CH643930A5 - Element tubulaire en fonte a graphite spheroidal. - Google Patents

Description

La présente invention est relative à un élément tubulaire en fonte à graphite sphéroïdal, obtenu par coulée centrifuge.

On sait que les tuyaux et objets tubulaires en acier, en aluminium ou en matière plastique, qui sont des matières réputées déformables et forgeables, sont parfois munis d'ondulations ou saillies circulaires pour certaines applications, par exemple en vue d'une rigidification lorsqu'ils ont un grand diamètre et une faible épaisseur par rapport au diamètre, afin de résister à l'écrasement lorsqu'ils sont enterrés, ou encore en vue de réaliser des assemblages tubulaires où une saillie ou ondulation doit jouer un rôle, par exemple d'appui pour une pièce de verrouillage de l'assemblage ou d'ancrage pour une garniture d'étanchéité.

Ces saillies circulaires sont obtenues par déformation ou for-geage de ces matériaux, qui possèdent des caractéristiques d'allongement favorables à un tel travail, et font ainsi partie intégrante de la paroi de l'objet tubulaire.

Jusqu'à ce jour, on n'a pas réussi à obtenir des saillies ondulées satisfaisantes sur la paroi des tuyaux ou pièces tubulaires en fonte ductile car, en transposant les techniques connues pour les tubes en acier, en aluminium ou en matière plastique, les tentatives de déformation se soldaient par des fissures et des ruptures dès que la proéminence commençait à s'accentuer. En particulier, on n'a pas pu obtenir sur des tuyaux en fonte ductile des saillies en forme de plis circulaires plus ou moins aplatis ou bien à profil triangulaire ou trapézoïdal dont les angles ont des arêtes relativement vives, ou encore à profil en arceau ou feston ou demi-lune, de faible proéminence, mais à raccordement à arête vive avec la paroi cylindrique, profils qui se rencontrent couramment sous forme de plis ou gorges circulaires dans les tubes précités en matériaux à fort allongement.

L'invention a pour but de fournir un élément tubulaire en fonte ductile possédant des saillies circulaires suffisamment proéminentes pour les fonctions définies plus haut, cela malgré l'allongement sensiblement inférieur de ce matériau par rapport aux matériaux précités.

A cet effet, l'invention a pour objet un élément tubulaire en fonte à graphite sphéroïdal, caractérisé en ce qu'il présente sur sa paroi cylindrique au moins une saillie circulaire ondulée de même épaisseur que cette paroi, cette saillie circulaire ayant un profil méridien en forme de triangle isocèle d'angle au sommet obtus et de sommet arrondi, ce triangle étant raccordé à la paroi cylindrique par de larges arrondis dont le rayon est plusieurs fois supérieur à l'épaisseur de ladite paroi.

On a constaté que, de façon surprenante, on pouvait obtenir avec un tel profil des saillies circulaires en forte proéminence par rapport à la paroi cylindrique sans la moindre fissure ni rupture, et tout en conservant le graphite sous forme sphéroïdale dans la partie déformée. Dans un profil particulièrement approprié qui a été obtenu, la saillie a une hauteur plusieurs fois supérieure à son épaisseur et comprise entre un douzième et un septième du diamètre extérieur de ladite paroi cylindrique, et une longueur nettement supérieure à cette hauteur.

L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un tel élément. Suivant ce procédé, après centrifugation et refroidissement de l'élément coulé par centrifugation, et après sa solidification complète, on chauffe localement une zone circulaire du tuyau sur laquelle doit être réalisée la saillie circulaire ondulée, jusqu'à la température de ramollissement de la fonte ductile, puis l'on comprime axialement le tuyau, la poussée axiale étant stoppée lorsque le plissement circulaire obtenu dans la zone chauffée a atteint le profil défini ci-dessus, après quoi on laisse se refroidir la zone annulaire précédemment chauffée et plissée.

Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple:

le fig. 1 est une vue en élévation et en coupe axiale, à petite échelle, d'un élément en fonte ductile selon l'invention, cette vue illustrant également le procédé de forgeage de ce tuyau;

la fig. 2 est une vue partielle en coupe axiale, à plus grande échelle, de la partie d'extrémité du tuyau de la fig. 1;

la fig. 3 est une micrographie au grossissement 500 de la fonte ductile dans une partie non déformée de la paroi cylindrique du tuyau;

la fig. 4 est une micrographie analogue, au grossissement 500, de la fonte dans une région située près du bord extérieur de la saillie ou partie déformée;

la fig. 5 est une micrographie, également au grossissement 500, de la fonte dans une région située près du bord intérieur de la partie déformée;

la fig. 6 est une micrographie au grossissement 100 de la fonte au bord intérieur du sommet de l'onde obtenue;

la fig. 7 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un assemblage étanche et verrouillé entre deux éléments dont l'un, suivant l'invention, comporte une saillie;

la fig. 8 est une vue schématique en élévation à la même échelle que la fig. 1 d'un autre tuyau en fonte ductile suivant l'invention.

Le tuyau 1 représenté à la fig. 1 est un tuyau en fonte à graphite sphéroïdal d'axe X-X réalisé par centrifugation. Il comporte un fût tubulaire cylindrique 2 de grande longueur se terminant d'un côté par un bout mâle cylindrique 3 et se transformant de l'autre côté en une tulipe ou un embêtement 4. L'emboîtement 4 comporte intérieurement, à partir de son entrée, une chambre 5 à paroi tronconique 6 suivie d'une collerette radiale 7. Cette dernière est adaptée pour recevoir le bout mâle 3 d'un autre tuyau identique pour constituer un joint étanche. Extérieurement, l'emboîtement 4 présente à son entrée un relief circulaire 8 venu de moulage. La conformation de l'emboî5

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tement 4 dépend du type de joint choisi; on en verra plus loin un exemple. L'allongement après rupture du tuyau 1, mesuré sur une éprouvette de longueur égale à cinq fois le diamètre, est de 12%.

Le tuyau 1 est pourvu d'une unique saillie circulaire extérieure 9 sur la paroi du fût 2, au voisinage du bout uni 3. Cette saillie 9, obtenue par un procédé de forgeage à chaud décrit plus loin, est dépourvue de fissutation et de contrainte de traction; sa structure métallurgique et son épaisseur sont les mêmes que celles du reste du fût 2. La forme de la saillie 9, qui est de révolution autour de l'axe X-X, est la suivante:

La saillie circulaire 9 (fig. 2) a un profil méridien en forme de triangle isocèle à sommet 10 arrondi à angle au sommet x obtus; sa hauteur h est plusieurs fois supérieure à l'épaisseur e du tuyau et de l'ordre de Vi à Vii du diamètre extérieur d du fût 2. Par exemple, h = d/10. La base du triangle isocèle formé par la saillie 9 a une longueur 1 nettement supérieure à sa hauteur h, bien que cette longueur 1 soit difficile à mesurer avec précision en raison du manque de netteté des deux transitions arrondies 11 entre la saillie 9 et le fût 2. En effet, la saillie 9 est raccordée à la paroi cylindrique par des arrondis 11 dont le rayon de courbure minimal R est plusieurs fois supérieur à l'épaisseur e et en tout cas sensiblement supérieur à la hauteur h de la saillie 9, alors que le rayon de courbure extérieur r du sommet 10 est plus petit, de l'ordre de deux à cinq fois l'épaisseur e. L'épaisseur e de la saillie 9 est la même que celle de la partie courante 2. Il n'y a donc pas d'amincissement. La saillie 9 a un profil méridien en forme d'onde et peut donc être considérée comme un relief ondulé.

A titre d'exemple, pour un diamètre extérieur d de 170 mm et une épaisseur e de l'ordre de 6 mm, la hauteur h peut être de l'ordre de 15 mm (h/d~ 11), la longueur 1 de l'ordre de 60 mm à 90 mm suivant les limites de mesure, mal définies, et l'angle x de l'ordre de 100°. Dans un autre exemple, pour un diamètre extérieur d égal à 634 mm et une épaisseur e de l'ordre de 12 mm, la hauteur h est de l'ordre de 30 mm, la longueur 1 de l'ordre de 170 mm et l'angle x de l'ordre de 115°. On remarque que le rapport h/d est alors égal à environ Vzi, c'est-à-dire n'est pas situé dans les limites indiquées plus haut.

La saillie 9 est située à une distance m de la tranche d'extrémité du bout mâle 3 qui est très supérieure à la longueur 1, mais si l'on considère cette longueur m par rapport à la longueur totale du tuyau 1, cette distance m est telle que la saillie 9 se trouve au voisinage de l'extrémité du bout mâle 3.

La saillie 9 est obtenue par un procédé de forgeage qui va maintenant être décrit en regard de la fig. 1.

Le tuyau 1 étant froid, on le place sur des supports non représentés entre les plateaux PI et P2 d'une presse et au travers d'un manchon de chauffage M dont le diamètre intérieur est nettement supérieur au diamètre extérieur du tuyau 1 et dont la longueur est légèrement supérieure à la longueur 1 de la saillie 9 à obtenir. Le plateau PI est fixe, tandis que le plateau P2 est mobile axialement dans le sens f à partir de la position indiquée en traits mixtes à la fig. 1.

Le manchon M est chauffé par exemple par un inducteur alimenté par des câbles électriques C. Il pourrait également, en variante, être pourvu d'un brûleur annulaire ou de plusieurs brûleurs répartis circulairement. L'essentiel est que le manchon M puisse chauffer le tuyau 1 jusqu'au ramollissement dans une zone bien localisée correspondant à la saillie 9, en laissant froides sans les chauffer les zones voisines du fût 2.

Lorsque la température souhaitée est atteinte, le plateau de presse mobile P2 est rapproché du plateau fixe PI, de manière à exercer une poussée axiale dirigée suivant l'axe X-X. De la position initialement représentée en trait mixtes, le plateau P2 atteint la position représentée en trait plein provoquant par refoulement un plissement circulaire régulier de la paroi du tuyau 1. Ce plissement a un profil méridien en triangle isocèle et est bien entendu accompagné d'un raccourcissement du tuyau 1 par rapport à sa longueur initiale à la sortie de la machine à centrifuger (non représentée). On arrête le déplacement du plateau P2 lorsque la saillie 9 a une amplitude h suffisante mais non excessive, et que l'on a obtenu un sommet 10 suffisamment arrondi pour que son angle x reste obtus. Le profil décrit plus haut permet d'éviter toute fissuration par flexion. Ensuite, on laisse refroidir progressivement la zone qui vient d'être ainsi formée, par exemple par simple arrêt du chauffage, de manière à conserver pour la saillie 9 la même structure de fonte que pour les parties voisines du fût 2 et du bout mâle 3.

Le procédé ci-dessus conserve pratiquement intacte la structure à graphite sphéroïdal de la fonte ductile du tuyau moulé par centrifugation; cette structure sphéroïdale du graphite est illustrée à la micrographie de la fig. 3, qui est prise dans une région non déformée de la paroi cylindrique 2 (point A de la fig. 2).

Les fig. 4 et 5 illustrent au même grossissement les structures de la partie déformée ou saillie 9; en ce qui concerne une région proche du bord extérieur de la saillie 9, dans la partie courante de celle-ci (point B de la fig. 2), on constate que la plus grande partie du graphite libre a conservé la forme de nodules sphéroïdaux.

A la fig. 5, on voit la structure d'une région proche du bord intérieur de la partie courante de la saillie 9 (point B' de la fig. 2), où le graphite libre a également conservé la forme de nodules sphéroïdaux, pour la grande majorité des nodules. Tout au plus, constate-t-on un léger allongement des nodules sous la forme d'ellipsoïdes dont le grand axe est perpendiculaire à la contrainte de compression.

A la fig. 6, on reconnaît également la structure à graphite sphéroïdal au sommet de la saillie 9, près du bord intérieur (point D de la fig. 2).

De plus, aucune déchirure n'a été constatée sur la saillie 9.

Afin d'illustrer une application de cette saillie 9, la fig. 7 montre en coupe un joint verrouillé entre le bout mâle 3 d'un tuyau 1 et l'emboîtement 4 d'un autre tuyau 1. Cet assemblage est du type connu sous la marque Express et décrit dans le brevet FR N° 1403830. Dans la chambre intérieure 5 de l'emboîtement 4 est logée une garniture d'êtanchéité annulaire 12 en caoutchouc ou autre matériau élastique, de forme extérieure conjuguée et de forme intérieure cylindrique.

Le bout mâle 3 du tuyau 1 est introduit librement dans la chambre 5, à travers la garniture 12 et la collerette 7, jusqu'à ce que la saillie 9 soit située tout près de l'entrée de l'emboîtement 4. Sur la saillie 9 prend appui une contrebride 13 à jupe d'appui annulaire 14. La contrebride 13 est complétée par une bague de compression tron-conique 15 appuyée contre un épaulement circulaire interne 16 de la contrebride 13 qui fait face à la tranche d'extrémité de l'emboîtement 4. La contrebride 13 est serrée axialement vers l'emboîtement 4 par des boulons 17 répartis sur le pourtour de la contrebride et prenant appui sur le relief extérieur 8 de l'emboîtement 4. La saillie circulaire 9 est logée dans l'espace triangulaire délimité entre la jupe 14 et la bague 15.

Ainsi, la garniture d'êtanchéité 12 est serrée ou comprimée par la bague 15 à la fois sur le bout mâle 3 du premier tuyau 1, contre la paroi tronconique 6 de son logement 5 et contre la collerette intérieure 7, cependant que l'assemblage étanche ainsi constitué entre les deux tuyaux est verrouillé axialement par la combinaison de la contrebride 13 et de la saillie 9.

Le tuyau la représenté à la fig. 8 se différencie du tuyau 1 de la fig. 1 par le fait qu'il est pourvu d'un certain nombre de saillies ou d'ondulations 9 régulièrement réparties tout le long de son fût 2a, avec des intervalles non ondulés 18 ménagés entre les saillies 9. Ce tuyau la s'obtient en forgeant successivement les saillies 9 suivant le même procédé que pour la saillie unique de la fig. 1.

Il en résulte bien entendu un raccourcissement sensible de la longueur du tuyau la par rapport à la longueur d'origine du tuyau sortant de la machine à centrifuger.

Le tuyau la présente l'avantage de posséder une rigidité accrue malgré sa faible épaisseur. Bien que l'on ait illustré un tel tuyau la avec le même diamètre que celui du tuyau 1, qui est un petit ou un moyen diamètre, cet avantage est particulièrement appréciable pour des tuyaux de gros diamètre, par exemple au moins égal à 700 mm et

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pouvant aller actuellement jusqu'à 2 m. Il est d'ailleurs à noter que la présence d'une seule saillie circulaire 9 au voisinage du bout mâle 3, comme sur le tuyau 1 des fig. 1 et 2, est également avantageuse car elle évite l'ovalisation du bout mâle 3 en rigidifiant celui-ci.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux tuyaux à emboîtement. Elle est applicable également à des raccords tubulaires coudés, en T, en Y (culottes) ou en forme de simple manchon, que ces éléments possèdent ou non un emboîtement.

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3 feuilles dessins

Claims (7)

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1. Elément tubulaire en fonte à graphite sphéroïdal, caractérisé en ce qu'il présente sur sa paroi cylindrique (2) au moins une saillie circulaire ondulée (9) de même épaisseur (e) que la paroi, la saillie circulaire ayant un profil méridien en forme de triangle isocèle d'angle au sommet obtus (x) et de sommet arrondi (10), ce triangle étant raccordé à la paroi cylindrique par des arrondis (11) dont le rayon (R) est plusieurs fois supérieur à l'épaisseur (e) de la paroi (2).

2. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la saillie (9) a une hauteur (h) plusieurs fois supérieure à son épaisseur (e) et comprise entre un douzième et un septième du diamètre extérieur (d) de la paroi cylindrique (2), et une longueur (1) supérieure à cette hauteur (h).

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REVENDICATIONS

3. Elément suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle au sommet (x) de la saillie (9) est de l'ordre de 100°.

4. Elément suivant l'une des revendications 1 à 3, du type à emboîtement, caractérisé en ce qu'il présente une saillie circulaire (9) unique situé au voisinage de son extrémité mâle (3).

5. Elément suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente une série de saillies circulaires (9) réparties sur toute la longueur de sa paroi cylindrique (2a).

6. Elément suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure métallique de la ou de chaque saillie circulaire (9) est semblable à celle de la paroi cylindrique (2).

7. Procédé de fabrication d'un élément suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, après centrifugation et refroidissement de l'élément coulé par centrifugation, et après sa solidification complète, on chauffe localement une zone circulaire de l'élément sur laquelle doit être réalisée la saillie circulaire ondulée, jusqu'à la température de ramollissement de la fonte ductile, puis l'on comprime axialement l'élément, la poussée axiale étant arrêtée lorsque le plissement circulaire obtenu dans la zone chauffée a atteint le profil désiré, après quoi on laisse se refroidir la zone annulaire précédemment chauffée et plissée.