Brevet FR2682622A1 — publié le 19930423

L'invention est relative à la fabrication d'une pièce métallique de forme tubulaire telle qu'une virole de grande dimension à paroi mince notamment en acier et destinée à la réalisation d'ensembles chaudronnés lourds. Pour réaliser des ensembles chaudronnés lourds tels que des cuves de réacteur nucléaire ou des réacteurs et des réservoirs pour la pétrochimie on utilise des viroles en acier de grande dimension ; le diamètre et la hauteur sont supérieurs à 2 m. Lorsque la paroi est épaisse, par exemple supérieure à 100 mm, on fabrique les viroles par forgeage puis usinage. Le forgeage se termine par une opération de bigornage qui fournit une ébauche épaisse. Cette technique qui consiste à écraser la paroi d'une ébauche tubulaire suivant ses génératrices entre le marteau d'une presse et un mandrin a l'avantage de produire une pièce monobloc ayant en tout point de très bonnes caractéristiques mécaniques mais elle présente un inconvénient : le bigornage est une opération qui ne donne pas une précision géométrique très bonne ; il est nécessaire de prévoir une épaisseur importante pour la pièce brute de bigornage et d'enlever par usinage une quantité importante de matière, ce qui est très coûteux et ce qui limite l'emploi de cette technique à la fabrication des viroles les plus épaisses. Pour réaliser les viroles à paroi mince, d'épaisseur inférieure à 200 mm par exemple on utilise des tôles qui sont envirolées et soudées longitudinalement. Cette technique a l'avantage de réduire l'opération d'usinage mais elle présente l'inconvénient de multiplier les cordons de soudure qui sont toujours les zones les plus fragiles et les plus délicates à réaliser des constructions chaudronnées. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces tubulaires de grande dimension telles que des viroles à paroi mince qui évite les soudures et qui soit économique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce métallique de forme tubulaire de grandes dimensions consistant à réaliser une ébauche tubulaire par forgeage à chaud d'un lingot et à effectuer une mise à dimension de l'ébauche pour obtenir la pièce tubulaire au moins partiellement par usinage et un traitement thermique pour obtenir les caractéristiques voulues de la pièce tubulaire caractérisé en ce que la mise à dimension de la pièce tubulaire comporte une opération d'expansion diamétrale à chaud de l'ébauche sans écrasement de sa paroi. La température de calibrage et d'expansion est supérieure à 1000 OC. Le procédé est utilisé pour réaliser des viroles de plus de 2 m de diamètre et 2 m de hauteur dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 200 mm. Lorsque l'ébauche est réalisée à partir d'un lingot plein, le forgeage comporte les opérations suivantes : écrasement du lingot dans la direction axiale, perçage, étirage sur un mandrin, bigornage. Lorsque l'ébauche est réalisée à partir d'un lingot creux, le forgeage comporte les opérations suivantes : étirage sur un mandrin, bigornage. L'invention est également relative à des viroles de grandes dimensions à paroi mince exemptes de soudures et réalisées par le procédé selon l'invention ; leur diamètre est supérieur à 2 m, leur hauteur est supérieure à 2 m et leur épaisseur inférieure à 200 mm. L'invention concerne enfin un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Ce dispositif comprend - des coins en forme de secteurs disposés circulairement autour d'un mandrin conique polygonal et posés sur un support percé d'une ouverture traversante, - et au moins un vérin hydraulique dont la tige est reliée au mandrin conique et disposée à travers l'ouverture du support et dont le corps est en appui sur le support des coins. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures. La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif d'expansion diamétrale pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure 2 est une vue de dessus et en coupe suivant 2-2 de la figure 1 de la partie centrale du dispositif d'expansion. Pour réaliser une virole qui fait par exemple 4 m de diamètre intérieur, 4,5 m de hauteur et 100 mm d'épaisseur on part d'un lingot creux d'environ 50 t que l'on porte à une température de forgeage voisine de 12500C. On étire le lingot creux sur un mandrin selon une technique bien connue de l'homme de métier de façon à obtenir une pièce cylindrique creuse d'environ 4,6 m de hauteur. On bigorne alors cette pièce, en écrasant les génératrices l'une après l'autre entre un marteau et un mandrin selon une technique bien connue de l'homme de métier. Le bigornage permet d'obtenir une ébauche de virole dont l'épaisseur de la paroi est de 120 mm et qui a une forme généralement cylindrique. Le diamètre intérieur de l'ébauche est d'environ 3,8 m. On place alors l'ébauche avec son axe vertical sur un dispositif d'expansion et de calibrage et on expanse diamétralement l'ébauche qui est ainsi calibrée de manière à lui donner une forme parfaitement cylindrique et à amener son diamètre intérieur à la valeur de 3,99 m son diamètre extérieur est alors de 4,3 m. L'opération d'expansion diamétrale et de calibrage est réalisée sans écrasement de la paroi de l'ébauche. Pendant l'opération de calibrage, l'ébauche est à une température voisine de 1l000C. I1 est à remarquer qu'une telle opération d'expansion diamétrale d'une ébauche tubulaire sans écrasement de sa paroi réalisée par des moyens mécaniques est tout-à-fait originale dans le cadre du forgeage de pièces de grandes dimensions effectué dans des installations dites de grosse forge. Après l'opération d'expansion et de calibrage on fait subir à l'ébauche de la virole un traitement thermique connu de l'homme de métier. Enfin on usine l'ébauche sur toutes ses faces pour obtenir une virole ayant un diamètre intérieur de 4 m, un diamètre extérieur 4,20 m soit une épaisseur de 100 mm, et une hauteur de 4,5 m. L'ébauche tubulaire peut également être réalisée à partir d'un lingot plein. Pour celà avant de faire les opérations d'étirage, de bigornage et d'expansion/calibrage, on écrase le lingot suivant son axe vertical de façon à réaliser une galette puis on perce cette galette suivant son axe de façon à réaliser une pièce en forme générale d'anneau. C'est cet anneau qui sera alors étiré et bigorné. Ces opérations d'écrasement et de perçage sont bien connues de l'homme de métier. Comme précédemment, l'ébauche est ensuite expansée diamétralement pour réaliser la virole sur laquelle on effectue un traitement thermique et un usinage. Le lecteur comprendra que le poids du lingot et les dimensions de l'ébauche sont adaptés en fonction des dimensions recherchées pour la virole. Pour réaliser l'opération d'expansion et de calibrage on peut par exemple utiliser un dispositif tel que représenté sur les figures 1 et 2 et comportant un noyau 1 expansible mécaniquement et constitué de coins en secteur 2 disposés circulairement autour d'une pyramide ou d'un mandrin 3 en forme de cône à section polygonale placé verticalement, la pointe vers le bas. Les coins en secteur 2 reposent sur une partie inférieure 4a d'une structure de support 4 en deux parties comportant, au-dessus de la partie 4a, un plateau horizontal 4b muni d'un trou 5 en son centre dans le prolongement d'une ouverture 5' de la partie 4a, l'axe des trous 5 et 5' étant confondu avec l'axe du cylindre formé par les coins 2. Par son extrémité située du côté de la pointe du cône, le mandrin 3 coopère avec un vérin hydraulique à double effet fixé sous le plateau 4b, l'extrémité du mandrin 3 étant reliée à la tige 6 du vérin 7 qui passe à travers les trous 5 et 5' du plateau 4b et de la partie inférieure 4a du support 4. La réalisation de l'opération d'expansion et de calibrage se fait comme suit : une ébauche tubulaire 10 destinée à constituer une virole est disposée sur le plateau 4b, dans une disposition coaxiale au trou 5, au noyau 1 et au mandrin 3. Des inserts en acier 11 sont disposés sur le plateau 4b entre le noyau 1 constitué par les secteurs 2 et la surface intérieure de l'ébauche 10. Les inserts 11 dont les dimensions sont adaptées à cet usage assurent le remplissage de l'espace annulaire existant entre le noyau 1 et la surface intérieure de l'ébauche 10. Le mandrin conique polygonal 3 est en position levée et les coins en secteur 2 sont serrés contre lui. A l'aide du vérin 7, on tire sur le mandrin 3 qui s'enfonce entre les coins en secteur 2 et qui, grâce à sa forme conique, écarte les coins 2. Les coins 2 viennent alors coopérer avec l'ébauche de virole 10 et l'expansent. En fin d'opération, à l'aide du vérin 7 on repousse le mandrin 3 vers le haut, ce qui dégage les coins en secteur 2 et permet de retirer l'ébauche de virole 10 expansée. On effectue alors les opérations de traitement thermique et d'usinage décrites plus haut pour obtenir une virole ayant les dimensions et les caractéristiques mécaniques voulues. Le procédé et le dispositif suivant l'invention peuvent être utilisés pour la fabrication non seulement de viroles à paroi mince mais encore de toute pièce de forme tubulaire de grande dimension ; ils permettent notamment de fabriquer des viroles de grande dimension à paroi mince exemptes de soudures. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé peut comporter plusieurs vérins qui coopèrent avec le mandrin polygonal conique et le support des coins. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'une pièce métallique de forme tubulaire de grandes dimensions consistant à réaliser une ébauche tubulaire (10) par forgeage à chaud d'un lingot et à effectuer une mise à dimension de l'ébauche pour obtenir la pièce tubulaire au moins partiellement par usinage et un traitement thermique pour obtenir des caractéristiques voulues de la pièce tubulaire, caractérisé en ce que la mise à dimension de la pièce tubulaire comporte une opération d'expansion diamétrale à chaud de l'ébauche (10) sans écrasement de sa paroi. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'expansion diamérale de l'ébauche (10) est effectuée à une température supérieure à 1000"C. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pièce tubulaire est une virole dont le diamètre intérieur est supérieur à deux mètres, la hauteur dans la direction axiale supérieure à deux mètres et l'épaisseur de paroi inférieure à deux cents millimètres. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'ébauche (10) est réalisée à partir d'un lingot plein, par une suite d'opérations comprenant - l'écrasement du lingot dans sa direction axiale pour obtenir une galette cylindrique, - le perçage de la galette suivant son axe, pour obtenir une pièce en forme d'anneau, - l'étirage axial de l'anneau sur un mandrin, - et le bigornage de l'anneau étiré. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'ébauche (10) est réalisée à partir d'un lingot creux par une suite d'opérations comprenant - l'étirage axial du lingot creux sur un mandrin - le bigornage du lingot étiré. 6.- Virole en acier de grande dimension caractérisée en ce qu'elle présente un diamètre intérieur supérieur à deux mètres, une hauteur dans la direction axiale supérieure à deux mètres, et une épaisseur de paroi inférieure à deux cents millimètres, en ce qu'elle ne comporte pas de soudure, et en ce qu'elle est obtenue à partir d'un lingot par une suite d'opérations comprenant une expansion diamétrale d'une ébauche tubulaire (10), sans écrasement de la paroi de l'ébauche (10). 7.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte - un noyau (1) constitué par des coins (2) en forme de secteurs disposés circulairement autour d'un mandrin conique à section polygonale (3) et reposant sur un support (4) percé d'une ouverture traversante (5, 5'), - et au moins un vérin hydraulique (7) dont la tige (6) est reliée au mandrin (3) conique et disposée à travers l'ouverture (5, 5') du support (4) et dont le corps est en appui sur le support (4) des coins (2).