Chez Mannesmann, les contrôles ne se limitent pas au respect des exigences normatives. Afin de garantir la fiabilité des processus de fabrication au-delà des exigences des clients, nous effectuons en outre toute une série de contrôles et d'analyses internes en lien direct avec la production.
Nous avons équipé nos sites d'une gamme complète de techniques de mesure et de contrôle. Tout au long du processus de fabrication, nous vérifions systématiquement que le tube répond à toutes les spécifications. Tous les résultats des contrôles font l'objet d'une analyse statistique régulière. Sur cette base, des mesures préventives sont mises en place afin de garantir en permanence la haute qualité des processus et des produits.
Les essais d'élargissement de tubes servent à contrôler en continu la qualité du matériau de base et du cordon de soudure. À cette fin, des échantillons sont prélevés sur le tube fabriqué et élargis à l'aide d'un mandrin conique jusqu'à ce que le diamètre extérieur atteigne les valeurs spécifiées dans les conditions de livraison. L'essai est considéré comme réussi si aucune fissure n'est apparue dans la zone d'élargissement.
Les essais de rupture servent à la surveillance continue des tubes d'airbag. Lors de ces essais, les échantillons sont soumis à une pression interne jusqu'à ce qu'ils se rompent. L'essai est considéré comme réussi si les tubes se rompent de manière ductile et respectent les spécifications de pression du client.
Les essais de fatigue servent à déterminer les paramètres nécessaires à l'analyse de la durée de vie. Pour ce faire, l'échantillon de matériau est soumis à une contrainte cyclique qui peut être une contrainte pure de traction ou de compression (essai de charge alternée) ou comporter à la fois des composantes de traction et de compression (essai de charge alternée). L'objectif est de déterminer le nombre de cycles de charge à partir duquel une défaillance survient pour une charge donnée. Dans la pratique technique courante, on qualifie un matériau de résistant à la fatigue sous une charge donnée lorsqu'un échantillon résiste à au moins deux millions de cycles sans se rompre. Dans certaines applications, il est toutefois nécessaire de tester des nombres de cycles plus élevés. Lorsque l'on teste différents niveaux de charge, les cycles jusqu'à la rupture de l'échantillon peuvent être représentés sous forme de diagrammes contrainte-charge (diagrammes de Wöhler).
Les mesures de chanfrein sont effectuées lors de l'usinage des extrémités des tubes. La mesure peut être réalisée par contact ou par détection optique. Ce contrôle vise à s'assurer que les exigences géométriques relatives au chanfrein sont respectées. Les paramètres mesurés sont, par exemple, la longueur du chanfrein, l'angle du chanfrein, etc.
Dans le cadre d'un essai de dureté classique, la résistance d'une surface de matériau aux déformations plastiques est déterminée à l'aide d'un pénétrateur normalisé. Dans ce test, l'échantillon est soumis à une force définie pendant une durée normalisée, puis l'empreinte rémanente est mesurée. Étant donné que différents corps de pénétration peuvent être utilisés (pyramide, sphère, etc.), il convient de toujours indiquer la méthode d'essai en plus de la valeur de dureté. La mesure de la dureté permet, par exemple, de comparer des aciers, de vérifier l'efficacité de processus de production tels que le traitement thermique, d'évaluer la présence de constituants microstructuraux indésirables comme la martensite, ou de détecter des différences microstructurales locales.
Le test HIC permet d'évaluer la résistance de l'acier à la fissuration induite par l'hydrogène (Hydrogen Induced Cracking). Ces essais permettent de déterminer si le matériau est adapté à une utilisation dans des milieux contenant du gaz acide. Les essais sont réalisés dans des conditions normalisées, conformément à la norme NACE TM0284, ou dans des conditions modifiées, proches des conditions d'exploitation, décrites dans la norme EFC 16. Ces essais sont effectués dans des laboratoires modernes, bien équipés et accrédités selon la norme ISO 17025.
L'essai de résilience Charpy (ISO 148-1) est une méthode d'essai destructif permettant de déterminer la ténacité et le comportement à la rupture fragile des matériaux soumis à une charge brusque. La ténacité est ici une mesure de la résistance du matériau à la propagation des fissures. Pour ce faire, un échantillon entaillé est brisé par un marteau pendulaire depuis le côté opposé à l'entaille, l'énergie absorbée étant alors mesurée en joules sous forme d'énergie de choc. Les échantillons mesurent 55 x 10 x 10 mm, dans la mesure où les dimensions du tube fabriqué le permettent ; pour les tubes plus petits, des échantillons de dimensions réduites sont prélevés et les résultats sont convertis conformément à la norme.
Les mesures géométriques sont effectuées aussi bien sur des tubes longs que sur des tubes courts. Elles peuvent être réalisées de manière tactile ou optique, à l'aide d'instruments de mesure manuels ou de systèmes automatisés. Les caractéristiques suivantes sont contrôlées et comparées aux exigences du client : rectitude ou concentricité, longueur, planéité et, bien sûr, diamètres extérieur et intérieur ainsi que l'épaisseur de paroi.
Le contrôle de l'identification des matériaux est effectué afin de s'assurer qu'aucune autre nuance d'acier n'est livrée au client. La mesure peut être réalisée à l'aide d'un spectromètre ou d'un appareil à induction magnétique. Elle peut être effectuée manuellement ou de manière entièrement automatisée. Il est important de garantir la qualité de l'acier, car des propriétés du produit telles que la résistance à la traction, la soudabilité, etc. en dépendent.
Les éprouvettes annulaires servent à contrôler en continu la qualité du matériau de base et du cordon de soudure. Pour ce faire, on prélève des éprouvettes annulaires sur le tube fabriqué et on les comprime d'un côté. On évalue alors si et comment se comportent les zones soumises à la contrainte de traction la plus élevée.
Le test au brouillard salin (conforme à la norme DIN EN ISO 9227) permet d'évaluer la résistance à la corrosion des tubes revêtus (généralement de zinc ou de zinc-nickel). Pour ce faire, des échantillons sont placés dans une chambre d'essai où règne une atmosphère saline définie. On simule ainsi, de manière accélérée, la formation naturelle de rouille sur l'acier au carbone. Après une durée totale déterminée en fonction des exigences (conformément à la norme ou aux spécifications du client), mais aussi à intervalles réguliers, les échantillons sont contrôlés afin de détecter la formation de rouille blanche et/ou de rouille rouge.
Le contrôle des hétérogénéités sur les parois intérieures et extérieures s'effectue par ultrasons. Les tubes sont acheminés de manière entièrement automatisée à travers une installation de contrôle et comparés à un réflecteur de référence. Les hétérogénéités qui émettent un signal identique ou plus intense que celui du réflecteur de référence sont détectées comme des défauts et écartées. Le réflecteur de référence utilisé ici est une rainure. En raison des limites physiques, le contrôle est effectué, selon les exigences du client, en combinaison avec le contrôle par courants de Foucault.
L'essai de traction, réalisé dans ce cas à température élevée, est une méthode d'essai mécanique visant à caractériser le comportement du matériau en termes de résistance et de déformation. Il sert à évaluer la résistance des métaux aux hautes températures à l'aide d'une machine d'essai de traction et d'un four. Pour les aciers, on détermine généralement la limite d'élasticité, la résistance à la traction et l'allongement à la rupture. Ces paramètres constituent, par exemple, la base du dimensionnement et servent au contrôle qualité pour évaluer l'uniformité de la production de tubes. L'essai est décrit dans la norme DIN EN ISO 6892-2.
Le contrôle des hétérogénéités ponctuelles ou en forme de coquille proches de la surface sur la surface extérieure est effectué par courants de Foucault. Les tubes sont acheminés de manière entièrement automatisée à travers une installation de contrôle. Les irrégularités qui présentent le même volume d'interaction que le réflecteur de référence sont considérées comme des défauts et sont écartées. Selon la technique de contrôle par courants de Foucault utilisée, on utilise des trous traversants ou des rainures comme défauts de référence. En raison des limites physiques, le contrôle est effectué, selon les exigences du client, en combinaison avec un contrôle par ultrasons. Le contrôle par courants de Foucault est également utilisé comme contrôle d'étanchéité.
L'essai de traction est une méthode d'essai mécanique utilisée pour caractériser le comportement du matériau en termes de résistance et de déformation. Lors de la mise en traction à faible vitesse d'allongement, on mesure la force et la variation de longueur de l'éprouvette jusqu'à ce qu'elle se rompe. Pour les aciers, on détermine généralement à partir de ces mesures la limite d'élasticité, la résistance à la traction et l'allongement à la rupture. Ces paramètres servent notamment de base au dimensionnement des canalisations et sont utilisés dans le cadre du contrôle qualité pour évaluer l'uniformité de la production des tubes.
Dans l'essai de traction Aramis, l'essai de traction classique est complété par un test sur des éprouvettes entaillées de manière ciblée afin de déterminer la résistance du matériau, et combiné à l'utilisation du système de mesure optique ARAMIS. Ce dernier fonctionne selon le principe de la corrélation d'images numériques et fournit des données précises sur les déplacements en 3D et leurs vitesses, ainsi que sur les déformations dans un champ de vision de près de 180°. En combinant des essais de traction classiques avec des techniques de mesure optique, il est possible de déterminer avec précision la déformabilité résiduelle des matériaux jusqu'à la rupture, tant dans le sens axial que dans le sens circonférentiel. Ces données détaillées permettent de dimensionner les composants de manière optimale et de prédire leur durée de vie avec précision.
L'essai de flexion est une méthode d'essai destructif permettant d'évaluer la résistance à la flexion et la rigidité à la flexion. Sur les matériaux métalliques, l'essai de flexion est réalisé sous la forme d'un essai de flexion en trois points. L'éprouvette repose sur deux supports et est soumise à une charge centrale par l'intermédiaire d'un poinçon de flexion ; elle est déformée plastiquement jusqu'à ce qu'un angle de flexion donné soit atteint. Le résultat fournit des valeurs caractéristiques concernant la contrainte de flexion maximale, la résistance à la rupture et le comportement à la rupture du matériau. Il est ainsi possible, par exemple, de déterminer la ductilité et l'intégrité des soudures. Le résultat met en évidence des défauts de liaison, des fissures ou des inclusions proches de la surface qui entraînent la rupture de l'éprouvette.
La mécanique de la rupture décrit le comportement des éléments de construction présentant des fissures ou des entailles et permet de déterminer si, dans les conditions d'exploitation, il faut s'attendre à une propagation de la fissure, voire à une rupture. Dans la mécanique de la rupture élastique linéaire (LEBM, adaptée aux matériaux fragiles), le matériau se comporte de manière élastique linéaire jusqu'à la rupture sans déformation.8 Le résultat d'un tel essai est la valeur KIC, dont la détermination est décrite dans la norme ASTM E399. En revanche, si le matériau cède de manière ductile, c'est-à-dire avec une déformation plastique autour de la pointe de la fissure, c'est le concept de la mécanique de la rupture par fluage (FBM) qui s'applique. Dans ce cas, on utilise le concept de l'intégrale J (énergie au voisinage de la pointe de fissure) ou, en cas d'élargissement de la pointe de fissure, on détermine la valeur CTOD. En fonction du matériau et de la norme, différentes formes d'échantillons sont utilisées. Les échantillons CT, SENT, SENB ou CTOD peuvent être testés dans une plage de température allant de -196 °C à +150 °C. Outre la détermination des paramètres caractéristiques, la défaillance des éléments de construction peut être évaluée mathématiquement à l'aide de méthodes de mécanique de la rupture pour l'analyse de sécurité, par exemple selon la norme BS 7910 ou la directive FKM. Cela permet non seulement de déterminer la taille critique de la fissure, mais aussi d'estimer la durée de vie restante.
Le test de décollement cathodique (test CD) permet d'évaluer la sensibilité des revêtements au décollement provoqué par les courants de court-circuit au niveau d'un défaut. Cet essai fournit également des informations sur la qualité d'un revêtement, car la préparation de la surface et l'application ont une incidence sur la corrosion cathodique sous revêtement. Les normes couramment utilisées sont la norme ISO 21809-1 pour les revêtements polyoléfiniques à trois couches et la norme ISO 21809-2 pour les revêtements FBE.
L'essai CTOD (Crack Tip Opening Displacement), conforme à des normes telles que BS 7448, ASTM E1290, ISO 12135 et ISO 15653, est une méthode de mécanique de la rupture permettant de mesurer la résistance d'un matériau à la propagation des fissures. Il s'applique en particulier aux matériaux qui présentent une déformation plastique avant la rupture, comme l'acier dans les assemblages soudés. La ténacité est déterminée en mesurant l'ouverture de la pointe de fissure au début de la rupture. Un échantillon entaillé, généralement muni d'une fissure de fatigue provoquée artificiellement, est soumis à une contrainte (souvent une flexion en trois points). Un appareil de mesure à pince mesure l'ouverture de la fissure à l'embouchure, qui est ensuite mise en relation avec l'ouverture de la pointe de fissure. La valeur CTOD (d) qui en résulte indique la ductilité et la résistance du matériau à la propagation de la fissure.
Dans l'acier, le vieillissement entraîne une fragilisation et, par conséquent, une diminution de la capacité de déformation plastique lorsque la limite d'élasticité est dépassée. Parallèlement, on peut observer une augmentation de la limite d'élasticité. La fragilisation est due à des précipitations submicroscopiques, par exemple par la diffusion d'atomes de carbone vers les dislocations, ce qui rend plus difficile leur énergie d'activation et leur mouvement sur les plans de glissement des cristallites.La mise en évidence d'un éventuel vieillissement ne peut être obtenue que par des essais destructifs (essai de traction, essai de résilience). On distingue :
a. Le vieillissement naturel ; il survient après un formage à froid suivi d'un stockage (de quelques centaines d'heures à plusieurs mois, voire années) à température ambiante.
b. Le vieillissement artificiel ; il se produit après un formage à froid suivi d'un chauffage de courte durée (de quelques minutes à quelques heures) à une température comprise entre 100 et 300 °C
L'essai au gabarit selon la norme API 5CT sert à vérifier la précision dimensionnelle interne et la rectitude des tubes de cuvelage et de production. Pour ce faire, un gabarit calibré (corps d'essai cylindrique) d'un diamètre défini est introduit dans le tube sur toute sa longueur. L'essai est considéré comme réussi si le gabarit peut être introduit librement et sans se bloquer.
Le test DSC (calorimétrie différentielle à balayage) est utilisé pour analyser le comportement de durcissement et les propriétés thermiques des résines époxy. Il consiste à mesurer le flux thermique de l'échantillon au cours d'un programme de température défini, ce qui permet d'obtenir des informations sur la réaction de durcissement, le degré de durcissement et la température de transition vitreuse (Tg). Ce test sert au contrôle qualité et à l'optimisation des processus de durcissement des systèmes époxy.
La mesure des contraintes résiduelles permet de déterminer, de manière non destructive ou semi-destructive, les contraintes internes présentes dans les matériaux en l'absence de charges externes. Ces contraintes peuvent résulter, par exemple, de processus de formage ou de traitement thermique et entraîner une défaillance prématurée du matériau ou une diminution de sa résistance sous l'effet de charges externes. Les méthodes les plus couramment utilisées sont l'analyse par diffraction des rayons X (XRD) pour les zones proches de la surface, la méthode du trou de forage avec jauges de contrainte (DMS) et, pour les tubes, la méthode de découpe.
Les essais de fatigue servent à déterminer les paramètres nécessaires à l'analyse de la durée de vie. Pour ce faire, l'échantillon de matériau est soumis à une contrainte cyclique qui peut être une contrainte de traction ou de compression pure (essai de charge alternée), ou qui comporte à la fois des composantes de traction et de compression (essai de charge alternée). On évalue le nombre de cycles de charge à partir duquel une défaillance survient sous une charge donnée. Dans la pratique technique courante, on qualifie un matériau de résistant à la fatigue sous une charge donnée lorsqu'un échantillon résiste à au moins deux millions de cycles sans se rompre. Dans certains cas d'application, il est toutefois nécessaire de tester des nombres de cycles plus élevés. Si l'on teste différents horizons de charge, les cycles jusqu'à la rupture de l'éprouvette peuvent être représentés sous forme de diagrammes contrainte-cycle (diagrammes de Wöhler).
L'essai de chute de poids selon Battelle (Battelle Drop Weight Tear Test) sert de critère de réception pour les tôles et les tubes individuels et est généralement réalisé conformément à la norme DIN EN 10274 ou à la spécification API RP 5L3. Lors de cet essai, des échantillons à paroi pleine pré-entaillés sont brisés d'un seul coup par un poids muni d'une ailette qui leur tombe dessus. On évalue ensuite la proportion de rupture par cisaillement de la surface de rupture, ce qui fournit indirectement des informations sur la capacité d'une conduite à contenir la propagation des fissures. Contrairement à l'essai de résilience par choc sur éprouvette entaillée, dans lequel un échantillon entaillé est également brisé d'un seul coup, l'essai BDWT ne se concentre pas sur l'amorçage de la fissure, mais sur sa propagation. De plus, l'essai peut être réalisé avec des capteurs. Outre le pourcentage de rupture par cisaillement, les résultats fournissent des valeurs relatives à la force et à la déformation de l'éprouvette. Cela permet de distinguer clairement l'énergie d'amorçage de la fissure de celle de sa propagation et d'établir une corrélation claire avec la surface de rupture.
L'analyse par éléments finis (FEA) permet de prédire le comportement d'un objet à partir de calculs mathématiques. Pour ce faire, les systèmes complexes sont décomposés en parties plus petites et plus simples, ou « éléments », et l'effet d'une modification externe sur chaque élément est calculé et interprété individuellement à l'aide d'un logiciel de simulation, en tenant compte de l'interaction entre les éléments, par le biais d'équations différentielles descriptives. La modélisation par éléments finis a pour objectif de reproduire des systèmes et des charges réels sans avoir à supporter les efforts, le temps, les risques, les coûts et les dépenses liés à la construction et aux essais de prototypes ou de systèmes physiques. Ainsi, l'analyse par éléments finis (FEA) peut par exemple être utilisée pour concevoir de nouveaux matériaux pour les tubes en acier, ou pour évaluer et optimiser le comportement de ces tubes dans des conditions d'exploitation.
Des essais de flexion à l'échelle réelle sont réalisés afin de déterminer les caractéristiques de conception basée sur la déformation des tuyaux terrestres et les caractéristiques de déroulement des tuyaux offshore. Le banc d'essai de flexion de tubes « LiSA » (Limit State Analyzer) permet de réaliser des essais de flexion en 4 points jusqu'à la défaillance de la pièce, par exemple par flambage ou rupture, la flexion pouvant être effectuée avec ou sans pression interne simultanée. La méthode Reeling permet de simuler de manière réaliste les contraintes subies par les pipelines offshore à l'aide de cycles de flexion alternés.
Pour évaluer l'état de la structure, on procède généralement à des examens au microscope optique. Ceux-ci permettent notamment de déterminer les phases présentes, leur proportion respective ou la taille des grains. Ils permettent également d'évaluer la présence éventuelle de précipités, de ségrégations ou d'oxydes. On utilise généralement un grossissement maximal de 1 000 fois. En raison de la longueur d'onde de la lumière, la résolution maximale du microscope optique est limitée à environ 0,3 micromètre. Si l'on souhaite rendre visibles des structures plus petites, on peut recourir à un microscope électronique à balayage (MEB) ou à un microscope électronique à transmission (MET). Ceux-ci permettent d'atteindre une résolution de l'ordre de la taille atomique.
Dans le cadre d'un essai de dureté classique, la résistance d'une surface de matériau aux déformations plastiques est déterminée à l'aide d'un pénétrateur normalisé. Celui-ci est utilisé pour appliquer une force définie sur l'échantillon pendant une durée normalisée, après quoi l'empreinte rémanente est mesurée. Étant donné que différents corps de pénétration peuvent être utilisés (pyramide, sphère, etc.), il convient de toujours indiquer la méthode d'essai en plus de la valeur de dureté. La mesure de la dureté permet, par exemple, de comparer des aciers, de vérifier l'efficacité de processus de production tels que le traitement thermique, d'évaluer la présence de constituants microstructuraux indésirables comme la martensite, ou de détecter des différences microstructurales locales.
Le test HIC permet d'évaluer la résistance de l'acier à la fissuration induite par l'hydrogène (Hydrogen Induced Cracking). Ce test fournit des informations sur l'aptitude du matériau à être utilisé dans des milieux contenant du gaz acide. Les essais sont réalisés dans des conditions standardisées conformément à la norme NACE TM0284 ou dans des conditions modifiées, proches des conditions d'exploitation, décrites dans la norme EFC 16. Des laboratoires modernes, bien équipés et accrédités selon la norme ISO 17025 sont disponibles pour les essais.