillance des matériaux de pipeline anciens qui présentent des fissures, ce qui entraîne une excavation et une réparation excessives. Il y a plusieurs raisons à cela, mais la principale étant la sous-estimation de la ténacité à la fracture selon les méthodes conventionnelles de test à l’échelle inférieure.
Il existe plusieurs approches pour tester les fissures dans des échantillons de tuyaux. L’une consiste à tester les fissures dans les matériaux de tuyaux retirés du service. L’autre option, et celle qui est plus souvent utilisée dans les essais à grande échelle, consiste à créer des fissures générées par des encoches à cycle de pression installées via EDM. La figure 5 inclut une photographie d’une machine EDM utilisée pour installer des encoches. La figure 6 inclut un macrographe montrant une fissure initiée à partir d’une encoche EDM. Les essais consistent soit à faire circuler les échantillons sous pression jusqu’à ce qu’une fissure traversante se forme, soit à pressuriser l’échantillon de tuyau jusqu’à ce qu’une rupture de rupture survienne, comme illustré à la figure 7.
Figure 6 : Machine utilisée pour installer l’encoche EDM
Figure 7 : Microfissurage observé à la base d’une encoche EDM
Figure 8 : Photographie montrant le test d’éclatement d’un échantillon présentant un défaut semblable à une fissure
Remarques de clôture
L’industrie des pipelines utilise des essais à grande échelle depuis sa création. Même avant le développement des modèles numériques et des solutions analytiques, les ingénieurs en conception et en métallurgie ont appris que les matériaux de tuyaux ont des limites et que la meilleure façon de les déterminer impliquait la pressurisation jusqu’à la rupture. Les essais à grande échelle ont contribué et continueront de contribuer de façon significative à notre compréhension des capacités et des limites des matériaux de tuyauterie, des systèmes de réparation et d’autres technologies axées sur les pipelines. Un test à grande échelle bien conçu, instrumenté et exécuté peut fournir des informations précieuses aux ingénieurs en conception et intégrité chargés de la construction et de l’entretien de pipelines sécuritaires.
