ISO/TS 35105:2018
(Main)Petroleum and natural gas industries — Arctic operations — Material requirements for arctic operations
Petroleum and natural gas industries — Arctic operations — Material requirements for arctic operations
ISO/TS 35105:2018 provides recommendations for material selection, manufacturing and fabrication requirements, testing and qualification of steel structures and components for offshore and onshore petroleum and natural gas facilities operating in Arctic and cold environments. ISO/TS 35105:2018 is intended to be used as a supplement to existing standards for steel structures where the particular operating conditions in Arctic regions are not sufficiently addressed. ISO/TS 35105:2018 gives particular requirements to ensure safe operation with respect to the risk of brittle fracture at low temperatures. These requirements will affect the selection of material grade and design class as well as the technical delivery conditions for steel. They will also affect the fabrication requirements as well as testing and qualification requirements. ISO/TS 35105:2018 also gives recommendations: - to mitigate the operational and integrity aspects related to snow and ice accretion on topside structures; - to take into account the particular Arctic operating conditions in corrosion assessments and requirements for corrosion protection systems; - for particular operational requirements to ensure safe operation in Arctic regions. The requirements in this document are applicable to any operating temperatures, but particular requirements related to de-rating (loss of strength) at high temperatures are not addressed. Limitations to the applicable minimum design temperature caused by the capability of the materials' low temperature performance can exist, but are not a limitation for the scope of this document. As a practical guideline for the use of this document, low temperature is defined as lowest anticipated service temperature (LAST) below ?10 °C. NOTE For determination of LAST, see 6.3.2.
Industries du pétrole et du gaz naturel — Opérations en Arctique — Exigences applicables aux matériaux pour les opérations en Arctique
Le présent document fournit des recommandations pour le choix des matériaux, les exigences de production et de fabrication, l'essai et la qualification des structures et composants en acier pour les installations pétrolières et de gaz naturel en mer et terrestres exploitées en Arctique et dans les environnements froids. Le présent document est destiné à être utilisé comme un supplément aux normes existantes relatives aux structures en acier dans lesquelles les conditions particulières d'exploitation régnant dans les régions arctiques ne sont pas suffisamment prises en compte. Le présent document fournit des exigences particulières afin de garantir un fonctionnement sûr en ce qui concerne le risque de rupture fragile à basses températures. Ces exigences auront une incidence sur le choix de la nuance de matériau et de la classe de conception ainsi que sur les conditions techniques de livraison de l'acier. Elles auront également une incidence sur les exigences relatives à la fabrication ainsi que sur celles relatives aux essais et à la qualification. Le présent document fournit également des recommandations visant à: — atténuer les aspects opérationnels et relatifs à l'intégrité liés aux accumulations de neige et de glace sur les superstructures; — prendre en compte les conditions d'exploitation particulières régnant en Arctique dans les évaluations de la corrosion et les exigences relatives aux systèmes de protection contre la corrosion; — garantir, pour les exigences opérationnelles particulières, un fonctionnement sûr dans les régions arctiques. Les exigences énoncées dans le présent document s'appliquent à toutes les températures de fonctionnement, mais les exigences particulières liées au déclassement (perte de résistance) à haute température ne sont pas traitées. Des limites à la température de conception minimale applicable dues à la capacité des performances à basse température des matériaux peuvent exister, mais elles ne constituent pas une limite pour le domaine d'application du présent document. À titre de ligne directrice pratique pour l'utilisation du présent document, une basse température est définie comme étant la température en service la plus basse anticipée (LAST) inférieure à ?10 °C. NOTE Pour la détermination de la température LAST, voir 6.3.2.
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 35105
First edition
2018-04
Petroleum and natural gas
industries — Arctic operations —
Material requirements for arctic
operations
Industries du pétrole et du gaz naturel — Opérations en Arctique —
Exigences relatives au matériel requis pour les opérations en Arctique
Reference number
ISO/TS 35105:2018(E)
©
ISO 2018
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ISO/TS 35105:2018(E)
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Published in Switzerland
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ISO/TS 35105:2018(E)
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Abbreviated terms . 2
5 Symbols . 3
6 Technical basis . 3
6.1 Design considerations. 3
6.1.1 Present applications and industrial achievements . 3
6.1.2 Developments for future applications . 4
6.1.3 Areas of concern in design for Arctic structures . 4
6.1.4 Fracture assessment . 4
6.2 Effects of low temperatures on mechanical properties of steels . 5
6.2.1 Tensile properties . 5
6.2.2 Fracture toughness . 8
6.2.3 Arrest toughness . 9
6.2.4 Fatigue .10
6.2.5 Residual stresses and crack pattern.11
6.3 Environmental conditions .11
6.3.1 General.11
6.3.2 Temperature and definition of LAST .11
6.3.3 Seawater conditions . .12
6.4 Principles for qualification and quality assurance .12
6.4.1 Steel making technology .12
6.4.2 Welding technology .12
7 Material and fabrication requirements .12
7.1 Material selection and qualification .12
7.2 Mechanical properties .13
7.2.1 Tensile properties .13
7.2.2 Fracture toughness .13
7.2.3 Pre-qualification testing .16
7.3 Crack arrest assessment .16
7.4 Fatigue properties, alternative testing .17
7.5 Welding and fabrication requirements .18
7.5.1 Contractor certification .18
7.5.2 Base material .18
7.5.3 Welding consumables .18
7.5.4 Welding procedure qualification.18
7.6 Welding procedure qualification test requirements .18
7.6.1 General requirements .18
7.6.2 Welding procedure qualification testing .18
7.6.3 Testing requirements .19
7.6.4 Fillet weld on plates .20
7.7 Protection against corrosion and wear .20
7.7.1 General.20
7.7.2 Corrosion protecting coating at low temperature .20
7.7.3 Cathodic protection (CP) .20
8 Quality control, quality assurance and documentation .21
8.1 Structural steel requirements .21
8.2 Welding and fabrication requirements .21
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ISO/TS 35105:2018(E)
9 Operational topics .21
9.1 Requirements for operations in remote areas .21
9.1.1 General.21
9.1.2 Low temperature operations .21
9.1.3 Ice and snow removal .22
9.2 Corrosion and wear control .22
9.2.1 General.22
9.2.2 Splash zone surfaces in direct contact with sea ice .22
9.2.3 Submerged surfaces and cathodic protection .22
9.2.4 Topside surfaces .23
Bibliography .24
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ISO/TS 35105:2018(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 67, Materials, equipment and offshore
structures for petroleum, petrochemical and natural gas industries, Subcommittee SC 8, Arctic operations.
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ISO/TS 35105:2018(E)
Introduction
Operations in an Arctic environment are characterized by low ambient temperatures, the presence of
sea ice and ice bergs and icing of structures and components. In many cases they are also associated
with remote locations relative to infrastructure and logistics. Maintenance operations are therefore
expensive and accidents leading to emissions can have severe environmental consequences.
Structural failure is in most cases failure of materials and caused by well-known degradation
mechanisms such as fatigue and corrosion. Under Arctic conditions, failure due to possible brittle
materials behaviour needs to be given special consideration.
This document was developed to bridge the gap between the functional requirements to offshore
structures in Arctic environments given in design standards and the material requirements given in
material and fabrication specifications where Arctic operating conditions have not been considered in
sufficient detail.
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 35105:2018(E)
Petroleum and natural gas industries — Arctic operations
— Material requirements for arctic operations
1 Scope
This document provides recommendations for material selection, manufacturing and fabrication
requirements, testing and qualification of steel structures and components for offshore and onshore
petroleum and natural gas facilities operating in Arctic and cold environments.
This document is intended to be used as a supplement to existing standards for steel structures where
the particular operating conditions in Arctic regions are not sufficiently addressed.
This document gives particular requirements to ensure safe operation with respect to the risk of
brittle fracture at low temperatures. These requirements will affect the selection of material grade and
design class as well as the technical delivery conditions for steel. They will also affect the fabrication
requirements as well as testing and qualification requirements.
This document also gives recommendations:
— to mitigate the operational and integrity aspects related to snow and ice accretion on topside
structures;
— to take into account the particular Arctic operating conditions in corrosion assessments and
requirements for corrosion protection systems;
— for particular operational requirements to ensure safe operation in Arctic regions.
The requirements in this document are applicable to any operating temperatures, but particular
requirements related to de-rating (loss of strength) at high temperatures are not addressed.
Limitations to the applicable minimum design temperature caused by the capability of the materials’
low temperature performance can exist, but are not a limitation for the scope of this document.
As a practical guideline for the use of this document, low temperature is defined as lowest anticipated
service temperature (LAST) below –10 °C.
NOTE For determination of LAST, see 6.3.2.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 19900, Petroleum and natural gas industries — General requirements for offshore structures
ISO 19901-1, Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for offshore structures —
Part 1: Metocean design and operating considerations
ISO 19901-2, Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for offshore structures —
Part 2: Seismic design procedures and criteria
ISO 19901-4, Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for offshore structures —
Part 4: Geotechnical and foundation design considerations
ISO 19902:2007, Petroleum and natural gas industries — Fixed steel offshore structures
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ISO/TS 35105:2018(E)
ISO 19906, Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures
EN 10225:2009, Weldable structural steels for fixed offshore structures — Technical delivery conditions
API RP 2Z, Preproduction Qualification for Steel Plates for Offshore Structures
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 19900, ISO 19901-1,
ISO 19901-2, ISO 19901-4, ISO 19902 and ISO 19906 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Abbreviated terms
BCC body centred cubic
BM base material
DC design class
CJP complete joint penetration
C-Mn carbon manganese
CP cathodic protection
CTOD crack-tip opening displacement
ECA engineering critical assessment
HAZ heat affected zone
LAST lowest anticipated service temperature
PWHT post weld heat treatment
RT room temperature
SAW submerged arc welding
SENB single edge notch bend
SMYS specified minimum yield strength
SN stress number approach for fatigue design
UEL uniform elongation
ULS ultimate limit state
WM weld metal
Y/T yield to tensile stress ratio
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ISO/TS 35105:2018(E)
5 Symbols
The following is a summary of the main symbols that are used throughout this document. Other
symbols are defined where they are used. This use includes main symbols with one or more subscripts
when a more specific use and associated definition of the symbol is intended.
a defect height
c defect half length
h characteristic height
char
K crack arrest toughness
ca
T temperature
t thickness
X constraint correction factor for CTOD
δ
γ safety factor on characteristic CTOD
CTOD
γ materials safety factor
m
σ average bending stress acting over the characteristic height
b
σ effective stress
eff
σ tensile strength
TS
σ average tensile stress acting over the characteristic height
t
σ yield strength
Y
σ 0,2 % yield strength
0,2
τ average shear stress acting over the characteristic height
t
6 Technical basis
6.1 Design considerations
6.1.1 Present applications and industrial achievements
Offshore field developments have been carried out in the northern part of the Atlantic Sea offshore
New Foundland, United Kingdom and Norway with successful application of structural steels designed
for LAST equal to –10 °C with technical delivery conditions specified by EN 10225 and corresponding
API standards with weldability qualification in accordance with API RP 2Z. NORSOK N-004 has also
extended the application range of the design requirements to –14 °C.
Developments have also taken place in colder areas, such as the Barents Sea, offshore Sakhalin and the
Caspian Sea. In these cases, project-specific requirements to structural steel qualification have been
provided to compensate for the lack of industry standards. After delivery of these projects, the steel
industry has promoted “Arctic steel grades” as available for more industrial applications. However,
unified requirements and documentation of performance are still missing.
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ISO/TS 35105:2018(E)
6.1.2 Developments for future applications
As the offshore industry moves to Arctic and other cold areas, cost efficient solutions for low
temperature applications are needed. Therefore, the low temperature performance, testing
requirements and acceptance criteria as well as alternative steel grades have been investigated to reach
this goal. In addition to the field experience, results from such investigations form the basis for this
document. Investigations have been carried out at temperatures down to –60 °C. A short-term realistic
temperature limit is –40 °C, unless very specialized alloying systems are implemented.
As a design consideration, it should be taken into account that it is not sufficient to demonstrate
acceptable properties at low temperatures. It is also recommended to demonstrate that these properties
can be combined with cost efficient fabrication procedures including e.g. heat input, pre-heating and
post weld heat treatment.
6.1.3 Areas of concern in design for Arctic structures
At low temperatures, the risk of brittle fracture in structural steels will be more significant and it is
required to establish a specific fracture limit state to verify a safe design. A particular feature of a
brittle fracture mechanism is that it can affect the redundancy of the structure after a local overloading,
as it is difficult to predict the extent and path of brittle crack extension.
The introduction of a fracture limit state includes an á priori assumption that a crack is present at
the location considered. As the combination of high stress level and crack is associated with certain
likelihood, this is inevitably a probabilistic issue, and it is highly dependent on the fabrication quality
and inspection level of the structure.
The most critical failure locations associated with low temperature behaviour of welded steel
structures are WM and HAZ. The BM is usually less critical, because the properties are normally better
and the likelihood of defects is smaller. However, in forged and cast steel, also BM should be considered.
The brittle fracture resistance is controlled by the steel temperature, while the LAST is defined on the
basis of environmental temperature data in combination with operational factors. The minimum steel
temperature should be estimated as part of the design process, but can be conservatively estimated
from the ambient temperature.
The main effects of low temperatures on mechanical properties of steels should be clarified in order to
document the feasibility of the steel and welding procedure in terms of WM and HAZ toughness (see
ISO 19902:2007, Annex F) or if other requirements should be given. With regard to “low temperatures”,
the main focus will be temperatures in the range –60 °C to –10 °C. For testing, this can require
temperatures down to –90 °C. The temperature will have an effect on both elastic, plastic, and fracture
properties of steels. The former is apparently less significant than the two others in the temperature
range considered, and is not discussed in detail. Regarding plastic and fracture properties the following
main categories are considered:
— tensile properties;
— fracture toughness;
— arrest toughness;
— fatigue.
6.1.4 Fracture assessment
Resistance to deformation and separation in atomic lattices is intimately linked to energies representing
barriers to these features. In general the thermal energy in the material will affect the available energy
to overcome barriers for these mechanisms. For plastic deformation, it is observed that the resistance
will increase with decreasing temperature due to less thermal energy available in the system to help
overcome e.g. barriers to dislocation movements. This leads to an observed increase in yield stress with
decreasing temperature. The resistance to initiation of cleavage fracture is closely linked to the stress
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ISO/TS 35105:2018(E)
level possible to achieve in the material. This stress level is again correlated with the tensile properties
of the material. As the yield stress increases with decreasing temperature, the local stress level in the
material increases, and the likelihood of initiation of fracture increases accordingly.
Fracture assessments in general address both considerations regarding initiation of crack growth and
possibly arrest of propagating cracks. Further, a distinction between initiation of crack growth and
arrest will depend on the magnification used to study the phenomenon. Fracture is a strongly multiscale
phenomenon, ranging from the details around separation of atoms up to observations at the continuum
level. In this document classification is related to the continuum level. Thus, the term “fracture
toughness” is taken to represent the resistance to initiation of crack growth leading to crack extension
typically of the order of 1 mm or more (i.e. significantly longer than the typical microstructural length
scales). In the same fashion, the “arrest toughness” is taken as the resistance needed to arrest cracks
having propagated 1 mm or more.
6.2 Effects of low temperatures on mechanical properties of steels
6.2.1 Tensile properties
With regard to the effects of tensile properties on low temperature behaviour of steels, they can
be divided into explicit and implicit effects. The explicit effects consider the resistance to plastic
deformation in the material and the level mismatch in inhomogeneous material systems (e.g. welds).
Implicit effects are addressing fracture and fatigue through influence of the magnitude of stress levels
and size of local plastic zones.
The key engineering tensile properties are:
— the yield stress;
— the tensile strength;
— the uniform elongation (UEL);
— the fracture strain.
The parameters are illustrated in Figure 1. Regarding the yield stress different definitions are applied,
however, the most frequently used is the stress level corresponding to 0,2 % permanent deformation
of the material. In addition, some steels will display discontinuous yielding, or so-called Lüders band
formation.
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ISO/TS 35105:2018(E)
Key
1 tensile strength x engineering strain
2 yield stress y engineering stress
3 UEL
4 fracture strain
Figure 1 — Tensile property parameters
Leaving out very high strain rate scenarios, where inertia effects start to play significant roles, the
effects of temperature and strain rate on plastic properties are claimed to be of a similar nature. The
basis for this is that they are affecting the activation energy for dislocation movement in the same way.
Zener and Hollomon proposed the following general relation to describe the phenomenon:
A
σ = fTlog (1)
y
ε
where
σ is the yield stress;
y
T is the temperature;
A is some constant related to the activation energy;
ε is the strain rate.
The detailed nature of the function should be determined through experimental testing as there are no
theoretical models available to deduce this directly. Figure 2 shows examples of evolution of yield stress
and tensile strength with temperature for two different materials not normally used for structural
applications.
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ISO/TS 35105:2018(E)
Key
σ 22NiMoCr3-7 R 22NiMoCr3-7
y m
σ SA 508 R SA 508
y m
Figure 2 — Temperature dependence of yield and tensile strength
There are empirical relations proposed in the literature to describe the effect of temperature on tensile
properties. BS 7910 provides expressions for both the yield stress and ten
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 35105
Première édition
2018-04
Industries du pétrole et du gaz
naturel — Opérations en Arctique —
Exigences applicables aux matériaux
pour les opérations en Arctique
Petroleum and natural gas industries — Arctic operations — Material
requirements for arctic operations
Numéro de référence
ISO/TS 35105:2018(F)
©
ISO 2018
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ISO/TS 35105:2018(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2018
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en oeuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO/TS 35105:2018(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Abréviations . 2
5 Symboles . 3
6 Base technique. 3
6.1 Considérations relatives à la conception . 3
6.1.1 Applications actuelles et réalisations industrielles . 3
6.1.2 Développements pour les applications futures . 4
6.1.3 Domaines de préoccupation dans la conception des structures arctiques . 4
6.1.4 Évaluation de la rupture . 5
6.2 Effets des basses températures sur les caractéristiques mécaniques des aciers . 5
6.2.1 Propriétés en traction . . . 5
6.2.2 Ténacité à la rupture . 8
6.2.3 Ténacité à l'arrêt de la fissuration . 9
6.2.4 Fatigue .10
6.2.5 Contraintes résiduelles et schéma de fissuration .11
6.3 Conditions environnementales .11
6.3.1 Généralités .11
6.3.2 Température et définition de la température LAST .12
6.3.3 Conditions de l'eau de mer.12
6.4 Principes applicables à la qualification et à l'assurance qualité .12
6.4.1 Technologie de production d'acier .12
6.4.2 Technique de soudage .13
7 Exigences applicables aux matériaux et à la fabrication .13
7.1 Choix et qualification des matériaux .13
7.2 Caractéristiques mécaniques .13
7.2.1 Propriétés en traction . . .13
7.2.2 Ténacité à la rupture .13
7.2.3 Essais de pré-qualification .17
7.3 Évaluation de l'arrêt de la fissuration .17
7.4 Propriétés de fatigue, autres essais .18
7.5 Exigences relatives au soudage et à la fabrication .18
7.5.1 Certification du contractant .18
7.5.2 Matériau de base .19
7.5.3 Produits de soudage.19
7.5.4 Qualification des modes opératoires de soudage .19
7.6 Exigences relatives aux essais de qualification du mode opératoire de soudage .19
7.6.1 Exigences générales .19
7.6.2 Essais de qualification du mode opératoire de soudage .19
7.6.3 Exigences relatives aux essais .20
7.6.4 Soudure à clin sur tôles .21
7.7 Protection contre la corrosion et l'usure .21
7.7.1 Généralités .21
7.7.2 Revêtement de protection contre la corrosion à basse température .21
7.7.3 Protection cathodique (PC) .22
8 Contrôle qualité, assurance qualité et documentation .22
8.1 Exigences applicables à l'acier de construction .22
8.2 Exigences relatives au soudage et à la fabrication .22
© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 35105:2018(F)
9 Questions opérationnelles .23
9.1 Exigences applicables aux opérations en zones reculées .23
9.1.1 Généralités .23
9.1.2 Opérations à basse température .23
9.1.3 Élimination de la glace et de la neige .23
9.2 Contrôle de la corrosion et de l'usure .23
9.2.1 Généralités .23
9.2.2 Surfaces des zones d'éclaboussure en contact direct avec la glace marine .24
9.2.3 Surfaces immergées et protection cathodique .24
9.2.4 Surfaces des superstructures .24
Bibliographie .26
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO/TS 35105:2018(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 67, Matériel, équipement et structures
en mer pour les industries pétrolière, pétrochimique et du gaz naturel, sous-comité SC 8, Opérations en
Arctique.
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ISO/TS 35105:2018(F)
Introduction
Les opérations dans un environnement arctique se caractérisent par des températures ambiantes
basses, par la présence de glace marine et d'icebergs et par le givrage des structures et des composants.
Dans de nombreux cas, elles sont également associées à des lieux reculés en termes d'infrastructures
et de logistique. Les opérations d'entretien sont donc chères et les accidents entraînant des rejets dans
l’environnement peuvent avoir de graves conséquences.
Les défaillances structurelles correspondent dans la plupart des cas à des défaillances des matériaux et
sont causées par des mécanismes de dégradation bien connus, tels que la fatigue et la corrosion. Dans
des conditions arctiques, il faut porter une attention particulière aux défaillances dues au comportement
des éventuels matériaux fragiles.
Le présent document a été élaboré pour combler le fossé entre d’une part les exigences fonctionnelles
applicables aux structures en mer dans les environnements arctiques telles que définies dans les
normes de conception et d’autre part les exigences applicables aux matériaux telles que définies dans les
spécifications relatives aux matériaux et à la fabrication et pour lesquelles les conditions d'exploitation
en Arctique n'ont pas été prises en compte de façon suffisamment détaillée.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 35105:2018(F)
Industries du pétrole et du gaz naturel — Opérations en
Arctique — Exigences applicables aux matériaux pour les
opérations en Arctique
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des recommandations pour le choix des matériaux, les exigences de
production et de fabrication, l'essai et la qualification des structures et composants en acier pour
les installations pétrolières et de gaz naturel en mer et terrestres exploitées en Arctique et dans les
environnements froids.
Le présent document est destiné à être utilisé comme un supplément aux normes existantes relatives
aux structures en acier dans lesquelles les conditions particulières d'exploitation régnant dans les
régions arctiques ne sont pas suffisamment prises en compte.
Le présent document fournit des exigences particulières afin de garantir un fonctionnement sûr en ce
qui concerne le risque de rupture fragile à basses températures. Ces exigences auront une incidence sur
le choix de la nuance de matériau et de la classe de conception ainsi que sur les conditions techniques de
livraison de l'acier. Elles auront également une incidence sur les exigences relatives à la fabrication ainsi
que sur celles relatives aux essais et à la qualification.
Le présent document fournit également des recommandations visant à:
— atténuer les aspects opérationnels et relatifs à l'intégrité liés aux accumulations de neige et de glace
sur les superstructures;
— prendre en compte les conditions d'exploitation particulières régnant en Arctique dans les
évaluations de la corrosion et les exigences relatives aux systèmes de protection contre la corrosion;
— garantir, pour les exigences opérationnelles particulières, un fonctionnement sûr dans les régions
arctiques.
Les exigences énoncées dans le présent document s'appliquent à toutes les températures de
fonctionnement, mais les exigences particulières liées au déclassement (perte de résistance) à haute
température ne sont pas traitées. Des limites à la température de conception minimale applicable
dues à la capacité des performances à basse température des matériaux peuvent exister, mais elles ne
constituent pas une limite pour le domaine d'application du présent document.
À titre de ligne directrice pratique pour l'utilisation du présent document, une basse température est
définie comme étant la température en service la plus basse anticipée (LAST) inférieure à –10 °C.
NOTE Pour la détermination de la température LAST, voir 6.3.2.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 19900, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences générales pour les structures en mer
ISO 19901-1, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en
mer — Partie 1: Dispositions océano-météorologiques pour la conception et l'exploitation
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ISO 19901-2, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en
mer — Partie 2: Procédures de conception et critères sismiques
ISO 19901-4, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en
mer — Partie 4: Bases conceptuelles des fondations
ISO 19902:2007, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures en mer fixes en acier
ISO 19906, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures arctiques en mer
EN 10225:2009, Aciers de construction soudables destinés à la fabrication de structures marines fixes —
Conditions techniques de livraison
API RP 2Z, Preproduction Qualification for Steel Plates for Offshore Structures
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 19900, l'ISO 19901-1,
l'ISO 19901-2, l'ISO 19901-4, l'ISO 19902 et l'ISO 19906 s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
4 Abréviations
BCC cubique centré (body centred cubic)
BM matériau de base (base material)
DC classe de conception (design class)
CJP pleine pénétration de joint (complete joint penetration)
C-Mn carbone manganèse (carbon manganese)
PC protection cathodique (cathodic protection)
CTOD déplacement en fond de fissure (crack-tip opening displacement)
ECA évaluation technique critique (engineering critical assessment)
ZAT zone affectée thermiquement (heat affected zone)
LAST température en service la plus basse anticipée (lowest anticipated service temperature)
PWHT traitement thermique après soudage (post weld heat treatment)
RT température ambiante (room temperature)
SAW processus de soudage à l'arc sous flux en poudre (submerged arc welding)
SENB coude entaillé à bord unique (single edge notch bend)
SMYS limite d’élasticité minimale spécifiée (specified minimum yield strength)
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SN approche par le nombre de contraintes pour la conception en fatigue (stress number approach
for fatigue design)
UEL allongement uniforme (uniform elongation)
ULS état limite ultime (ultimate limit state)
WM métal soudé (weld metal)
Y/T rapport entre la limite d'élasticité et la contrainte de traction (yield to tensile stress ratio)
5 Symboles
Un résumé des principaux symboles utilisés dans le présent document est fourni ci-dessous. Les autres
symboles sont définis à l'emplacement du document où ils sont utilisés. Cette utilisation comprend
des symboles principaux comportant un ou plusieurs indices lorsqu'une utilisation plus spécifique est
prévue et qu'une définition associée du symbole est fournie.
a hauteur du défaut
c demi-longueur du défaut
h hauteur caractéristique
char
K ténacité à l'arrêt de la fissuration
ca
T température
t épaisseur
X coefficient de correction de contrainte pour le CTOD
δ
γ coefficient de sécurité sur le CTOD caractéristique
CTOD
γ coefficient de sécurité des matériaux
m
σ contrainte de flexion moyenne s'exerçant sur la hauteur caractéristique
b
σ contrainte effective
eff
σ résistance à la traction
TS
σ contrainte de traction moyenne s'exerçant sur la hauteur caractéristique
t
σ limite d’élasticité
Y
σ limite d'élasticité à 0,2 %
0,2
τ contrainte de cisaillement moyenne s'exerçant sur la hauteur caractéristique
t
6 Base technique
6.1 Considérations relatives à la conception
6.1.1 Applications actuelles et réalisations industrielles
Des développements de champs en mer sont réalisés dans l'Atlantique Nord au large de Terre-Neuve,
du Royaume-Uni et de la Norvège, avec une application réussie d'aciers de construction conçus pour
une température LAST de –10 °C avec les conditions techniques de livraison spécifiées dans l'EN 10225
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et les normes API correspondantes et une qualification de la soudabilité conforme à l’API RP 2Z. La
NORSOK N-004 a également étendu la plage d'application des exigences de conception à –14 °C.
Des développements ont également été réalisés dans des zones plus froides, telles que la mer de
Barents, au large de Sakhaline et sur la mer Caspienne. Dans ces cas, des exigences spécifiques au projet
applicables à la qualification de l'acier de construction ont été fournies afin de compenser l'absence
de normes sectorielles. Après livraison de ces projets, l'industrie sidérurgique a communiqué sur la
disponibilité de «nuances d'acier arctiques» pour davantage d’applications industrielles. Toutefois, il
manque toujours des exigences unifiées et une documentation des performances.
6.1.2 Développements pour les applications futures
L'industrie offshore se déplaçant vers l'Arctique et d’autres zones froides, des solutions économiques
sont nécessaires pour les applications à basse température. Par conséquent, les performances à basse
température, les exigences d'essai et les critères d'acceptation ainsi que les autres nuances d'acier ont
été étudiés afin d'atteindre cet objectif. Les résultats de ces études forment, avec l'expérience de terrain,
la base du présent document. Les études ont été réalisées à des températures pouvant aller jusqu'à
–60 °C. Une limite de température réaliste à court terme est de –40 °C, sauf si des systèmes d'alliages
très spécialisés sont mis en œuvre.
En guise de considération relative à la conception, il convient de tenir compte du fait qu'il ne suffit pas de
démontrer des propriétés acceptables à basse température. Il est également recommandé de démontrer
que ces propriétés peuvent être associées à des procédures de fabrication efficaces en termes de coûts,
y compris, par exemple le débit calorifique, le préchauffage et le traitement thermique après soudage.
6.1.3 Domaines de préoccupation dans la conception des structures arctiques
À basse température, le risque de rupture fragile des aciers de construction sera plus élevé et il est
nécessaire d'établir un état limite de rupture spécifique afin de vérifier que la conception est sûre.
Le mécanisme de rupture fragile présente comme caractéristique spécifique de pouvoir avoir une
incidence sur la redondance de la structure après une surcharge locale, étant donné qu'il est difficile de
prédire l'étendue et le trajet de l'extension de la fissure fragile.
L'introduction d'un état limite de rupture comprend une hypothèse préalable qu'une fissure est présente
à l'emplacement considéré. La combinaison d'un niveau de contrainte élevé et de la présence d'une
fissure étant associée à une certaine probabilité, il s'agit inévitablement d'une question probabiliste, et
elle dépend fortement de la qualité de fabrication et du niveau d'inspection de la structure.
Les emplacements de défaillance les plus critiques associés au comportement à basse température des
structures en acier soudées sont le WM et les ZAT. En règle générale, le BM est moins critique, car les
propriétés sont généralement meilleures et la probabilité de défauts est moindre. Toutefois, dans le cas
d'acier forgé et d'acier moulé, il convient également de tenir compte du BM.
La résistance à la rupture fragile est contrôlée par la température de l'acier, tandis que la température
LAST est définie sur la base des données de température ambiante en association avec les facteurs
opérationnels. Il convient d'estimer la température minimale de l'acier dans le cadre du processus de
conception, mais elle peut être estimée de façon conservative à partir de la température ambiante.
Il convient de clarifier les principaux effets des basses températures sur les caractéristiques
mécaniques des aciers afin de documenter la faisabilité de l'acier et du mode opératoire de soudage
en termes de ténacité du WM et des ZAT (voir l'ISO 19902:2007, Annexe F) ou d'établir s'il convient
de fournir d'autres exigences. En ce qui concerne les «basses températures», l'accent sera mis sur les
températures comprises entre −60 °C et −10 °C. Pour les essais, des températures allant jusqu'à −90 °C
peuvent être nécessaires. La température aura un effet sur les propriétés tant élastiques que plastiques
et de rupture des aciers. L'effet sur les propriétés élastiques semble moins important dans la plage
de températures considérée, et n'est pas traité de façon détaillée. En ce qui concerne les propriétés
plastiques et de rupture, les grandes catégories suivantes sont prises en compte:
— propriétés en traction;
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— ténacité à la rupture;
— ténacité à l'arrêt de la fissuration;
— fatigue.
6.1.4 Évaluation de la rupture
La résistance à la déformation et à la séparation en réseaux atomiques est intimement liée aux énergies
qui représentent des obstacles à ces caractéristiques. En général, l'énergie thermique dans le matériau
aura une incidence sur l'énergie disponible pour surmonter les obstacles pour ces mécanismes. Pour la
déformation plastique, il a été observé que la résistance augmente avec la diminution de la température
en raison de la baisse de l'énergie thermique disponible dans le système pour aider à surmonter, par
exemple, les obstacles aux mouvements de dislocation. Cela entraîne une augmentation observée de la
limite d'élasticité avec la diminution de la température. La résistance à l'initiation d'une rupture par
clivage est étroitement liée au niveau de contrainte qu'il est possible d'atteindre dans le matériau. Ce
niveau de contrainte est à son tour corrélé aux propriétés du matériau en traction. La limite d'élasticité
augmentant avec la diminution de la température, le niveau de contrainte local dans le matériau
augmente, et la probabilité d'initiation d'une rupture augmente en conséquence.
L'évaluation des ruptures couvre en général les considérations relatives à l'initiation de la propagation
d'une fissure et à l'arrêt éventuel des fissures se propageant. De plus, la distinction entre l'initiation de
la propagation de la fissure et l'arrêt dépendra de l'agrandissement utilisé pour étudier le phénomène.
La rupture est un phénomène fortement multi-échelle, qui va des détails relatifs à la séparation des
atomes jusqu'aux observations au niveau du milieu continu. Dans le présent document, la classification
est liée au niveau du milieu continu. Par conséquent, le terme «ténacité à la rupture» est entendu comme
représen
...
Questions, Comments and Discussion
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