Tendances de la production de tubes hydrauliques en période de pénurie, partie II

Wynn Kearns, Indiana Tube Corp.

Note de l'éditeur : Cet article est le deuxième d'une série en deux parties sur le marché et la production de conduites de transport de fluides de petit diamètre pour les applications haute pression. La partie I a traité de l'état de l'offre intérieure de produits conventionnels pour ces applications, qui est rare. La partie II traite de deux produits non conventionnels pour ce marché.

Deux types de tubes hydrauliques soudés spécifiés par la Society of Automotive Engineers - SAE-J525 et SAE-J356A - partagent une origine commune, tout comme leurs spécifications écrites. La bande d'acier plate est fendue sur la largeur et formée en un tube par profilage. Une fois les bords de la bande polis par un outillage à rouleaux à ailettes, le tube est chauffé par soudage par résistance électrique à haute fréquence et forgé entre des rouleaux de pression pour réaliser le cordon de soudure. Après soudage, la bavure OD est retirée par un outil fixe, généralement en carbure de tungstène. Le flash d'identification est retiré par un outil fixe ou contrôlé à une hauteur maximale conçue.

Cette description du processus de soudage est générique et de nombreuses petites différences de processus existent dans la fabrication réelle (voir la figure 1). Néanmoins, les deux ont de nombreuses caractéristiques mécaniques en commun.

Les défaillances des tubes, et les modes de défaillance en général, peuvent être classés en charges de traction ou en charges de compression. Dans la plupart des matériaux, la rupture en traction se produit à une valeur de contrainte inférieure à celle en compression. Autrement dit, la plupart des matériaux sont beaucoup plus résistants à la compression qu'à la tension. Le béton en est un exemple. Il est assez fort en compression, mais à moins qu'il ne soit coulé avec un réseau interne de barres d'armature (barres d'armature), il se détache assez facilement. Pour cette raison, l'acier est testé sous charge de traction pour déterminer sa résistance à la traction ultime (UTS). Les trois spécifications de tubes hydrauliques ont une exigence similaire : un UTS de 310 MPa (45 000 PSI).

Étant donné que les tubes de pression nécessitent une capacité à résister à la pression hydraulique, un calcul séparé et un test destructif, un test d'éclatement, peuvent être nécessaires. Un calcul peut déterminer la pression d'éclatement ultime théorique, qui prend en compte l'épaisseur de paroi, l'UTS du matériau et le diamètre extérieur. Puisque le tube J525 et le tube J356A peuvent avoir la même dimension, la seule variable est l'UTS. Fournissant une valeur de traction commune, 50 000 PSI, la pression d'éclatement prévue sur 0,500 x 0,049 pouces. le tube est le même pour les deux produits : 10 908 PSI.

Bien que les calculs prédisent des résultats identiques, une différence dans l'application pratique concerne l'épaisseur réelle de la paroi. Sur J356A, l'éclair de soudure ID est contrôlé à une dimension maximale, basée sur le diamètre du tube, comme indiqué dans la spécification. Pour le J525, un produit dont la bavure a été retirée, le processus de découpage par bavure réduit souvent intentionnellement le diamètre intérieur d'environ 0,002 pouce, ce qui entraîne un amincissement localisé de la paroi au niveau de la zone de soudure. Bien que l'épaisseur de paroi soit complétée par un travail à froid ultérieur, la contrainte résiduelle et l'orientation du grain peuvent différer du matériau de base, et l'épaisseur de paroi peut être légèrement plus mince qu'un tube comparable spécifié comme J356A.

Cela peut en fait créer un scénario de pression d'éclatement plus faible pour J525 par rapport à J356A.

Selon l'utilisation finale du tube, le flash ID doit être retiré ou aplati (ou lissé) pour éliminer le chemin de fuite potentiel, principalement pour une forme d'extrémité évasée à paroi unique. Bien qu'il soit communément admis que J525 a une ID lisse et n'a donc aucun potentiel de fuite, il s'agit d'une idée fausse. Un tube J525 peut développer des stries d'identification à cause d'un mauvais travail à froid, entraînant un chemin de fuite au niveau de la connexion.

L'élimination des bavures commence par cisailler (ou érafler) le cordon de soudure de la paroi ID. L'outil de décriquage, qui est fixé à un mandrin soutenu par des rouleaux, se trouve à l'intérieur du tube juste après le poste de soudage. Pendant que l'outil de décriquage enlève le cordon de soudure, les rouleaux roulent par inadvertance sur des morceaux de projections de soudure, les forçant dans la surface de l'ID du tube (voir Figure 2). Ceci est un problème pour les tubes légèrement traités tels que les tubes biseautés ou aiguisés.

Retirer le flash de l'intérieur du tube n'est pas facile. Le processus de décriquage transforme le flash en une longue longueur emmêlée d'acier tranchant comme un rasoir. Bien que sa suppression soit une exigence, la suppression est généralement un processus manuel et imparfait. Des longueurs de tube contenant des brins d'écharpe quittent occasionnellement les locaux du fabricant de tubes et sont expédiées au client.

FIGURE 1. Le matériau SAE-J525 est produit par lots, une entreprise à forte intensité de capital et de main-d'œuvre. Un produit de tube similaire, fabriqué selon SAE-J356A, est entièrement traité sur un laminoir à tubes équipé d'un recuit en ligne, c'est donc un processus beaucoup plus efficace.

Pour les tubes plus petits, tels que les conduites de fluide d'un diamètre inférieur à 20 mm, l'élimination de la bavure ID n'est généralement pas très importante car ces diamètres n'ont pas d'étapes de finition ID supplémentaires. La seule mise en garde est que l'utilisateur final doit simplement déterminer si la hauteur de contrôle du flash convenue créera un problème.

Les meilleures pratiques pour le contrôle du flash d'identification commencent par des pratiques précises de conditionnement, de refendage et de soudage des bandes. En fait, les caractéristiques de la matière première pour le J356A doivent être plus strictes que pour le J525 car le J356A est plus restrictif en termes de taille de grain, d'inclusions d'oxyde et d'autres paramètres de fabrication de l'acier en raison du processus de dimensionnement à froid impliqué.

Enfin, le décriquage ID nécessite généralement un liquide de refroidissement. La plupart des systèmes utilisent le même liquide de refroidissement que pour l'outillage des rouleaux, mais cela peut être problématique. Malgré le filtrage et l'écrémage, le liquide de refroidissement du broyeur ne contient généralement pas une petite quantité de fines métalliques, de graisses et d'huiles étrangères et d'autres contaminants. Par conséquent, le tube J525 nécessite un cycle de lavage dans un bain alcalin chaud ou une autre étape de nettoyage équivalente.

Les condenseurs, les systèmes automobiles et d'autres systèmes de ce type nécessitent des tubes propres et un nettoyage suffisant peut être effectué sur le broyeur. J356A sort du broyeur avec un ID propre, une teneur en humidité contrôlée et un résidu minimal. Enfin, il est courant de charger chaque tube avec un gaz inerte pour éviter la corrosion et sceller l'extrémité avant expédition.

Le tube J525 est normalisé après le soudage, qui est suivi d'une opération de travail à froid (étirage). Après le travail à froid, le tube est à nouveau normalisé pour répondre à toutes les exigences de propriétés mécaniques.

Les étapes de normalisation, d'étirage et de deuxième normalisation nécessitent le transport du tube vers le four, le banc d'étirage et à nouveau le four. Ces étapes impliquent d'autres sous-étapes distinctes, telles que le pointage (avant l'étirage), le décapage et le redressage, selon les spécificités de l'opération. Ces étapes sont coûteuses, engloutissant des ressources incalculables en temps, en travail et en argent. Un tube étiré à froid est associé à une perte de rebut de 20 % dans la production.

Le tube J356A subit une étape de normalisation après le soudage alors qu'il est encore sur le broyeur. Le tube ne touche pas le sol, passant de l'étape de formage initiale au tube fini en une série ininterrompue d'étapes sur le broyeur. Un tube brut de soudage comme le J356A est associé à une perte de rebut de 10 % en production. Toutes choses étant égales par ailleurs, cela signifie que le tube J356A peut être produit à un coût inférieur à celui du J525.

Bien que les deux produits fonctionnent de manière similaire, ils ne sont pas identiques d'un point de vue métallurgique.

L'étirage à froid des tubes J525 nécessite un prétraitement de normalisation deux fois, après soudage et après étirage. Les températures de normalisation (1 650 °F ou 900 °C) conduisent à des oxydes de surface, qui sont généralement éliminés après recuit par un acide minéral, généralement de l'acide sulfurique ou de l'acide chlorhydrique. Le décapage à l'acide a un impact environnemental important en termes d'émissions atmosphériques et de flux de déchets riches en métaux.

En outre, la normalisation des températures dans l'atmosphère réductrice d'un four à sole à rouleaux peut épuiser le carbone à la surface de l'acier. Ce processus, la décarburation, laisse derrière lui une couche de surface qui a une résistance bien inférieure à celle du matériau d'origine (voir Figure 3). Cela peut être particulièrement critique pour les tubes à paroi mince. Si l'épaisseur de paroi est de 0,030 pouce, même une légère couche de décarburation à 0,003 pouce d'épaisseur réduit la paroi effective de 10 %. Ce tube affaibli peut tomber en panne en service à cause de la charge ou des vibrations.

FIGURE 2. L'outil de décriquage du diamètre intérieur (non illustré) est soutenu par des rouleaux qui roulent le long du diamètre intérieur du tube. Une bonne conception des rouleaux réduit la quantité de projections de soudure enroulées dans la paroi du tube. Nelson Tool Corp.

Les tubes J356 sont traités par lots, ce qui nécessite un recuit dans des fours à rouleaux, mais cela ne s'arrête pas là. Une variante, J356A, est entièrement traitée sur un broyeur utilisant l'induction en ligne, qui est un processus de chauffage beaucoup plus rapide que pour un four à sole à rouleaux. Cela réduit le temps de recuit, ce qui réduit la fenêtre d'opportunité pour la décarburation de quelques minutes (voire heures) à quelques secondes. Cela fournit au J356A un recuit uniforme, sans oxydes ni croûte de décarburation.

Les tubes conçus pour être utilisés dans les conduites hydrauliques doivent être suffisamment ductiles pour le cintrage, l'évasement et le formage requis. La flexion est nécessaire pour amener le fluide hydraulique du point A au point B, à travers une variété de rebondissements en cours de route, tandis que l'évasement est la clé pour fournir une méthode pour établir une connexion d'extrémité.

Dans un scénario de poule et d'œuf, un tube étiré - qui a donc un ID lisse - a été développé pour les connexions évasées à paroi unique, ou peut-être l'inverse s'est-il produit. Dans ce style de connexion, la surface intérieure du tube se scelle contre un siège sur un raccord mâle. Pour réaliser un joint métal sur métal étanche, la finition de surface du tube doit être aussi lisse que possible. Ce raccord est né dans les années 1920 pour être utilisé dans la division aérienne naissante de l'armée américaine, l'Air Corps. Le raccord est devenu plus tard l'évasement standard à 37 degrés couramment utilisé aujourd'hui.

D'autres torches fonctionnent dans de nombreuses situations, telles que les torches à bulles et à double paroi (voir la figure 4).

Depuis le début de la période COVID-19, l'offre de tubes étirés avec un ID lisse a considérablement diminué. Le matériel disponible a tendance à avoir des délais de livraison beaucoup plus longs que par le passé. Ce changement dans la chaîne d'approvisionnement peut être résolu en réorganisant la connexion d'extrémité. Par exemple, une demande de devis qui demande un évasement à paroi simple et spécifie J525 est un candidat pour un substitut, un évasement à double paroi. Cette connexion d'extrémité peut utiliser n'importe quel type de tube hydraulique. Cela ouvre la porte de l'opportunité d'utiliser J356A.

En plus des raccords de type évasé, le joint torique (voir Figure 5) est couramment utilisé, en particulier pour les systèmes haute pression. Non seulement ce type de connexion a tendance à moins fuir qu'un évasement à paroi simple car il utilise un joint en élastomère, mais il est plus polyvalent : il peut être formé aux extrémités de n'importe quel type de tube hydraulique courant. Cela permet aux fabricants de tubes d'avoir un choix de chaîne d'approvisionnement plus large et une meilleure économie à long terme.

L'histoire de l'industrie regorge d'exemples de produits conventionnels qui s'implantent si profondément qu'ils développent une dynamique qui rend difficile le changement de direction du marché. Un produit concurrent, même s'il est nettement moins cher et qu'il est démontré qu'il répond à toutes les exigences du produit d'origine, peut avoir du mal à s'implanter sur le marché s'il est considéré avec méfiance. C'est souvent le cas lorsqu'un agent d'achat ou un ingénieur de spécification envisage un substitut non conventionnel à un produit en place. Peu veulent prendre un risque perçu.

Dans certains cas, un changement peut être non seulement justifié, mais nécessaire. La pandémie de COVID-19 a provoqué un changement inattendu dans la disponibilité de certains types et tailles de tubes en vrac pour les conduites de fluides en acier. Les domaines de produits concernés sont les applications de fabrication de tubes pour l'automobile, les appareils électroménagers, les équipements lourds et tous les autres qui utilisent des conduites à haute pression, en particulier pour l'énergie hydraulique.

Cette lacune peut être comblée, peut-être à un coût total inférieur, en envisageant des types de tubes en acier établis mais de niche. Pour sélectionner le bon produit pour l'application, quelques recherches sont nécessaires pour déterminer la compatibilité des fluides, la pression de fonctionnement, la charge mécanique et le type de connexion.

Un examen attentif des spécifications montre que J356A peut être un véritable équivalent J525. Il est disponible à moindre coût grâce à une chaîne d'approvisionnement éprouvée malgré la pandémie. Si le traitement des problèmes de forme finale est moins éprouvant que l'achat de J525, cela pourrait aider les équipementiers à résoudre les défis logistiques à l'ère du COVID-19 et à l'avenir.