Note de l'éditeur : Cet article est le deuxième d'une série en deux parties consacrée au marché et à la fabrication de conduites de transfert de liquides de petit diamètre pour applications haute pression. La première partie traite de la disponibilité nationale des produits conventionnels pour ces applications, qui sont rares. La deuxième partie aborde deux produits non traditionnels sur ce marché.
Les deux types de tuyaux hydrauliques soudés désignés par la Society of Automotive Engineers – SAE-J525 et SAE-J356A – partagent une source commune, tout comme leurs spécifications écrites. Des bandes d'acier plates sont découpées à la largeur souhaitée et transformées en tubes par profilage. Après polissage des bords de la bande à l'aide d'un outil à ailettes, le tube est chauffé par soudage par résistance haute fréquence et forgé entre des rouleaux de pression pour former une soudure. Après le soudage, la bavure extérieure est éliminée à l'aide d'un porte-outil, généralement en carbure de tungstène. La bavure d'identification est éliminée ou ajustée à la hauteur maximale de conception à l'aide de l'outil de blocage.
La description de ce procédé de soudage est générale et présente de nombreuses différences mineures lors de la production réelle (voir figure 1). Cependant, ils partagent de nombreuses propriétés mécaniques.
Les défaillances de tuyaux et leurs modes de défaillance courants peuvent être classés en charges de traction et de compression. Dans la plupart des matériaux, la contrainte de traction est inférieure à la contrainte de compression. Cependant, la plupart des matériaux sont beaucoup plus résistants en compression qu'en traction. Le béton en est un exemple. Très compressible, il se rompt facilement, sauf s'il est moulé avec un réseau interne de barres d'armature. C'est pourquoi l'acier est soumis à des essais de traction afin de déterminer sa résistance ultime à la traction (RUT). Les trois tailles de flexibles hydrauliques ont les mêmes exigences : 310 MPa (45 000 psi) RUT.
En raison de la capacité des conduites sous pression à résister à la pression hydraulique, un calcul et un essai de rupture distincts, appelés essai d'éclatement, peuvent être nécessaires. Ces calculs permettent de déterminer la pression d'éclatement ultime théorique, en tenant compte de l'épaisseur de paroi, de la résistance à la rupture et du diamètre extérieur du matériau. Les tubes J525 et J356A pouvant avoir la même taille, la seule variable est la résistance à la rupture ultime. Offre une résistance à la traction typique de 50 000 psi avec une pression d'éclatement prédictive de 0,500 x 0,049 po. La résistance à la rupture ultime est identique pour les deux produits : 10 908 psi.
Bien que les prévisions calculées soient identiques, une différence dans l'application pratique réside dans l'épaisseur réelle de la paroi. Sur la norme J356A, la bavure interne est réglable jusqu'à une taille maximale en fonction du diamètre du tube, comme décrit dans la spécification. Pour les produits J525 ébavurés, le processus d'ébavurage réduit généralement intentionnellement le diamètre intérieur d'environ 0,002 pouce, ce qui entraîne un amincissement localisé de la paroi dans la zone de soudure. Bien que l'épaisseur de paroi soit comblée par un écrouissage ultérieur, la contrainte résiduelle et l'orientation du grain peuvent différer de celles du métal de base, et l'épaisseur de paroi peut être légèrement inférieure à celle du tube comparable spécifié dans la norme J356A.
Selon l'utilisation finale du tube, les bavures internes doivent être éliminées ou aplanies (ou aplaties) pour éliminer les fuites potentielles, principalement les formes évasées à simple paroi. Bien que l'on pense généralement que le tube J525 a un diamètre intérieur lisse et donc une étanchéité parfaite, il s'agit d'une idée fausse. Un écrouissage incorrect peut entraîner des stries sur le diamètre intérieur du tube J525, ce qui peut entraîner des fuites au niveau du raccordement.
Commencez l'ébavurage en coupant (ou en grattant) le cordon de soudure sur la paroi intérieure. L'outil de nettoyage est fixé à un mandrin soutenu par des rouleaux à l'intérieur du tube, juste derrière le poste de soudage. Pendant que l'outil de nettoyage retirait le cordon de soudure, les rouleaux ont roulé par inadvertance sur des projections de soudure, les projetant sur la surface intérieure du tube (voir figure 2). Ce problème se pose pour les tubes légèrement usinés, tels que les tubes tournés ou rodés.
Retirer les paillettes du tube n'est pas chose aisée. Le processus de découpe transforme les paillettes en un long fil d'acier tranchant et emmêlé. Bien que le retrait soit obligatoire, il s'agit souvent d'un processus manuel et imparfait. Il arrive que des sections de tubes à paillettes quittent le site du fabricant pour être expédiées aux clients.
Riz. 1. Le matériau SAE-J525 est produit en série, ce qui nécessite des investissements et une main-d'œuvre importants. Les produits tubulaires similaires fabriqués avec le matériau SAE-J356A sont entièrement usinés dans des laminoirs à tubes recuits en ligne, ce qui les rend plus efficaces.
Pour les conduites plus petites, comme les conduites de liquide de moins de 20 mm de diamètre, l'ébavurage du diamètre intérieur n'est généralement pas aussi important, car ces diamètres ne nécessitent pas d'étape de finition supplémentaire. Le seul inconvénient est que l'utilisateur final doit simplement se demander si une hauteur de contrôle de bavure constante peut poser problème.
L'excellence du contrôle de flamme ID commence par un conditionnement, une découpe et un soudage précis de la bande. En effet, les propriétés de la matière première du J356A doivent être plus strictes que celles du J525, car le J356A impose davantage de restrictions sur la granulométrie, les inclusions d'oxydes et d'autres paramètres d'élaboration de l'acier en raison du procédé de calibrage à froid utilisé.
Enfin, le soudage intérieur nécessite souvent un liquide de refroidissement. La plupart des systèmes utilisent le même liquide de refroidissement que l'outil d'andainage, mais cela peut poser problème. Bien que filtrés et dégraissés, les liquides de refroidissement des laminoirs contiennent souvent des quantités importantes de particules métalliques, d'huiles diverses et d'autres contaminants. Par conséquent, le tube J525 nécessite un cycle de lavage à la soude caustique chaude ou une autre étape de nettoyage équivalente.
Les condenseurs, les systèmes automobiles et autres systèmes similaires nécessitent un nettoyage des tuyauteries, et ce nettoyage peut être effectué en usine. Le J356A quitte l'usine avec un alésage propre, une teneur en humidité contrôlée et un minimum de résidus. Enfin, il est courant de remplir chaque tube de gaz inerte pour prévenir la corrosion et sceller les extrémités avant expédition.
Les tubes J525 sont normalisés après soudage, puis étirés à froid. Après écrouissage, le tube est à nouveau normalisé pour répondre à toutes les exigences mécaniques.
Les étapes de normalisation, de tréfilage et de seconde normalisation nécessitent le transport du tube jusqu'au four, puis jusqu'au poste d'étirage, puis de retour au four. Selon les spécificités de l'opération, ces étapes nécessitent d'autres sous-étapes distinctes, telles que le pointage (avant peinture), la gravure et le redressage. Ces étapes sont coûteuses et nécessitent des ressources importantes en temps, en main-d'œuvre et en argent. Les tubes étirés à froid génèrent un taux de rebut de 20 % en production.
Le tube J356A est normalisé au laminoir après soudage. Il ne touche pas le sol et passe des étapes initiales de formage au tube fini en une séquence continue dans le laminoir. Les tubes soudés comme le J356A présentent une perte de production de 10 %. Toutes choses égales par ailleurs, cela signifie que les lampes J356A sont moins chères à fabriquer que les lampes J525.
Bien que les propriétés de ces deux produits soient similaires, elles ne sont pas identiques d’un point de vue métallurgique.
Les tubes J525 étirés à froid nécessitent deux traitements préliminaires de normalisation : après soudage et après étirage. Les températures de normalisation (900 °C ou 1 650 °F) entraînent la formation d'oxydes de surface, généralement éliminés à l'aide d'acide minéral (généralement sulfurique ou chlorhydrique) après recuit. Le décapage a un impact environnemental important en termes d'émissions atmosphériques et de flux de déchets riches en métaux.
De plus, la normalisation de la température dans l'atmosphère réductrice du four à rouleaux entraîne une consommation de carbone à la surface de l'acier. Ce processus, la décarburation, laisse une couche superficielle beaucoup plus fragile que le matériau d'origine (voir figure 3). Ceci est particulièrement important pour les tubes à paroi mince. Avec une épaisseur de paroi de 0,030 pouce, même une petite couche de décarburation de 0,003 pouce réduit la paroi effective de 10 %. De tels tubes fragilisés peuvent se rompre sous l'effet des contraintes ou des vibrations.
Figure 2. Un outil de nettoyage du diamètre intérieur (non représenté) est soutenu par des rouleaux qui se déplacent le long du diamètre intérieur du tube. Une conception judicieuse des rouleaux réduit les projections de soudure qui pénètrent dans la paroi du tube. Outils Nielsen
Les tubes J356 sont traités par lots et nécessitent un recuit dans un four à rouleaux, mais ce n'est pas tout. La variante J356A est entièrement usinée dans un laminoir par induction intégrée, un procédé de chauffage beaucoup plus rapide qu'un four à rouleaux. Cela raccourcit le temps de recuit, réduisant ainsi la fenêtre de décarburation de quelques minutes (voire quelques heures) à quelques secondes. Le J356A bénéficie ainsi d'un recuit uniforme, sans oxydation ni décarburation.
Les tubes utilisés pour les conduites hydrauliques doivent être suffisamment flexibles pour être pliés, élargis et façonnés. Les coudes sont nécessaires pour acheminer le fluide hydraulique du point A au point B, en passant par divers coudes et virages. L'évasement est essentiel pour assurer une connexion d'extrémité.
Dans un contexte de « poule ou œuf », les cheminées étaient conçues pour des raccordements de brûleurs à simple paroi (donc avec un diamètre intérieur lisse), ou l'inverse. Dans ce cas, la surface intérieure du tube s'ajuste parfaitement à la douille du connecteur à broche. Pour garantir une connexion métal sur métal étanche, la surface du tuyau doit être aussi lisse que possible. Cet accessoire est apparu dans les années 1920 pour la division aérienne naissante de l'US Air Force. Il est ensuite devenu l'évasement standard à 37 degrés, largement utilisé aujourd'hui.
Depuis le début de la pandémie de COVID-19, l'offre de tubes étirés à diamètre intérieur lisse a considérablement diminué. Les délais de livraison des matériaux disponibles sont généralement plus longs qu'auparavant. Ce changement dans les chaînes d'approvisionnement peut être compensé par une refonte des raccordements. Par exemple, une demande de devis exigeant un brûleur simple paroi et spécifiant la norme J525 pourrait remplacer un brûleur double paroi. Tout type de tube hydraulique peut être utilisé avec ce raccordement, ce qui ouvre des perspectives pour l'utilisation de la norme J356A.
Outre les raccords flare, les joints mécaniques toriques sont également courants (voir figure 5), notamment pour les systèmes haute pression. Non seulement ce type de raccord est moins étanche qu'un flare simple paroi grâce à l'utilisation de joints élastomères, mais il est également plus polyvalent : il peut être formé à l'extrémité de tout type de conduite hydraulique courante. Cela offre aux fabricants de tuyaux de meilleures opportunités d'approvisionnement et une meilleure performance économique à long terme.
L'histoire industrielle regorge d'exemples de produits traditionnels qui ont pris racine à une époque où le marché peinait à s'adapter. Un produit concurrent, même nettement moins cher et répondant à toutes les exigences du produit d'origine, peut avoir du mal à s'imposer sur le marché en cas de suspicion. Cela se produit généralement lorsqu'un acheteur ou un ingénieur dédié envisage un produit non traditionnel pour remplacer un produit existant. Rares sont ceux qui sont prêts à risquer d'être découverts.
Dans certains cas, des changements peuvent être non seulement nécessaires, mais indispensables. La pandémie de COVID-19 a entraîné des changements inattendus dans la disponibilité de certains types et dimensions de tuyaux en acier pour le transport de fluides. Les secteurs concernés sont ceux utilisés dans les secteurs de l'automobile, de l'électricité, des équipements lourds et de toute autre fabrication de tuyaux utilisant des conduites haute pression, notamment hydrauliques.
Cette lacune peut être comblée à moindre coût en optant pour un type de tube en acier bien établi, mais spécialisé. Le choix du produit adapté à une application nécessite des recherches approfondies pour déterminer la compatibilité des fluides, la pression de service, la charge mécanique et le type de raccordement.
Un examen plus approfondi des spécifications montre que le J356A peut être équivalent au véritable J525. Malgré la pandémie, il reste disponible à un prix inférieur grâce à une chaîne d'approvisionnement éprouvée. Si la résolution des problèmes de forme finale est moins exigeante en main-d'œuvre que la recherche du J525, cela pourrait aider les équipementiers à relever les défis logistiques pendant la pandémie de COVID-19 et au-delà.
Tube & Pipe Journal de 1990 publié dans un communiqué de presse. Tube & Pipe Journal depuis 1990 Tube & Pipe Journal a été fondé en 1990 par un industriel de l'industrie métallurgique. Tube & Pipe Journal est devenu le premier magazine dédié à l'industrie des tubes métalliques en 1990.Aujourd’hui, il demeure la seule publication de l’industrie en Amérique du Nord et est devenu la source d’information la plus fiable pour les professionnels de l’industrie de la tuyauterie.
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