Nous traitons l’endommagement des structures

            métalliques destinées à transporter et stocker du gaz et du pétrole, sous impact de

            sable. Une étude expérimentale, sur éprouvettes entaillées, évalue la perte de masse et

            la ténacité en fonction du temps de sablage et du rayon d’entaille. Les résultats

            montrent que la perte de masse augmente avec le temps de sablage, mais la ténacité

            diminue. Des essais supplémentaires, en fatigue, ont montré l’effet bénéfique du

            sablage

ALHUSSEIN, Akram

AZARI, Zitouni

CAPELLE, Julien

GILGERT, Josef

TIDU, Albert

French

I-Revues

19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  1
 
    (1) 
    (2) 
    (3) 
 
Endommagement, par érosion de sable, des structures n acier 
API 5L X52 destinées aux produits pétroliers  
A. ALHUSSEIN a, J. CAPELLE a, A. TIDU b, J. GILGERT a, Z. AZARI a  
a. Laboratoire de Mécanique Biomécanique, Polymères et Structures (LaBPS), Ile du Saulcy, 57045 METZ  
b. Laboratoire d’Etude des Textures et Applications aux Matériaux (LETAM), Ile du Saulcy, 57012 METZ  
Résumé :  
Nous traitons l’endommagement des structures métalliques destinées à transporter et stocker du gaz et du 
pétrole, sous impact de sable. Une étude expérimentale, sur éprouvettes entaillées, évalue la perte de masse 
et la ténacité en fonction du temps de sablage et du rayon d’entaille. Les résultats montrent que la perte de 
masse augmente avec le temps de sablage, mais la ténacité diminue. Des essais supplémentaires, en fatigue, 
ont montré l’effet bénéfique du sablage. 
Abstract : 
The damage of metallic structures which are designed to transport and stock gas and oil is treated. An 
experimental study on the notched specimens assesse the mass loss and toughness as a function of the 
sanding time and notch radius. The results show that t e mass loss increases with sanding time, but the 
toughness decreases. The fatigue tests showed the beneficial effect of sandblasting. 
Mots clefs : Acier API 5L X52, érosion par sablage, ténacité, fatigue. 
1 Introduction  
L’érosion est un processus provoqué par un volume érodé sur une surface d’un matériau. Le phénomène 
d’érosion des structures métalliques, à dérivées pétrolières et soumises au processus de fatigue par impact de 
sable, est un problème qui concerne de nombreux secteurs industriels. Les chocs entre les particules de able 
et la surface des structures causent un endommagement sévère qui se manifeste par des cratères d’écaillage 
de différentes formes et profondeurs, Hasan et Iqbal [1]. L’épaisseur des parois est réduite et la rupture a lieu 
quand la contrainte dans les cratères atteint un seil limite. 
Le taux d’érosion augmente en fonction du temps d’exposition jusqu’à une valeur constante, Hattori et 
Nakao [2]. Ces auteurs ont partagé le phénomène du volume érodé en quatre étapes consécutives : Etape 
initiale caractérisée par un volume érodé, étape d’incubation (quelques fissures sont observées par 
accumulation de la déformation plastique), étape d’accélération d’érosion et étape d’érosion maximale. En 
étudiant l’évolution de l’érosion moyenne sur le temps d’exposition, nombreuses équations ont été obtenues 
en utilisant des méthodes de mécanique des solides. La plupart contiennent des propriétés du matériau, des 
propriétés thermodynamiques ou d’autres variables génériques dont certaines peuvent être fondamentales. A 
partir de 1947 et jusqu’à maintenant, trois formes générales de modélisation d’érosion sont perçues. D 
équations empiriques sont construites directement avec les données prises des essais, dans lesquels quelques 
conditions ont été changées. Quatre modèles typiques sont cités. Barwell [3] a suggéré que l'usure moyenne 
peut être caractérisée par l'une des trois courbes : 
{ }1 exp( )
exp( )
V t
V t
V t
β α
α
α
β α
= − −
=
=
 
19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  2
(4) 
Où V : Volume érodé, t : Temps d’exposition, α : Constante et β : Paramètre identifié par les caractéristiques 
de la surface initiale. Ces équations suffisent pour décrire la forme de la courbe V = ƒ(t) ou V = ƒ(β). Rhee [4] 
a constaté que l'usure totale en friction est foncti  de la charge appliquée F, la vitesse v et le temps t : 
a b cm KF v t∆ =    
Où ∆m : Masse du matériau érodé, K, a, b et c des constantes empiriques. 
Les principaux paramètres d’érosion sont : le temps d’exposition, l’énergie cinétique des particules pour 
laquelle l’érosion moyenne est proportionnelle à lamasse et à la vitesse des particules solides, Wood et al [5], 
et l’angle d’impact pour lequel le taux d’érosion maximal dépend du comportement du matériau, Bozzini et 
al [6].  
Les actions mécaniques, chimiques et thermiques sont à l'origine de la séparation de la matière, mais les 
moyens, pour atteindre ces actions, sont différents. Meng et Ludema [7], ont distingué quatre mécanismes 
principaux de l'érosion par impact des particules solides, figure (1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG 1 –  Mécanismes d'érosion par des particules du sable [7]. 
Pour déterminer l’influence de l’érosion sur la ténacité du matériau, nous avons réalisé des essais Chrpy. La 
propagation de la fissure a lieu dans l’épaisseur de l’échantillon. Le critère énergétique considère qu  la 
ténacité est proportionnelle au travail surfacique de rupture et représente précisément la résilience :                                             
                                                                     KCV = Ur / B.b 
La ténacité, à l’amorçage, est définie par Turner [8] :   JIC = η Uc / B.b = η KCV                                                       
Les valeurs du facteur de proportionnalité η sont déterminées par deux méthodes : 
Formule ASTM 813.81 (Norme américaine) :  η = 2 + (0.522 b/W)                                                                      
Formule BS norme Britannique :                     η = 1.97 + (0.518 b /W)                                                                                       
Par approximation, JIC est donné par le travail total de rupture, Pluvinage [9] :                                                                                                                                             
1
2 c
c
U
J
Bb
≅
 
Où JIC est la ténacité, KCV la résilience, Ur l’énergie de rupture, UC le travail de rupture mesuré à l’amorçage, 
B l’épaisseur d’échantillon, W la largeur d’échantillon et b la taille du ligament.     
Les valeurs de ténacité ont été calculées en appliquant le critère énergétique. 
Afin d’étudier la fatigue du matériau, après l’opération de sablage, des essais de fatigue ont été réalisés. Le 
processus d’érosion par sablage permet d’améliorer la résistance à la fatigue sous contraintes [10,11,12]. 
L’origine de ce bénéfice vient de l’introduction decontraintes résiduelles de compression au niveau ds 
couches écrouies en surface. Cet état de contrainte se manifeste en réponse à l’incompatibilité des 
déformations plastiques locales. Cette incompatibilité est compensée par des déformations élastiques 
permanentes (en l’absence de relaxation), correspondant aux contraintes résiduelles engendrées par l’impact 
des particules solides. De nombreuses études ont montré l’intérêt du procédé vis-à-vis de la tenue en fatigue. 
De Los Rios et al [13] ont montré, à titre d’exemple sur des alliages d’aluminium, une amélioration de la 
limite d’endurance à 107 cycles (+12 %). L’origine de cette amélioration est attribuée à l’état de surface qui 
est meilleur, limitant ainsi les micro-concentrations de contraintes, ce qui engendre des durées d’amorç ge 
plus importantes.  
 (9) 
Erosion par des particules solides 
Coupe Fatigue Rupture 
fragile 
Fusion 
Déformation 
plastique à la  
rupture 
    Mécanisme d’érosion 
  (5) 
  (6) 
  (7) 
  (8) 
Rupture 
cyclique  
Etat du fluide Rupture non-
cyclique  Action de séparation 
du matériau 
Pénétration 
19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  3
2 Matériau et conditions de sablage 
Le but de ce travail est d’étudier l’influence du temps de sablage sur la ténacité et la durée de vie du matériau. 
Pour cela, nous avons réalisé trois essais principaux : sablage, Charpy et fatigue sur des échantillons en acier 
X52 entaillés en V, pour différents rayons d’entaille : 0.25, 0.5, 0.75 et 1 mm. Ces échantillons ont été 
prélevés d’un pipeline dans deux sens : Longitudinal (L) et Transversal (T). Le tableau (1) présente la 
composition chimique du matériau. Les géométries des échantillons sont présentées, figures (2 et 3).  
C Mn Si Cr Ni Mo S Cu Ti Nb Al     
0.22 1.22 0.24 0.16 0.14 0.06 0.036 0.19 0.04 <0.05 0.032 
TAB 1 – Composition chimique de l’acier X52 
 
 
FIG 2 – Géométrie d’échantillon (Essai de Charpy)           FIG 3 – Géométrie d’échantillon de fatigue 
Afin de caractériser statiquement l’acier X52, nous avons préparé plusieurs échantillons découpés dans les 
deux sens : L et T. La loi de comportement de traction est affichée sur la figure (4) et les propriétés 
mécaniques dans le tableau(2).     
 
 
 
 
 
  
FIG 4 – Loi de comportement de l’acier X52 
Type 
d’échantillon 
Module de 
Young 
(GPa) 
Rm 
(MPa) 
Rp 0.2 
(MPa) 
A% (%) Coefficient 
de Poisson 
Charge 
maxi 
(kN) 
Section 
(mm2) 
Déformation 
de traction à 
Rupture (%) 
Sens T 208.03 626.86 450.73 18.51 0.33 19.73 31.45 15.62 
Sent L 182.64 547.735 317.915 15.515 0.33 72.32 132.03 21.07 
TAB 2 – Propriétés mécaniques de l’acier X52 
La faiblesse de la section, dans le sens T, est due à l’épaisseur de l’éprouvette, 4mm. 
La base de cette étude est l’évaluation de l’endommage ent du matériau par impact du sable. Pour cela, une 
sableuse Blaster 2700, équipée d’un manomètre permettant d’adapter la puissance désirée, est utilisée, figure 
(5). L’alimentation du sable (Al2O3) se fait par effet venturi, avec un débit de sablage constant durant toute 
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22
0
100
200
300
400
500
600
700
 
 
C
on
tr
a
in
te
 d
e 
tr
ac
tio
n 
[M
P
a]
Déformation de traction [%]
 sens T
 sens L
19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  4
l’opération. La vitesse du flux d’air, 32 m.s-1, a été mesurée à l’aide d’un anémomètre. Elle représ nte la 
vitesse moyenne du vent de sable dans les régions sahariennes. Les propriétés  physiques et mécaniques sont 
présentées respectivement dans les tableaux (3) et (4) : 
Composition atomique Al2O3 Densité Taux d’absorption d’eau (%) 
>99,9% 3,95 0 
TAB 3 – Propriétés physiques du sable (corindon) 
Dureté 
Vickers  (HV) 
Résistance à 
la traction 
(N/mm2) 
Résistance à 
la flexion 
(N/mm2) 
Résistance à la 
compression 
(N/mm2) 
Module d’ 
Young 
(N/mm2) 
Coefficient 
de poisson 
Facteur d’Intensité 
de Contraintes  
(Mpa.m1/2) 
180-200 200-250 200-600 1900-2000 3.8 105 0.25-0.3 4-5 
TAB 4 – Propriétés  mécaniques du sable (corindon) à  20° C (Données industrielles) 
Afin de régler les angles de projection de l’abrasif et de centrer les impacts, nous avons réalisé un mo tage, 
figure (6), qui respecte les conditions suivantes : Diamètre de la buse fixé à 8 mm, débit moyen durant les 
essais d’érosion à environ 1.57 g/s, l’angle d’impact entre le débit de sable et la surface d’échantillon égal à 
90°, la distance entre le tube et l’échantillon est fixée à 200 mm, la pression de flux de l’air à 4 bars et enfin 
la durée de sablage varie entre 60 et 480 min. 
                                                                               
 
                                                                                   
    FIG 5 – Sableuse Blaster 2700                                FIG 6 – Montage porte échantillon 
3 Résultats et discussions 
3.1 Perte de masse  
L’étude de perte de masse durant le temps du sablage a été réalisée sur des échantillons Charpy L et T. La 
variation d’écaillage du matériau, pour différents rayons d’entaille, est présentée sur la figure 7. 
 
                  
 
 
      
FIG 7 – Evaluation de perte de masse pendant le sabage : a) sens L b) sens T  
Échantillon 
Support de tube 
 
Pédale
Réservoir Régulateur 
de pression 
Vitre 
Lampe 
Capot 
Aspirateur 
Sac d’aspirateur 
Pistolet de sablage 
Interrupteur 
Plan de travail 
Joint 
Enceinte 
(b) 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
 
 
P
er
te
 d
e 
m
as
se
 [g
r]
Temps de sablage[h]
Echantillons (T) avec différents rayons d'entaille
    r 0.25
    r 0.5
    r 0.75
    r 1
(a) 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
 
 
P
er
te
 d
e 
m
as
se
 [g
r]
Temps de sablage [h]
Echantillons (L) avec différents rayons d'entaille
    r 0.25
    r 0.5
    r 0.75
    r 1
19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  5
L’équation mathématique des courbes, présentant l’évolution de perte de masse en fonction du temps de 
sablage, est exprimée par :  
0 .
t
cm m a e∆ = ∆ +                                                                                                          
Les valeurs des constantes sont présentées sur le tableau 5.  
Rayon 
d’entaille 
[mm] 
Echantillons  (L) Echantillons  (T) 
∆m0 a c R
2 
∆m0 a c R
2 
0.25 -0.15745 0.22292 5.84857 0.96 0.08606 0.1029 4.871 7 0.99 
0.50 0.06935 0.08124 4.66143 0.97 -0.28936 0.52062 24.08097 0.94 
0.75 -0.12381 0.22687 7.28441 0.94 0.19376 0.09328 3.19348 0.99 
1 0 0.21495 6.09622 0.89 0 0.14637 3.54048 0.98 
TAB 5 – Valeurs des constantes, équation (10). 
3.2 Evolution de la ténacité 
La ténacité du matériau est calculée en réalisant l’essai Charpy qui donne l’énergie absorbée à la ruptu e 
(exprimée en joules). Pendant l’essai, nous avons respecté les conditions suivantes : Une température 
ambiante, l’énergie nominale du mouton Charpy est égale à 300 joules, le couteau attaque l’éprouvette dans 
le plan de symétrie de l’entaille et sur sa surface opposée. Après l’opération de sablage, appliquée sr 48 
échantillons Charpy (L et T), pendant différents intervalles du temps : 1, 2, 4, 6 et 8 heures, l’essai Ch rpy a 
été réalisé. Nous avons obtenu la variation de l’énergie absorbée à la rupture en fonction du temps de sablage 
et pour différents rayons d’entaille. En appliquant le critère énergétique, Eq. (9), nous calculons la tén cité, 
figure (8).  
       
 
 
 
 
 
 
                 
  FIG 8 – Variation de la ténacité en fonction du temps de sablage : a) Sens L   b) Sens T 
Les valeurs de ténacité obtenues sont considérées comme la capacité du matériau à absorber de l’énergie. 
Nous constatons que cette capacité, sous l’effet du sablage, diminue dans le sens L après une période de 
temps, à cause des contraintes résiduelles. Nous remarquons aussi que : 
1. Chaque échantillon non sablé a une  valeur limite de ténacité liée au rayon d’entaille.  
2. L’influence du sablage sur la ténacité dans le sens transversal (T) est moins importante. Plus le rayon 
d’entaille est grand, plus la ténacité augmente.  
3.3 Essai de fatigue et estimation de la durée de vie 
Nous avons utilisé l’essai de flexion trois points en fatigue, sur des échantillons identiques vierges et sablés 
pendants huit heures. La charge moyenne appliquée est comprise entre 750 et 2625 N. A partir des résultats, 
nous traçons la variation de la charge moyenne en fonction du nombre de cycles à rupture, figure (9). Nous 
constatons que le sablage augmente la durée de vie ; Ceci est du à deux paramètres : 
i) Les contraintes résiduelles de compression au fond d’entaille. 
(10) 
0 2 4 6 8
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
5.1
5.2
 
 
J 1
C
  [
M
J/
m
2 ]
Temps de sablage [h]
  r 0.25
  r 0.5
  r 0.75
  r 1
(a) 
0 2 4 6 8
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
 
 
J 1
C
 [M
J/
m
2 ]
Temps de sablage [h]
 r 0.25
 r 0.5
 r 0.75
 r 1
(b) 
19ème Congrès Français de Mécanique                                                                           Marseille, 24-28 août 2009 
  6
ii) La croissance du rayon d’entaille pendant le sablage ; après 8 heures de sablage, le rayon varie de 0.15 à 
0.44 mm.  
iii) Pour une charge appliquée de 1500 N, le gain, en durée de vie, pour les éprouvettes sablées est de 48.7 %.  
y = 25997x-0.2427
R2 = 0.9742
y = 15731x-0.1892
R2 = 0.9611
500
1000
1500
2000
2500
3000
1000 10000 100000 1000000 10000000 100000000
Nombre de cycles à rupture
F
 [N
]
Echantillons vierges
Echantillons sablés 8h
 
FIG 9 – Evaluation de la durée de vie du matériau verge et après sablage. 
4 Conclusions    
Dans cette étude, nous avons évalué l’endommagement, par impact du sable, des structures en acier X52 
conçues aux dérivées pétrolières. Trois types d’échantillons ont été retirés de ces structures pour réaliser 
différents essais : Traction, Charpy et fatigue. Les essais de sablage, réalisés sur ces échantillons entaillés en 
V, avec différents rayons d’entaille et pour différents intervalles de temps, donnent l’influence du temps de 
sablage sur la ténacité et sur la durée de vie du matériau. Nous avons constaté : 
- Une perte de masse, durant le sablage, dans les deux sens L et T. 
- Un temps de sablage néfaste sur la ténacité dans le sens L, mais moins important dans le sens T. 
- Un sablage améliore la durée de vie du matériau grâce aux contraintes résiduelles.     
Références  
[1] Hasan F., Iqbal J.,Consequential rupture of gas pipeline, Engineering Failure Analysis, 13, 127-135, 2006. 
[2] Hattori S., Nakao E., Cavitation erosion mechanisms and quantitative evaluation based on erosion  
      particles, Wear, 249, 839-845, 2002. 
[3] Barwell F. T., Wear of metals, Wear, 1, 317-332, 1957-1958. 
[4] Rhee S. K., Wear equation for polymers sliding against metal surfaces, Wear, 16, 431-445, 1970. 
[5] Wood R. J. K., Puget Y., Trethewey K. R., Stokes K., The performance of marine coatings and pipe  
      materials under fluid-borne sand erosion, Wear, 219, 46-59, 1998. 
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     183, 443-457, 1995. 
[8] Turner C. E., Methods for post yield fracture safety assessment, Post-yield Fracture Mechanics, 23-210,  
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      2003. 
[10] Lillamand I., Evolution d’une couche grenaillée sous sollicitations thermiques et mécaniques, cas de la  
       fatigue oligocyclique, Thèse ENSAM, Décembre 1998. 
[11] Devignes M., Influence du grenaillage de précontrainte sur la tenue en fatigue de l’acier 35CD4, thèse  
        ENSAM, Septembre 1987. 
[12] Kirk D., Render P. E., Effects of peening on stre s corrosion cracking in carbon steel, ICSP7, Warsaw,  
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[13] De Los Rios E. R., Artamanov M., Rodopoulos C. A., Peyre P., Levers A., 4th International Committee  
       on Aeronautical Fatigue, Toulouse, pp. 25-29, Juin 2001. 
Face 1, avant sablage Face 1, après sablage Face 2, avant sablage  , près l  
F
 [N
] 
Nombre de cycles à rupture 


Endommagement, par érosion de sable, des structures en acier API 5L X52

            destinées aux produits pétroliers

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/36525/1/896.pdf

Endommagement, par érosion de sable, des structures en acier API 5L X52 destinées aux produits pétroliers

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