Procédé pour la mesure de la relaxation des métaux à haute température
et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
Le présent brevet comprend un procédé pour la mesure de la relaxation des métaux à haute température, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
I1 est bien connu que dans le cas d'assemblage par brides boulonnées, de tuyauteries métalliques travaillant sous pression et à température élevée, les boulons d'attache subissent au cours du temps une diminution de la tension initiale de pose.
Cette diminution de tension qui produit une contraction des boulons contrebalançant l'allongement du fluage, conduit à une diminution de l'étanchéité à l'endroit du bridage. Depuis longtemps, on s'est penché sur ce phénomène dit de relaxation de tension, dû à un allongement plastique permanent connu sous le nom de fluage, afin de connaître davantage ce fluage et de trouver les moyens de le mesurer en vue de calculer sans empirisme les assemblages bridés travaillant à hautes températures.
Parmi les différents moyens mis en oeuvre pour déterminer la valeur du fluage, on a utilisé notamment des extensomètres permettant de mesurer l'allongement au cours du temps d'une éprouvette placée sous tension dans un four. Cette mesure s'effectuait au moyen de deux tiges rigides, attachées respective- ment à chacune des extrémités de l'éprouvette. Les variations de déplacement de ces deux tiges, dues à l'allongement de l'éprouvette, permettaient de connaître ledit allongement grâce à un enregistreur différentiel d'un type classique. I1 subsistait toutefois, lors des essais de relaxation proprement dits, l'inconvénient d'une erreur provenant de l'influence d'une différence dans l'échauffement des tiges de l'extensomètre, lesquelles en s'allongeant différemment, faussaient la mesure envisagée.
De plus, l'allongement ainsi mesuré ne séparait pas l'influence du fluage proprement dit, de celle de l'élévation de température.
Le présent brevet a pour but de remédier aux inconvénients précités.
Le procédé qu'il comprend est caractérisé en ce que l'on met à température ambiante, une éprouvette sous une tension de traction statique détermi- née et en ce que l'on soumet à un chauffage identique ladite éprouvette tractée et une seconde éprouvette identique à la première mais non soumise à la traction, et en ce que l'on réduit la tension sur l'éprouvette tractée de façon à compenser l'allongement propre au fluage par une contraction provenant de cette diminution de tension, jusqu'à ce que les deux éprouvettes ayant été soumises pendant la mme durée à la mme élévation de température aient retrouvé la mme longueur.
Dans une mise en oeuvre particulière du procédé, on solidarise les deux éprouvettes à une de leurs extrémités après les avoir disposées côte à côte et de préférence parallèlement l'une à l'autre et on effectue sur les deux autres extrémités, la mesure de la différence dlrs es allongements. De cette façon, les incon- vénients cités plus haut sont éliminés et le déplacement relatif de ces deux extrémités correspond uniquement à l'allongement dû au fluage de la matière au cours du phénomène de relaxation.
Un avantage du procédé selon le présent brevet réside dans le fait que la compensation exacte de l'allongement du fluage par une diminution de la charge de l'éprouvette tractée, de façon à maintenir constante la longueur de l'éprouvette à la température envisagée, permet de reproduire exactement les conditions de la relaxation au cours du temps, d'un boulon posé avec un serrage initial connu et carac térisé précisément par l'allongement pris par le boulon au cours de ce serrage.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus est caractérisé en ce qu'il comprend un four pour le chauffage des éprouvettes de traction, un appareillage de mise sous tension des éprouvettes et un dispositif extensométrique à contacts susceptible de fonctionner à l'intérieur dudit four.
Suivant une variante avantageuse du dispositif, l'appareillage de mise sous tension des éprouvettes peut tre asservi au dispositif extensométrique.
On expose ci-après, à titre d'exemple, une mise en oeuvre particulière du procédé revendiqué en regard du dessin annexé qui représente une forme d'exécution du dispositif pour cette mise en oeuvre.
La fig. 1 est une vue schématique de l'ensemble du dispositif.
La fig. 2 montre un détail de la fig. 1.
Une éprouvette 2, placée à l'intérieur d'un four de chauffage (non représenté), est soumise à une extension simple par l'intermédiaire d'un moteur 1 et d'un pendule 4 entre deux barres 11 et 12. Le pendule 4 pivote autour d'un point fixe 19, et un levier 4' perpendiculaire au pendule 4 sollicite à la suite les unes des autres, des barres 17, 15 et 12 par l'intermédiaire d'articulations 18, 16 et 13 et d'un point fixe 14, de telle façon que lorsque le poids P du levier 4 s'abaisse, la barre 12 subit un mouvement vertical de bas en haut.
Un comparateur 3 indique la tension existant dans l'éprouvette.
Sur la fig. 2, l'éprouvette traitée 2 est fixée entre les deux barres 1 1 et 12 tandis qu'une éprouvette témoin 5, munie d'un contact 6, est solidaire de la barre supérieure 12 par une tige de support réglable 10. Une paire de contacts 21 et 22, mécaniquement solidaires de la barre 11, sont reliés à un amplificateur 7 relié au moteur de traction par un relais électromagnétique 8. Le moteur 1 peut tre mis sous tension et donc en service par le réseau 9 lorsque le relais électromagnétique 8 est mis sous tension par l'amplificateur 7.
Le dispositif fonctionne comme suit: l'éprouvette 2 est mise sous tension de traction par le moteur 1, les transmissions 1 1 à 20 et le pendule 4. Le moteur est arrté une fois la tension désirée atteinte. Cette tension contrôlée en 3 se fait à température ambiante.
On place ensuite l'éprouvette tractée 2 et l'éprouvette non tractée 5 dans un four de chauffage (non représenté), chauffant les deux éprouvettes de façon identique. Pendant l'élévation de température, les deux éprouvettes subissent la mme dilatation thermique, mais l'éprouvette 2 subit en plus un allongement dû à la mise sous tension.
Dès que la différence entre les allongements des éprouvettes 2 et 5 atteint une valeur déterminée par l'espacement fixé entre les deux contacts 21 et 22, le contact 6 met le moteur 1 en service par l'intermédiaire du contact supérieur 22 de l'amplificateur 7 et du relais électromagnétique 8. Le moteur 1 réduit la tension de traction appliquée à l'éprouvette 2 qui se contracte dans le sens de la longueur. Le moteur est automatiquement arrté lorsque le contact 6 touche le contact inférieur 21. A ce moment, l'allongement propre au fluage est compensé par une contraction due à la diminution de la tension de traction exercée par le moteur 1 et le pendule 4.
L'éprouvette 2 ayant retrouvé la mme longueur que l'éprouvette 5, on peut connaître l'influence de la relaxation par fluage sur la tension initiale de l'éprouvette, puisque l'on peut mesurer avec précision l'allongement dû à ce fluage. Un réglage minutieux du dispositif permet de construire la courbe de fluage en fonction de la température.
Dans la forme d'exécution décrite, le moteur 1 est remis en service chaque fois que la différence entre les allongements des éprouvettes 2 et 5 atteint 1 micron.
Method for measuring the relaxation of metals at high temperature
and device for implementing this method
The present patent comprises a method for measuring the relaxation of metals at high temperature, as well as a device for carrying out this method.
I1 is well known that in the case of assembly by bolted flanges, metal pipes working under pressure and at high temperature, the attachment bolts undergo over time a reduction in the initial laying tension.
This decrease in tension, which produces a contraction of the bolts counterbalancing the elongation of the creep, leads to a decrease in the seal at the location of the clamping. For a long time, we have looked into this phenomenon known as tension relaxation, due to a permanent plastic elongation known as creep, in order to know more about this creep and to find the means of measuring it in order to calculate without empiricism. flanged assemblies working at high temperatures.
Among the various means implemented to determine the value of the creep, use was made in particular of strain gauges making it possible to measure the elongation over time of a test piece placed under tension in an oven. This measurement was carried out by means of two rigid rods, respectively attached to each end of the test piece. The variations in the displacement of these two rods, due to the elongation of the test piece, made it possible to know said elongation thanks to a differential recorder of a conventional type. However, during the relaxation tests proper, there remained the disadvantage of an error resulting from the influence of a difference in the heating of the rods of the extensometer, which by stretching differently, distorted the envisaged measurement. .
In addition, the elongation thus measured did not separate the influence of creep itself from that of the rise in temperature.
The aim of the present patent is to remedy the aforementioned drawbacks.
The process that it comprises is characterized in that a test piece is placed at ambient temperature under a determined static tensile stress and in that said towed test piece and a second identical test piece are subjected to identical heating. at the first but not subjected to traction, and in that the tension on the towed specimen is reduced so as to compensate for the elongation specific to creep by a contraction resulting from this decrease in tension, until the two test pieces having been subjected for the same time to the same temperature rise have regained the same length.
In a particular implementation of the method, the two test pieces are secured at one of their ends after having placed them side by side and preferably parallel to one another and the measurement of the thickness is carried out on the other two ends. difference in elongation. In this way, the disadvantages mentioned above are eliminated and the relative displacement of these two ends corresponds only to the elongation due to the creep of the material during the relaxation phenomenon.
An advantage of the method according to the present patent lies in the fact that the exact compensation for the elongation of creep by a reduction in the load of the towed specimen, so as to keep the length of the specimen constant at the temperature envisaged, makes it possible to reproduce exactly the conditions of relaxation over time, of a bolt placed with a known initial tightening and characterized precisely by the elongation taken by the bolt during this tightening.
The device for carrying out the above process is characterized in that it comprises an oven for heating the tensile test specimens, an apparatus for tensioning the specimens and a contact strain gauge device capable of operating at the interior of said oven.
According to an advantageous variant of the device, the apparatus for tensioning the specimens can be slaved to the strain measurement device.
A particular implementation of the method claimed is given below, by way of example, with reference to the appended drawing which shows an embodiment of the device for this implementation.
Fig. 1 is a schematic view of the entire device.
Fig. 2 shows a detail of FIG. 1.
A test piece 2, placed inside a heating furnace (not shown), is subjected to a simple extension by means of a motor 1 and a pendulum 4 between two bars 11 and 12. The pendulum 4 pivots around a fixed point 19, and a lever 4 'perpendicular to the pendulum 4 urges, one after the other, bars 17, 15 and 12 by means of joints 18, 16 and 13 and a fixed point 14, such that when the weight P of the lever 4 is lowered, the bar 12 undergoes a vertical movement from bottom to top.
A comparator 3 indicates the voltage existing in the test piece.
In fig. 2, the treated specimen 2 is fixed between the two bars 1 1 and 12 while a control specimen 5, provided with a contact 6, is secured to the upper bar 12 by an adjustable support rod 10. A pair of contacts 21 and 22, mechanically secured to the bar 11, are connected to an amplifier 7 connected to the traction motor by an electromagnetic relay 8. The motor 1 can be energized and therefore in service by the network 9 when the electromagnetic relay 8 is energized by amplifier 7.
The device works as follows: the test piece 2 is put under traction tension by the motor 1, the transmissions 1 1 to 20 and the pendulum 4. The motor is stopped once the desired tension is reached. This voltage controlled at 3 is done at room temperature.
The towed specimen 2 and the non-towed specimen 5 are then placed in a heating oven (not shown), heating the two specimens identically. During the rise in temperature, the two test pieces undergo the same thermal expansion, but the test piece 2 also undergoes an elongation due to the tensioning.
As soon as the difference between the elongations of the test pieces 2 and 5 reaches a value determined by the fixed spacing between the two contacts 21 and 22, the contact 6 puts the motor 1 into service via the upper contact 22 of the amplifier 7 and of the electromagnetic relay 8. The motor 1 reduces the tensile voltage applied to the test piece 2 which contracts lengthwise. The motor is automatically stopped when the contact 6 touches the lower contact 21. At this moment, the elongation specific to creep is compensated by a contraction due to the reduction in the tensile tension exerted by the motor 1 and the pendulum 4.
The test piece 2 having found the same length as the test piece 5, we can know the influence of the relaxation by creep on the initial tension of the test piece, since we can measure with precision the elongation due to this creep . Careful adjustment of the device enables the creep curve to be constructed as a function of temperature.
In the embodiment described, the motor 1 is put back into service whenever the difference between the elongations of the test pieces 2 and 5 reaches 1 micron.