Réduire la fatigue du métal dans les systèmes de découpe au jet d’eau abrasif

8 mars 2010 par le Dr Olsen

Pourquoi une section de tube à ultra-haute pression évaluée à 6 200 Bar ou même 10 300 Bar présente t'elle un défaut, alors que la pression la plus élevée qu’elle ait jamais connue peut être beaucoup plus basse ? 

Y a-t-il quelque chose qui ne va pas avec le matériau ?  Y a-t-il quelque chose qui ne va pas avec la conception ? Y a-t-il quelque chose qui ne va pas avec les calculs ? 

La réponse n’est rien de ce qui précède.  Le problème est la fatigue du métal.

La fatigue est un terme utilisé pour décrire le mécanisme de défaillance des métaux soumis à une contrainte cyclique. Les contraintes cycliques provoquent la formation de très petites fissures, puis leur croissance jusqu’à ce que la grande fissure qui en résulte, affaiblisse tellement la structure qu’une défaillance soudaine se produit. C’est comme si le métal s’était fatigué et avait abandonné. Vous pouvez assister à un tel échec en quelques cycles seulement en pliant un trombone d’avant en arrière jusqu’à ce qu’il se brise.

Chaque fois qu’un composant sous pression dans un système à jet d’eau est pressurisé puis non pressurisé, il passe par un cycle de contrainte.  Si un composant à haute pression est soumis à sa pleine pression nominale et autorisé à rester à cette pression, sa durée de vie sera pratiquement infinie.  Cependant, si sa pression est répétée encore et encore, elle échouera très certainement. Le nombre de cycles requis pour la rupture est déterminé par la proximité de la contrainte cyclique par rapport à la résistance finale du matériau. Le diagramme S-N (Contrainte vs Nombre de cycles avant rupture) illustré ci-dessous illustre cela pour un acier typique.   Lorsque le niveau de contrainte pour chaque cycle est proche de la contrainte maximale nominale du matériau, le composant peut céder après seulement quelques milliers de cycles.  Cependant, à mesure que la contrainte cyclique diminue, le nombre moyen de cycles de contrainte admissibles avant la défaillance augmente considérablement.  En effet, si le niveau de contrainte cyclique est réduit à un niveau inférieur à ce que l’on appelle la limite d’endurance, les cycles de contrainte admissibles avant rupture dans les aciers deviennent pratiquement infinis et le problème de fatigue disparaît !

Diagramme S-N

Que pouvons-nous faire pour minimiser le problème de la fatigue ?  Une astuce utilisée par les fabricants de composants à ultra-haute pression est un processus de fabrication connu sous le nom d’autofrettage.  Cette technique a été développée à l’origine pour renforcer les gros canons sur les cuirassés (une application dans laquelle chaque coup tiré représente un cycle de stress et où une rupture de fatigue peut être particulièrement catastrophique !).  Selon cette technique, des contraintes de compression résiduelles sont intentionnellement créées dans la surface intérieure d’un cylindre creux (comme un cylindre de pompe ou une longueur de tube à ultra-haute pression).  Ces contraintes résiduelles ont pour effet de réduire la charge cyclique nette effective et d’augmenter ainsi le nombre de cycles de contrainte admissibles avant rupture.  Malheureusement, cette technique augmente également le coût de ces composants.  De plus, ce n’est pas vraiment pratique pour les formes complexes que l’on trouve dans des composants tels que les raccords, les vannes, les corps de buse, etc.

De loin, le moyen le plus efficace de réduire les contraintes dues à la fatigue et d'augmenter la durée de vie des composants consiste simplement à faire fonctionner le système à basse pression.  Comme on peut le voir sur la courbe S-N, une réduction de 30% de la contrainte cyclique peut augmenter le nombre admissible de cycles de contrainte d’un facteur 8 ou plus.  La principale raison pour laquelle la fatigue est devenue un tel problème dans les systèmes à jet d’eau à ultra-haute pression est que les utilisateurs veulent augmenter leur productivité et le font en augmentant les pressions de fonctionnement pour augmenter la puissance de la buse de coupe.  Cependant, comme je l’ai déjà mentionné, la puissance à la buse peut également être augmentée en augmentant simplement le débit. Avec un débit plus élevé, par opposition à une pression plus élevée, une puissance de coupe plus élevée peut toujours être obtenue sans l'inconvénient d'une durée de vie en fatigue réduite des composants.  Il en résulte des coûts de maintenance réduits et une plus grande fiabilité du système, ce qui signifie un fonctionnement plus rentable et moins de temps d’arrêt imprévus.  En effet, les temps d’arrêt inattendus sont la pire partie de la fatigue.  Ce beau diagramme S-N lisse est statistiquement correct et peut prédire avec précision les  cycles moyens jusqu'à la défaillance pour un grand panel de composants.  Cependant, pour un composant individuel, la moyenne n’a pas beaucoup de sens.  La moindre rayure ou imperfection dans un composant peut accélérer l’apparition des fissures et réduire la durée de vie, en dessous de la moyenne.  Vous pouvez être sûr que le composant finira par rompre à cause de la fatigue, mais vous ne savez jamais vraiment quand.  Cela peut vraiment gâcher votre calendrier de production.

Sinceres salutations

John Olsen

Référence

Elements of Material Science, deuxième édition par  Lawrence H. Van Vlack, publiée par Addison-Wesley Publishing Company en 1964