Brevet FR2492713A1 — publié le 19820430

La présente invention se rapporte à un procédé pour accroître la résistance à la fatigue d'éléments métalliques et pour éviter leur corrosion par contrainte, elle se rapporte plus particulièrement à un procédé pour accroître la résistance à la fatigue des surfaces de travail internes des chambres ou des cylindres sous pression à la corrosion par contrainte. De façon plus précise, la présente invention s'applique tout particulièrement aux parties d'extré- mité pour fluides ou aux chambres pour fluides des pompes à déplacement positif telles que les pompes servant dans les puits ou 'pour extraire la boue, du genre utilisé à grande échelle dans l'industrie pétro- lière en matière d'exploration et de forage des puits de pétrole. Dans de telles applications, toutes les causes de fatigue et de corrosion agissant sur les chambres à fluide des pompes à déplacement positif ont une grande importance, surtout si les pressions de fonctionnement de la pompe sont la cause de con- traintes internes qui sont voisines, et peuvent même excéder la limite d'élasticité des matériaux entrant dans leur fabrication. Le martelage à la grenaille et l'autofret- tage sont deux procédés reconnus pour provoquer des contraintes de compression résiduelle intéressantes sur la surface des composés métalliques. Ces procédés diffèrent par leur mode d'application et par la profon- deur de contraintes de compression résiduelle. En ce qui concerne la profondeur des contraintes de compres- sion résiduelle obtenue, le martelage à la grenaille produit une contrainte de compression résiduelle rela- tivement superficielle sur la surface supérieure de profondeur déterminée au préalable, alors que l'auto- frettage produit une contrainte de compression rési- duelle de profondeur notable, qui s'étend dans le substrat dans un ordre de grandeur approximativement supérieur à la profondeur obtenue par le martelage à la grenaille. En outre, dans le cas de l'autofrettage, un tel procédé est limité à la configuration d'un com- posé spécifique,et seulement aux surfaces de travail internes des chambres ou des cylindres sous pression à parois épaisses. Cette restriction est due à la nature de l'autofrettage qui exige que les zones de concentration de contraintes' élevées sur les surfaces de travail internes soient soumises au départ à une pression interne suffisamment grande, de telle sorte qu'elles sont contraintes par dilatation au-delà de leur seuil d'élasticité, mais en-dessous de celui nécessaire à la rupture. Les autres surfaces de tra- vail, celles qui constituaient des zones de contraintes à hautes concentrations, sont également contraintes et déformées, mais non de façon permanente puisque la charge due à une telle pression d'autofrettage est inférieure au niveau de charge auquel le métal cesse de se déformer en proportion directe de la contrainte. La pression appliquée est alors relachée, ce qui se traduit par la formation, d'une contrainte de compression résiduelle sur les zones de contrainte à hautes concen- trations sur les surfaces de travail internes. Alors qu'une telle partie de composant est soumise à une telle pression interne élevée, il existe au moins un composant de tension circonférentielle et un composant de compression radiale sur n'importe quel rayon, la tension circonférentielle diminuant généralement dans le corps de la matière du substrat de la paroi interne de la chambre vers l'extérieur de la partie, et elle est à son maximum sur le rayon séparant la zone défor- mable et la zone élastique dans ledit substrat. Ce composant de tension, s'il n'est pas neutralisé, peut produire des ruptures microscopiques dans la surface interne de la chambre partout o existent des défauts. Ces défauts constituent des sites d'amorçage de rup- ture dans des conditions de fatigue et de corrosion telles que celles qui peuvent exister dans les chambres à fluide des pompes à déplacement positif. Le martelage à la grenaille est un procédé dans lequel des contraintes de compression sont pro- duites sur la couche supérieure ou les couches de sur- faces exposées des éléments métalliques par l'impact d'un courant de métaux ou de verre projeté, dirigé sur la surface du métal à grande vitesse et dans des con- ditions surveillées, ce qui a pour effet d'accroître la résistance à la fatigue et à la corrosion de la pièce considérée. Si le martelage à la grenaille est effectué de façon correcte, il se produit une quantité prévisible de contraintes de compression résiduelle sur la couche supérieure martelée ou sur les couches - de surfaces exposées de la pièce métallique, ces con- traintes s'étendant sur une profondeur relativement faible; les forces de tension résiduelle sont pro- duites dans la région située sous la couche supérieure du corps du substrat et cette couche supérieure est l'objet d'une contrainte de compression. La présente invention a donc pour buts de fournir: - un procédé pour accroître la résistance à la fatigue et éviter la corrosion par contrainte des surfaces de travail internes des chambres ou des cylindres sous pression; - un procédé amélioré qui utilise l'auto- frettage, mais qui s'oppose pratiquement à la forma- tion de craquelures pendant l'étape d'autofrettage du procédé; - un procédé qui utilise l'autofrettage, mais qui neutralise pratiquement l'effet nocif du composant de tension appliqué sur la couche supérieure de la pièce métallique pendant la phase de compression du procédé d'autofrettage; - un procédé amélioré qui comprend le pro- cédé d'autofrettage, mais qui diminue, s'il ne l'éli- mine pas, la propension du matériau auquel est appli- qué le procédé à se fendre à cause des pressions nécessaire à l'application du procédé d'autofrettage. En conséquence, la présente invention vise un procédé de précontrainte des surfaces de travail des chambres ou cylindres sous pression consistant à marteler à la grenaille les surfaces de travail et à les soumettre à un autofrettage. Suivant un aspect plus restreint de l'invention, ces surfaces de travail sont d'abord martelées à la grenaille pour obtenir une grandeur choisie au préalable de contrainte résiduelle de compression sur leur surfaces externes, et pendant l'étape suivante d'autofrettage, ces surfaces de tra- vail sont soumises à une contrainte de tension de grandeur déterminée au préalable sur leurs surfaces externes, la grandeur de la contrainte résiduelle de compression étant pratiquement égale à la grandeur -de la contrainte de tension. Suivant un champ d'application encore plus étroit de l'invention, ces surfaces de travail sont d'abord martelées à la grenaille pour obtenir une grandeur déterminée au préalable d'une contrainte résiduelle de compression sur la couche supérieure de leurs surfaces externes et pendant l'étape suivante d'autofrettage, et pendant sa phase de pressurisation, ces surfaces de travail sont soumises à une contrainte de tension de grandeur déterminée au préalable, la contrainte résiduelle de compression sur les couches supérieures neutralisant pratiquement cette contrainte de tension. Le procédé conforme à l'invention de pré- contrainte des surfaces de travail internes des chambres ou des cylindres sous pression et en particulier, les parties d'extrémité de fluide des pompes en service dans les puits ou pour l'évacuation des boues qui sont utilisées à grande échelle dans l'in- dustrie du pétrole pour accroître de façon notable leur résistance à la fatigue et à la corrosion, comme indiqué ici. Au départ, les surfaces de travail internes des parties d'extrémité de fluide de telles pompes sont martelées à la grenaille de façon courante pour obtenir une contrainte résiduelle de compression de grandeur choisie au préalable, et la profondeur choisie au préa- lable de la contrainte résiduelle de compression. Le martelage à la grenaille est bien connu dans la tech- nique et à ce sujet, on peut se reporter par exemple à la sixième édition de "Shot Peening Applications" publiée par Metal Improvement Company, la cessionnaire, en 1980, et le procédé décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique 3 485 073 du 23 décembre 1969 déposé au nom de Burney, dont les parties pertinentes sont indiquées ici à simple titre de références. A la figure 6 de la publication indiquée ci-dessus, on indique qualitativement la répartition de la contrainte sur un élément qui a été martelé à la grenaille sur sa surface supérieure, cet élément n'étant soumis à aucune charge externe. Comme l'élément n'est en équilibre avec aucunes forces externes, la zone située sous la courbe de répartition des contraintes dans les régions de contraintes de compression doit être égale à la zone correspondante située sous la courbe dans la région de contraintes de tension. En outre, la surface de marte- lage ou la surface de travail de l'élément a sa con- trainte de compression maximale déterminée au préalable située sur sa surface ou au voisinage de sa surface, et cette grandeur de contrainte et les contraintes d'intensité comparable s'étendent sur une profondeur déterminée au préalable dans le corps de la matière du substrat avant la diminution notable de la grandeur de la contrainte. Cette profondeur déterminée au préa- lable dans laquelle un tel gradient de contraintes de compression résiduelle est obtenu s'étend à l'intérieur de ce qu'il est convenu d'appeler la "couche supérieure" de la surface de travail, et il s'ensuit que l'épaisseur de la couche supérieure et l'épaisseur déterminée au préalable sont égales. Après l'application de ce procédé de marte- lage à la grenaille sur les surfaces de travail internes des extrémités de chambres à fluide, celles-ci sont soumises à un procédé courant d'autofrettage. Ce procédé nécessite au départ la pressurisation des surfaces de travail internes des extrémités de chambres à fluide à une pression interne suffisamment grande pour que seules les zones à concentration de contraintes élevée sur les surfaces de travail soient contraintes par dilatation au-delà de la limite élastique de leur substance, mais à une pression interne qui est insuffisante pour rompre les zones très contraintes quelles qu'elles soient, et particulièrement celles qui se trouvent aux intersections des alésages des extrémités de chambres à fluide. Les autres surfaces de travail, celles qui étaient exemptes de zones à fortes concentrations de contraintes, sont également contraintes et déformées mais de façon non permanente, puisque la charge due à une telle pression d'autofrettage est inférieure au point de charge auquel le métal cesse de se déformer proportionnellement à la contrainte. Après la déformation due à la tension pro- voquée par la pression d'autofrettage, ces autres sur- faces de travail sont normalement sous tension; c'est- à-diré qu'elles sont soumises à une contrainte de ten- sion de grandeur déterminée au préalable sur leur couche supérieure et la couche sous-jacente désignée ici comme étant la couche inférieure a un ordre de grandeur pratiquement plus grand en épaisseur que la couche supérieure, la tension décroît en fonction de la distance en s'éloignant de la surface externe mais elle est relativement constante à l'intérieur de la couche supérieure, tout ceci en absence du procédé de martelage à la grenaille. Comme l'étape de martelage à la grenaille produit une contrainte résiduelle de compression de gran- deur déterminée au préalable seulement sur ces couches supérieures des mêmes surfaces de travail interne mainte- nant soumises à la pression d'autofrettage et à la con- trainte de tension appliquée, on pense que de telles con- traintes de tension qui seraient appliquées sur ces cou- ches supérieures des surfaces de travail pendant cette étape d'autofrettage seraient pratiquement neutralisées puisqu'elles seraient annulées ou tout au moins diminuées si la contrainte résiduelle de compression si la gran- deur de la contrainte résiduelle de compression produite pendant l'étape préalable de martelage à la grenaille est rendue pratiquement également égale ou légèrement inférieure à la contrainte de tension de l'autofrettage. Toutefois les couches inférieures qui n'étaient pas sous contrainte de compression résiduelle de martelage à la grenaille, puisqu'elles étaient dessous l'épaisseur à laquelle une telle contrainte pourrait être appliquée, serait complètement sous tension. Après déformation loca- le dans la matière o se trouve des contraintes à fortes concentrations, la pression appliquée est relachée. Ceci a pour effet de relacher une contrainte de compression résiduelle de profondeur notable dans les zones de con- trainte à haute concentration des surfaces de travail internes des chambres et également une contrainte de compression résiduelle sur les autres surfaces de tra- vail mais seulement sur leurs couches supérieures. En conséquence la présente invention fournit un procédé qui utilise l'autofrettage mais qui neutralise les effets néfastes du composant de tension appliqué pendant la phase de pression du procédé d'a.utofrettage sur les couches supérieures des autres surfaces de travail, ces surfaces qui n'avaient pas de zone de concentra-. tion de contrainte élevée, Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée au seul mode de réali- sation décrit ci-dessus et de nombreuses modifications et variations pourront y être apportées par les spécia- listes sans pour autant se départir ni de l'esprit ni du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de précontrainte des surfaces de travail des chambres ou cylindres sous pression, caracté- risé en ce qu'il consiste à effectuer le martelage à la grenaille des surfaces de travail des chambres ou cylin- dres sous pression et ensuite l'autofrettage desdites surfaces de travail. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les couches supérieures des surfaces de travail des chambres ou cylindres sous pression sont mar- telées à une intensité choisie et déterminée au préalable. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la surface complète de la surface de tra- vail est martelée à la grenaille. 4. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les couches supérieures des surfaces de tra- vail des chambres ou cylindres sous pression sont marte- léèspour obtenir une grandeur choisie déterminée au pré- alable et-une profondeur déterminée au préalable de con- trainte résiduelle de compression. 5. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les couches supérieures des surfaces de tra- vail des chambres ou cylindres sous pression sont marte- lées pour obtenir une grandeur choisie déterminée au préa- lable de contrainte résiduelle de compression, et l'au- tofrettage soumet les surfaces de travail à une grandeur déterminée au préalable d'une contrainte de tension, cet- te grandeur de contrainte résiduelle. de compression étant pratiquement égale à ladite grandeur de contrainte de tension. 6. Procédé selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que la contrainte de tension est circonférentiel- le. 7. Procédé selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que l'épaisseur des couches supérieures de la surface de travail est égale à la profondeur déterminée au préalable de la contrainte résiduelle de compression obtenue par le martelage à la grenaille. 8. Procédé selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que l'étape d'autofrettage comprend l'étape de pressurisation des chambres ou cylindres sous pression de telle sorte que la contrainte de tension est prati-r quement effectivement neutralisée par la contrainte rési- duelle de compression sur les couches supérieures des surfaces de travail. -