La recherche porte sur les alliages à faible

Bien que le fer ait remplacé le bronze comme métal de prédilection il y a 3 000 ans, la forme de fer la plus couramment utilisée, l'acier, continue de constituer l'épine dorsale de la fabrication et des infrastructures modernes. Un entretien avec Murali Manohar, PhD, PE, responsable des plaques, des produits d'énergie et d'infrastructure chez ArcelorMittal Global R&D, donne un aperçu de ce à quoi les fabricants de tubes et de tuyaux peuvent s'attendre à l'avenir. Source : Getty Images

Les ingénieurs, architectes et concepteurs qui ont besoin de développer des composants ou des assemblages en métal ne manquent pas de choix. Plusieurs milliers d'alliages métalliques sont disponibles et, selon la World Steel Association, l'acier comprend à lui seul 3 500 nuances. Avec autant de choix, en avons-nous besoin de plus ? En effet, nous le faisons. Nous n'en aurons peut-être pas besoin pour le moment, mais nous en aurons probablement besoin avec le temps, à mesure que la société évolue et que les technologies progressent.

« Nous nous préparons à l'économie de l'hydrogène », a déclaré Murali Manohar, PhD, PE, responsable des plaques, des produits d'énergie et d'infrastructure chez ArcelorMittal Global R&D, East Chicago, Ind. C'est dans des décennies, donc en attendant, la société continue de mener des recherches pour des applications dans l'économie pétrolière d'aujourd'hui. Peu de gens nieraient qu'il est toujours vivant et en bonne santé - au cours des dernières années, l'industrie pétrolière mondiale a pompé environ 97 millions de barils par jour et par an. Le plus grand producteur, les États-Unis, produit environ 12,5 millions de barils par jour et consomme environ 20,5 millions de barils par jour. Tous ces chiffres seront certainement un peu plus bas en 2020 en raison de la pandémie, mais les perspectives de l'industrie sont solides.

Les retombées de COVID-19 mises à part, de nombreux autres changements sont en cours et ce depuis de nombreuses décennies. L'un est l'objectif de réduire la dépendance des États-Unis à l'égard du pétrole étranger, ce qui a conduit à des normes de rendement énergétique de plus en plus strictes pour l'industrie automobile. L'intérêt primordial pour la construction de véhicules avec moins de masse a conduit à la recherche et au développement de toutes nouvelles générations d'aciers avancés à haute résistance; aciers à haute résistance faiblement alliés; et une plus grande utilisation d'autres métaux, tels que l'aluminium et le magnésium.

Un autre est la pression pour réduire l'empreinte carbone collective de la société, qui décourage la consommation d'essence et de charbon et encourage l'utilisation accrue de sources d'énergie alternatives, telles que l'énergie éolienne et solaire. L'utilisation généralisée de l'hydrogène, qui ne produit que de la chaleur et de l'eau lorsqu'il brûle, est à des décennies d'ici, donc entre-temps, le gaz naturel agit comme un pont. Le gaz naturel est utile pour réduire la production de carbone dans la mesure où sa combustion produit beaucoup moins de dioxyde de carbone que les autres combustibles fossiles. Les améliorations de la technologie d'extraction, ainsi que les capacités rentables de stocker et de transporter le gaz naturel sous forme gazeuse et liquéfiée, ont créé de nouvelles opportunités commerciales.

Quel progrès le gaz naturel a-t-il fait? En termes de production d'électricité, il a été considérable. Les données de l'US Energy Information Association montrent que la part du gaz naturel dans la production d'électricité aux États-Unis est passée de 26 % à 34 % depuis 2014, tandis que la part du charbon est passée de 40 % à 22 % au cours de la même période.

"L'industrie des tubes et tuyaux est en plein milieu de ces transitions", a-t-il déclaré.

"La société est toujours fortement investie dans l'industrie automobile, mais la distinction entre nos activités automobiles et non automobiles devient moins claire", a déclaré Manohar. Son activité automobile est toujours très forte, a déclaré Manohar, mais la société explore également les opportunités émergentes liées à l'énergie.

"Notre objectif est d'être prêts pour des projets d'infrastructure tels que des pipelines et des ponts", a-t-il déclaré.

Déplacement des produits pétroliers dans les climats froids. L'un des domaines d'intérêt d'ArcelorMittal ces jours-ci est un transport plus sûr et plus fiable du pétrole, qui met l'accent sur les applications en climat froid. L'ingénierie et la construction du pipeline Trans-Alaska illustrent les problèmes liés au travail dans les climats froids.

Le pipeline de 800 milles de long, qui va de Prudhoe Bay à Valdez, en Alaska, est une merveille d'ingénierie. Environ 400 miles de celui-ci traverse une zone qui ne gèle jamais, de sorte que le pipeline est enterré dans cette section. Les 400 autres milles se trouvent dans le pergélisol ou le pergélisol discontinu, ce qui signifie que le sol est soumis à d'importants mouvements localisés lorsqu'il gèle et dégèle, se soulevant vers le haut et se déposant vers le bas. Dans de telles zones, le mouvement vertical total peut atteindre 10 pieds, selon Manohar.

Avec plus de 30 ans d'expérience dans l'industrie sidérurgique, le Dr Murali Manohar est un membre clé de l'équipe R&D mondiale d'ArcelorMittal. À la tête d'une équipe de plus de 20 professionnels de l'ingénierie et de la technique, il est responsable des équipements, des activités de recherche et du soutien technique aux clients et aux unités d'affaires corporatives dans les domaines des tôles, des bobines laminées à chaud pour l'énergie, des produits industriels et des produits tubulaires.

Cependant, le pipeline n'est pas soumis au soulèvement et au tassement. Les 400 miles de pipeline installés au-dessus du sol sont soutenus par une série de 78 000 éléments de support verticaux qui refroidissent le sol à proximité immédiate afin qu'il reste gelé toute l'année. Le sol ne gèle pas et ne dégèle pas, donc il ne monte pas et ne descend pas.

Ingénierie d'un nouvel alliage pour une ancienne application. Et si un autre pipeline de ce type devait être conçu sans supports verticaux ? Si tel était le cas, il devrait résister à des déplacements réguliers et extrêmes au fil des saisons.

L'un des objectifs récents d'ArcelorMittal est de développer un acier pouvant être utilisé pour fabriquer des tuyaux pour les applications d'oléoducs avec trois caractéristiques : une résistance suffisante pour résister à la pression interne nécessaire, une résistance à la rupture suffisante pour empêcher les fissures (à la fois au début et à la propagation) et une ductilité suffisante pour absorber les contraintes associées aux mouvements localisés sévères et répétés.

Un regard sur un développement vieux de plusieurs décennies dans le traitement métallurgique illustre les difficultés à rendre l'acier plus résistant.

"Jusqu'aux années 1960, la seule façon d'augmenter la résistance d'un alliage d'acier était d'augmenter la teneur en carbone", a déclaré Manohar. "L'inconvénient est que l'ajout de carbone rend également l'acier moins résistant à la rupture fragile." En termes simples, plus de carbone signifie plus de résistance, ce qui signifie plus de dureté, ce qui signifie plus de fragilité. L'utilisation d'un tel acier dans les climats froids complique le tableau. "Lorsque la température baisse, la capacité à résister à une rupture fragile diminue également", a-t-il déclaré.

Au milieu des années 1970, une nouvelle stratégie pour modifier la résistance de l'acier a émergé, a déclaré Manohar. Les métallurgistes ont découvert qu'en contrôlant la taille des grains de l'acier, ils pouvaient améliorer la résistance du matériau et sa résistance à la rupture fragile. En d'autres termes, ce serait plus difficile. Pour ce faire, les métallurgistes devraient trouver un moyen d'empêcher les grains individuels d'acier de trop grossir.

Lors du travail de l'acier, le contrôle de la granulométrie consiste à contrôler la température de traitement et le temps de maintien en température avant de refroidir l'acier. Le processus de refroidissement peut être une trempe - une immersion soudaine dans un liquide réglé à une température spécifique après austénitisation - mais la trempe n'est pas la seule option. Une autre façon de contrôler la taille des grains est le traitement de contrôle thermomécanique, y compris le refroidissement accéléré, qui est utilisé dans la section de finition du broyeur.

"Le refroidissement accéléré utilise des jets d'eau pour refroidir l'acier à la dernière étape de la production", a-t-il déclaré. Un tel schéma utilise des buses dirigées et de l'eau qui s'écoule à une pression intermédiaire, contrôlée avec un système de rétroaction et des algorithmes adaptatifs.

La recherche dans ce domaine a facilité une plus grande résistance tout en réduisant la teneur en carbone. En d'autres termes, il a contribué au développement des aciers à haute résistance et faiblement alliés susmentionnés.

À partir de là, les recherches d'ArcelorMittal se concentrent sur le processus de laminage, qui réduit considérablement l'épaisseur de l'acier, disons de 10 po à ½ po d'épaisseur. La quantité de travail effectué à chaque passe et la température de chaque passe aident à déterminer les caractéristiques du matériau. C'est là que s'achève le travail d'ArcelorMittal, mais ses recherches se poursuivent au-delà de cette étape. Le but ultime est d'apprendre le plus possible sur les caractéristiques du métal après qu'il a été laminé pour fabriquer un tube ou un tuyau.

"Chaque usine de tubes est différente et nous voulons nous assurer que nos matériaux fonctionnent sur chaque usine", a-t-il déclaré. En plus d'échanger des informations et de collaborer avec plusieurs producteurs de tubes et tuyaux, l'entreprise effectue elle-même des recherches.

À cette fin, l'entreprise a investi dans deux équipements pour enrouler une plaque ou une bobine en une forme tubulaire et la tester. Le premier est une machine à cintrer les plaques à quatre rouleaux, qui façonne la plaque en un cylindre, élément crucial des efforts de recherche d'ArcelorMittal, et permet à l'entreprise de tester l'acier après qu'il a pris les caractéristiques des tubes ou des tuyaux. Selon Shira Cohen, spécialiste des communications et de la responsabilité d'entreprise pour l'entreprise, il s'agit de la seule unité de ce type aux États-Unis utilisée par un sidérurgiste pour tester des produits énergétiques ; normalement, il incombe à chaque client d'effectuer ces tests.

La deuxième pièce d'équipement est un testeur d'expansion annulaire, qui effectue une évaluation similaire à un test hydrostatique. Il charge le tube de fluide sous pression et mesure sa déformation, générant un tracé qui montre la relation entre la pression interne et la déformation.

Le test le plus couramment utilisé dans l'industrie est un test de sangle aplatie, qui nécessite de couper une section du tube ou du tuyau et de l'aplatir. Alors que des tests ultérieurs peuvent fournir des informations sur la limite d'élasticité minimale et la résistance à la traction ultime du matériau, le processus d'aplatissement lui-même modifie les caractéristiques qui sont à l'étude. Le test d'expansion de l'anneau a le potentiel d'être un test plus précis de la mise en service du tuyau car il ne repose pas sur un processus d'aplatissement et le maintient dans sa forme cylindrique d'origine. On pense également qu'il représente les propriétés du tuyau plus étroitement que le test standard moins courant, le test de traction de la barre ronde.

"Le test d'expansion de l'anneau peut être considéré comme le test le plus représentatif montrant le comportement réel du tuyau, par rapport aux tests d'échantillons de traction à sangle aplatie ou à barre ronde, qui sont les tests les plus largement utilisés dans l'industrie", selon Manohar.

Un rapport rédigé par le Département américain des transports en 1998 a révélé que le coût direct annuel de la corrosion était de 276 milliards de dollars. À cette époque, ce coût représentait 3,1 % du produit intérieur brut. Essentiellement, cela signifiait que lorsque l'économie se portait bien, générant une croissance d'environ 3 %, nous perdions le même montant en coûts directs par rapport à la corrosion, de sorte que le résultat réel était neutre.

Bien que le rapport ne se limite pas à l'infrastructure, le système de transport du pays était un sujet de préoccupation important.

"Nous faisons la promotion de matériaux résistants à la corrosion pour les ponts", a déclaré Manohar. "Nous estimons que nous pouvons fournir des plaques pour des ponts qui dureront 125 ans."

L'alliage pour cela est un acier inoxydable à deux phases, décrit par ArcelorMittal comme un matériau résistant à la corrosion et économique qui correspond à la description de l'ASTM-A1010 (acier inoxydable martensitique à plus haute résistance). Initialement commercialisé sous le nom de Duracorr, il a d'abord été utilisé pour les ponts en tant que A1010-grade 50 avec des exigences supplémentaires spéciales. Pour faciliter l'application, il a été ajouté à la norme A709 pour les matériaux de pont en acier de construction en 2017 en tant que grade 50CR, qui détaille toutes les propriétés des matériaux requises pour les ponts. Sa teneur en chrome est de 12 %, nettement inférieure aux 20 % à 27 % utilisés dans certains aciers inoxydables des séries 300 et 400, mais toujours suffisante pour supporter une durée de vie prévue de 125 ans, ce qui est impressionnant.

"Le coût initial est plus élevé, peut-être deux à trois fois plus élevé qu'un pont similaire en acier, mais après la première peinture, c'est moins cher", a déclaré Manohar. La peinture n'est pas nécessaire pour la prévention de la corrosion, mais pour l'esthétique.

Comme la sélection de l'acier pour les pipelines, la sélection de l'acier approprié pour la construction de ponts dépend de l'environnement.

"Pour la résistance saline, pour les applications offshore et near-shore, nous suggérons un acier haute performance comme le HPS 70W", a-t-il déclaré. La documentation de la société indique qu'en plus d'une limite d'élasticité minimale de 70 KPSI et d'exigences de préchauffage réduites pour le soudage, il peut supporter plus de intempéries qu'un acier au carbone. Une description ASTM du HPS 70W suggère qu'il a quatre fois la résistance aux intempéries de l'acier à faible teneur en carbone.

D'autres exemples illustrent les besoins permanents en aciers robustes mais légers. Les tours éoliennes construites dans 25 ans pourraient être très différentes de celles installées aujourd'hui, surtout si le désir de tours offshore toujours plus hautes dans des eaux toujours plus profondes se poursuit. De plus, bien que les positions politiques conservatrices aux États-Unis soient favorables à la réduction des réglementations environnementales et commerciales, la recherche continuera d'améliorer les alliages utilisés pour la fabrication d'automobiles. De nombreux pays et certaines villes du monde prévoient d'éliminer progressivement la vente et l'utilisation d'automobiles à essence et diesel au cours des prochaines décennies, de sorte que la transition vers les automobiles électriques continuera de renforcer le désir de les garder aussi légères que possible et donc aussi efficaces que possible.

En attendant, bien que l'économie de l'hydrogène soit encore loin, certaines applications pratiques sont déjà là. Par exemple, une usine ArcelorMittal à Hambourg, en Allemagne, sera la première capacité de production d'acier à l'échelle industrielle (100 000 tonnes/an) utilisant du fer réduit directement, un processus qui utilise de l'hydrogène au lieu du minerai de fer traditionnel avec du carbone (coke), éliminant le sous-produit de dioxyde de carbone.

Les producteurs et fabricants de tubes et tuyaux qui se tiennent au courant de ces recherches et des développements technologiques subséquents seront prêts à relever ces nouveaux défis et à les transformer en opportunités rentables.