Brevet FR2461183A1 — publié le 19810130

La présente invention est relative aux tubes d'acier destinés au transport de matériaux abrasifs en milieu humide, notamment pour le remblayage hydraulique dans les mines. Les tubes connus destinés à un tel usage sont réalisés en aciers durs. Ces aciers sont par exemple obtenus par trempe ou cémentation ou par alliage avec du chrome, éventuellement avec addition de molybdène et de nickel. Dans certaines applications, les tubes doivent comporter des parties usinées, et l'invention a pour but de fournir un tube convenant mieux à ces applications que les tubes connus. A cet effet, l'invention a pour objet un tube d'acier ayant la destination indiquée plus haut, caractérisé en ce qu'il possède simultanément une résistance à l'abrasion suffisante pour cette utilisation et une dureté Vickers comprise entre 215 et 315. Dans un mode de réalisation, l'acier présente les pourcentages suivants d'éléments non ferreux C : 0,06 à 0,15 Si : 0,5 à 1,0 Cr : 4,4 à 6 Al : 0,2 à 0,5 Ni : fO 0,5 Mn : 0,3 à 1 Mo : ç 0,2 L'invention a également pour objet un procédé-de fabrication d'un tel tube d'acier. Ce procédé consiste en un moulage par centrifugation suivi d'un maintien à 9800C pendant une heure puis d'un refroidissement à l'air calme. L'invention a encore pour objet un appareil d'essai d'abrasion permettant de déterminer la résistance à l'abrasion des tubes tels que définis ci-dessus. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte munie d'une ouverture de remplissage et d'une ouverture d'évacuation et dans laquelle est monté rotatif un arbre portant une série de bras radiaux sur la face avant desquels peuvent être fixées des éprouvettes prismatiques, et un dispositif d'entraînement de cet arbre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 montre en coupe méridienne un tube de remblayage sivant l'invention; les Fig. 2 et 3 sont des vues, respectivement en élévation avec coupe partielle et en coupe transversale, d'éprouvettes utilisées pour un essai d'abrasion; la Fig. 4 est une vue schématique en éléva- tion d'un appareil d'essai d'abrasion conforme à l'invention; la Fig.5 est une vue schématique de cet appareil prise en coupe suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4;; la Fig. 6 est une micrographie au grossissement 4,5 situant, sur une zone de transition entre le métal de base du tube de la Fig. 1 et un élément métallique rapporté par soudure sur celui-ci, une ligne de mesures rapprochées de dureté destinées à établir une "filiation de dureté"; la Fig. 7 est un graphique de cette filiation de dureté. Le tube représenté à la Fig. l est constitué d'un fût 1 d'axe X-X, d'un collet 2, de deux brides flottantes 3,4 et de quatre tétons cylindriques 5. Le fût 1 est cylindrique. Il présente à une extrémité un bourrelet radial extérieur 6 délimité par une face arrière tronconique 7, une surface extérieure cylindrique 8 et une face d'extrémité 9 perpendiculaire à l'axe X-X et constituant la face d'extrémité du fût. L'autre extrémité de ce fût 1 présente dans sa surface extérieure un epaulement 10 de faible profondeur radiale muni d'un filetage 11 sur l'essentiel de sa longueur. Le collet 2 a sensiblement la même section que le bourrelet 6 mais est tronqué à l'arrière de façon à avoir la même longueur que le filetage 11. Il est intérieurement taraudé et est vissé sur ce filetage -11. Ce collet présente ainsi une face arrière tronconique 12, une surface extérieure 13 de mêmes diamètre et longueur que la surface 8 du bourrelet 6, et une surface d'extré mité plane 14 coplanaire à la tranche d'extrémité correspondante 15 du fût 1. La fixation du collet 2 sur le fût est complétée par un cordon de soudure 16 disposé entre le fond du lamage 10 et la face arrièreplanedu collet. Les tranches d'extrémité 9 et 14-15 sont munies d'une série de rainures circulaires concentriques 17. La bride 3 est annulaire et percée de trous de boulons 18. Son ouverture centrale comporte une surface tronconique l9 de même angle que la surface 7 du bourrelet 6 et se prolongemnt de chaque côté par une surface cylindrique 20, 21 dont le diamètre est légèrement supérieur, respectivement, à la partie courante du fût 1 et à la surface 8 du bourrelet 6. La longueur de la surface 21 est suffisante pour dépasser axialement de la face d'extrémité 9 lorsque la surface 19 est appliquée contre la surface 7, de façon à définir un logement cylindrique 22 de réception du collet 2 d'un autre tube identique. La bride 4, également annulaire et munie de trous de boulons 18, a une ouverture centrale en deux parties: une partie arrière cylindrique 23 de même diamètre que la surface 20 de la bride 3, et une partie extérieure tronconique 24 de même angle que la surface 12 du collet 2. Lorsque les surfaces 24 et 12 sont appliquées l'une contre l'autre, la face extérieure de la bride 4 est en retrait par rapport à la face 14-15 pour permettre l'introduction partielle du collet 2 dans le logement 22 d'un tube identique adjacent. Les tétons 5, diamétralement opposés deux à deux, sont soudés radialement en quatre points du tube, sur deux génératrices du fût 1. Ils servent de butées limitant le mouvement des brides sur le fût. Lors de l'assemblage de deux tels tubes, on interpose une garniture d'étanchéité annulaire appropriée entre les faces associées 9 et 14-15 des deux tubes, et l'on rapproche les deux brides au moyen de boulons traversant les trous 18 de celles-ci. L'acier utilisé pour la fabrication du fût 1 de ces tubes comporte notamment les pourcentages non ferreux suivants C : 0,06 à 0,15 Si : 0,5 à 1,0 Cr : 4,4 à 6 Al : 0,2 à 0,5 Mn : 0,3 à 1 Le molybdène et le nickel, pour leur part, sont facultatifs. Ces éléments étant présents dans les ferrailles utilisées pour produire l'acier, on en tolère seulement des taux de 0,1 à 0,2% pour le molybdène et de 0,5% pour le nickel. Dans la réalisation décrite, les tubes ont cinq mètres de longueur et 10 à 30 mm d'épaisseur. Ils sont obtenus par un procédé de centrifugation, complété par un traitement dit de "normalisation" qui confère au métal une structure bainitique. Ce traitement consiste en un maintien à 9800C pendant une heure, suivi d'un refroidissement à l'air calme. La coquille de centrifugation utilisée permet l'obtention de matière du bourrelet 6. On réalise par ailleurs le collet 2 et les tétons 5 en acier demi-dur soudable. Par la suite, on ménage le filetage 11 à l'extrémité du tube opposée au bourrèlet6,puis on enfile les deux brides flottantes 5 et 6, dans le sens convenable, c'est-à-dire avec leurs surfaces tronconiques 19 et 24 tournées toutes deux vers l'extrémité respective du fût 1. On visse alors à chaud le collet taraudé 2, puis on le soude en 16, en deux passes. Cette soudure est pratiquée avec le fil L 60,de diamètre 3,2 mm, et le flux 860 de Lincoln, sans préchauffage, dans les conditions suivantes Intensité : I = 350 à 400 A Voltage : V = 28 V Vitesse = 26 cm/mn pour la première Vitesse 2 soudure v = 40 cm/mn pour la seconde soudure. On surface alors en un unique plan transversal les tranches d'extrémité 14 et 15 du collet 2 et du fût 1, pour obtenir un nez d'assemblage parfaitement dressé. On parachève cette extrémité par le creusement des rainures 17; dans cet exemple, il est prévu une rainure 17 dans le fût 1 et deux dans le collet 2. De même, on creuse trois rainures 17 correspondantes dans l'autre extrémité du fût 1, à savoir dans la face 9. Il ne reste plus, pour terminer le tube, qu'à fixer les butées 5 par soudure; celle-ci est réalisée dans les mêmes conditions que celle effectuée pour fixer le collet 2 sur le fût 1 après son vissage. La résistance à l'abrasion des tubes obtenus a été testée au moyen de l'appareil des Fig. 4 et 5 sur des éprouvettes 25 prélevées dans le fût 1 et usinées conformément aux Fig. 2 et 3. Chaque éprouvette a la forme d'un prisme à base triangulaire. Le triangle isocèle directeur du prisme, visible à la Fig. 3, a une hauteur de 30 mm et une base de 20 mm. La longueur du prisme est de 50 mm. L'appareil des Fig. 4 et 5 comporte un récipient ou tonneau cylindrique 26 à axe horizontal Y-Y ayant un seul fond 27 et ouvert à l'autre extrémité. Cette dernière est appliquée sur un plateau fixe 28, une fixation étanche étant réalisée au moyen d'une bride 29 du tonneau 26 et de vis a Un arbre rotatif 3Q d'axe Y-Y traverse un orifice du plateau 28 et un dispositif d'étanchéité 31 et s'étend jusqu'à une faible distance du fond 27. Le tonneau 26 comporte une ouverture supérieure 32 de remplissage, une ouverture inférieure 33 de vidange et un trop-plein tubulaire de sécurité 34. Les ouvertures 32 et 33 sont pourvues de bouchons à bride. Un bac de récupération 35 peut être disposé sous l'ouverture 33. L'arbre 3O est entraîné en rotation, à l'exté- rieur du tonneau 26, par un dispositif moteur 36 à vitesse réglable. Dans le tonneau 26, -sept paires de bras diametdement opposés 37 font saillie radialement sur l'arbre 3O, chaque paire étant décalée angulairement de 900par rapport à la ou à chaque paire voisine. Chaque bras 37 possède une section rectangulaire dont le petit côté, horizontal, a la même longueur que la base du triangle isocèle définissant les éprouvettes 25. La longueur du bras permet d'y fixer quatre éprouvettes acco idées par leurs bases. A cet effet, le bras 37 comporte quatre alésages 38 élargis à leur extrémité arrière (en considérant le sens f de rotation de l'arbre no), et la fixation de chaque éprouvette s'effectue au moyen d'une vis 39 à tête noyée vissée dans un trou central 40 de la face 41 de l'éprouvette accolée au bras.Ainsi, toutes les éprouvettes 25 dirigent leur arête libre 42 vers l'avant. Cet appareil est destiné à faire tourner les quatorze bras 37 dans une "lavée" de sable et d'eau dans laquelle les cinquante-six éprouvettes 25 pénètrent à la manière d'un coin pour subir une usure sur leurs deux grandes faces obliques 43. Cette usure est évaluée par perte de poids. Le positionnement des éprouvettes sur leurs bras-supports et le choix de la vitesse de rotation de l'arbre 30 permettent d'obtenir une vitesse linéaire de frottement de l'éprouvette dans la lavée qui correspond à la vitesse d'écoulement du remblai dans les conduites de remblayage hydraulique auxquels sont destinés les tubes testés. La lavée utilisée pour ces essais d'abrasion est représentative de celle utilisée dans le remblayage hydraulique auquel sont destinés les tubes. Elle est faite, dans cet exemple, de sable à base de grès vosgien, dont la densité apparente est d'environ 2,2 , mélangé à de l'eau, dans un rapport volumétrique de un tiers d'eau pour deux tiers de sable. Les éprouvettes sont soumises à trois périodes d'essai de 166 heures, soit 500 heures au total, entre lesquelles elles sont démontées, nettoyées et pesées. Le mélange abrasif est changé à chaque fois, pour lui conserver les angles vifs qu'il conserve évidemment en permanence dans le cas d'un remblayage hydraulique normal, mais qu'il perd inévitablement lors de ces essais d'abrasion, comme l'ont montre des tests d'orientation effectués par la Demanderesse. La perte de poids est comparée à celle d'éprouvettes de même position faites d'un åcierde reference. Le tableau ci-après est un condensé des résultats- de ces essais d'abrasion. Composition Traîte- de l'acier C, Si Cr% Autres ment Usure du tube testé Tube de Normali référence 0,36 1,4 0,5 ~ sation 100 Tube selon I'invention 0,33A1 Nolmali- (ler essai) 0,13 0,8 4,5 w sation 36 Tube selon l'invention 0,10 O,77 4,4 0,35Al invention sation Ce tableau montre l'excellente résistance à l'usure des tubes de l'invention. L'usure de référence 100 est obtenue avec les aciers au carbone jusqu'à 0,8% de C. A titre de-comparaison, si on enrichit en nickel et-en molybdène de tels aciers, le taux d'usure reste compris entre 40 et 50%. De façon surprenante étant donné la teneur en chrome, cette haute résistance à l'abrasion coexiste avec une faible dureté. Celle-ci, mesurée par la méthode Vickers, avec une charge de 5 kg, est HV5=280 environ pour le tube du premier essai, ce qui correspond à une très bonne usinabilité. Ceci permet de réaliser de façon économique le filetage il du tube et le rainurage 17 de ses extrémités. Les tubes suivant l'invention possèdent également une bonne soudabilité, c'est-à-dire que la région soudée possède de bonnes caractéristiques mécaniques et est exempte de défauts.Ainsi, on a réalisé une passe de soudure sur le tube du premier essai ci-dessus, et la micrographie de la Fig. 6 correspond à une coupe effectuée à travers le cordon de soudure et la zone adjacente du tube. Le cordon 44 se détache assez mal,en presque noir sur fond noir. La zone 46 non affectée du tube ppa- rait en gris. La zone 47 affectée thermiquement est le croissant blanc intermédiaire. Sur cette Fig. 6, une ligne de points 48 montre les endroits où ont été faites, sur cette coupe, les mesures de dureté Vickers HV5. La série de mesures constitue une "filiation de dureté" représentée sur la Fig. 7. Elle montre que la zone 47 affectée thermiquement reste plafonnée en dureté aux environs de 410 Vickers. Ceci confirme l'absence de zones trop dur-s qui pourraient être fragiles, avec des risques de fissuration. Le métal déposé, pour sa part, a une dureté basse correspondant à sa composition. La bonne soudabilité des tubes de l'invention est confirmée par des essais de traction ainsi que par le fait que les aciers considérés ont un "carbone équivalent" CE qui est bas.Si on désigne par Tx la teneur en élément x, on a L'invention fournit ainsi des tubes de remblayage ayant une durée de vie élevée tout en restant économiques grâce aux facilités d'usinage offertes par leur faible dureté. En d'autres termes, les tubes de l'invention ont une résistance à l'abrasion notablement meilleure que les tubes connus de même dureté. Naturellement, l'invention n'est nullement limitée à la configuration du tube décrit précédemment et représenté à la Fig. 1; elle peut au contraire s'appliquer à toute forme de tube d'acier destiné à un usage analogue. - REVENDICATIONS 1.- Tube d'acier destiné au transport de matériaux abrasifs en milieu humide, notamment pour le remblayage hydraulique dans les mines, caractérisé en ce qu'il possède simultanément une résistance à l'abrasion suffisante pour cette utilisation et une dureté Vickers comprise entre 215 et 315. 2.- Tube d'acier suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier présente les pourcentages suivants d'éléments non ferreux C : 0,06 à 0,15 Si : 0,5 à 1,0 Cr : 4,4 à 6 Al : 0,2 à 0,5 Ni : 0,5 Mn : 0,3 à 1 Mo : 3.- Tube d'acier suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'acier a une structure bainitique. 4.- Tube d'acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une extrémité filetée (12). 5.- Tube d'acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des tranches d'extrémité rainurées (9, 14-15). 6.- Tube d'acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce qu'il comporte des éléments (2, 5) rapportés par soudure. 7.- Procédé de fabrication d'un tube d'acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, carac térisé en ce qu'il consiste en un moulage par centrifuga- tion suivi d'un maintien à 980 C pendant une heure puis d'un refroidissement à l'air calme.