Brevet FR2124278A1 — publié le 19720922

la présente invention concerne un procédé de trempe de tubes d'acier, notamment de tubes de grand diamètre et de forte épaisseur de paroi. Dans la plupart des cas, les aciers constitutifs des tubes ne comportent qu'une faible teneur en carbone et des quantités très 5 faibles de constituants d'alliages, de sorte que le durcissement par trempe exige une grande vitesse de refroidissement. Il est déjà connu de refroidir simultanément sur sa face interne et sa face externe un tube qui a été porté à sa température d'austénitisation. le refroidissement s'effectue, soit par immersion 10 du tube dans un bain d'eau, soit en faisant passer le tube sous des jets de fluide de refroidissement, en même temps qu'on le fait tourner autour de son axe longitudinal. Dans le cas de tubes d'une épaisseur de paroi supérieure à environ 10 mm, la trempe par arrosage d'eau,exécutée exclusivement sur la surface externe ne permet 15 d'obtenir qu'une vitesse de refroidissement modérée, et insuffisante pour le durcissement, sur la surface interne du tube, la trempe par arrosage d'eau par jets intérieurs et extérieurs constitue une opération difficile à réaliser dans le cas où l'axe longitudinal du tube est orienté verticalement. 20 C'est pourquoi il a déjà été proposé dans la technique anté rieure de faire passer le tube, précédemment porté à sa température d'austénitisation, en position horizontale, à travers des jets d'eau situés les uns à l'extérieur et les autres à l'intérieur du tube, le fluide de trempe étant utilisé sous haute pression et avec 25 un grand débit, pour éviter la formation d'une couche de vapeur. Pour projeter l'eau avec le débit nécessaire, les têtes de trempe utilisées pour ce procédé à l'intérieur du tube présentent plusieurs rangées de gicleurs. En pratique, ce procédé présente divers inconvénients qui sont 30 dus à la grande quantité de fluide de trempe qui est introduite dans la cavité intérieure du tube. En raison de l'écoulement du fluide de trempe vers la génératrice inférieure du tube et le long de cette génératrice,il se produit un début de refroidissement incontrôlé et une torsion du tube autour de son axe horizontal. 35 le but du procédé suivant l'invention est d'éliminer ces in convénients. l'invention prend pour base un procédé de trempe des tubes dans lequel on chauffe ces tubes à la température d'austénitisation, puis on les refroidit brusquement en faisant agir un fluide de trempe sur les surfaces externe et interne du tube pendant que 40 ce dernier est animé d'un mouvement hélicoïdal autour de son axe 72 02773 2 2124278 longitudinal par rapport à l'installation de trempe, la trempe de la surface interne du tube s'effectuant au moyen d'une quantité par unité de surface de fluide de trempe au maximum égale à la moitié de la quantité utilisée pour la trempe de la surface externe 5 (refroidissement asymétrique). La trempe sur la face externe est calculée en fonction des dimensions du tube et de la nuance du métal. Par exemple, dans le cas d'un acier non allié et d'une teneur en carbone pouvant atteindre environ 0,25 $, on obtient un durcissement considéré comme 10 suffisant lorsque le coefficient de transmission de la chaleur p atteint, par exemple au moins 10 000 kcal/m h°G. Si, suivant l'invention, on cherche à obtenir pour la trempe sur la surface inter- p ne, un coefficient de transmission de chaleur de 2 000 kcal/m h°0 par exemple, ce refroidissement n'exige qu'une quantité de fluide 15 de trempe tellement faible que ce fluide se vaporise aussitôt, en totalité ou en grande partie et qu'il peut donc être évacué du tube sans effet secondaire. Des études ont montré que, comparativement à la trempe qui utilise des quantités identiques sur la surface interne et sur la surface externe (refroidissement symétrique), il 20 se produit, dans ce cas, un décalage du diamètre qui est refroidi le plus lentement dans l'épaisseur de la paroi du tube, en direction de la surface interne de ce tube. Par contre, le temps qui s'écoule avant que l'on n'ait atteint la température critique inférieure à 500°C sur ce diamètre refroidi le plus lentement, n'est 25 que légèrement plus long dans le cas du refroidissement asymétrique, ce dont on peut se convaincre également théoriquement en considérant le petit gradient de température qui se manifeste au milieu de l'épaisseur de paroi. Suivant l'invention,on peut compenser ou accentuer le décalage 30 du diamètre refroidi le plus lentement en faisant débuter l'un après l'autre le refroidissement de la face interne et celui de la face externe. Si la trempe de la surface externe débute avant celle de la surface interne, il se produit dans les couches proches de la surface interne, à une température voisine de 750°0, qui est 35 une température importante, des améliorations de la vitesse de refroidissement et on observe également des contraintes de compression au niveau de la surface interne du tube, ce qui permet en outre de supprimer le risque de défauts internes. Du fait de la petite quantité de fluide de trempe (eau) à 40 projèter sur la surface interne du tube, il est possible d'adopter, 72 02773 3 2124278 en dehors de la simple pulvérisation du fluide de trempe par gicleurs, un procédé de pulvérisation en petites gouttelettes utilisant un fluide porteur (air) et des gicleurs à deux fluides à grande vitesse, éventuellement avec des débits différents, sur les divers secteurs 5 de la circonférence du tube. Dans ce cas, la quantité de fluide de trempe projetée dans la région inférieure de la section du tube doit être plus faible que celle projetée dans la région de la génératrice supérieure. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le tube tourne 10 au moins d'un tour autour de son axe longitudinal pendant le temps qu'il avance en translation axiale d'une longueur égale à un diamètre et on engendre à l'intérieur du tube, dans la région de la tête de trempe, un flux d'air sensiblement axial dirigé vers l'extrémité refroidie du tube. Cette caractéristique a pour effet de 15 régulariser les influences du reste de fluide de trempe qui s'accumule sur le fond de la section du tube, en même temps qu'elle empêche ce fluide de s'écouler vers l'avant et favorise son évacuation . L'invention a encore pour objet une installation de trempe 20 d'un tube porté à la température d'austénitisation, en particulier d'un tube de grand diamètre, par refroidissement de la surface interne, au moyen d'un fluide de trempe, installation qui comprend une tête de trempe introduite à l'intérieur du tube, guidée dans la partie déjà trempée de ce tube et qui occupe une grande partie 25 de la section de ce tube, et des moyens d'entraînement du tube en translation et en rotation. La tête de trempe porte des gicleurs répartis en couronne et dont les directions de projection sont inclinées par rapport à la direction radiale, dans le sens du mouvement du tube. 30 L'installation est caractérisée en ce qu'elle comprend,pour supporter la tête de trempe, des supports flexibles ou escamotables et qui s'effacent par exemple sous la poussée du tube. Par ailleurs, la tête de trempe porte, sur le côté d'arrivée du tube, des moyens qui délimitent, avec le tube, un passage annulaire étroit dans 35 lequel se produit une circulation d'air sensiblement axiale, engendrée spontanément ou artificiellement. Ces caractéristiques permettent dès le départ, c'est-à-dire avant même que le guidage de la tête de trempe dans le tube trempé n'entre en jeu, d'obtenir un écartement uniforme entre les gicleurs 40 et le tube, et un passage circulaire de même largeur sur toute la 72 02773 2124278 circonférence à l'intérieur du tube et, par conséquent, une trempe uniforme. Ceci est notamment d'une grande importance lorsque le dispositif est utilisé avec des débits de fluide de refroidissement relativement petits. En outre, ces caractéristiques permettent 5 d'éliminer dans leur ensemble les inconvénients des dispositifs déjà connus, qui ont été cités plus haut, et elles rendent techniquement possible la trempe du tube sur la face interne et sur la face externe, en position horizontale. Les moyens qui établissent le passage annulaire sur la circon-10 férence de la tête de trempe peuvent présenter une construction différente, les formes de réalisation particulières qui seront décrites ci-après ne constituant que des exemples. Le principe essentiel à respecter consiste à donner naissance à un passage annulaire régulier et étroit, dans lequel on obtient, moyennant une faible dépense de 15 moyens techniques, une circulation axiale d'air, dirigée vers la partie déjà trempée du tube, soit par la disposition propre des gicleurs, soit par l'introduction d'air comprimé. Pour le cas de l'utilisation d'air comprimé, les moyens qui établissent le passage annulaire sont avantageusement, non pas de 20 forme cylindrique, mais d'une forme propre à procurer un meilleur effet de turbulence en direction de la partie chaude du tube. Dans les formes de réalisation de la tête intérieure qui sont proposées suivant l'invention, il suffit en général d'agencer, dans les moyens qui délimitent le passage annulaire, un ou plusieurs orifices 25 de sortie d'air comprimé, dans la région de la génératrice inférieure de la section du tube, et d'alimenter ces orifices par de très petits débits d'air. Ce mode de réalisation du dispositif évite également que le fluide de trempe ne s'écoule en avant de la tête de trempe lorsqu'on utilise de grands débits de fluide de trempe, 30 qui ne sont pas coordonnés avec les débits utilisés pour la trempe de la face externe. Ce dispositif fait l'objet d'une demande de brevet particulière. L'installation peut comporter un bras d'appui, fixé sur la tête de trempe, sur le côté d'arrivée du tube, éventuellement com-35 biné aux moyens délimitant le passage annulaire et qui supporte le tube à tremper, dans la région de sa génératrice supérieure. En position de travail, le bras d'appui peut se prolonger jusqu'au bord de la zone de chauffe, ou à l'intérieur même de cette zone, et il peut être garni d'un ou de plusieurs galets. Cette forme de réali-40 sation peut être nécessaire dans le cas de tubes à paroi mince, incapables de conserver leur forme, car, dans ces cas, il pourrait 72 02773 5 2124278 se former des irrégularités de la distance séparant les gicleurs de la surface interne du tube, ainsi que des irrégularités de la forme du passage annulaire, qui exerceraient un effet particulièrement préjudiciable. 5 L'invention sera décrite en regard des dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels : La figure 1 est une courbe qui représente la variation de la température sur l'épaisseur de la paroi dans le cas du refroidissement asymétrique commençant au même moment sur la face interne et 10 sur la face externe ; La figure 2 est une courbe représentant la répartition de la température sur l'épaisseur de la paroi dans le cas où. le refroidissement de la face interne commence 5 secondes en retard par rapport au refroidissement de la face externe, et 15 La figure 3 représente une forme préférée de réalisation de la tête de trempe, en coupe longitudinale. Le diagramme de la figure 1 illustre la répartition des températures t dans l'épaisseur e de la paroi en fonction du temps, l'origine des temps étant choisie à l'instant du début du refroi-20 dissement qui commence simultanément sur la face interne et sur la face externe. On prend pour base un coefficient de transmission de la chaleur dix fois plus grand pour le refroidissement externe que pour le refroidissement interne. Ce diagramme montre nettement le décalage du diamètre refroidi le plus lentement par rapport au 25 milieu de 1'épaisseur de la paroi, en direction de la surface interne. Sur le diagramme de la figure 2, on a également porté, dans les mêmes conditions, la répartition de la température dans l'épaisseur de la paroi dans le cas où le refroidissement de la sur-30 face interne du tube débute avec un retard de cinq secondes par rapport au refroidissement de la surface externe. Sur ce diagramme, l'origine des temps est placée au début de la trempe de la surface externe. La répartition de la température dans la moitié intérieure de l'épaisseur de la paroi est très régulière, sans que le re-35 froidissement ne soit ralenti notablement en aucun point, comparativement au cas où le refroidissement commence simultanément sur les deux faces. La figure 3 représente l'installation de trempe des tubes, en position de travail. Cette installation comprend un four 1 servant 40 à porter le tube 2 à la température d'austénitisation. Ce tube se 72 02773 6 2124278 déplace en translation dans le sens de la flèche 3, à travers le dispositif de trempe et émerge de ce dispositif, la trempe de la face interne est assurée par une couronne de gicleurs 4 qui entoure le tube 2. A l'intérieur de ce tube, est disposée une tête de trempe 5 5 qui est fixée à un tube porteur 6. Ce tube porteur est de son côté maintenu dans une portée 7, éventuellement mobile et, par ailleurs, il peut être porté par des galets porteurs 8 répartis sur sa circonférence (par exemple au nombre de trois). Les galets porteurs 8 sont escamotables et s'effacent dès que le tube 2 les at-10 teint, le tube porteur 6 porte en outre des moyens de guidage 9 munis de galets qui centrent le tube par rapport à la tête de trempe. Les moyens de guidage 9 peuvent être montés en position fixe en divers points de la longueur du tube porteur et ils s'appuient également sur des supports escamotables 10. 15 A son extrémité avant ou extrémité libre, le tube porteur 6 porte la tête de trempe 5, qui est composée d'une couronne de gicleurs 11 alimentés en fluide de trempe par line conduite 19 qui passe dans le tube porteur 10,d'un organe 12 qui forme tin passage annulaire 16 dans la région des gicleurs et d'un bras d'appui 13 20 muni de galets 14, 15, qui est placé dans la région de la génératrice supérieure du tube 2. Le diamètre de la couronne de gicleurs 11 et son contour extérieur sont calculés en fonction du passage annulaire laissé libre par l'organe 12, de manière qu'il s'établisse une circulation d'air dans le passage annulaire 16 dans le sens 25 de la flèche 3. Dans les formes de réalisation pratiques, on parvient sans autres moyens auxiliaires à produire dans le passage annulaire 16, en avant des gicleurs, une dépression suffisante, d'environ quelques millimètres de hauteur d'eau. La circulation d'air dans le passage annulaire 16 peut égale-30 ment être renforcée ou engendrée par utilisation d'un ou plusieurs orifices 17 qui débouchent dans le passage , dans la région de la génératrice inférieure du tube, et par lesquels on souffle de l'air comprimé amené par la conduite 18. La figure 3 représente l'installation en position de travail, 35 dans le cas où l'on travaille avec une intensité de refroidissement plus faible sur la face interne que sur la face externe, et où la trempe sur la face interne ne commence qu'après le début de la trempe sur la face externe. Cette figure montre le galet d'appui 9 qui repose sur la surface d'appui 10 immédiatement avant que la 40 surface 10 ne s'efface par pivotement sous la poussée du tube 72 02773 7 2124278 trempé. Les moyens utilisés pour entraîner le tube en translation axiale et en rotation autour de son axe longitudinal ne sont pas représentés sur le dessin. Il va de soi que de nombreuses modifications de détail peu-5 vent être apportées au mode de réalisation décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 72 02773 2124278 REVENDICATIONS 1.- Procédé de trempe d'un tube, dans lequel le tube est chauffé à la température d'austénitisation, puis refroidi en faisant agir un fluide de trempe sur sa surface externe et sur sa surface 5 interne, pendant qu'il est animé d'un mouvement hélicoïdal par rotation autour de son axe longitudinal, par rapport à l'installation de trempe, ledit procédé étant caractérisé en ce que le refroidissement de la surface interne du tube s'effectue au moyen d'une quantité de fluide de trempe par unité de surface au maximum égale à la 10 moitié de la quantité de fluide de trempe utilisée pour le refroidissement de la surface externe. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement de la surface interne du tube et celui de la surface externe commencent l'un après l'autre. 15 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement de la surface externe commence le premier. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est déposé en gouttes sur la surface interne. 20 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé une installation de trempe fixe et en ce que la quantité de fluide de nefroidissement déposée sur la surface interne du tube n'est pas répartie régulièrement sur toute la surface du tube, ladite quantité étant,plus précisément, plus 2 5 faible dans la région de la génératrice inférieure du tube. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube tourne d'au moins un tour autour de son axe longitudinal pendant le temps où il avance en translation axiale d'une longueur égale à un diamètre, et en ce que l'on engendre à 30 l'intérieur du tube, dans la zone de la tête de trempe, un flux d'air sensiblement axial dirigé vers l'extrémité déjà trempée du tube. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le flux d'air axial est engendré par l'écoulement du fluide de trempe. 3 5 8.- Installation pour la trempe d'un tube chauffé à la tempéra ture d'austénitisation, notamment d'un tube de grand diamètre, par refroidissement de la surface interne au moyen d'un fluide de trempe liquide, cette installation comprenant une tête de trempe introduite dans le tube et guidée dans la partie déjà trempée de ce dernier, 40 sur laquelle sont agencés en couronne des gicleurs dont les jets sont inclinés sur la direction radiale, dans le sens du mouvement 72 02773 9 2124278 du tube, et des moyens d'entraînement du tube en translation et en rotation, cette installation étant notamment destinée à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 et étant caractérisée en ce quf elle comprend des supports 5 flexibles ou escamotables qui entrent en jeu pendant la période initiale pour le guidage de la tête de trempe, et des moyens, portés par la tête de trempe, dans la région des gicleurs et qui limitent la section libre du tube à un étroit passage annulaire. 9.- Installation suivant la revendication 8, caractérisée en 10 ce que les moyens délimitant le passage annulaire prévus sur la tête de trempe, sur le côté d'arrivée du tube, sont constitués par une pièce cylindrique rigide, de diamètre adapté à celui du tube à tremper. 10.- Installation suivant la revendication 8, caractérisée en 1 5 ce que les moyens délimitant le passage annulaire, prévus sur la tête de trempe, sur le côté d'arrivée du tube, sont constitués par des bandes de tôle disposées en couronne et montées mobiles sur la tête de trempe pour pouvoir s'écarter. 11.- Installation suivant la revendication 8, caractérisée en 20 ce que les moyens délimitant le passage annulaire sont constitués par plusieurs bandes de tôle disposées à un certain écartement mutuel et perpendiculairement à l'axe du tube. 12.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée par des orifices prévus pour l'introduction 25 d'air, de préférence dans la région de la génératrice inférieure de la fente annulaire. 13.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée par un bras d'appui fixé à la tête de trempe, sur le côté d'arrivée du tube et qui supporte le tube à tremper dans 30 la région de sa génératrice supérieure. 14.- Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que le bras d'appui forme une partie des moyens qui délimitent le passage annulaire. 15.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 3 5 13 et 14, caractérisée en ce que le bras d'appui est garni d'un ou de plusieurs galets.