<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Application END pour le maintien en service d'un matériel ferroviaire centenaire

Florence Bey¹, Jean-Pierre Gielen², Yann Cheynet³

¹SNCF VOYAGEURS, Transilien, Département du Matériel Roulant, France

²³ SNCF VOYAGEURS, Ingénierie du Matériel, Division Essieux et Organes de roulement, France

*corresponding author, E-mail: florence.bey@sncf.fr

## Résumé

Le Train Jaune est un train à voie métrique qui relie Villefranche-de-Conflent à la Tour de Carol dans les Pyrénées depuis 1910. Son matériel roulant chargé d'histoire est très apprécié des touristes. Cette ligne ferroviaire est source d'enjeux politiques et un atout touristique important pour la région Occitanie.

L'Ingénierie du Matériel de SNCF Voyageurs a été sollicitée pour définir les conditions pour la poursuite de l'utilisation du matériel roulant jusqu'à la prolongation de la convention d'exploitation de la ligne.

Les opérations de révision ont alors mis en évidence de très nombreux défauts sur les roues à rayons des essieux de certaines voitures historiques, dus au procédé d'élaboration du matériau utilisé au début du 20ième siècle.

Un protocole adapté et inédit pour l'entreprise de suivi en service par END a été mis en place par l'Ingénierie du Matériel SNCF afin de permettre à la région Occitanie de continuer à exploiter ses véhicules en sécurité durant les périodes estivales.

## 1. Introduction

Lors de grandes opérations de maintenance sur les essieux type MIDI équipant les ZRB20000, de nombreuses indications ont été mises en évidence au cours des examens par magnétoscopie sur les centres de roues à rayons. L'entreprise avait déjà engagé un projet pour transformer les essieux en boîtes à rouleaux et adapter des roues pleines classiques pour l'avenir de l'exploitation. Le processus d'homologation de ces transformations profondes comprend plusieurs étapes de validation et ne pouvait pas être bouclé pour la saison estivale de 2012.

L'entreprise a alors mobilisé les compétences de l'ingénierie pour réussir la saison estivale avec du matériel ancien disponible et conserver l'aspect touristique de ce train. Un état des lieux a alors été réalisé et avait pour but d'examiner les conditions de remise en service des essieux des remorques Midi dans les meilleurs délais et ce jusqu'à l'échéance de la convention d'exploitation deux ans plus tard. Cet état des lieux a mis en évidence que 31 roues sur les 32 roues du parc présentent des indications observées par

magnétoscopie, localisées sur les rayons, les moyeux et les jantes.

L'article exposera les contraintes de cette exploitation touristique particulière et les solutions et adaptations nécessaires apportées à la trame de maintenance pour continuer l'exploitation de cette ligne avec un haut niveau de sécurité et en respectant le contrat d'engagement de la région auprès de ses clients.

## 2. Histoire du train jaune

### 2.1. La ligne ferroviaire

Edifiée au début du siècle, la ligne ferroviaire du Train Jaune avait pour mission de relier les hauts plateaux catalans au reste du département. Les premiers travaux entrepris en 1903 permirent, dès 1910, de relier Villefranche-de-Conflent à Mont-Louis. La ligne définitive ne sera achevée qu'en 1927 en atteignant Latour-de-Carol. Elle conserve actuellement son tracé initial dans un environnement permettant de contempler de magnifiques paysages de montagne. La construction de cette voie a ainsi nécessité l'édification de 650 ouvrages d'art pour permettre au Train Jaune des Pyrénées de se jouer du relief. On y compte notamment 19 tunnels et deux ponts remarquables : le Viaduc Séjourné, suspendu à 65 m au-dessus du sol, et le Pont Gisclard à 80 m au-dessus d'un précipice. La ligne fonctionne tout au long de l'année tandis que le Train Jaune dessert 22 gares. Pendant la saison estivale, ce train régional permet également de réaliser ce superbe voyage en wagon découvert [1].

### 2.2. Le matériel roulant

A l'exception de deux automotrices, tout le matériel moteur est celui de l'origine de la ligne. Les automotrices ont été construites par la SACM à Belfort et par les ateliers Carde de Bordeaux. Elles ont été rénovées entre 1963 et 1968 aux ateliers de Marseille Prado puis entre 1984 et 1988 aux ateliers de Béziers, à cette occasion, elles sont peintes en jaune canari. Leur vitesse maximale est de 60 km/h.
Les voitures à voyageurs sont de trois types :

* Voitures fermées, livrées neuves en 1909 et retôlées en 1963. Aujourd'hui circulent quatre voitures de cette série : ZRBDq 20001 à 20004, dites remorques Midi (Figure 1).

* Voitures à plateformes ouvertes, acquises en 1937, auprès de la société générale des chemins de fer économiques, réseau du Nord, Bollezeele, caisses retôlées en 1963, poids 14,5 t, dites remorques Nord

* Voitures ouvertes sans toiture, livrées neuves par Carde en 1912 ZRBX 20030 à 20034, ex ZRBq 20030 à 20034, dites remorques barques

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : remorques MIDI Crédit photo : Mathieu Sicre</figcaption></figure>

## 3. Etat des lieux

### 2.3. Contraintes d'exploitation

Les contraintes d'exploitation de ce train sont de deux ordres et conditionnent la réussite de la campagne de remise en service de ces essieux. Tout d'abord, il y a un matériel ferroviaire spécifique, avec des voitures propices à la découverte touristique de la région, composé de quatre voitures seulement. Cela signifie qu'il n'y a de volant d'échanges et qu'une roue déclarée non-conforme engendre une voiture complète à l'arrêt. Ensuite, ce train régional a la particularité d'avoir une exploitation renforcée en saison estivale impliquant des expertises et campagnes en période creuse et sur site afin d'éviter des délais de transport des organes et favoriser une dépose/expertise/pose des essieux dans des temps courts, l'immobilisation du matériel étant pénalisant pour le fonctionnement de l'atelier de maintenance.

En outre, compte-tenu de l'aspect sécuritaire et du faible parc de roues à contrôler, il a été décidé de ne pas travailler par échantillonnage mais de réaliser l'ensemble des expertises pour chacune des 32 roues concernées.

Ces contraintes définissent le cadre de travail et les conditions de l'état des lieux avant de proposer des conditions de remise en service.

### 2.4. Retour d'expérience

L'état des lieux a permis de travailler plusieurs pistes afin d'approfondir nos connaissances sur les matériaux de construction des roues et les techniques de fabrication dans les années 1900. Il a également été étudié la philosophie de maintenance appliquée aux roues à rayons utilisées par le passé.

A cette époque, un des procédés d'élaboration de « l'acier » était le puddlage. Cette technique inventée au XVIIIe siècle en Angleterre, permettait d'obtenir, un alliage de fer en décarburant la fonte par martelage et pilonnage à haute température. Ce procédé avait l'inconvénient de laisser de nombreuses impuretés, scories ou autres hétérogénéités microstructurales, laissant apparaître de nombreux défauts de fabrication.

L'entreprise a déjà entretenu des roues à rayons notamment pour les locomotives à vapeur. Les règles de maintenance sur ces types de roues prévoyaient des réparations des rayons de ces roues. En revanche, il était interdit de réparer moyeu et jante. La réparation était alors réalisée par soudage pour des rayons fissurés voire allant jusqu'à la cassure.

Par ailleurs, une expertise réalisée dans les années 1980 par le Laboratoire de l'entreprise à Levallois (Agence d'Essai Ferroviaire aujourd'hui) sur des roues de remorques de la ligne de la Cerdagne présentant des indications du même type que celles observées aujourd'hui concluait à des défauts de fabrication sans évolution en fatigue [2].

Avec ces éléments historiques, il a fallu proposer un protocole de travail pour exploiter les résultats de l'état des lieux sur les 31 roues. Tout d'abord, la question du choix de la méthode END pour réaliser les contrôles nécessaires s'est posée. Il a été décidé d'appliquer la méthode par magnétoscopie. En effet, c'est la méthode de référence dans les trames de maintenance du ferroviaire français avec un fort niveau d'expertise dans l'entreprise. En effet, elle possède les compétences en magnétoscopie de niveaux 2 et 3 dans le sous-secteur essieux du Comité Sectoriel CFCM/COFREND<fnref n="1" />. Cette reconnaissance par l'organisme de certification garantit un bon niveau de maîtrise avec une bonne connaissance de la maintenance des essieux pour traiter cette problématique très particulière. Les agents ayant réalisé cette prestation ont été également choisis pour leur expérience et leur ancienneté dans la pratique de la magnétoscopie dans l'entreprise. Il a été envisagé d'autres méthodes comme les Courants de Foucault mais, à cette époque, l'entreprise ne possédait pas suffisamment de connaissances dans ce domaine et leur développement aurait demandé de nombreuses validations avant leur application dans un délai qui n'était pas compatible avec les conventions d'exploitation du train jaune.

<footnote n="1">¹ CFCM/COFREND : Certification Ferroviaire de Certification pour la Maintenance, Comité Sectoriel de la COnfédération FRançaise des Examens Non Destructifs.</footnote>
# 4. Les solutions envisagées pour une remise en service

## 4.1. Méthodologie et résultats de la campagne initiale

L'état des lieux a été réalisé de façon exhaustive sur les 32 roues incriminées. L'ensemble des surfaces des jantes, rayons, moyeu, repéré sur la figure 2, a contrôlé impliquant une dépose de chaque essieu.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Zones contrôlées</figcaption></figure>

Des essais sous engin ont été réalisés afin de limiter les temps d'immobilisation des voies d'ateliers pour cette campagne et limiter les coûts d'intervention. De trop nombreuses zones restaient inaccessibles et ne permettaient pas une analyse complète des roues incriminées.

L'Agence d'Essai Ferroviaire a proposé une technique non destructive qui permettrait de maintenir la totalité du parc en service dans le meilleur des cas. Il s'agit d'examens micrographiques par système de réplique pour caractériser la morphologie des défauts les plus critiques.

Les essais se sont déroulés en trois phases :

* Examen par magnétoscopie pour mise en évidence des défauts,

* Sélection des défauts à analyser,

* Polissage des défauts puis examen micrographique par la méthode des répliques.

Les examens par magnétoscopie ont été réalisés par des agents certifiés en magnétoscopie niveau 2 CFCM et habilités selon le document interne de l'entreprise. Ils ont permis de mettre en évidence un grand nombre d'indications. Une présélection est alors réalisée en déterminant un seuil de détection en fonction de l'état de surface conformément à la norme NF F 00-090 [3].

Un relevé de toutes ces indications est réalisé sur des cartographies dont un exemple est présenté en figure 3.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Exemple de cartographie répertoriant les indications de défauts</figcaption></figure>

A la suite de ces opérations de magnétoscopie (figures 4 et 5), les compétences de l'entreprise ont été mobilisées pour la sélection des défauts à analyser. Les compétences retenues permettaient d'allier des complémentarités des agents END CFCM/COFREND, des agents de maintenance du site de Villefranche de Conflent, de l'ingénierie de maintenance des organes de roulement, de la direction de la division des Essieux et des experts de l'Agence d'Essai Ferroviaire.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Exemple d'indications de défauts sur un rayon</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : Exemple d'indications de défauts sur le moyeu</figcaption></figure>
La criticité des défauts a été définie en fonction de leur localisation, leur orientation et leur aspect.

Chaque défaut retenu selon des critères préalablement définis est poli. Un nouvel examen par magnétoscopie est alors réalisé pour confirmer l'existence du défaut en profondeur. En effet, dans le cas de cette prestation, le but est de vérifier si ces défauts sont des fissures de fatigue, ou s'ils sont à l'origine de leur formation. Les observations se feront sur les extrémités des défauts. En référence une réplique sur une fissure de fatigue rencontrée sur roue monobloc a été étudiée et est présente en figure 6.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6 :** Fissure de fatigue mise en évidence par la méthode des répliques sur une roue monobloc</figcaption></figure>

Bien que l'acier de base soit différent, la morphologie de la fissure de fatigue ne varie pas. On notera que cette fissure de fatigue est fine et rectiligne.

Sur l'ensemble des défauts analysés, aucun ne présente une morphologie identique au défaut de référence.

Les différences notables sont :

- la forme,

- l'épaisseur,

- la présence d'hétérogénéités microstructurales

- la discontinuité.

Des exemples sont illustrés aux figures 7 et 8.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7 :** Exemple de défauts observés par magnétoscopie et examen micrographique par la méthode des répliques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 8 :** Exemple de défauts observés par magnétoscopie et examen micrographique par la méthode des répliques</figcaption></figure>

Compte-tenu des observations réalisées, aucune des indications ne présente une évolution récente en fatigue. Elles correspondent plus certainement à des défauts de fabrication, dus au process d'élaboration du matériau ou de mise en forme de la pièce. Etant donné le retour d'expérience sur ce matériel, en plus des conditions de service, l'emploi des roues présentant de tels défauts n'est pas à remettre en cause dans l'immédiat. Toutefois, pour assurer la fiabilité de ces essieux et la sécurité de l'exploitation de ce matériel, le suivi en service des défauts est indispensable.

## 4.2. Suivi en service des roues

La règle de maintenance associée à ce type d'engins a évolué pour intégrer un suivi périodique des défauts particuliers identifiés lors de l'état initial.

Pour cela, une procédure de contrôle par magnétoscopie a été validée spécifiquement pour ce chantier spécifique. Ce protocole définit les moyens d'identification, de traçabilité et la consistance des opérations à effectuer.

Le point crucial est de garantir la répétabilité de la sensibilité de contrôle d'une année sur l'autre. Un travail sur la définition de la sensibilité de la liqueur magnétique a été réalisé et l'incertitude de lecture afin de s'assurer qu'un défaut a évolué de façon certaine.

Toute intervention mécanique est naturellement proscrite pour ne pas altérer les repères de défauts identifiés.

De plus, l'équipe de contrôleurs qui a réalisé l'état initial et sélectionné les défauts a été conservée tout au long de la prestation et rappelée chaque année pour cette campagne spécifique.

En plus de la contrainte de dépose des essieux pour réaliser la magnétoscopie, la réalisation de ce suivi annuel sur le site de Villefranche Vernet-les-Bains oblige l'établissement à dédier chaque campagne un espace pour la mise en place d'une cabine d'assombrissement éphémère, soit directement dans l'atelier, soit dans un local hors atelier nécessitant une manutention d'essieux plus longue avec le fenwick. Dans le but de diminuer cette
contrainte, des essais ont été réalisés avec le procédé de lumière bleue actinique. En effet, il permet d'avoir une tolérance non négligeable sur la lumière visible ambiante parasite lors de l'utilisation de la liqueur fluorescente. Les essais se sont déroulés sur la base de la fiche technique FD CEN/TR16638 avec plusieurs types de produits. La figure 9 expose les résultats observés sur un même défaut selon les conditions citées en 9a, 9b et 9c.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 9a : Indications révélées en liqueur magnétique fluorescente sous lumière ultraviolette</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 10b : Indications révélées avec une liqueur magnétique fluorescente identique à la figure 9a sous lumière bleue actinique et lumière ambiante de 91 Lux</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 11c : Indications révélées avec une liqueur mixte sous lumière bleue actinique et lumière ambiante de 91 Lux</figcaption></figure>

## 5. Discussion

Au cours de la campagne, deux défauts présentaient des aspects singuliers, très différents de tous les autres déjà examinés. Une étude plus approfondie en laboratoire était souhaitable afin de les identifier et confirmer leur origine. Si des examens macrograhiques et micrographiques ont mis en évidence d'importants défauts de fabrication, correspondant aux hétérogénéités du matériau (figure 10), un examen fractographique a mis en évidence, sur un des défauts, des indices d'une fissuration par fatigue.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 12 : Examen macrographique d'un rayon</figcaption></figure>

En effet, après ouverture du défaut, un faciès présentant trois plages distinctes fortement oxydées est observé. La figure 11 présente ces zones après désoxydation.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 13 : Examen fractographique des défauts</figcaption></figure>

- Zone 1 : le plan de rupture est perpendiculaire au rayon comme le défaut apparent en magnétoscopie.

- Zone 2 : le plan de rupture est fortement incliné comme le défaut apparent en magnétoscopie.

- Zone 3 : rectilignes dans un plan perpendiculaire au rayon.

L'observation du faciès par microscopie électronique à balayage a confirmé l'existence du phénomène de fissuration par fatigue [4] (figure 12).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 14 : Examen microfractographique</figcaption></figure>
Cette expertise a permis de montrer que le risque de fissuration en fatigue dans les roues à rayons d'essieu MIDI était bien présent. Cependant, par rapport au point initial, et après environ 30 000 km parcourus, la fissure avérée n'a pas évolué. Son état d'oxydation tendait d'ailleurs à prouver son ancienneté.

Malgré la présence de ces deux défauts et étant donné le retour d'expérience sur ce matériel, en plus des conditions de service, l'emploi des autres roues n'a pas été remis en cause.

## 6. Conclusion

La démarche de suivi périodique a été poursuivie pour assurer la fiabilité des essieux MIDI et la sécurité de l'exploitation de ce matériel.

A l'occasion du lancement de travaux importants sur la ligne, la flotte des wagons de l'infrastructure, équipés de roues à rayons, devait être remise en service. La méthodologie proposée ayant fait ses preuves, une campagne similaire de contrôles de ces roues s'est imposée.

En parallèle, la recherche d'une solution de remplacement de ces roues à rayons a été renforcée ; le suivi périodique a permis de continuer l'exploitation du train jaune sans se substituer à la fabrication de nouvelles roues.

A ce jour, les roues monoblocs de nouvelle génération respectant les normes de fabrication en vigueur équipent désormais le train jaune.

## Remerciements

Remerciements aux équipes de l'Ingénierie et du Train Jaune. Elles ont su s'adapter aux contraintes du terrain, allier leurs compétences et se surpasser pour proposer des solutions nouvelles dans le but de continuer à exploiter le train jaune en assurant des conditions maximales de sécurité.

## References

[1] Texte CDT Pyrénées-Orientales.
https://www.pyrenees-cerdagne.com/decouvrir/le-train-jaune/lhistoire-du-train

[2] Rapport du Laboratoire de Levallois MR4 R1/3 / ML2
V151, 1987

[3] NF F 00-090 : Matériel ferroviaire en général – Examen Magnétoscopique des pièces à usage ferroviaire – Critères d'acceptation, 2015

[4] Rapport de l'Agence d'Essai Ferroviaire MES012384