Les tubes en acier ne servent pas seulement au transport de fluides et de solides pulvérulents, à l'échange thermique et à la fabrication de pièces mécaniques et de conteneurs ; ils constituent également une forme d'acier économique. Leur utilisation pour la réalisation de charpentes métalliques, de piliers et de supports mécaniques permet de réduire le poids des structures, d'économiser 20 à 40 % de métal et de favoriser une construction mécanisée quasi industrielle. Dans le cas des ponts routiers, leur emploi permet non seulement d'économiser de l'acier et de simplifier la construction, mais aussi de réduire considérablement la surface de revêtement protecteur, ce qui engendre des économies sur les coûts d'investissement et de maintenance.Tuyaux en acier de grand diamètreLes tubes en acier sont creux et leur longueur est bien supérieure à leur diamètre ou circonférence. Selon leur section transversale, on distingue les tubes ronds, 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. Selon leur utilisation, on les classe en canalisations de transport, ouvrages d'art, équipements thermiques, industrie pétrochimique, construction mécanique, forage géologique, équipements haute pression, etc. Selon leur procédé de fabrication, on distingue les tubes sans soudure et les tubes soudés. Parmi les tubes sans soudure, on distingue les tubes laminés à chaud et les tubes laminés à froid (étirés). Les tubes soudés se divisent en tubes soudés à joint droit et tubes soudés à joint spiralé.
Tout d'abord, quel est le processus de traitement thermique des tubes en acier de grand diamètre ?
(1) Lors du traitement thermique, la modification de la forme géométrique des tubes en acier de grand diamètre est due aux contraintes thermiques. Ces contraintes constituent un phénomène complexe : elles sont à la fois la cause de défauts tels que déformations et fissures, et un moyen important d’améliorer la résistance à la fatigue et la durée de vie des pièces.
(2) Il est donc important de comprendre le mécanisme et les règles d'évolution des contraintes de traitement thermique et de maîtriser les méthodes de contrôle des contraintes internes. Les contraintes de traitement thermique désignent les contraintes générées à l'intérieur de la pièce sous l'effet des facteurs de traitement thermique (processus thermique et transformation structurale).
(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 se divisent en contraintes de traction et de compression selon la nature de leur action ; elles se divisent en contraintes instantanées et résiduelles selon leur durée d'action ; et elles se divisent en contraintes thermiques et contraintes tissulaires selon la cause de leur formation.
(4) Les contraintes thermiques sont dues aux variations de température synchrones dans différentes parties de la pièce lors du chauffage ou du refroidissement. Par exemple, pour une pièce massive, la surface chauffe toujours plus vite que le cœur lors du chauffage, et le cœur refroidit plus lentement que la surface lors du refroidissement. Ceci s'explique par le fait que l'absorption et la dissipation de la chaleur se font principalement par la surface.
(5) Pour les tubes en acier de grand diamètre dont la composition et l'état structural restent constants, le volume spécifique varie à différentes températures tant que le coefficient de dilatation linéaire est non nul. Par conséquent, lors du chauffage ou du refroidissement, un jeu se crée entre la surface et le cœur de la pièce, engendrant des contraintes internes dues à la tension mutuelle. De toute évidence, plus l'écart de température au sein de la pièce est important, plus les contraintes thermiques sont élevées.
Deuxièmement, comment refroidir les tubes 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 le refroidissement, génère 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 disparaître lorsque le cœur est complètement froid. 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 cœur. Du fait des propriétés physiques de dilatation et de contraction thermiques, le volume de la surface devrait se réduire de manière fiable. Cependant, la température du cœur reste élevée et son volume spécifique important, ce qui empêche la surface de se contracter librement vers l'intérieur. Il en résulte une contrainte thermique où la surface est étirée et le cœur comprimé.
(5) Au fur et à mesure du refroidissement, l'écart de température mentionné précédemment continue d'augmenter, et les contraintes thermiques générées augmentent également en conséquence. Lorsque cet écart de température atteint une valeur importante, les contraintes thermiques sont également élevées. Si, à ce stade, les contraintes thermiques sont inférieures 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 : 5 septembre 2023