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.
General Information
Relations
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 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
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
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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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.
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
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
2 © ISO 2018 – All rights reserved
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.
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
4 © ISO 2018 – All rights reserved
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.
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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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 tensile strength as function of
temperature. The formula for the yield stress is as follows:
σσ=+ −189(MPa) (2)
02,,TT02,, ,room
491+18, T
where
σ is the yield stress at the actual temperature;
0,2,T
σ is the yield stress at room temperature;
0,2,T,room
T is the temperature.
The formula for the tensile strength is:
T
σσ=+0,,78570 2423exp − (3)
TS,,TTSroom
170,646
where
σ is the tensile strength at temperature T;
TS,T
σ is tensile strength at room temperature.
TS,room
No relation to describe the effect of temperature on the UEL has been found in the literature. The actual
fracture strain will also be linked to damage evolution and local fracture in the material, and is believed
to be a complex function of the microstructure. In case of localized yielding heating of the material due
to frictional heating from the plastic, deformation can affect the local tensile properties. Thus, in case
of higher strain rates, it is also necessary to consider adiabatic effects. However, this is outside normal
structural applications.
Systematic experimental investigations of the effect of temperature on tensile properties in structural
C-Mn steels in the strength range 350 MPa – 500 MPa have provided the following observations (see
Reference [17]).
a) The yield stress increases with decreasing temperature. However, the magnitude depends on the
microstructure. The relation proposed in Formula (1) tends to overestimate the increase in yield
stress for some steels and will usually be neglected.
b) The increase in tensile strength is more linear with decreasing temperature compared to the
yield stress.
c) The Uniform elongation (UEL) does not seem to be significantly affected by a reduction in
temperature, except for materials displaying Lüders strain, where UEL actually increases with
decreasing temperature (see comment regarding Lüders strain at next bullet).
d) For materials exhibiting Lüders strain, it has been observed that the length of the Lüders plateau
increases with decreasing temperature.
e) The actual fracture strain can be somewhat affected by a reduction in the temperature. However,
this effect is related to evolution of damage in the materials and is thus not only described by
engineering tensile properties of the material.
In case of structural design (not covering fracture and fatigue assessments) the implications are as
follows:
— for design in the elastic region, the observed results may be neglected;
— for design at low temperatures, possibly involving gross plasticity, the following aspects should be
considered:
— the Y/T ratio will increase with decreasing temperature;
— the detailed shape of the stress-strain curve will change;
— for inhomogeneous materials, systems mismatch levels between different materials can change
compared to the ones observed at room temperature.
6.2.2 Fracture toughness
As defined in 6.1.4, the fracture toughness is taken as the resistance to initiation of fracture. To
distinguish between minor microcracking events and fracture, propagation should be in the order of
1 mm or more. The type of fracture considered is primarily cleavage crack growth. Steel with ferritic
or martensitic microstructure [body centred cubic (BCC)] lattice is associated with ductile to brittle
transition, as illustrated in Figure 3. At high temperatures the materials ultimately fail by a ductile
mechanism, usually requiring a significant supply of energy to be sustained. This temperature region
is usually termed the “upper shelf”. At very low temperatures the materials are intrinsically brittle
and fail by the cleavage mechanism. Crack propagation takes place with very few requirements for
additional energy being supplied to the system. This temperature region is usually termed the “lower
shelf”. In between the two regions mentioned above, the so-called “transition region” is found. In this
region ultimate failure is still governed by cleavage fracture, however, the resistance to initiation of
fracture is progressively increasing as the temperature increases and plasticity starts to play a greater
role. The transition region is sometimes divided into the “lower transition” and “upper transition”. The
reason for this is that there is apparently a shift in the role played by different microstructural features
in the material, which again affects the shape of the transition curve.
8 © ISO 2018 – All rights reserved
Key
1 lower shelf is characterized by multiple initiation points and brittle fracture appearance
2 lower transition is characterized by initiation from second-phase particle and brittle fracture appearance
3 upper transition is characterized by isolated cleavage regions, prior ductile tearing, and increasing importance
of grain boundaries
4 upper shelf is characterized by ductile tearing and significant shear lips
Figure 3 — Schematic toughness transition curve
The temperature range, in which the transition takes place, is strongly connected to the microstructures
and chemistry of the steel. Further, from a continuum point of view, the fracture toughness tends to be
a statistical parameter with a significant associated scatter. In addition, the actual fracture toughness
of the material will be affected by parameters like the load level, defect size, and possible mismatch
conditions through so-called constraint effects.
For many C-Mn steels, and especially associated HAZ microstructure and WMs, the materials response
can be in the transition region for temperatures of relevance for Arctic applications. Thus, a failure
by the cleavage mechanism cannot be ruled out. Safe design of steel structures should take this
into account. Predictive models for fracture toughness estimation based on chemical composition
and microstructural features are currently not available. Hence, the fracture toughness should be
established through experimental testing. There are semi-empirical models available, e.g. the master
curve and the Beremin models, that can be used to describe scatter and quantify the effects of
temperature and constraint fracture toughness.
6.2.3 Arrest toughness
A cleavage fracture that has been initiated can eventually be stopped or arrested, if:
— the applied load levels are no longer capable of sustaining the crack growth;
— the propagation takes place towards an increasing temperature gradient resulting in increasing
resistance to crack propagation;
— the propagation takes place towards a materials gradient with increasing resistance to crack
propagation.
Thus, crack arrest may be regarded as a potential second barrier to failure due to fracture, if the
propagating crack can be stopped prior to reaching a critical size with regard to global structural
stability. The first category is associated with the applied loads, whereas the two last ones are
associated with the properties of the materials.
As for the fracture toughness associated with initiation of cleavage fracture, the arrest toughness also
depends on the temperature. Experimental observations show that the arrest toughness goes down as
the temperature is decreasing. It has been proposed that the dependency of temperature is similar to
the one found in the master curve for fracture toughness. However, as the arrest of propagation crack
is rather a “strongest link” mechanism as opposed to initiation of fracture, which follows a “weakest
link” mechanism, the dependency of temperature is probably differing between the two. Results in the
literature indicate this to be the case, and there is evidence that the resistance to crack propagation
drops faster with temperature compared to the resistance to crack initiation. Whereas the main
concern regarding fracture toughness is associated with HAZs and WMs, the arrest toughness of the
BMs can be of significant importance as the running cracks are highly likely to propagate the latter
material.
The topic of quantitative crack arrest assessments is challenging both due to the issue of establishing
relevant arrest toughness data and performing detailed analysis of the crack tip conditions in complex
structures. There are several test methods to assess crack arrest properties ranging from simpler go/
no-go criteria to quantitative estimates of the arrest toughness, but none have materialized as the
primary choice. Despite the challenges of assessing crack arrest, the ability to arrest running cracks can
be of significant importance for design under Arctic conditions. This is related to uncertainties whether
experience at higher temperatures are mainly associated with characteristic fracture toughness values
at the actual temperature, or whether arrest properties also having played an important role.
6.2.4 Fatigue
Fatigue damage is both related to the initiation of fatigue crack growth in the absence of macro defects
and threshold values/growth rates for existing macro defects. The former issue is usually designed
against using the SN-approach. The effect of temperature on the SN-approach has not been investigated
in detail. Some studies have been presented regarding the effect of low temperatures on fatigue crack
growth in presence of macro defects, based on the use of fracture mechanics. The results from these
studies have pointed towards the following main features.
— A transition temperature also exists in case of fatigue growth.
— For temperatures above the transition temperature, lower temperatures in general result in
somewhat lower fatigue crack growth rates and somewhat higher threshold values, when evaluated
against ΔK, compared to values established at room temperature.
— Below the transition temperature, the fatigue crack growth rate tends to increase significantly
compared to room temperature.
The mechanisms of reduced fatigue crack growth rate and increased threshold values for lower
temperatures, above the transition temperature, are explained due to the increasing yield stress with
decreasing temperature. The size of the plastic zone in front of the crack scales inversely with the
square of the yield stress. Thus for a fixed ΔK, the plastic zone believed to be associated with both
fatigue crack growth rate and threshold values, is reduced, resulting in lower crack growth rate/higher
fatigue threshold value. The mechanism behind the fatigue transition is currently not established.
From a design point of view, the first key question will be whether any significant fatigue loading can
take place below the fatigue transition temperature. If this is not the case, the results in the literature
suggest that conservative assessments may be made using room temperature data. The transition
temperature can be established through actual fatigue crack growth rate testing. However, such testing
is extremely time consuming and it is considered to be acceptable to perform fatigue testing at room
temperature as long as the fracture toughness is acceptable at low temperature. Until further data are
available, today's standard for fatigue assessment should be applied, assuming that materials with
proper fracture toughness are used such that brittle failure for small fatigue cracks (less than the plate
thickness in depth) is avoided (see ISO 19902:2007, Clause 16). If material with less fracture toughness
is used, such that the probability of an unstable fracture is increased with small fatigue cracks present,
this may be accounted for by a larger design fatigue factor (DFF) or alternatively by shorter in-service
inspection intervals.
10 © ISO 2018 – All rights reserved
6.2.5 Residual stresses and crack pattern
Although not directly a material’s property, residual stresses will affect the fracture behaviour of
materials/structures, especially in case of low fracture toughness/small applied loads (as in the case of
high cycle fatigue crack growth). Residual stress can have several sources and action ranges including
local stresses from welding and more long ranging stresses that build up during assembly of complex
structures.
The topic of the effect of low temperature on residual stresses has not been studied in detail.
The following general considerations can be made. Long range residual stress due to assembly of
components could possibly increase, as the thermal contraction can lead to further increase of the
misfit induced stresses. For local welding-induced stresses, the topic is probably related to whether the
temperature would have any effect on possible plastic deformation. In case of residual stresses having
been introduced at higher temperatures, and which do not lead to any new plastic deformation at
reduction of temperature, the effect of temperature on the residual stresses is most likely not very high.
Actually performing welding at lower temperatures could potentially affect the cooling times, which
again can affect the build-up of residual stresses.
The effect of reducing the temperature on ductile fracture resistance has not been studied in detail. It is
believed to be of secondary importance compared to the effect of temperature on the possible transition
to cleavage fracture controlled failure. Further, the general use for predicting longer ductile crack
extensions is mainly associated with design scenarios looking into larger gross plastic deformation. This
latter scenario is not seen to be the most relevant design scenario for low temperatures in the Arctic.
Creep of materials is mainly a high temperature phenomenon and is not believed to be of concern for
low temperature design scenarios in the Arctic.
6.3 Environmental conditions
6.3.1 General
Guidance on environmental conditions for Arctic regions in included in ISO 19906.
6.3.2 Temperature and definition of LAST
The risk of brittle fracture in structural steel is associated with the steel temperature. The steel
temperature is in turn controlled by the ambient temperature, but there is a time dependence caused
by the limitations of the heat flux to cool down and heat up the structure. Hence, the definition of the
lowest anticipated service temperature (LAST) should be based on a reliable estimate of the minimum
steel temperature.
LAST is defined in ISO 19906 and reflects the minimum ambient temperature. The risk of brittle
fracture is controlled by the steel temperature and there is a certain time lag for temperature change of
the steel compared with the ambient temperature caused by limitations of the heat flux during heating
or cooling of the steel. This time lag depends upon e.g. steel wall thickne
...
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 2018
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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
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
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
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.
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.
vi © ISO 2018 – Tous droits réservés
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
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)
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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
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;
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
— 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
représentant la résistance à l'initiation de la propagation d'une fissure entraînant une extension de la
fissure généralement de l'ordre de 1 mm ou plus (c'est-à-dire beaucoup plus longue que les échelles
de longueur de microstructure types). De la même façon, la «ténacité à l'arrêt de la fissuration» est
entendue comme représentant la résistance nécessaire pour arrêter les fissures s'étant étendues de
1 mm ou plus.
6.2 Effets des basses températures sur les caractéristiques mécaniques des aciers
6.2.1 Propriétés en traction
Les effets des propriétés en traction sur le comportement des aciers à basse température peuvent
être classés en effets explicites et implicites. Les effets explicites tiennent compte de la résistance à la
déformation plastique dans le matériau et de la disparité des niveaux dans les systèmes de matériaux
non homogènes (par exemple soudures). Les effets implicites couvrent la rupture et la fatigue par le
biais de l'influence de la grandeur des niveaux de contrainte et de la taille des zones plastiques locales.
Les principales propriétés techniques en traction sont:
— la limite d'élasticité;
— la résistance à la traction;
— l'allongement uniforme (UEL);
— la déformation à la rupture.
Les paramètres sont illustrés à la Figure 1. En ce qui concerne la limite d'élasticité, différentes
définitions sont appliquées; toutefois, la plus courante est le niveau de contrainte correspondant à
0,2 % de déformation permanente du matériau. En outre, certains aciers présenteront un écoulement
plastique discontinu, appelé formation de lignes de Lüders.
Légende
1 résistance à la traction x déformation conventionnelle
2 limite d'élasticité y contrainte conventionnelle
3 UEL
4 déformation à la rupture
Figure 1 — Paramètres des propriétés en traction
En écartant les scénarios où la vitesse de déformation est très élevée, où les effets d'inertie commencent
à jouer un rôle important, les effets de la température et de la vitesse de déformation sur les propriétés
plastiques sont revendiqués comme étant de même nature. Cela repose sur le fait qu'ils affectent l'énergie
d'activation pour le mouvement de dislocation de la même manière. Pour décrire ce phénomène, Zener
et Hollomon ont proposé la relation générale suivante:
A
σ = fTlog (1)
y
ε
où
σ est la limite d'élasticité;
y
T est la température;
A est une constante liée à l'énergie d'activation;
ε est la vitesse de déformation.
Il convient que la nature détaillée de la fonction soit déterminée par des essais expérimentaux, car il
n'existe aucun modèle théorique permettant de la déduire directement. La Figure 2 fournit des exemples
d'évolution de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction en fonction de la température pour
deux matériaux différents qui ne sont normalement pas utilisés pour les applications structurelles.
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Légende
σ 22NiMoCr3-7 R 22NiMoCr3-7
y m
σ SA 508 R SA 508
y m
Figure 2 — Dépendance à la température de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction
Il existe dans les publications des propositions de relations empiriques pour décrire les effets de la
température sur les propriétés en traction. La BS 7910 fournit des expressions pour la limite d'élasticité
et la résistance à la traction en fonction de la température. La formule applicable à la limite d'élasticité
est la suivante:
σσ=+ −189(MPa) (2)
02,,TT02,, ,room
491+18, T
où
σ est la limite d'élasticité à la température réelle;
0,2,T
σ est la limite d'élasticité à la température ambiante;
0,2,T,room
T est la température.
La formule pour la résistance à la traction est:
T
σσ=+0,,78570 2423exp − (3)
TS,,TTSroom
170,646
où
σ est la résistance à la traction à la température T;
TS,T
σ est la résistance à la traction à la température ambiante.
TS,room
Aucune relation permettant de décrire l'effet de la température sur l'UEL n'a été trouvée dans les
publications. La déformation à la rupture réelle sera également liée à l'évolution des dommages
et à la rupture locale dans le matériau, et est considérée comme étant une fonction complexe de
la microstructure. En cas de réchauffement localisé de l’écoulement plastique du matériau dû au
réchauffement par frottement dans le domaine plastique, la déformation peut avoir une incidence
sur les propriétés en traction locales. Par conséquent, en cas de vitesses de déformation élevées,
il est également nécessaire de tenir compte des effets adiabatiques. Toutefois, ceci ne relève pas des
applications structurelles normales.
Des études expérimentales systématiques de l'effet de la température sur les propriétés en traction des
aciers C-Mn de construction dans la plage de résistance 350 MPa – 500 MPa ont produit les observations
suivantes (voir Référence [17]).
a) La limite d'élasticité augmente avec la diminution de la température. Toutefois, l'ampleur dépend de
la microstructure. La relation proposée dans la Formule (1) a tendance à surestimer l'augmentation
de la limite d'élasticité pour certains aciers et sera généralement ignorée.
b) Par rapport à la limite d'élasticité, l'augmentation de la résistance à la traction est plus linéaire avec
la diminution de la température.
c) L'allongement uniforme (UEL) ne semble pas être affecté de façon significative par une diminution
de la température, sauf pour les matériaux présentant une contrainte de Lüder, pour lesquels
l'UEL augmente en réalité avec la diminution de la température (voir le commentaire relatif à la
contrainte de Lüders au prochain point).
d) Pour les matériaux présentant une contrainte de Lüders, il a été observé que la longueur du plateau
de Lüders augmente avec la diminution de la température.
e) La déformation à la rupture réelle peut dans une certaine mesure être affectée par une diminution
de la température. Cependant, cet effet est lié à l'évolution des dommages dans les matériaux et
n'est donc pas uniquement décrit par les propriétés techniques en traction du matériau.
En cas de conception structurelle (ne couvrant pas les évaluations des ruptures et de la fatigue), les
implications sont les suivantes:
— pour la conception dans la région élastique, les résultats observés peuvent être ignorés;
— pour la conception à basses températures, impliquant une éventuelle plasticité brute, il convient de
tenir compte des aspects suivants:
— le rapport Y/T augmentera avec la diminution de la température;
— la forme détaillée de la courbe contrainte-déformation sera modifiée;
— pour les matériaux non homogènes, les niveaux de disparité des systèmes entre les différents
matériaux peuvent varier par rapport à ceux observés à température ambiante.
6.2.2 Ténacité à la rupture
Tel que défini en 6.1.4, la ténacité à la rupture est entendue comme représentant la résistance à
l'initiation d'une rupture. Afin de permettre de distinguer les événements de microfissuration mineurs
des ruptures, il convient que la propagation soit de l'ordre de 1 mm ou plus. Le type de rupture
considéré est principalement la propagation de fissure par clivage. L'acier présentant un réseau de
microstructure ferritique ou martensitique [cubique centré (BCC)] est associé à une transition ductile
à fragile, tel qu'illustré à la Figure 3. À des températures élevées, les matériaux finissent par subir une
défaillance via un mécanisme ductile, et nécessitent généralement un apport en énergie important
pour être maintenus. Cette région de températures est généralement appelée «plateau supérieur». À
très basses températures, les matériaux sont intrinsèquement cassants et connaissent une défaillance
due au mécanisme de clivage. La propagation des fissures s'opère sans qu'il soit nécessaire que le
système reçoive beaucoup d'énergie supplémentaire. Cette région de températures est généralement
appelée «plateau inférieur». Entre les deux régions évoquées ci-dessus se trouve ce qu'on appelle la
«région de transition». Dans cette région, la défaillance finale est toujours régie par la rupture par
clivage; toutefois, la résistance à l'initiation d'une rupture augmente progressivement à mesure que
la température augmente et que la plasticité commence à jouer un rôle plus important. Cette région
de transition est parfois divisée entre la «transition inférieure» et la «transition supérieure». Cela
s'explique par le fait qu'il existe apparemment un basculement dans le rôle joué par les différentes
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caractéristiques microstructurelles du matériau, ce qui là encore a une incidence sur la forme de la
courbe de transition.
Légende
1 plateau inférieur se caractérisant par des points d'initiation multiples et une apparence de rupture fragile
2 transition inférieure se caractérisant par l'initiation depuis la particule de deuxième phase et une apparence
de rupture fragile
3 transition supérieure se caractérisant par des régions de clivage isolées, une déchirure ductile préalable et une
importance croissante des joints de grains
4 plateau supérieur se caractérisant par une déchirure ductile et par des lèvres de cisaillement prononcées
Figure 3 — Courbe de transition de ténacité schématique
La plage de températures, dans laquelle s'opère la transition, est fortement liée aux microstructures et
à la composition chimique de l'acier. De plus, du point de vue du milieu continu, la ténacité à la rupture
a tendance à être un paramètre statistique présentant une dispersion associée importante. En outre, la
ténacité à la rupture réelle du matériau sera affectée par des paramètres tels que le niveau de charge, la
taille des défauts et les conditions éventuelles de disparité par le biais de ce qui est qualifié d'effets de
contrainte.
Pour de nombreux aciers C-Mn, et particulièrement la microstructure des ZAT associées et les WM, la
réponse des matériaux peut se situer dans la région de transition pour les températures pertinentes
pour les applications arctiques. Par conséquent, une défaillance par le mécanisme de clivage ne peut
être exclue. Il convient qu’une conception sûre des structures en acier en tienne compte. Il n'existe
actuellement aucun modèle prédictif pour l'estimation de la ténacité à la rupture basée sur la
composition chimique et les caractéristiques microstructurelles. Dès lors, il convient que la ténacité
à la rupture soit établie au moyen d'essais expérimentaux. Il existe des modèles semi-empiriques,
par exemple la courbe maîtresse et les modèles de Beremin, qui peuvent être utilisés pour décrire la
dispersion et quantifier les effets de la température et de la ténacité à la rupture de contrainte.
6.2.3 Ténacité à l'arrêt de la fissuration
Une rupture par clivage qui a été amorcée peut finalement être interrompue ou arrêtée, si:
— les niveaux de charge appliqués ne sont plus capables de promouvoir la propagation de la fissure;
— la propagation s'opère vers un gradient de température croissant, qui entraîne une augmentation de
la résistance à la propagation de la fissure;
— la propagation s'opère vers un gradient de matériau offrant une résistance croissante à la propagation
de la fissure.
Par conséquent, l'arrêt de la fissuration peut être considéré comme un éventuel deuxième frein à la
défaillance due à une rupture, si la fissure se propageant peut être arrêtée avant d'atteindre une taille
critique en termes de stabilité structurelle globale. La première catégorie est associée aux charges
appliquées, tandis que les deux dernières sont associées aux propriétés des matériaux.
Quant à la ténacité à la rupture associée à l'initiation d'une rupture par clivage, la ténacité à l'arrêt
de la fissuration dépend également de la température. Les observations expérimentales montrent que
la ténacité à l'arrêt de la fissuration diminue à mesure que la température baisse. L'hypothèse a été
émise que la dépendance de la température était similaire à celle trouvée dans la courbe maîtresse
de la ténacité à la rupture. Toutefois, l'arrêt d'une fissure en propagation étant plutôt un mécanisme
du «lien le plus fort» par opposition à l'initiation de la rupture, qui respecte un mécanisme de «lien
le plus faible», la dépendance de la température varie probablement entre les deux. Les résultats
disponibles dans les publications indiquent que cela est le cas, et il existe des preuves que la résistance
à la propagation des fissures diminue plus vite avec la température que la résistance à l'initiation des
fissures. Alors que la principale préoccupation relative à la ténacité à la rupture est liée aux ZAT et aux
WM, la ténacité à l'arrêt de la fissuration des BM peut avoir une grande importance car les fissures en
cours sont fortement susceptibles de se propager au matériau de ces derniers.
La question des évaluations quantitatives des arrêts de la fissuration est complexe tant en raison
de la difficulté à déterminer les données de ténacité à l'arrêt de la fissuration pertinentes que de la
réalisation d'une analyse détaillée de l'état des bouts de fissure dans les structures complexes. Il existe
plusieurs méthodes d'essai qui permettent d'évaluer les propriétés d'arrêt de la fissuration, qui vont des
critères go/no-go plus simples aux estimations quantitatives de la ténacité à l'arrêt de la fissuration,
mais aucune n'est considérée comme l'option de référence. En dépit des difficultés qu'il y a à évaluer
l'arrêt de la fissuration, la capacité à arrêter les fissures en cours peut avoir une grande importance
pour la conception dans des conditions arctiques. Cela est lié aux incertitudes autour du fait de savoir si
les expériences acquises à haute température sont principalement associées aux valeurs de ténacité à
la rupture caractéristiques à la température réelle, ou si les propriétés d'arrêt jouent également un rôle
important.
6.2.4 Fatigue
L'endommagement dû à la fatigue est lié à l'initiation de la propagation de fissure de fatigue en l'absence
de macro défauts ainsi qu'aux valeurs de seuil/vitesses de propagation pour les macro défauts existants.
Le premier problème empêche généralement d’utiliser l'approche SN. L'effet de la température sur
l'approche SN n'a pas été étudié de façon détaillée. Certaines études ont été présentées au sujet de
l'effet des basses températures sur la propagation des fissures de fatigue en présence de macro défauts,
en utilisant la mécanique de la rupture. Les résultats de ces études ont
...
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