« Étude des phénomènes de grippage dans le cas d’un contact acier-acier phosphaté et graissé : application au domaine OCTG »

Rendez-vous le jeudi 1er février 2024 à 14h, dans l’amphi 203 du bâtiment W1 à l’École Centrale de Lyon (campus d’Écully)

COMPOSITION DU JURY

MONTMITONNET, Pierre, directeur de recherche CNRS, Mines Paris, Rapporteur
DELBE, Karl, maître de conférences, ENI Tarbes, Rapporteur
BOUVIER, Salima, professeure des Universités, UT Compiègne, Examinatrice
VILLE, Fabrice, professeur des Universités, INSA Lyon, Examinateur
FOUVRY, Siegfried, directeur de recherche CNRS, Ecole Centrale de Lyon, Directeur de thèse
MINFRAY, Clotilde, professeure des Universités, Ecole Centrale de Lyon, Co-directrice de thèse
BENITEZ, Alberto, docteur-ingénieur, Vallourec Aulnoye Aymeries,  Invité
MENCAGLIA, Xavier, ingénieur, Vallourec Aulnoye Aymeries, Invité

RÉSUMÉ

Dans le domaine OCTG (Oil Country Tubular Goods), les colonnes servant à extraire le pétrole ou le gaz dans les puits sont constituées de tubes vissés les uns aux autres. La partie vissée, appelée la connexion est conçue de manière à supporter les contraintes mécaniques et garantir l’étanchéité de la colonne. Pour ce faire, la connexion comprend notamment une zone de contact sous haute pression appelée la portée. Des traitements de surface et graisses de vissage sont appliqués sur les surfaces pour les préserver. Néanmoins, dans certains cas, les conditions de glissement et de chargement à la portée occasionnent de l’usure et du grippage. Le grippage est une forme d’usure sévère qui modifie macroscopiquement la rugosité des surfaces. En connexion, son apparition peut entrainer des fuites. Ce travail de thèse porte sur la mise au point d’une démarche expérimentale permettant d’analyser le scénario d’endommagement d’une interface dans des conditions représentatives de celles subies par la portée des connexions. Également, le comportement d’une interface acier carbone contre acier carbone avec traitement de phosphate manganèse et une graisse de vissage est étudié. Le test se base sur le principe de la norme ASTM G196, deux échantillons cylindriques sont mis en contact section contre section. La procédure de test consiste à appliquer une charge normale et une rotation alternée sur l’un des échantillons. Lors de ces travaux de thèse, un critère de grippage simple et robuste a été mis au point pour détecter l’apparition du grippage dans l’interface. Ce critère se base sur le suivi quantitatif des fluctuations de la force de frottement, l’amplitude de ces fluctuations devenant plus grande avec l’apparition du grippage. Le scénario d’endommagement de l’interface phosphate manganèse – graisse a été étudié grâce au test de grippage dans le cas de deux graisses de vissage. La première est une graisse contenant, entre autres, des particules de plomb, la seconde est sans métaux lourds. Le scénario d’endommagement varie considérablement selon la graisse employée. Dans le cas de la graisse sans plomb, on observe la formation de tribofilms à partir des débris de phosphate manganèse et des additifs solides de la graisse. Après une phase de rodage assez longue, l’interface connait un équilibre entre destruction et reformation des tribofilms jusqu’à épuisement de la couche de phosphate manganèse. Dans le cas de la graisse au plomb, les tribofilms sont épais et se forment également à partir de débris de phosphate manganèse et des additifs solides de la graisse. Leur formation est rapide et la tenue de ces couches protectrices ne dépend ensuite pas de la présence de la couche de phosphate manganèse. L’impact de l’application périodique de graisse fraîche sur les surfaces a été étudié pour chaque graisse. Le protocole de regraissage a été calqué sur celui appliqué en connexion entre chaque dévissage et vissage. Dans le cas de la graisse au plomb, aucun impact n’a été observé. Dans le cas de la graisse sans plomb, l’application de graisse fraîche interfère dans la reformation des tribofilms en chassant du contact les particules d’usure et de graisse mélangée mécaniquement. Cela conduit à une consommation plus rapide de la couche de phosphate manganèse et donc une durée de vie moins grande. Une analyse paramétrique sur la configuration avec la graisse sans plomb a permis la formalisation de la durée de vie en fonction du produit de la pression de contact et de la vitesse de glissement pv. L’analyse paramétrique pourrait être approfondie, notamment par l’étude de la fréquence des regraissages, et élargie à la graisse au plomb et d’autres configurations de traitement de surface et/ou graisse.