Procédé de fabrication de corps creux destinés à supporter une pression intérieure élevée. Les progrès de la technique des conduites forcées, comme aussi des réservoirs ou tous récipients destinés à supporter des pressions intérieures élevées ont été orientées depuis de longues années vers la recherche de l'économie de métal, de façon à réduire le poids et le prix des ouvrages.
Après avoir remplacé la rivure par la sou dure tant pour la réalisation des conduite, que pour leur assemblage, on s'est orienté vers les procédés permettant d'utiliser des aciers traités ou non à très haute limite élas tique et très grande résistance, et d'utiliser de façon plus complète les possibilités de résis tance du métal, et notamment les procédés <B>dans</B> lesquels on relève, sur la paroi d'un tuyau, la limite élastique du métal par écrouissage préalable.
L'un de ces procédés est connu sous le nom d'autofrettage à froid.
Selon ce procédé, décrit dans le brevet suisse N 146315, on réalise un élément de conduite en prenant un tuyau autour duquel on enfile les frettes convenablement espacées les unes des autres. L'ensemble du tuyau avec ses frettes est placé entre les deux plateaux d'une presse hydraulique d'épreuve. Après exécution aux cieux extrémités des joints d'étanchéité nécessaires, on met le tuyau en pression jusqu'à atteindre et parfois dépasser le double de la pression de marche (pression statique + surpression'). Sous l'effet de cette pression croissante, la paroi du tuyau s'allonge, vient d'abord pla quer contre les frettes, puis tend les frettes elles-mêmes.
Au cours de cette opération la limite élastique de la paroi du tuyau est dé passée, sans toutefois que la limite élastique des frettes soit atteinte.
Il en résulte que, lorsque la pression est ramenée à zéro, le tuyau conserve une défor- mnation permanente et les frettes demeurant tendues élastiquement et faisant corps avec le tuyau déterminent sur la paroi une compres sion analogue à -celle que produiraient des frettes posées à chaud.
On sait. que, chi fait. du dépassement de sa limite élastique, le métal conserve un allonge ment permanent et possède une nouvelle limite élastique égale à la fatigue maximum supportée. De la sorte, on peut tabler, dans la détermination des conduites, sur la. valeur de cette nouvelle limite élastique. Avec l'opéra tion d'auto-frettage à froid, l'on obtient la même résistance et. la. même sécurité avec un poids de métal beaucoup moindre qu'avec les procédés antérieurs.
L'expérience acquise dans cette technique, en confirmant les avantages de ce procédé, montre que l'on peut réaliser ainsi une éco nomie de métal de plus de 50 % par rapport aux tuyaux simplement. soudés et de plus de <B><U>93</U></B> % par rapport aux tuyaux frettés à chaud.
Dans l'exécution de ce procédé connu, on ménage entre les frettes et le tuyau sur lequel elles sont disposées, un jeu suffisant pour qu'elles puissent être placées à froid sans difficulté. Ce jeu est prévu aussi faible que passible, pratiquement jusqu'au maximum de 1% du diamètre. Il en résulte pour la paroi, au moment du frettage à froid, un allonge ment permanent qui peut atteindre 1% au quel correspond le taux de fatigue auquel la tôle du tuyau est soumise pendant le frettage. Pendant celui-ci, l'allongement supplémen taire dû à l'allongement élastique des frettes est selon les cas de 0,2 à 0,5 %. L'allongement total obtenu est donc au maximum de 1,5 %.
Il résulte de cela que l'augmentation corres pondante de la limite élastique qui n'est pas recherchée systématiquement et qui découle du procédé est de 10 % au maximum.
Ces conditions d'emploi sont satisfai santes pour les aciers usuels et conduisent à (les parois de tuyaux dont l'épaisseur peut être inférieure au 1/4 de celle des tuyaux soudés ordinaires construits avec la même nuance d'acier.
Un autre procédé basé sur l'augmentation systématique de la limite élastique du métal par écrouissage à froid consiste dans la tech nique dite des tuyaux surpressés .
Selon ce procédé, décrit dans le brevet français N 831867, le tuyau une fois cons truit est placé dans un moule cylindrique en dfeux pièces ou davantage, de même forme (lue le tuyau, mais (le dimensions intérieures supérieures à celles dudit tuyau. On soumet celui-ci, selon le processus des tuyaux auto- frettés, à une pression hydraulique croissante <B>(PLU</B> provoque sa dilatation jusqu'à ce que sa paroi extérieure vienne en contact avec la moule, en dépassant sa limite élastique cor- respondante.
Ce procédé des tuyaux surpressés permet, comme le précédent des tuyaux autofrettés, une meilleure utilisation du métal sous une forme cependant différente et, en consé quence, une réduction du poids de métal par rapport aux tuyaux ordinaires.
En pratique, le moule dans lequel s'ef fectue le surpressage présente une différence de diamètre de 2 à 5 % avec le tuyau traité, permettant donc un grand allongement et un important relèvement dle la limite élastique. Dans ce cas, à l'inverse du procédé précédent, l'augmentation (le la limite élastique est recherchée systématiquement. Pratiquement on l'accroît de 20 à 40 %.
On a également conjugué les avantages (le ces deux procédés en constituant (les tuyaux surpressés auto-frettés construits d'après la technique habituelle des tuyaux autofrettés , mais dont le tuyau paroi est constitué non plus d'un tuyau soudé ordinaire, mais d'un tuyau préalablement écroui à froid, suivant la technique des tuyaux surpressés . Cela se fait en deux opérations: On construit d'abord un tuyau surpressé et ensuite on procède à l'autofrettage après que l'on ait emmanché les frettes nécessaires sur le tuyau paroi préa lablement surpressé (voir La Houille Blanche 1949, N 3).
Si ces procédés donnent de bons résultats et ont, reçu de ce fait des applications nom- breuses et importantes, il sera observé cepen dant qu'ils n'épuisent pas les possibilités de résistance du métal. Notamment avec les nuances d'acier produites actuellement par le forges, la faculté d'allongement du tuyau s'avère beaucoup plus importante que celle de l'autofrettage à froid et du surpressage en moule.
L'invention a pour objet un procédé per mettant d'obtenir des tuyaux frettés à écrouis- sage préalable de la paroi dans lesquels l'al longement peut atteindre 1'allongentent maxi mum avant. striction, soit pour des nuance (l'acier semi-dur ordinaire au C ou au Cr-C",i j risqu'à environ 10 0/0, correspondant à, une augmentation (le la. limite élastique de 70 0i0 environ.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on ménage initialement entre les frettes et la paroi un jeu de 5 à 10 % du diamètre exté- rieur du corps creux et en ce que l'on pro voque l'expansion du corps creux, avec défor- mat.ion permanente à froid de sa paroi, d'abord sur la paroi seule dudit corps creux,
ensuite simultanément sur la, paroi et sur les frettes alors accolées contre ladite paroi. Les frettes utilisées peuvent être analogues à celles dont on se sert couramment pour l'auto- frettage; mais, au lieu d'être prévues avec le jeu minimum nécessaire à. leur montage, elles sont ménagées avec un jeu sensiblement plus important et déterminé de façon qu'il per mette l'allongenment maxinmunm de la paroi qui a été fixé au préalable.
Dans ce procédé, ce sont les frettes mon tées avec un jeu beaucoup plus important, qui jouent au début de l'expansion (lu corps creux le rôle de moisie (le surpressage. Ce n'est qu'apr@s surpressage, lorsque le contact avec les frettes est assuré, que l'allongement propre de frettes intervient, done après que la paroi du tube a pris son allongement préalable no table, pour limiter et parfaire eelui-ei.
Ainsi, l'autofrettage à froid se trouve ap pliqué à un tuyau préalablement soumis au surpressage, ce tuyau bénéficiant ainsi des avantages de l'un et de l'autre. Ce procédé permet de donner au métal un écrouissage plus important que celui de surpressage ou do l'autofrettage simple, complétant le sur- pressabe par la sécurité due aux frettes. Inversement pour les mêmes conditions d'uti lisation, il permet de mieux utiliser le métal, donc (le réduire son poids et son prix.
Suivant une forme de mise en #uvre de l'invention, l'autofrettage et le surpressage sont effectués en une opération unique, per- mettarnt d'appliquer simultanément ces deux procédés, sans outillage de surpressage. Cette application permet non seulement cd'associer les avantages de l'lurr et de l'autre procédé, mais encore de les multiplier l'un par l'autre en relevant plus qu'ils ne pourraient. le faire individuellement la limite élastique d'utilisa tion résultant ciu plus grand écrouissage préalable.
Le procédé s'effectue de préférence au moyen de frettes rigides. Ces frettes, de dia mètre intérieur supérieur de 5 à 10 % au diamètre extérieur du tuyau, ont une section transversale sensiblement équivalente à la section de la paroi selon un plan diamétral longitudinal. Elles sont régulièrement espa cées sur ce tuyau. L'ensemble du tuyau et des frettes est, par exemple, placé entre les plateaux d'une presse hydraulique d'épreuve.
Après exécution aux deux extrémités de joints d'étanchéité convenables, on met le tuyau progressivement en pression, de préfé rence jusqu'à atteindre et même dépasser le double de la pression de fonctionnement à l'emplacement de la, conduite forcée à la quelle il est destiné, c'est-à-dire à la pression statique augmentée de la surpression maxi rnum qu'il est appelé à supporter.
Sous l'effet. de la pression, la paroi s1al- longe d'abord librement. jusqu'à 5 à 10 /o de son diamètre. Puis cette paroi vient plaquer contre les frettes rigides et détermine dans celles-ci des tensions telles qu'une fois l'opé ration terminée et la. pression ramenée à zéro, les frettes soient encore tendues et assurent. un serrage permanent de la paroi. Cette déformation des frettes est une défor mation élastique de quelques millièmes du diamètre.
Au lieu de frettes rigides on peut aussi utiliser des frettes souples constituées par des élingues en fils, câblés ou des bandes minces qu'on enroule autour d'un tuyau par exemple, en couches successives formant des anneaux souples, en ménageant initialement entre les anneaux et la paroi un jeu de 5 à 1.0 #'/o du diamètre extérieur du tuyau. Le processus de mise sous tension est le même que précédemment.
<I>Exemple:</I> Un se propose de réaliser selon l'inven tion -Lui tuyau à la fois surpressé et auto- fretté à froid de 1 ni 600 de diamètre inté rieur destiné à supporter une pression de marche de<B>1220 kg</B> par Le tuyau-paroi en tôles d'acier de nuance Cr-Cu à 54 kg soudées ayant pour caracté ristiques
EMI0003.0032
Résistance <SEP> à. <SEP> la <SEP> ruptures <SEP> 54kg/inm2
<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> @_ <SEP> 34 <SEP> kg/mm=
<tb> Allongement <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 20 <SEP> % de 18 mm d'épaisseur est préparé pour pou- voir recevoir un allongement de 7 % avec un diamètre intérieur initial de 1 m 500.
Sur ce tuyau on dispose écartées entre elles de 80 mm une succession de frettes ayant:
EMI0004.0002
Diamètre <SEP> intérieur <SEP> 1 <SEP> m <SEP> 636
<tb> Largeur <SEP> 80 <SEP> mu
<tb> Epaisseur <SEP> 30 <SEP> mm en acier de nuance Cr-No à 115 kg ayant pour caractéristiques
EMI0004.0003
Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> @_ <SEP> 115 <SEP> kgimrrr<B>2</B>
<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> 95 <SEP> kgimrr12
<tb> Allongement <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 61/o L'élément ainsi préparé est disposé, comme indiqué, entre les plateaux d'une presse hy draulique d'épreuve et soumis à une pres sion intérieure de 240 likg/cm2.
Pendant l'application progressive de cette pression, le tuyau se gonfle, vient en contact avec les frettes, puis tend celles-ci élastique- ment. Le gonflement total du tuyau atteint 7 %. En ramenant la pression à zéro, la paroi du tuyau conservant sa déformation, avec un diamètre intérieur final de 1 m 605, est com primée par les frettes qui restent tendues.
Le tuyau, du fait de son écrouissage, est susceptible de supporter, frettes comprises, une pression de 120 kg par Cm2 avec un coef ficient de sécurité théorique de 2,5. Avec le même coefficient de sécurité Lui tuyau simplement autofretté est susceptible de sup porter une pression de 104 kg par cm2. L'éco nomie correspondante de métal est de 15 %.
Dans les mêmes conditions, un tuyau simplement surpressé à 7 % et de même épaisseur que le tuyau considéré, frettes comprises, est susceptible de supporter une pression de 89 kg/cnm2. L'économie correspon dante de métal est de 35 %0.
Process for manufacturing hollow bodies intended to withstand high internal pressure. Advances in the technique of penstocks, as well as tanks or any receptacles intended to withstand high internal pressures, have been oriented for many years towards the search for economy of metal, so as to reduce the weight and the price of works.
After replacing the rivet with hard solder both for the production of the pipes and for their assembly, we turned to methods allowing the use of treated or untreated steels with very high elastic limit and very high resistance, and to make more complete use of the possibilities of resistance of the metal, and in particular the processes <B> in </B> which the elastic limit of the metal is noted on the wall of a pipe by prior work hardening.
One of these processes is known as cold autofrettage.
According to this process, described in Swiss patent N 146 315, a pipe element is produced by taking a pipe around which the hoops are threaded, suitably spaced from one another. The entire pipe with its hoops is placed between the two plates of a hydraulic test press. After carrying out the necessary seals at the ends, the pipe is pressurized until it reaches and sometimes exceeds double the operating pressure (static pressure + overpressure '). Under the effect of this increasing pressure, the wall of the pipe lengthens, first comes to rest against the hoops, then tightens the hoops themselves.
During this operation the elastic limit of the pipe wall is exceeded, without however the elastic limit of the hoops being reached.
As a result, when the pressure is reduced to zero, the pipe retains a permanent deformation and the hoops remaining elastically stretched and forming an integral part of the hose determine on the wall a compression similar to that which would be produced by hoops placed at hot.
We know. that, chi done. on exceeding its elastic limit, the metal retains a permanent elongation and has a new elastic limit equal to the maximum fatigue supported. In this way, we can rely, in determining the conduits, on the. value of this new elastic limit. With the cold self-shrinking operation, the same resistance is obtained and. the. same safety with a much less weight of metal than with previous processes.
The experience acquired in this technique, by confirming the advantages of this process, shows that it is thus possible to achieve a saving of metal of more than 50% compared to pipes simply. welded and more than <B><U>93</U> </B>% compared to hot-wrapped pipes.
In carrying out this known process, sufficient clearance is provided between the hoops and the pipe on which they are placed so that they can be placed cold without difficulty. This clearance is intended to be as small as possible, practically up to the maximum of 1% of the diameter. This results in the wall, at the time of cold shrinking, a permanent elongation which can reach 1% to which corresponds the rate of fatigue to which the sheet of the pipe is subjected during shrinking. During this, the additional elongation due to the elastic elongation of the hoops is, depending on the case, from 0.2 to 0.5%. The total elongation obtained is therefore at most 1.5%.
It follows from this that the corresponding increase in the elastic limit which is not systematically sought and which results from the process is 10% at most.
These conditions of use are satisfactory for the usual steels and lead to (the walls of pipes whose thickness may be less than 1/4 of that of ordinary welded pipes made with the same grade of steel.
Another method based on the systematic increase of the elastic limit of the metal by cold work hardening consists in the technique known as overpressed pipes.
According to this process, described in French patent N 831867, the pipe, once constructed, is placed in a cylindrical mold in two or more pieces, of the same shape (read the pipe, but (the internal dimensions greater than those of said pipe. subjects it, according to the self-shrinking pipe process, to an increasing hydraulic pressure <B> (PLU </B> causes its expansion until its outer wall comes into contact with the mold, exceeding its limit corresponding elastic.
This process of pressurized pipes allows, like the precedent of self-fretted pipes, a better use of the metal in a however different form and, consequently, a reduction in the weight of metal compared to ordinary pipes.
In practice, the mold in which the overpressing takes place has a diameter difference of 2 to 5% with the treated pipe, therefore allowing a great elongation and a significant increase in the elastic limit. In this case, unlike the previous method, the increase (the elastic limit is systematically sought. In practice, it is increased by 20 to 40%.
We have also combined the advantages (these two processes by constituting (self-fretted overpressed pipes constructed according to the usual technique of self-fretted pipes, but whose wall pipe is no longer made of an ordinary welded pipe, but of a pre-cold-worked pipe, using the pressurized pipe technique.This is done in two operations: First, a pressurized pipe is built and then autofrettage is carried out after having fitted the necessary hoops on the pipe wall previously overpressed (see La Houille Blanche 1949, N 3).
If these methods give good results and have therefore received numerous and important applications, it will be observed, however, that they do not exhaust the possibilities of resistance of the metal. Particularly with the steel grades currently produced by forges, the elongation capacity of the pipe turns out to be much greater than that of cold autofrettage and mold overpressing.
The object of the invention is a method which makes it possible to obtain hooped pipes with prior work hardening of the wall in which the elongation can reach the maximum elongate before. necking, either for grades (ordinary semi-hard steel with C or Cr-C ", there is a risk of about 10%, corresponding to, an increase (the elastic limit of about 70%).
This process is characterized in that a clearance of 5 to 10% of the external diameter of the hollow body is initially provided between the hoops and the wall, and in that the expansion of the hollow body is caused, with permanent cold deformation of its wall, first on the wall alone of said hollow body,
then simultaneously on the wall and on the hoops then contiguous against said wall. The frets used may be similar to those commonly used for auto-frettage; but, instead of being provided with the minimum clearance necessary to. their assembly, they are provided with a significantly greater clearance and determined so that it allows the maximum elongation of the wall which has been fixed beforehand.
In this process, it is the raised frets with a much greater play, which play at the start of the expansion (the hollow body plays the role of mold (overpressing. It is only after overpressing, when the contact with the hoops is ensured, that the proper elongation of the hoops occurs, therefore after the tube wall has taken its previous elongation no table, to limit and perfect eelui-ei.
Thus, the cold autofrettage is applied to a pipe previously subjected to overpressing, this pipe thus benefiting from the advantages of both. This process makes it possible to give the metal a work hardening more important than that of overpressing or of simple autofrettage, supplementing the overpressable by the safety due to the frets. Conversely for the same conditions of use, it allows better use of the metal, therefore (reducing its weight and its price.
According to one form of implementation of the invention, the autofrettage and the overpressing are carried out in a single operation, making it possible to apply these two methods simultaneously, without overpressing tooling. This application not only makes it possible to combine the advantages of lurr and the other process, but also to multiply them one by the other by finding more than they could. do so individually the elastic limit of use resulting ciu greater prior hardening.
The process is preferably carried out by means of rigid hoops. These hoops, with an inner diameter of 5 to 10% greater than the outer diameter of the pipe, have a cross section substantially equivalent to the section of the wall along a longitudinal diametral plane. They are regularly spaced on this pipe. The whole of the pipe and the hoops is, for example, placed between the plates of a hydraulic test press.
After making suitable seals at both ends, the pipe is gradually put under pressure, preferably until it reaches and even exceeds double the operating pressure at the location of the penstock at which it is installed. is intended, that is to say for the static pressure increased by the maximum overpressure that it is called upon to withstand.
Under the effect. pressure, the wall first extends freely. up to 5 to 10 / o of its diameter. Then this wall is pressed against the rigid hoops and determines therein tensions such that once the operation is completed and. pressure reduced to zero, the frets are still tight and ensure. permanent tightening of the wall. This deformation of the hoops is an elastic deformation of a few thousandths of the diameter.
Instead of rigid hoops, it is also possible to use flexible hoops made up of slings made of wires, cabled or thin bands which are wound around a pipe for example, in successive layers forming flexible rings, initially leaving between the rings and the wall a clearance of 5 to 1.0 # '/ o of the outside diameter of the pipe. The power-on process is the same as before.
<I> Example: </I> One proposes to make according to the invention -He pipe both overpressed and cold self-fretted with an internal diameter of 1,600 and intended to withstand an operating pressure of <B > 1220 kg </B> per The wall pipe made of welded 54 kg Cr-Cu grade steel sheets having for characteristics
EMI0003.0032
Resistance <SEP> to. <SEP> the <SEP> breaks <SEP> 54kg / inm2
<tb> Elastic <SEP> limit <SEP> @_ <SEP> 34 <SEP> kg / mm =
<tb> Elongation <SEP> of <SEP> rupture <SEP> 20 <SEP>% of 18 mm thickness is prepared to be able to receive an elongation of 7% with an initial internal diameter of 1,500 m.
On this pipe, a succession of hoops having:
EMI0004.0002
Inside diameter <SEP> <SEP> 1 <SEP> m <SEP> 636
<tb> Width <SEP> 80 <SEP> mu
<tb> Thickness <SEP> 30 <SEP> mm in Cr-No grade steel at 115 kg having for characteristics
EMI0004.0003
Resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> rupture <SEP> @_ <SEP> 115 <SEP> kgimrrr <B> 2 </B>
<tb> Elastic <SEP> limit <SEP> 95 <SEP> kgimrr12
<tb> Elongation <SEP> of <SEP> rupture <SEP> 61 / o The element thus prepared is placed, as indicated, between the plates of a hydraulic test press and subjected to an internal pressure of 240 likg / cm2.
During the gradual application of this pressure, the pipe inflates, comes into contact with the hoops, then tightens them elastically. The total swelling of the pipe reaches 7%. By reducing the pressure to zero, the wall of the pipe retaining its deformation, with a final internal diameter of 1 m 605, is compressed by the hoops which remain taut.
The pipe, because of its work hardening, is capable of withstanding, including the hoops, a pressure of 120 kg per Cm2 with a theoretical safety factor of 2.5. With the same safety coefficient, the simply self-fretted hose can withstand a pressure of 104 kg per cm2. The corresponding saving of metal is 15%.
Under the same conditions, a pipe simply overpressed to 7% and of the same thickness as the pipe in question, hoops included, is capable of withstanding a pressure of 89 kg / cnm2. The corresponding metal saving is 35% 0.