Le tube en acier est utilisé pour le transport de fluides et de poudres, les échanges thermiques et la fabrication de pièces mécaniques et de conteneurs. De plus, c'est un acier économique. L'utilisation de tubes en acier pour la réalisation de structures métalliques, de piliers et de supports mécaniques permet de réduire le poids et d'économiser 20 à 40 % de métal, et de parvenir à une construction automatisée et mécanisée. L'utilisation de tubes en acier pour la construction de ponts routiers permet non seulement d'économiser de l'acier et de simplifier la construction, mais aussi de réduire considérablement la surface revêtue de couches de protection, ce qui diminue les coûts d'investissement et de maintenance. Les tubes en acier de grand diamètre ont une section creuse dont la longueur est bien supérieure au diamètre ou à la circonférence. Selon la forme de la section transversale, on distingue les tubes en acier circulaires, carrés, rectangulaires et de formes spéciales ; selon le matériau, on distingue les tubes en acier de construction au carbone, en acier de construction faiblement allié, en acier allié et en acier composite. Les tubes en acier sont utilisés dans les équipements thermiques, l'industrie pétrochimique, la construction mécanique, le forage géologique, les équipements haute pression, etc. Selon le procédé de fabrication, on distingue les tubes en acier sans soudure et les tubes en acier soudés. Parmi ces derniers, les tubes en acier sans soudure se divisent en deux catégories : les tubes laminés à chaud et les tubes laminés à froid (étirés). Les tubes en acier soudés se divisent quant à eux en tubes soudés à joint droit et tubes soudés à joint spiralé.
1. Quel est le processus de traitement thermique detuyaux en acier de grand diamètre?
(1) Lors du traitement thermique, la déformation géométrique des tubes en acier de grand diamètre est due aux contraintes thermiques. Ces contraintes constituent un phénomène complexe : elles sont à l’origine de défauts tels que déformations et fissures, mais représentent également un moyen important d’améliorer la résistance à la fatigue et la durée de vie des pièces.
(2) Il est donc essentiel de comprendre le mécanisme et l'évolution des contraintes induites par traitement thermique, ainsi que de maîtriser les méthodes de contrôle des contraintes internes. Les contraintes induites par traitement thermique désignent les contraintes générées à l'intérieur de la pièce sous l'effet des facteurs liés au traitement thermique (processus thermique et transformation des tissus).
(3) Il s'agit d'un auto-équilibre dans tout ou partie du volume de la pièce, d'où le terme de contrainte interne. Les contraintes dues au traitement thermique peuvent être classées en contraintes de traction et de compression selon la nature de leur action ; en contraintes instantanées et résiduelles selon leur durée d'action ; et en contraintes thermiques et contraintes tissulaires selon leur origine.
(4) Des contraintes thermiques se forment en raison de l'asynchronisme des variations de température dans différentes parties de la pièce lors du chauffage ou du refroidissement. Par exemple, pour une pièce pleine, la surface chauffe toujours plus vite que le cœur lors du chauffage, et le cœur refroidit plus lentement que la surface lors du refroidissement, car la chaleur est absorbée et dissipée par la surface.
(5) Pour les tubes en acier de grand diamètre dont la composition et l'état structural restent constants, leur volume spécifique varie en fonction de la température, dès lors que leur coefficient de dilatation linéaire est non nul. Par conséquent, lors du chauffage ou du refroidissement, des tensions mutuelles et des contraintes internes apparaissent. De toute évidence, plus l'écart de température induit dans la pièce est important, plus les contraintes thermiques sont élevées.
2. Comment refroidir un tuyau en acier de grand diamètre après le processus de trempe ?
(1) Lors de la trempe, la pièce doit être chauffée à une température élevée puis refroidie rapidement. Par conséquent, la trempe, et plus particulièrement les phases de trempe et de refroidissement, génèrent d'importantes contraintes thermiques. Lorsqu'une bille d'acier de 26 mm de diamètre est refroidie dans l'eau après avoir été chauffée à 700 °C, on observe une variation de température entre sa surface et son cœur.
(2) Lors de la phase initiale de refroidissement, la vitesse de refroidissement de la surface est nettement supérieure à celle du cœur, et l'écart de température entre la surface et le cœur augmente continuellement. Lorsque le refroidissement se poursuit, la vitesse de refroidissement de la surface ralentit, tandis que celle du cœur augmente relativement. Lorsque les vitesses de refroidissement de la surface et du cœur sont quasiment égales, leur écart de température atteint une valeur importante.
(3) Par la suite, la vitesse de refroidissement du cœur est supérieure à celle de la surface, et l'écart de température entre la surface et le cœur diminue progressivement jusqu'à ce que le cœur soit complètement refroidi et que cet écart disparaisse. Ce processus génère des contraintes thermiques lors d'un refroidissement rapide.
(4) Au début du refroidissement, la couche superficielle se refroidit rapidement, et une différence de température apparaît entre elle et le noyau. Du fait des propriétés physiques de dilatation thermique et de contraction due au froid, le volume de la couche superficielle doit se contracter de manière fiable. Or, la température élevée et le volume spécifique important du noyau entravent la libre contraction de la couche superficielle vers l'intérieur, créant ainsi une contrainte thermique qui étire la couche superficielle et comprime le cœur.
(5) Au fur et à mesure du refroidissement, l'écart de température mentionné précédemment continue d'augmenter, et la contrainte thermique qui en résulte augmente également. Lorsque cet écart de température atteint une valeur importante, la contrainte thermique devient élevée. Si, à ce moment, la contrainte thermique est inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à la température correspondante, il n'y aura pas de déformation plastique, mais seulement une faible déformation élastique.
(6) Lors d'un refroidissement plus poussé, la vitesse de refroidissement de la surface ralentit, tandis que celle du cœur augmente. L'écart de température tend à diminuer et la contrainte thermique diminue progressivement. La déformation élastique mentionnée ci-dessus diminue alors également.
Date de publication : 12 décembre 2022