Les raccords de tuyauterie peuvent sembler de petits éléments d’un système de canalisations, mais ils constituent souvent le maillon faible en cas de problème. Choisir entre des raccords moulés et forgés n’est donc pas qu’une simple décision d’achat ; c’est un choix de sécurité et de fiabilité qui peut avoir des conséquences sur les personnes, les équipements et l’environnement.
Que sont les raccords de tuyauterie moulés et forgés ?
raccords de tuyauterie moulés
raccords de tuyauterie moulés sont produites en faisant fondre du métal et en versant le métal liquide dans une cavité de moule ayant la forme du produit final. fonderieLa pièce est retirée du moule, nettoyée, puis usinée à ses proportions finales une fois refroidie et solidifiée.
Caractéristiques communes des raccords de tuyauterie moulés :
- Des formes complexes peuvent être produites en une seule opération.
- Convient aux tailles moyennes à grandes.
- Souvent utilisé pour les coudes, les tés, les réducteurs, les vannes et les corps de pompe.
- L’acier au carbone moulé, l’acier allié, l’acier inoxydable et la fonte ductile sont des exemples de matériaux courants.
Comme le métal refroidit à partir de l’état liquide, la structure interne d’une pièce moulée est généralement plus aléatoire, et il existe un risque de défauts internes tels que la porosité ou des cavités de retrait si le processus n’est pas bien contrôlé.
Raccords de tuyauterie forgés
Les raccords de tuyauterie forgés sont fabriqués à partir d’un lingot ou d’une barre de métal massif. Après que le lingot a été chauffé à haute température, des presses ou des marteaux sont utilisés pour le façonner. forgeageLa pièce est ensuite usinée pour obtenir les dimensions finales et les extrémités de raccordement, telles que les extrémités à souder ou filetées.
Caractéristiques communes des raccords de tuyauterie forgés :
- Structure solide et dense grâce à la déformation plastique du métal.
- Généralement utilisé pour les petites et moyennes tailles.
- Courant pour les raccords à souder et filetés haute pression, les unions, les raccords, les bouchons et les sorties.
- L’acier inoxydable, l’acier allié et l’acier au carbone forgé sont des matériaux courants.
- Lors du forgeage, la structure granulaire du métal est écrasée et alignée avec la direction d’écoulement.
Matériaux et normes communs
Les raccords de tuyauterie moulés et forgés sont disponibles dans des familles de matériaux similaires, souvent définies par les normes ASTM et ASME. Par exemple :
- Acier au carbone : ASTM A105, A234, A216
- Acier inoxydable : ASTM A182, A351, A403
- Aciers alliés pour service à haute température
Bien que la composition chimique puisse être similaire, les différents procédés de fabrication produisent des structures internes et des comportements mécaniques très différents.
Différences entre les procédés de fabrication et leur impact
Aperçu du processus de moulage
Pour les raccords de tuyauterie, une procédure de moulage simplifiée comprend :
- Le métal est fondu dans un four.
- Coulage dans un moule en sable, un moule permanent ou un moule de parement.
- laisser le métal se solidifier.
- Nettoyage et extraction de la pièce moulée.
- Traitement thermique, si nécessaire.
- Usinage aux dimensions finales.
- Inspection et essais.
Les défauts typiques des pièces moulées comprennent :
- Cavités de retrait où le métal se rétracte lors de la solidification.
- Porosité due aux gaz emprisonnés.
- Inclusions provenant de scories ou de matériaux de moule.
- Déchirures ou fissures dues aux contraintes thermiques.
Ces défauts ne sont pas inévitables, mais ils doivent être strictement contrôlés par la conception des processus, la simulation et le contrôle qualité.
Aperçu du processus de forgeage
Un processus de forgeage simplifié comprend :
- Découpe de billettes ou de barres à longueur.
- Chauffage à la température de forgeage.
- Forgeage sous presse ou au marteau pour obtenir une préforme et une forme finale.
- Éliminer le surplus de matière et de paillettes.
- Pour obtenir les qualités mécaniques nécessaires, appliquer un traitement thermique.
- Usinage.
- Inspection et essais.
Lors du forgeage, déformation plastique :
- Affine la granulométrie.
- Génère un flux de grains directionnel autour de la forme du raccord.
- Elle comble les petits vides internes, densifiant ainsi la structure.
C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les raccords de tuyauterie forgés offrent généralement une résistance mécanique supérieure et une meilleure ténacité que leurs équivalents moulés.
Tableau 1 : Comparaison des procédés de fonderie et de forgeage pour les raccords de tuyauterie
| Aspect du processus | Raccords de tuyauterie moulés | Raccords de tuyauterie forgés | Impact sur la force et la sécurité |
| Formulaire de départ | Métal liquide coulé dans le moule | billette ou barre solide déformée sous pression | Le forgeage crée généralement une structure plus dense et plus uniforme |
| structure granulaire | Grains aléatoires et équiaxes | Flux de grains directionnel suivant la forme de la pièce | Les grains forgés améliorent la ténacité et la résistance à la fatigue |
| défauts typiques | Porosité, retrait, inclusions, déchirures à chaud | Replis, sous-remplissages, replis de forgeage (porosité interne réduite) | Les défauts de moulage peuvent servir de sites d’amorçage de fissures. |
| Complexité des formes | Excellentes formes complexes possibles | Formes plus limitées ; nécessitent souvent un usinage | Les pièces moulées conviennent aux géométries complexes ; les pièces forgées mettent l’accent sur l’intégrité. |
| accessoires mécaniques | Plus variable, dépendant du processus | Plus homogène, plus résistant et plus robuste | Les raccords forgés sont généralement préférés pour les services critiques. |
Structure métallurgique et propriétés mécaniques
structure granulaire
Lors d’une coulée, la solidification se fait des parois du moule vers l’intérieur. Les grains croissent dans plusieurs directions et, si le refroidissement n’est pas uniforme, des zones à gros grains ou présentant des phases ségrégées peuvent apparaître. Ces zones sont plus fragiles et plus sensibles à l’amorçage des fissures.
Lors du forgeage, la déformation plastique brise les gros grains et les allonge dans le sens du fil du métal. Ce sens d’écoulement peut être orienté pour épouser la forme du raccord, notamment dans les coudes, les tés et les réducteurs. Le résultat est le suivant :
- Résistance à la traction et limite d’élasticité améliorées.
- Meilleure résistance à l’entaille.
- Résistance accrue à la fatigue.
Comparaison de la force et de la robustesse
Bien que les chiffres exacts dépendent de la qualité du matériau et du traitement thermique, les matériaux forgés présentent généralement les caractéristiques suivantes :
- Limite d’élasticité plus élevée.
- Résistance à la traction plus élevée.
- Énergie d’impact plus élevée lors des essais Charpy.
Les matériaux moulés peuvent satisfaire aux valeurs minimales de spécification, mais il existe généralement une plus grande dispersion car les défauts internes ont une influence plus forte sur les performances.
Densité de défauts et marge de sécurité
Les défauts des pièces moulées, tels que la porosité et le retrait, agissent comme des concentrateurs de contraintes. Sous l’effet de la pression, de la dilatation thermique ou des vibrations, des fissures peuvent se former à ces endroits et se propager, provoquant finalement une fuite ou une rupture soudaine.
Les raccords forgés présentent généralement moins de défauts internes et une structure plus homogène. Cela accroît la marge de sécurité, notamment dans les cas suivants :
- Service haute pression.
- Lignes haute température.
- Conditions de chargement cyclique.
- Environnements corrosifs où une attaque localisée peut accélérer la propagation des fissures.
Tableau 2 : Performances mécaniques qualitatives – Raccords de tuyauterie moulés vs forgés
| Propriété | Raccords de tuyauterie moulés | Raccords de tuyauterie forgés | Impact sur la sécurité |
| limite d’élasticité | Modéré | Plus haut | Les raccords forgés peuvent supporter des contraintes plus élevées avant de céder. |
| Résistance à la traction | Modéré | Plus haut | Plus de marge contre l’éclatement |
| résistance aux chocs | Variable, sensible aux défauts | Généralement élevé et stable | Meilleure résistance à la rupture fragile à basse température |
| résistance à la fatigue | Inférieur en raison de défauts internes | Plus élevé en raison de grains denses et orientés | Plus sûr en cas de vibrations et de pression cyclique |
| Sensibilité aux défauts | Haut | Inférieur | Les défauts de moulage peuvent réduire considérablement la durée de vie |
Pression nominale, codes et normes
classes de pression
Les raccords de tuyauterie sont classés par classes de pression, telles que les classes 150, 300, 600, 3000 et 6000. À une température donnée, les classes les plus élevées correspondent à des pressions admissibles plus élevées.
Les raccords forgés, notamment ceux conformes à la norme ASME B16.11, sont couramment disponibles pour les hautes pressions (par exemple, 3000, 6000 et 9000). Les raccords moulés, en particulier en acier ou en fonte, sont plus fréquents pour les pressions basses à moyennes.
Distinction des normes
Certaines normes clés classent les raccords selon leur procédé de fabrication :
- Raccords forgés ou travaillés :ASME B16.9 (soudure bout à bout), B16.11 (soudure par emboîtement et filetage)
- Raccords moulés :ASTM A216, A351 pour les aciers moulés ; autres normes pour la fonte
Ces normes définissent la composition chimique, les propriétés mécaniques, les dimensions et les exigences d’essai. L’existence de normes distinctes s’explique par le fait que les produits moulés et forgés ont un comportement différent et doivent être contrôlés séparément.
exigences en matière d’inspection et de CND
Pour assurer la sécurité :
- Les prothèses moulées peuvent nécessiter des contrôles radiographiques ou ultrasoniques pour détecter un retrait interne ou une porosité.
- Les raccords forgés peuvent davantage reposer sur des examens de surface (particules magnétiques, ressuage) et des contrôles dimensionnels, car la porosité interne est moins fréquente.
Pour les services critiques, les spécifications du projet peuvent exiger un contrôle non destructif à 100 %, une identification positive des matériaux (PMI) et des tests supplémentaires, que les raccords soient moulés ou forgés.
Performances en matière de sécurité : modes de défaillance et facteurs de risque
Modes de défaillance des raccords moulés
Les schémas de défaillance typiques comprennent :
- Fuites le long des zones poreuses qui n’ont pas été entièrement étanches par usinage.
- Fissures partant de cavités de retrait ou d’inclusions.
- Rupture fragile dans les zones à gros grains ou à fortes contraintes résiduelles.
Ces défaillances peuvent parfois apparaître soudainement, notamment à basses températures ou lors de pics de pression.
Modes de défaillance des raccords forgés
Les raccords forgés tombent généralement en panne pour les raisons suivantes :
- Surcharge au-delà de la pression ou de la température de conception.
- Un traitement thermique inadéquat provoque une fragilisation.
- Un usinage de mauvaise qualité crée des zones de concentration de contraintes importantes.
Bien que les raccords forgés soient plus résistants, ils ne sont pas à l’abri des défaillances s’ils sont spécifiés ou installés incorrectement.
Rôle des conditions de fonctionnement
Le risque relatif associé aux raccords moulés par rapport aux raccords forgés dépend fortement des conditions de fonctionnement :
- Haute pression :Il privilégie les raccords forgés.
- Température élevée :privilégie les raccords forgés avec un alliage et un traitement thermique appropriés.
- Charges cycliques ou vibrations sévères :privilégie les raccords forgés en raison de leur meilleure résistance à la fatigue.
Pour les applications non critiques à basse pression d’eau ou d’air comprimé : les raccords moulés peuvent être suffisants et plus économiques.
Scénarios d’application : Quand chaque option est pertinente
Applications typiques des raccords moulés
Les raccords de tuyauterie moulés sont souvent utilisés dans :
- Distribution d’eau à basse et moyenne pression.
- Systèmes de protection incendie (selon les réglementations locales).
- Tuyauterie de CVC.
- Services généraux de services publics dans les usines industrielles.
- Certains procédés chimiques à pression et température modérées.
Dans ces applications, le coût est un facteur majeur, et les conséquences des fuites peuvent être gérables.
Applications typiques des raccords forgés
Les raccords de tuyauterie forgés sont généralement choisis pour :
- Conduites de vapeur haute pression.
- Services d’hydrocarbures à haute température.
- Production de pétrole et de gaz, raffinage et usines pétrochimiques.
- Lignes de chaudières et de turbines pour la production d’électricité.
- Systèmes offshore et sous-marins.
- Conduites hydrauliques haute pression.
Dans de tels systèmes, une simple défaillance peut entraîner de graves pertes en matière de sécurité, d’environnement et de finances ; la marge de sécurité supplémentaire offerte par les raccords forgés justifie donc généralement le surcoût.
Exemple de comparaison
Considérons deux scénarios :
- Conduite de vapeur haute pression alimentant une turbine : les raccords forgés sont généralement obligatoires en raison de la température, de la pression et de l’énergie élevées.
- Système de refroidissement à eau basse pression faisant circuler l’eau à travers des échangeurs de chaleur : les raccords moulés peuvent offrir des performances acceptables à moindre coût, car le risque de fuite est moins critique et peut être géré.
Coût vs résistance et sécurité : perspective du cycle de vie
coût d’achat initial
Les raccords moulés comportent généralement :
- Réduction des coûts d’outillage pour les formes complexes.
- Coût unitaire des matériaux et de la transformation plus faible dans de nombreuses gammes de tailles.
Raccords forgés en général :
- Utilisez des billettes de meilleure qualité.
- Nécessitent un équipement de forgeage lourd et un usinage plus poussé.
- Le coût unitaire est plus élevé, surtout pour les aciers inoxydables et alliés.
Coûts de maintenance et d’indisponibilité
Une seule défaillance peut entraîner :
- Arrêts imprévus.
- Réparations coûteuses.
- Pertes de production.
- Nettoyage environnemental ou incidents de sécurité.
Lorsque les temps d’arrêt sont coûteux, la fiabilité supérieure des raccords forgés permet de rentabiliser rapidement leur prix initial plus élevé.
Évaluation du cycle de vie
Pour comparer le coût du cycle de vie, les ingénieurs doivent prendre en compte :
- Durée de vie prévue.
- Probabilité d’échec.
- Conséquence de l’échec.
- Coûts d’inspection et d’entretien.
Dans les applications critiques, les raccords forgés offrent souvent un coût de cycle de vie inférieur malgré un prix d’achat plus élevé.
Comment choisir entre les raccords de tuyauterie moulés et forgés
Facteurs clés d’ingénierie
Les facteurs importants à prendre en compte lors du choix du type de raccord sont les suivants :
- Pression et température de conception.
- Type de fluide (corrosif, inflammable, toxique, eau propre).
- Chargement cyclique, vibrations et cycles thermiques.
- Normes requises et spécifications du client.
- Accessibilité pour inspection et remplacement.
Conseils pratiques de sélection
Une approche simple :
- Pour les conduites à haute pression, à haute température ou critiques pour la sécurité, choisissez des raccords forgés chaque fois qu’ils sont disponibles.
- Pour les applications basse pression et non dangereuses où le risque de fuite est acceptable et facilement gérable, les raccords moulés peuvent constituer une solution économique.
Tableau 3 : Guide de sélection type – Raccords de tuyauterie moulés ou forgés
| Conditions de service | Option recommandée | Raison |
| Vapeur à haute pression, surchauffée | Raccords forgés | Haute résistance et meilleure résistance à la fatigue |
| Hydrocarbure à haute température | Raccords forgés | Critique pour la sécurité, conséquences graves d’une défaillance |
| Service de gaz toxiques ou inflammables | Raccords forgés | Minimiser les risques de fuite et de rupture soudaine |
| Eau de refroidissement à basse pression | Les raccords moulés peuvent convenir. | Conséquences moindres des fuites, sensibilité aux coûts |
| air comprimé ou gaz inerte pour installations générales | Moulé ou forgé, cela dépend | Utilisez des pièces forgées lorsque les vibrations sont importantes. |
| circuit d’eau incendie principal | Cela dépend du code et du risque | Certains codes acceptent le moulage, d’autres préfèrent le forgeage |