Comprendre les tubes en acier : de la fabrication à l'infrastructure

Histoire, production et utilisation des tubes en acier

Les tubes en acier sont des tubes cylindriques en acier utilisés de multiples façons en fabrication et infrastructure. C'est le produit le plus utilisé de l'industrie sidérurgique. L'usage principal : transport de liquides ou gaz souterrains — pétrole, gaz, eau. Mais tubes de tailles variées servent partout en fabrication et construction. Exemple domestique courant : le tube étroit faisant circuler le fluide frigorigène dans les réfrigérateurs. Construction : chauffage, plomberie. Structures construites avec tubes acier de tailles variées : garde-corps, arceaux vélos, bornes-tuyaux.

William Murdoch est considéré comme pionnier des tubes acier. En 1815, il a joint des canons de mousquets pour soutenir un système d'éclairage au gaz de houille. Murdoch utilisa son système innovant pour transporter le gaz de houille vers les lampadaires de Londres.

Depuis les années 1800, grands progrès dans la technologie des tubes acier : amélioration méthodes de fabrication, développement applications, établissement réglementations et normes régissant leur certification.

Comment les tubes en acier sont-ils fabriqués ?

De la fusion matières premières au moulage ou soudage, ce matériau de construction omniprésent est créé par deux procédés principaux :

Convertir l'acier brut en forme plus utilisable

Les deux procédés doivent commencer par faire de l'acier de bonne qualité. L'acier brut est produit par fonderies par fusion matières premières en four. Pour composition exacte, éléments peuvent être ajoutés au métal fondu, impuretés retirées. L'acier fondu résultant est coulé en moules pour faire des lingots ou transféré à machine à coulée continue pour faire brames, billettes, blooms. Le tube est fait de deux de ces produits : brames ou billettes.

Brames d'acier et skelp dans la fabrication de tubes

Le skelp est fait de brames chauffées à 1 200 °C (2 200 °F). La chaleur forme une calamine en surface, à éliminer par brise-calamine et nettoyage haute pression. Une fois nettoyée, la brame est laminée à chaud en bandes minces et étroites d'acier appelées skelp. Le skelp est décapé (nettoyage surface) à l'acide sulfurique, lavé à l'eau et enroulé sur grosses bobines comme matière première pour tubes. La largeur du skelp détermine le diamètre du tube.

Le skelp est déroulé, chauffé, passé dans des laminoirs cannelés qui relèvent les bords vers le haut. Ce processus produit un tube cylindrique où les deux bords se rejoignent formant un long cylindre. Un procédé de soudage joint les bords et scelle le tube.

• Soudage continu : rouleaux de soudage pressent les bords l'un dans l'autre — formant une soudure forgée grâce à la chaleur déjà appliquée au skelp. Pas de métal ajouté, rouleaux finaux réduisent diamètre et épaisseur aux specs.
• Soudage par résistance électrique : processus similaire au continu, sauf skelp laminé à froid en forme tube. Courant fourni aux bords par disques cuivrés rotatifs, chauffant les bords à température de soudage. Rouleaux joignent les bords pour soudure forgée.
• Soudage spiralé et double arc submergé : techniques de soudage plus conventionnelles ajoutant métal d'apport pour former le lien.

Billettes d'acier pour tubes sans soudure

Les billettes sont de longs morceaux carrés d'acier produits directement par machine à coulée continue ou comme produit secondaire de lingots coulés puis laminés/étirés. Ces billettes font des tubes sans soudure, plus sûrs dans certaines applications pour l'absence de ligne de soudure.

La billette solide doit être chauffée à températures extrêmes, devenant blanc chaud mais sans fondre. Machines la roulent pour en faire un cylindre solide. Encore chaud, un perforateur en forme de balle crée le centre creux régulier selon dimensions. Série d'opérations de fraisage suivent pour conformer le tube aux specs requises.

Étapes de finition

Tubes peuvent passer en machine de redressage comme étape finale avant montage de raccords aux extrémités. Petits diamètres : raccords filetés. Gros diamètres : brides soudées en bout. Machines de mesure vérifient dimensions du tube fini, estampillent détails sur le côté pour contrôle qualité.

Contrôle qualité

Étapes contrôle qualité : vérification défauts par rayons X — surtout le long de la soudure. Autre technique : épreuve hydraulique en remplissant d'eau, maintenant sous pression temps spécifié pour révéler défauts pouvant causer rupture catastrophique avant mise en service.

Comment les tubes en acier sont-ils utilisés ?

Tubes utilisés en structures, transport, fabrication. Dimensionnés selon diamètre extérieur, diamètre intérieur variant selon épaisseur paroi. Certaines applications nécessitent parois plus épaisses selon forces à gérer.

Usage structurel

Usages structurels courants en bâtiment et construction. Dans ces industries, le matériau est couramment appelé tubes d'acier.

Pieux de construction

Les tubes donnent résistance aux fondations par pieux. Le tube est enfoncé profondément dans le sol avant la fondation. Assure stabilité pour bâtiment haut ou construction sur sol instable.

Deux types fondamentaux de fondations sur pieux :

• Pieux d'extrémité : base reposant sur couche de sol ou roche particulièrement résistante. Charge du bâtiment transférée par le pieu sur la couche forte.
• Pieux de frottement : transfèrent la charge 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

Poteaux d'échafaudage faits en reliant tubes acier en cage permettant aux ouvriers d'accéder zones en hauteur.

Usage fabrication

Garde-corps

Garde-corps aussi faits de tubes acier, créant élément sécurité esthétique pour escaliers et balcons.

Bornes

Bornes de sécurité délimitent zone du trafic véhicule pour protéger personnes, bâtiments, infrastructures.

Arceaux vélos

Beaucoup d'arceaux vélos commerciaux formés par cintrage tubes acier. Matériau robuste sécurise contre vols.

Usage transport

L'usage le plus courant des tubes acier est le transport de produits car le matériau convient aux installations long terme. Enterrable grâce à sa robustesse et résistance à la dégradation.

Applications basse pression n'exigent pas haute résistance car non exposées à contraintes significatives. Épaisseur paroi fine = fabrication moins chère. Applications spécialisées — tubes pétrole/gaz — exigent specs plus strictes. Nature dangereuse du produit transporté et possibilité pression accrue demandent haute résistance donc épaisseur paroi plus grande. Coût associé plus élevé. Contrôle qualité critique.

Comment les tubes en acier sont-ils spécifiés ?

Confusion possible sur la spécification de ces matériaux et ce que cela signifie pour les caractéristiques exactes. ASTM (Société américaine essais matériaux), ASME (Société américaine ingénieurs mécaniciens), API (Institut américain pétrole) sont les organismes les plus référencés pour specs tuyauterie en Amérique du Nord.

Spécifications en trois catégories principales :

Diamètre nominal (DN / NPS)

Taille du tube cotée comme « Diamètre Nominal » (DN) ou NPS. Origine des numéros NPS pour petits tubes (< NPS 12) diffère des gros diamètres. Mais tous tubes d'un NPS spécifique ont même diamètre extérieur (DE). Diamètre intérieur varie selon épaisseur paroi. Raisons : mêmes supports structurels utilisables pour toute tuyauterie d'un NPS donné, quelle que soit l'épaisseur.

Schedules (Series)

Les « schedules » (séries) décrivent l'épaisseur de paroi. Paramètre critique directement lié à la résistance du tube et adéquation applications. Un schedule est un nombre sans dimension calculé sur formule de conception d'épaisseur, donnée pression de conception et contrainte admissible.

Exemples : 5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS, XXS — les plus courants : schedules 40 et 80. Plus le numéro augmente, plus la paroi est épaisse. Le schedule définit donc le diamètre intérieur, le DE étant fixé par le NPS.

Poids du tube

Calculable selon NPS (définit DE) et schedule (définit épaisseur). Formule utilise poids théorique acier 40,8 lb/pi² par pouce épaisseur pour déterminer la constante.

W = 10,69 × t (DE – t)

Où : W = poids (lb/pi), DE = diamètre extérieur, t = épaisseur

Tableau Engineering Toolbox montrant mesures DE, épaisseur, poids pour tubes de différents NPS. Schedules 40 et 80 montrés.

NPS	DE (po)	DI Sch40 (po)	Ép Sch40 (po)	Poids Sch40 (lb/pi)	DI Sch80 (po)	Ép Sch80 (po)	Poids Sch80 (lb/pi)
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

Basé sur ASTM A53 - Spécification standard pour tube, acier, noir et galvanisé à chaud, soudé et sans soudure.

Certification

Les fabricants émettent un Rapport d'Essai Matériau (MTR) ou Rapport d'Usine pour valider que le produit répond aux specs d'analyse chimique et propriétés mécaniques. Le MTR contient toutes données pertinentes et accompagne le produit tout au long de son cycle de vie.

Paramètres typiques sur un MTR :

• Composition chimique : teneur carbone, alliages, soufre
• Taille, poids, identification, grade du matériau
• Numéro de chauffe, reliant au lot de traitement
• Propriétés mécaniques : résistance traction, limite élasticité, allongement

Pour bornes en acier, specs les plus citées : ASTM A53 et ASTM A500.

Comment Reliance Foundry utilise les tubes en acier ?

Reliance Foundry fournit des bornes-tuyaux en tubes acier. Bornes : longueurs verticales installées dans le sol pour protéger personnes, bâtiments, infrastructures des collisions véhicules.

Les bornes-tuyaux acier doivent conformer aux specs sécurité pour résister aux impacts véhicules. Schedule 40 et 80 utilisables selon application.

Bornes-tuyaux acier souvent revêtues d'inox, plastique, ou autres revêtements métalliques décoratifs pour attrait esthétique et protection corrosion.