Brevet FR2771506A1 — publié le 19990528

La présente invention concerne un procédé de détermination de l'effort de serrage d'au moins un organe de serrage de deux éléments. L'invention s'applique plus particulièrement à la détermination de la force axiale de serrage des boulons de brides boulonnées de circuits de tuyauterie. Sur les sites industriels, par exemple dans les centrales de production d'énergie, les éléments de nombreuses structures, notamment des circuits de tuyauterie, sont assemblés par l'intermédiaire de brides boulonnées. Les éléments de ces circuits de tuyauterie, par exemple des tuyaux, des soupapes ou des robinets, sont destinés à être traversés par des fluides sous pression. La force axiale de serrage des boulons est destinée à maintenir les brides assemblées lorsque ces éléments de tuyauterie sont traversés par ces fluides sous pression. Ces assemblages sont soumis à de nombreuses sollicitations qui peuvent être d'origine thermique ou mécanique, de nature statique, ou vibratoire, et qui ont pour conséquence de détériorer l'état de serrage des boulons. Il est nécessaire de changer les boulons dont l'état de serrage est défectueux afin de limiter les risques liés à cette détérioration de leur état de serrage. Jusqu'à présent, les méthodes fiables de détermination de l'état de serrage d'un assemblage boulonné impliquent d'avoir prévu initialement une jauge de mesure sur cet assemblage, ce qui limite le champ d'application de ces méthodes. De plus, le coût de ces jauges est prohibitif pour pouvoir en munir tous les assemblages des circuits de tuyauterie d'un site industriel. En conséquence, il est souvent nécessaire de changer régulièrement pratiquement tous les boulons de ces assemblages, ce qui est particulièrement long et coûteux. L'invention a pour but de résoudre ces problèmes en fournissant un procédé plus économique de détermination de l'effort de serrage d'un organe de serrage de deux éléments, et ne nécessitant pas un prééquipement des boulons à tester. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination de l'effort de serrage d'au moins un organe de serrage de deux éléments, caractérisé en ce qu'on produit une série de sollicitations mécaniques impulsionnelles d'amplitudes différentes sur un desdits éléments, et pour chaque sollicitation mécanique - on mesure une première grandeur représentative de la valeur maximale d'une accélération communiquée audit élément au voisinage dudit organe de serrage, et - on mesure une deuxième grandeur représentative de la valeur maximale d'une dérivée d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de déserrage entre les deux éléments induit par ladite sollicitation mécanique impulsionnelle, au voisinage dudit organe de serrage puis on définit à partir des séries de mesures précédentes une valeur seuil de la première grandeur délimitant deux domaines de corrélation entre les séries de mesures des deux grandeurs, et on détermine une valeur de l'effort de serrage à partir de ladite valeur seuil et d'une relation prédéterminée de correspondance entre la valeur seuil et l'effort de serrage. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé selon l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la première grandeur est la valeur maximale d'une accélération communiquée audit élément, au voisinage dudit organe de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de la sollicitation mécanique - la deuxième grandeur est la valeur maximale d'une dérivée, d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de desserrage entre les deux éléments induit par ladite sollicitation mécanique, au voisinage dudit organe de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de serrage dudit organe de serrage - on produit les sollicitations mécaniques impulsionnelles selon une direction sensiblement orthogonale à la direction de serrage dudit organe de serrage ; et - on corrèle les séries de mesures des deux grandeurs par régression linéaire, et on définit ladite valeur seuil comme étant la valeur de la première grandeur délimitant deux domaines de corrélation à pentes de régression notablement différentes. L'invention a également pour objet une installation de mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend - des moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sur un des éléments de l'assemblage, - des premiers moyens de mesure de la première grandeur, - des deuxièmes moyens de mesure de la deuxième grandeur, - des moyens de traitement d'informations reliés aux premiers et deuxièmes moyens de mesure pour définir ladite valeur seuil à partir des séries de mesures des deux grandeurs, et déduire de ladite valeur seuil et de données mémorisées de correspondance entre la valeur seuil et l'effort de serrage une valeur de l'effort de serrage. Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation selon l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - les premiers moyens de mesure comprennent un accéléromètre de mesure de la valeur maximale d'une accélération communiquée audit élément, au voisinage dudit organe de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de la sollicitation mécanique impulsionnelle - les deuxièmes moyens de mesure comprennent des moyens de mesure de la valeur maximale d'une dérivée, d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de desserrage entre les deux éléments induit par ladite sollicitation mécanique, au voisinage dudit organe de serrage, dans une direction sensiblement parallèle à la direction de serrage dudit organe de serrage - les moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sont des moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles selon une direction sensiblement orthogonale à la direction de serrage dudit organe de serrage elle comprend un accéléromètre disposé sur les moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles pour déclencher, par l'intermédiaire de l'unité de traitement d'informations, l'acquisition des mesures des deux grandeurs lors d'une sollicitation mécanique sur ledit élément détectée par ledit accéléromètre ; et - les moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sont pilotés par l'unité de traitement d'informations pour la production d'une série de sollicitations mécaniques impulsionnelles d'amplitudes différentes, notamment croissantes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique latérale d'une installation de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique, en coupe longitudinale, agrandie, illustrant les parties supérieures des brides de la figure 1, - la figure 3 est un graphe illustrant une accélération a communiquée à une bride de la figure 1 par une sollicitation mécanique impulsionnelle, - la figure 4 est un graphe illustrant le déplacement de desserrage x induit entre les brides de la figure 1 par une sollicitation mécanique impulsionnelle, - la figure 5 est un graphe illustrant la corrélation entre des séries de mesures, d'une part, de la valeur maximale vm de la vitesse v d'un déplacement de desserrage induit entre les brides de la figure 1 par des sollicitations mécaniques impulsionnelles, et, d'autre part, la valeur maximale am de l'accélération a communiquée à une bride de la figure 1 par ces sollicitations mécaniques impulsionnelles, - la figure 6 est un graphe illustrant la relation de correspondance entre une valeur seuil as d'un graphe analogue à la figure 5 et la force de serrage f d'un boulon testé, et - la figure 7 est une vue schématique d'une installation de mise en oeuvre industrielle du procédé selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent une installation de mise en oeuvre du procédé sur des éléments identiques 1 et 1' simulant deux éléments d'un assemblage boulonné. Les références des parties correspondantes des éléments 1 et 1' sont distinguées par l'indice L'élément 1 comprend une tige 2, terminée à une de ses extrémités par une bride de fixation 3 sensiblement orthogonale à la tige 2, et à son autre extrémité par une plaque de fixation 4 sensiblement orthogonale à la bride 3 et s'étendant de part et d'autre de la tige 2. La bride 3 a une forme générale parallélépipédique plane et présente une face avant 5 et une face arrière 6. Cette dernière est reliée par sa partie centrale à la tige 2. La bride 3 est munie de deux alésages 7, sensiblement coaxiaux à la tige 2, et ménagés chacun au voisinage de bords libres de la bride 3 respectivement opposés. Les alésages 7 définissent un plan sensiblement parallèle à la plaque de fixation 4. La bride 3 est munie de quatre renflements hémisphériques de contact 8 situés latéralement de part et d'autre de chaque alésage 7 sur la surface avant 5. Les plaques 4 et 4' sont fixées sur une paroi de support 9 du lieu de mise en oeuvre de manière que les brides 3 et 3' puissent osciller par rapport à cette paroi par déformation élastique des tiges 2 et 2'. Les brides 3 et 3' ont leurs faces avant respectives 5 et 5' en regard l'une de l'autre, et les tiges 2 et 2' sont sensiblement coaxiales. Les éléments 1 et 1' sont assemblés entre eux par l'intermédiaire de boulons 10 et 11 dont chaque tige, respectivement 12 et 13, traverse successivement un alésage 7 et 7'. Les renflements 8 et 8' sont respectivement en contact sous l'action de la force de serrage axial des boulons 10 et 11. Ces deux éléments 1 et 1' forment un assemblage serré 14 d'éléments par brides boulonnées simulant les assemblages utilisés dans les circuits de tuyauteries des sites industriels. Pour déterminer la force de serrage axial f du boulon 11 de l'assemblage 14, l'installation comprend un accéléromètre 15, un interféromètre laser 16, un marteau de choc 17 muni d'un accéléromètre 18, et une unité électronique de traitements d'informations 19. L'accéléromètre 15 est un accéléromètre à électronique intégrée disposé sur la face supérieure (sur la figure 1) 20 de la tranche de la bride 3 au voisinage du boulon 11 pour mesurer une accélération de la bride 3 dans une direction sensiblement orthogonale à la surface 20. L'interféromètre laser 16 est muni de deux têtes optiques de mesure 16a et 16b (figure 2) émettant chacune un faisceau laser, respectivement 21 et 22. D'une manière générale, un interféromètre est capable de réaliser des mesures différentielles entre deux points frappés par les faisceaux optiques issus des deux têtes de mesure, et ainsi de déterminer les déplacements et les vitesses relatifs de ces deux points. Dans l'installation des figures 1 et 2, les têtes optiques sont orientées, d'une part, de manière à viser avec le faisceau 21 un premier point de mesure 23 sur la face avant 5 de la bride 3 et avec le faisceau 22 un deuxième point de mesure 24 sur la face arrière 6' de la bride 3', et, d'autre part, de manière que les faisceaux 21 et 22 soient sensiblement orthogonaux aux faces 5 et 6' et donc sensiblement coaxiaux au boulon 11. Une lumière 25, coaxiale au boulon 11, a été percée au dessus (sur les figures 1 et 2) du boulon 11, dans la bride 3', pour permettre au faisceau lumineux 21 d'atteindre le point de mesure 23. Les points de mesure 23 et 24 sont situés au voisinage du boulon 11 près des bords supérieurs (sur la figure 1) des brides 3 et 3'. Des adhésifs rétrodiffusants 26 ont été placés sur les faces 5 et 6' au niveau des points de mesure 23 et 24. Le marteau 17 est muni d'une tête de choc interchangeable 27, et l'accéléromètre 18 est un accéléromètre à électronique intégrée. L'unité de.traitement d'informations 19 est munie de moyens de calcul et de mémorisation. Les accéléromètres 15 et 18 et l'interféromètre 16 sont connectés à l'unité 19. Une jauge de serrage 28 est en outre placée entre l'écrou 29 du boulon 11 et la bride 3. Des rondelles élastiques de limitation de l'effort de serrage, telles que les rondelles 30 et 31, sont également placées entre l'écrou 28 et la bride 3 et entre la tête de la tige 13 du boulon 11 et la bride 3'. La jauge 28 permet de mesurer la force de serrage axial f du boulon 11 et de déterminer la relation de correspondance du procédé comme décrit plus loin. Selon le procédé de l'invention, l'opérateur produit à l'aide du marteau 17 une série de chocs mécaniques ou sollicitations mécaniques impulsionnelles sur la surface 32 de la tranche de la bride 3 opposée et parallèle à la surface 20. Chacun de ces chocs induit une accélération a de la bride 3 au droit du boulon 11 dans une direction sensiblement orthogonale à la surface 20 portant l'accéléromètre 15. La figure 3 illustre l'accélération a mesurée par l'accéléromètre 15 pour un choc. La mesure de l'accélération a a été déclenchée par l'unité 19 lors de la détection du choc du marteau 17 sur la bride 3 par l'accéléromètre 18. L'impact induit une impulsion d'accélération a d'une durée d'environ 2.10-3s. Ensuite l'accélération a évolue en fonction des modes propres de l'assemblage 14. Au-delà d'un certain seuil de la valeur maximale am de a, on constate qu'un choc produit par le marteau 17 induit un déplacement de desserrage x entre les deux brides 3 et 3' dans l'axe du boulon 11. La figure 4 illustre le déplacement x mesuré par l'interféromètre 16 pour un choc. La mesure de x a été déclenchée par l'unité de traitement d'informations 19 lors de la détection de l'impact du marteau 17 sur la bride 3 par l'accéléromètre 18. On observe une impulsion de déplacement x, consécutive au choc et d'une durée de 1,1.10-2s environ. Le déplacement de desserrage x évolue ensuite en fonction des modes propres de l'assemblage 14. Pour déterminer la force de serrage axiale f du boulon 11, on produit une série de chocs d'amplitudes différentes dont certains induisent un déplacement de desserrage x. Pour chacun des chocs produits, l'accéléromètre 15 fournit une mesure de la valeur maximale am de a et l'interféromètre 16 fournit une mesure de la valeur maximale vm de la vitesse v correspondant au déplacement de desserrage x. am et vm sont respectivement appelées première et deuxième grandeurs. L'acquisition des mesures est déclenchée par l'unité de traitement d'informations 19 lors de la détection d'un choc du marteau 17 sur la bride 3 par l'accéléromètre 18. Les séries de mesures ainsi obtenues sont mémorisées par l'unité de traitement d'informations 19. Comme illustré par la figure 5, on constate qu'on peut définir deux domaines de corrélation distincts entre ces deux séries de mesures, par exemple en corrélant les mesures de vm à celles de am par régression linéaire, ces deux domaines étant délimité par une valeur seuil as de am. Ainsi, as délimite un premier domaine, pour am S as à pente de régression plus faible, et un deuxième domaine pour am > as à pente de régression plus élevée. Dans le premier domaine, la valeur maximale am de l'accélération a induite par le choc n'est pas suffisante pour vaincre la force de serrage axial f du boulon 11. Dans le deuxième domaine, la valeur maximale am de l'accélération a induite par le choc est suffisante pour vaincre cette force de serrage axial f et induit donc un déplacement de desserrage x entre les deux éléments. On a constaté que l'on pouvait établir une relation de correspondance entre la valeur seuil as ainsi déterminée et la force de serrage axial f du boulon 11 mesurée par la jauge 28. Des mesures réalisées pour différents niveaux de serrage du boulon 11 permettent de définir cette relation de correspondance. Comme illustré par la figure 6, on peut ainsi définir par régression linéaire une relation de correspondance entre la valeur seuil as, déterminée grâce aux séries de mesures, et la force de serrage axial f du boulon 11 mesurée par la jauge 28. On constate que la relation de correspondance déterminée est une relation de proportionnalité. Pour une mise en oeuvre industrielle, la relation de correspondance pour le type d'assemblage à tester est préalablement déterminée par des essais sur des assemblages de ce type dont les boulons sont munis de jauges 28, puis cette relation est mémorisée dans l'unité de traitement d'informations 19. Dans le procédé selon l'invention, on s'intéresse aux parties impulsionnelles de v et de a, et, pour cette raison, les sollicitations mécaniques produites doivent être impulsionnelles. Ainsi, il est préférable de rapprocher le plus possible le profil des sollicitations mécaniques produites d'une impulsion de Dirac soit, de manière plus réaliste, d'un créneau de durée la plus faible possible. Ainsi, la tête 27 du marteau 17 doit être choisie en fonction de la force de serrage à déterminer. Plus la force de serrage f est élevée, plus les amplitudes des chocs induisant un déplacement de desserrage x doivent être grandes et plus la tête 27 doit être rigide. Les résultats présentés concernent des forces de serrage comprises entre 0 et 1000 N. D'une manière générale, et notamment pour des forces de serrage supérieures à 1000 N, le marteau 17 peut être remplacé par un dispositif de production de chocs automatisé et piloté par l'unité de traitement d'informations 19 pour produire des chocs d'amplitudes différentes, par exemple d'amplitudes croissantes. De plus, l'énergie nécessaire à la production de chocs est faible, notamment plus faible que l'énergie nécessaire à la production de sollicitations mécaniques harmoniques de même amplitudes. Le caractère impulsionnel des chocs permet également de diminuer les risques d'endommagement de l'assemblage testé. Ces risques sont notamment plus faibles, à amplitudes égales, que dans le cas de sollicitations mécaniques harmoniques. Le procédé selon l'invention présente en outre l'avantage d'être relativement insensible aux conditions de température et à la nature des matériaux constituant l'assemblage. D'une manière plus générale, on peut utiliser comme deuxième grandeur la valeur maximale d'une dérivée d'ordre déterminé compris entre 0 et 2 du déplacement x. Ainsi, on peut utiliser la valeur maximale du déplacement x (dérivée d'ordre 0) ou la valeur maximale de l'accélération correspondant à x (dérivée d'ordre 2). Dans ce dernier cas et comme illustré sur la figure 7, l'interféromètre laser 16 est remplacé par deux accéléromètres à électronique intégrée placés de manière adéquate au voisinage du boulon 11, respectivement sur la bride 3 et sur la bride 3'. La figure 7 représente une installation 33 de mise en oeuvre industrielle d'une variante du procédé dans laquelle la deuxième grandeur est la valeur maximale am de l'accélération a. Cette installation 33 est disposée pour déterminer la force de serrage axiale f d'un boulon 11 d'un assemblage 14 de deux brides 3 et 3' d'éléments 1 et 1' d'un circuit de tuyauterie reliées par six boulons. L'installation 33 se distingue de celle des figures 1 et 2 en ce que l'interféromètre 16 a été remplacé par deux accéléromètres 34 et 35 et en ce que le marteau 17 a été remplacé par un dispositif de production de chocs automatisé. Les accéléromètres 34 et 35 sont respectivement disposés sur les surfaces 6 et 6' des brides 3 et 3', à proximité du boulon 11, pour mesurer des accélérations dans une direction sensiblement orthogonale aux surfaces 6 et 6', et donc sensiblement coaxiales à la force de serrage f du boulon 11. Les accéléromètres 34 et 35 sont reliés à l'unité de traitement d'informations 19 dans laquelle la relation de correspondance, déterminée comme décrit ci-dessus pour le type de l'assemblage 14 est mémorisée. L'unité 19 pilote la production, par le dispositif 17, d'une série de chocs sur la bride 3 d'amplitudes croissantes. L'unité 19 détermine, d'une part à partir des mesures fournies par les accéléromètres 34 et 35 la valeur maximale de l'accélération correspondant au déplacement x pour chaque choc et, d'autre part, la force de serrage f comme décrit ci-dessus. Enfin, le procédé décrit peut permettre de déterminer la force de serrage axial global de deux boulons voisins d'un assemblage boulonné, par exemple en disposant les accéléromètres 34 et 35 de l'installation 33 entre ces deux boulons. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de l'effort de serrage (f) d'au moins un organe (11) de serrage de deux éléments (1, 1'), caractérisé en ce qu ' on produit une série de sollicitations mécaniques impulsionnelles d'amplitudes différentes sur un desdits éléments (1), et pour chaque sollicitation mécanique - on mesure une première grandeur représentative de la valeur maximale (am) d'une accélération (a) communiquée audit élément (1) au voisinage dudit organe (11) de serrage, et - on mesure une deuxième grandeur représentative de la valeur maximale (vm) d'une dérivée (v) d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de déserrage (x) entre les deux éléments (1, 1') induit par ladite sollicitation mécanique impulsionnelle, au voisinage dudit organe (11) de serrage, puis on définit à partir des séries de mesures précédentes une valeur seuil (as) de la première grandeur (am) délimitant deux domaines de corrélation entre les séries de mesures des deux grandeurs, et on détermine une valeur de l'effort de serrage (f) à partir de ladite valeur seuil (as) et d'une relation prédéterminée de correspondance entre la valeur seuil et l'effort de serrage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première grandeur est la valeur maximale (am) d'une accélération (a) communiquée audit élément (1), au voisinage dudit organe (11) de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de la sollicitation mécanique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième grandeur est la valeur maximale (ym) d'une dérivée (u), d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de desserrage (x) entre les deux éléments (1, 1') induit par ladite sollicitation mécanique, au voisinage dudit organe (11) de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de serrage dudit organe de serrage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on produit les sollicitations mécaniques impulsionnelles selon une direction sensiblement orthogonale à la direction de serrage dudit organe (11) de serrage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on corrèle les séries de mesures des deux grandeurs (am, vm) par régression linéaire, et on définit ladite valeur seuil (as) comme étant la valeur de la première grandeur délimitant deux domaines de corrélation à pentes de régression notablement différentes. 6. Installation de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend - des moyens (17) de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sur un des éléments (1) de l'assemblage (14), - des premiers moyens (15)de mesure de la première grandeur (am), - des deuxièmes moyens (16) de mesure de la deuxième grandeur (vm), - des moyens (19) de traitement d'informations reliés aux premiers et deuxièmes moyens (15, 16) de mesure pour définir ladite valeur seuil (as) à partir des séries de mesures des deux grandeurs (am, vm), et déduire de ladite valeur seuil (as) et de données mémorisées de correspondance entre la valeur seuil et l'effort de serrage une valeur de l'effort de serrage (f). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers moyens de mesure comprennent un accéléromètre (15) de mesure de la valeur maximale (am) d'une accélération (a) communiquée audit élément, au voisinage dudit organe (11) de serrage, selon une direction sensiblement parallèle à la direction de la sollicitation mécanique impulsionnelle. 8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que les deuxièmes moyens de mesure comprennent des moyens (16) de mesure de la valeur maximale (vm) d'une dérivée (v), d'ordre déterminé compris entre 0 et 2, d'un déplacement de desserrage (x) entre les deux éléments (1, 1') induit par ladite sollicitation mécanique, au voisinage dudit organe (11) de serrage, dans une direction sensiblement parallèle à la direction de serrage dudit organe de serrage. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les moyens (17) de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sont des moyens de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles selon une direction sensiblement orthogonale à la direction de serrage dudit organe (11) de serrage. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un accéléromètre (18) disposé sur les moyens (17) de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles pour déclencher, par l'intermédiaire de l'unité de traitement d'informations (19), l'acquisition des mesures des deux grandeurs (am, vm) lors d'une sollicitation mécanique sur ledit élément (1) détectée par ledit accéléromètre (18). 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les moyens (17) de production de sollicitations mécaniques impulsionnelles sont pilotés par l'unité de traitement d'informations (19) pour la production d'une série de sollicitations mécaniques impulsionnelles d'amplitudes différentes, notamment croissantes.