Tuyaux en acier :une introduction

L'histoire, la production et l'utilisation des tuyaux en acier

Les tuyaux en acier sont des tubes cylindriques en acier qui sont utilisés de nombreuses façons dans la fabrication et les infrastructures. Ils sont le produit le plus utilisé fabriqué par l'industrie sidérurgique. L'utilisation principale des tuyaux est le transport souterrain de liquide ou de gaz, y compris le pétrole, le gaz et l'eau. Cependant, des tuyaux de différentes tailles sont utilisés tout au long de la fabrication et de la construction. Un exemple courant de fabrication domestique est le tuyau en acier étroit qui alimente le système de refroidissement des réfrigérateurs. La construction utilise des tuyaux pour le chauffage et la plomberie. Les structures peuvent être construites à l'aide de tuyaux en acier de différentes tailles, tels que des mains courantes, des supports à vélos ou des bollards.

William Murdoch est considéré comme le pionnier des tuyaux en acier. En 1815, il joignit des canons de mousquets pour supporter un système de combustion de lampes à charbon. Murdoch a utilisé son système de tuyauterie innovant pour transporter le gaz de charbon vers les lampes dans les rues de Londres.

Depuis les années 1800, de grands progrès ont été réalisés dans la technologie des tubes en acier, notamment l'amélioration des méthodes de fabrication, le développement d'applications pour leur utilisation et l'établissement de réglementations et de normes régissant leur certification.

Comment les tuyaux en acier sont-ils fabriqués ?

De la fusion des matières premières au moulage ou au soudage, ce matériau de construction omniprésent est créé à travers deux processus principaux :

Convertir l'acier brut en une forme plus utilisable

Les deux processus doivent commencer par fabriquer de l'acier de bonne qualité. L'acier brut est produit par les fonderies grâce à un processus de fusion des matières premières dans un four. Pour obtenir la composition exacte, des éléments peuvent être ajoutés au métal fondu et les impuretés éliminées. L'acier fondu résultant est versé dans des moules pour fabriquer des lingots ou est transféré dans une machine de coulée continue pour fabriquer des brames, des billettes et des blooms. Le tuyau est fabriqué à partir de deux de ces produits :les brames ou les billettes.

Dalles d'acier et lames d'acier dans la fabrication de tuyaux

Le skelp en acier est fabriqué à partir de dalles chauffées à 2 200 ˚F. La chaleur provoque la formation d'un tartre sur la surface, qui doit être éliminé à l'aide d'un brise-tartre et d'un nettoyage à haute pression. Une fois nettoyée, la dalle d'acier est laminée à chaud en fines et étroites bandes d'acier appelées skelp. Le skelp est décapé (nettoyé en surface) avec de l'acide sulfurique, lavé à l'eau et roulé sur de grandes bobines comme matière première pour la fabrication de tuyaux. La largeur du skelp détermine le diamètre du tuyau qui peut être fabriqué.

Le skelp est déroulé de la bobine, chauffé et roulé à travers des rouleaux rainurés, qui plient les bords du skelp vers le haut. Ce processus produit un tube cylindrique où les deux bords ont été pliés pour se rencontrer, formant un long cylindre. Un processus de soudage relie les bords ensemble et scelle le tuyau.

• Dans une opération de soudage en continu, les rouleaux de soudage pressent les bords du tuyau l'un contre l'autre, formant une soudure forgée en raison de la chaleur qui a déjà été appliquée au skelp. Aucun métal n'est ajouté pendant le soudage, et les rouleaux finaux réduisent le diamètre et l'épaisseur de paroi du tuyau selon les spécifications.
• Le soudage par résistance électrique suit un processus similaire au soudage continu, sauf que le skelp est laminé à froid dans la forme du tuyau. Le courant est fourni aux bords du tuyau par des disques de cuivre rotatifs, qui chauffent les bords jusqu'à la température de soudure. Les rouleaux de soudage joignent les bords du tuyau pour créer une soudure forgée.
• Le soudage en spirale et le soudage à double arc submergé utilisent des techniques de soudage plus conventionnelles et ajoutent du matériau de soudure pour former la liaison.

Billettes d'acier pour tube sans soudure

Les billettes d'acier sont de longs morceaux carrés d'acier produits directement à partir d'une machine de coulée continue ou en tant que produit secondaire à partir de lingots coulés laminés et étirés. Ces billettes peuvent être utilisées pour fabriquer des tuyaux sans soudure, ce qui est plus sûr dans certaines applications car il n'y a pas de ligne de soudure.

La billette d'acier solide doit être chauffée à des températures extrêmes, devenant blanche mais pas fondue. Les machines les roulent pour qu'ils deviennent un solide cylindrique. Pendant qu'il est encore chaud, un perceur en forme de balle est utilisé pour rendre le centre creux régulier selon ses dimensions. Une série d'opérations de fraisage suit pour conformer le tuyau aux spécifications requises.

Étapes de finition

Les tuyaux peuvent être placés dans une machine à redresser comme étape finale du processus avant d'être équipés de joints à la fin. La tuyauterie de petit diamètre est généralement équipée de joints filetés, mais la tuyauterie de plus gros diamètre est normalement équipée de brides qui sont soudées à l'extrémité du tuyau. Les machines de mesure vérifient les dimensions du tube fini et apposent les détails sur le côté du tube à des fins de contrôle qualité.

Contrôle qualité

Les étapes de contrôle de la qualité comprennent la vérification des défauts du tuyau à l'aide d'appareils à rayons X, en particulier le long de la soudure. Une autre technique consiste à tester la pression du tuyau en le remplissant d'eau, puis en le maintenant sous pression pendant un temps spécifié pour exposer tout défaut susceptible de provoquer une défaillance catastrophique avant sa mise en service.

Comment les tuyaux en acier sont-ils utilisés ?

Les tuyaux sont utilisés dans les structures, le transport et la fabrication. Ils sont dimensionnés en fonction de leur diamètre extérieur, le diamètre intérieur variant en fonction de l'épaisseur de la paroi. Certaines applications nécessitent des parois plus épaisses que d'autres, en fonction des forces que le tuyau doit supporter.

Utilisation structurelle

Les utilisations structurelles sont le bâtiment et la construction courants. Dans ces industries, le matériau de construction est communément appelé tubes en acier.

Pieux de construction

Les tubes en acier renforcent les fondations grâce à un processus appelé empilage. Dans ces applications, le tube est enfoncé profondément dans le sol avant la pose des fondations. Il assure la stabilité d'un immeuble de grande hauteur ou d'une construction sur un terrain non sécurisé.

Il existe deux types fondamentaux de fondations sur pieux :

• Pieux porteurs d'extrémité avoir l'extrémité inférieure reposant sur une couche de sol ou de roche particulièrement solide. La charge du bâtiment est transférée à travers le pieu sur la couche résistante.
• Pieux de friction transférer la charge du bâtiment au sol sur toute la hauteur du pieu, par frottement. Toute la surface du pieu aide à transférer les forces au sol.

Poteaux d'échafaudage

Les poteaux d'échafaudage sont fabriqués en reliant des tubes en acier dans une cage qui permet aux ouvriers du bâtiment d'accéder à des zones situées au-dessus du niveau du sol.

Utilisation de fabrication

Garde-corps

Les garde-corps sont également fabriqués à partir de tubes en acier, créant un élément de sécurité esthétique pour les escaliers et les balcons.

Bornes

Les bornes de sécurité sont utilisées pour isoler une zone de la circulation des véhicules afin de protéger les personnes, les bâtiments ou les infrastructures.

Porte-vélos

De nombreux supports à vélos commerciaux sont formés en pliant des tubes en acier. Les propriétés matérielles résistantes de l'acier le rendent sûr contre les voleurs.

Utilisation des transports

L'utilisation la plus courante des tubes en acier est le transport de produits car le matériau est bien adapté aux installations à long terme. Il peut être enfoui sous terre en raison de sa robustesse et de sa résistance à la panne.

Les applications à basse pression n'exigent pas que les tuyaux aient une résistance élevée car ils ne sont pas exposés à des contraintes importantes. L'épaisseur de paroi étroite permet une fabrication moins chère. Les applications plus spécialisées, telles que les tuyaux utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière, nécessitent des spécifications plus strictes. La nature dangereuse du produit transporté et la possibilité d'une pression accrue sur la ligne exigent une résistance élevée et donc une épaisseur de paroi plus élevée. Cela entraîne généralement un coût plus élevé associé. Le contrôle de la qualité est essentiel pour ces applications.

Comment les tuyaux en acier sont-ils spécifiés ?

Il peut y avoir confusion sur la façon dont ces matériaux sont spécifiés et sur ce que signifient les caractéristiques exactes du tuyau. L'American Society for Testing and Materials (ASTM), l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) et l'American Petroleum Institute (API) sont les organisations les plus référencées pour les spécifications de tuyauterie en Amérique du Nord.

Les spécifications peuvent être divisées en trois catégories principales :

Taille nominale du tuyau

La taille du tuyau est indiquée en tant que "taille nominale du tuyau" ou NPS. L'origine des nombres NPS pour les tuyaux plus petits (

Horaires

Les nomenclatures de tuyaux en acier sont un moyen de décrire l'épaisseur de paroi du tuyau. Il s'agit d'un paramètre critique car il est directement lié à la résistance du tuyau et à l'adéquation à des applications spécifiques. Une nomenclature de tuyaux est un nombre sans dimension et est calculée sur la base de la formule de conception pour l'épaisseur de paroi, compte tenu de la pression de conception et de la contrainte admissible.

Voici des exemples de numéros de programme :5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS et XXS, les plus courants étant les programmes 40 et 80 Au fur et à mesure que le numéro de nomenclature augmente, l'épaisseur de paroi du tuyau augmente. Le numéro de nomenclature d'un tuyau définit donc le diamètre interne, car le DE est fixé par le numéro NPS.

Poids du tuyau

Le poids d'un tuyau peut être calculé en fonction du NPS, qui définit le diamètre extérieur, et de la nomenclature, qui définit l'épaisseur de la paroi. La formule utilise le poids théorique de l'acier de 40,8 livres par pied carré par 1 pouce d'épaisseur pour déterminer la constante.

W =10,69 x t (OD – t)

Où :

W =poids (en livres par pied)
            OD =diamètre extérieur
             t =épaisseur

Le tableau suivant de Engineering Toolbox montre les mesures de diamètre extérieur, d'épaisseur de paroi et de poids pour des tuyaux de différents NPS. Les mesures du programme 40 et du programme 80 sont affichées.

Schedule 40
Schedule 80
Nominal
Diamètre
Diamètre
Épaisseur nominale
Poids
Diamètre
Épaisseur nominale
Poids
Taille du tuyau
(po)
(po)
(po)
(po)
(po)
(po)
Extérieur
Interne
lb/ft
Interne
lb/ft

1/8

0,405

0,270

0,070

0,240

0,220

0,100

0,310

1/4

0,540

0.360

0,090

0,420

0,300

0,120

0,540

3/8

0,675

0,490

0,090

0,570

0,420

0,130

0.740

1/2

0.840

0,620

0,110

0,850

0,550

0,150

1 000

3/4

1.050

0,820

0,110

1.130

0.740

0,150

1.470

1

1.315

1.050

0,130

1.680

0,960

0,180

2.170

1-1/4

1.660

1.380

0,140

2.270

1.280

0,190

3 000

1-1/2

1 900

1.610

0,150

2.720

1 500

0,200

3.650

2

2.375

2.070

0,150

3.650

1.940

0,220

5.020

2-1/2

2.875

2.470

0,200

5.790

2.320

0,280

7.660

3

3 500

3.070

0,220

7.580

2 900

0,300

10.300

3-1/2

4 000

3.550

0.230

9.110

3.360

0.320

12 500

4

4 500

4.030

0,240

10.790

3.830

0.340

14 900

5

5.563

5.050

0.260

14.610

4.810

0,380

20 800

6

6.625

6.070

0,280

18.970

5.760

0.430

28 600

8

8.625

7.980

0.320

28.550

7.630

0,500

43.400

10

10.750

10.020

0,370

40.480

9.560

0,590

64 400

12

12 750

11.940

0,410

53 600

11.380

0,690

88 600

14

14 000

13.130

0.440

63 000

12 500

0,750

107 000

16

16 000

15 000

0,500

78 000

14.310

0.840

137 000

18

18 000

16 880

0,560

105 000

16.130

0.940

171 000

20

20 000

18.810

0,590

123 000

17 940

1.030

209 000

24

24 000

22.630

0,690

171 000

21.560

1.220

297 000

Selon la norme ASTM A53 – Spécification standard pour les tuyaux, en acier, noirs et trempés à chaud, zingués, soudés et sans soudure.

Attestation

Les fabricants publient un rapport d'essai de matériau, ou un rapport d'essai en usine, pour valider que le produit répond aux spécifications d'analyse chimique et de propriétés mécaniques. Le MTR contiendra toutes les données pertinentes pour le produit et accompagnera le produit tout au long de son cycle de vie.

Voici les paramètres typiques qui peuvent être enregistrés sur un MTR :

• Composition chimique, y compris la teneur en carbone, les alliages et le soufre
• Taille, poids, identification et qualité du matériau
• Numéro de coulée du matériau, qui est lié au lot de traitement
• Propriétés mécaniques comme la résistance à la traction, la limite d'élasticité et l'allongement

Pour les bornes en acier, les spécifications les plus couramment citées sont ASTM A53 et ASTM A500.

Comment Reliance Foundry utilise-t-elle des tuyaux en acier ?

Reliance Foundry fournit des bollards fabriqués à partir de tubes en acier. Les bollards sont des longueurs de tuyaux verticaux installés dans le sol pour protéger les personnes, les bâtiments et les infrastructures environnantes des collisions avec les véhicules.

Les bollards en tube d'acier doivent être conformes aux spécifications de sécurité pour s'assurer qu'ils sont suffisamment solides pour résister à l'impact des collisions de véhicules. L'acier Schedule 40 et Schedule 80 peut être utilisé pour fabriquer des bollards en acier en fonction de l'application.

Les bollards en acier sont souvent recouverts d'acier inoxydable, de plastique ou d'autres couvercles décoratifs en métal pour un attrait esthétique et pour protéger le tuyau en acier de la corrosion.