Rupture de la tige de forage au niveau du trépan ? Deux causes expliquent la quasi-totalité des échecs.
Il y a une frustration particulière à constater, en remontant une garniture de forage, que la tige s'est cassée net au niveau du filetage du trépan : ni usée, ni en cours de rupture, juste cassée. La surface de rupture est intacte. Le corps de la tige, au-dessus de la cassure, semble en bon état. Et la première pensée est toujours la même : acier défectueux.
Il ne s'agit presque jamais d'un défaut d'acier. Dans la quasi-totalité des cas, la tige a cassé parce que le terrain a changé et que l'opérateur n'a pas réagi, ou parce que le forage est devenu trop profond compte tenu des conditions et que personne n'a adapté le plan. Voici ce qui se passe réellement au niveau de ce raccord fileté lorsqu'il cède, et comment éviter que cela ne se reproduise lors de votre prochain quart de travail.
La rupture soudaine : quand le sol vous surprend avec votre canne à pêche
Le type de rupture de tige le plus inquiétant est celui qui survient sans prévenir. La perceuse fonctionne sans problème, la pénétration est régulière, et soudain — craquement. La tige casse au niveau du filetage du foret, et ce dernier reste au fond du trou avec un morceau de filetage coincé dedans.
Ce phénomène se produit presque exclusivement dans des terrains mixtes ou imprévisibles. Lors du forage d'une roche uniforme, une tige subit une charge constante et prévisible. L'énergie d'impact se propage le long de la tige, dans le trépan, puis dans la roche, selon un schéma régulier. Les filets à l'extrémité du trépan supportent leur charge nominale, cycle après cycle, dans les limites de fatigue pour lesquelles ils ont été conçus.
Puis, le foret rencontre un obstacle différent : une lentille dure de quartzite au sein d'un grès tendre ; un vide où il ne rencontre soudainement aucune résistance et percute violemment la paroi opposée ; une zone fracturée où il s'accroche à une arête et où la rotation se bloque momentanément. À cet instant précis, la charge au niveau du raccord fileté dépasse largement sa valeur nominale. Les filets, déjà soumis aux contraintes les plus élevées dans toute tige en raison de la concentration géométrique des contraintes à leur base, subissent une charge susceptible de dépasser la résistance à la traction du matériau.
Si l'opérateur utilise une force d'impact élevée et une vitesse d'avance rapide à ce moment-là — ce qui serait le cas si le sol avait été meuble et propice à la pénétration jusque-là —, la tige n'a aucune marge de manœuvre. Le clou percute, la contrainte à la base du filetage dépasse la résistance de l'acier, et la tige casse. Immédiatement. Pas après une centaine de cycles. En un seul coup.
La solution réside dans la vigilance, et non dans l'utilisation de tiges plus résistantes. Lorsque vous forez dans un terrain instable – et dans la plupart des forages miniers et de construction, vous le savez toujours, ou devriez le savoir – il est essentiel d'être à l'écoute de la foreuse. Si le bruit d'impact change de tonalité, si le couple de rotation fluctue soudainement, si la vitesse de pénétration chute sans raison apparente, c'est que le terrain vous signale un changement. Réduisez la puissance d'impact et ralentissez la vitesse d'avance avant que la tige ne subisse un choc fatal. Vous perdrez quelques secondes de vitesse de pénétration, mais vous gagnerez une tige capable de terminer le forage.
La mort lente : une fatigue qui semble bénigne jusqu'à ce qu'elle ne le soit plus.
L'autre mode de défaillance courant est plus difficile à diagnostiquer car il n'y a pas d'élément déclencheur évident. La tige se casse subitement, et lorsqu'on examine la surface de rupture, une partie est sombre et oxydée — une ancienne fissure — et l'autre est brillante et récente — la fracture finale. Cette surface de rupture bicolore est la signature de la fatigue.
La rupture par fatigue des tiges de forage survient lorsque la tige est utilisée dans des conditions dépassant sa limite d'endurance, cycle après cycle, jusqu'à ce que les micro-dommages accumulés atteignent un seuil critique. La cause la plus fréquente est un forage trop profond compte tenu des caractéristiques du terrain.
Voici le processus : à mesure que la profondeur du forage augmente, l’évacuation des déblais devient moins efficace. L’espace annulaire entre la tige et la paroi du forage s’allonge, l’air ou l’eau de rinçage perd de la vitesse avec la distance, et les copeaux les plus lourds se déposent au lieu de s’écouler. La tige doit alors tourner contre la résistance des déblais compactés, en plus de la charge de forage normale. Cette résistance supplémentaire à la rotation n’est pas uniforme ; elle fluctue au gré de l’accumulation et de l’évacuation des déblais. La tige subit ainsi une charge de torsion cyclique qui s’ajoute à la charge d’impact par percussion pour laquelle elle a été conçue.
Par ailleurs, les parois des trous profonds creusés dans un sol fracturé sont rarement parfaitement droites. La tige fléchit légèrement lors de sa rotation, et cette flexion engendre des contraintes de flexion à chaque tour. La flexion, la torsion et l'impact constituent un triple facteur de fatigue.
La connexion filetée à l'extrémité du trépan est la plus sollicitée. Le fond du filetage, déjà un point de concentration des contraintes géométriques qui rend les filetages intrinsèquement plus fragiles que le corps de la tige, subit des dommages dus à la fatigue à chaque cycle. Une microfissure s'amorce à ce niveau. Au cours des centaines de mètres de forage suivants, cette fissure se propage, micron par micron, jusqu'à ce que la section restante ne puisse plus supporter la charge et que la tige se rompe.
L'opérateur voit une tige qui semblait en bon état se briser subitement. En réalité, une fissure de fatigue s'était propagée au cours des cinquante derniers perçages, invisible de l'extérieur, jusqu'à atteindre une taille critique.
Comment déceler la fatigue avant qu'elle ne vous rattrape
Il est impossible de détecter une fissure de fatigue sous la surface sans inspection spécialisée (par magnétoscopie ou ultrasons), mais il est possible de gérer les conditions qui la provoquent.
Premièrement : contrôlez la profondeur de votre forage. Dans un terrain fracturé, instable ou très abrasif, un forage moins profond avec une meilleure évacuation des déblais sollicite moins la tige qu'un forage plus profond avec un rinçage insuffisant. Si le retour d'eau au niveau du collier ralentit ou s'encrasse, le forage indique qu'il est trop profond compte tenu des conditions. Arrêtez-vous avant que la tige ne soit endommagée.
Deuxièmement : inspectez le filetage à chaque fois que la tige est retirée du cordeau. Vous devez rechercher trois problèmes : grippage (métal déchiré et rugueux sur les flancs), déformation (filetage émoussé et abîmé au sommet) et piqûres (petites cavités dues à la corrosion ou à la cavitation). Chacun de ces problèmes crée des concentrations de contraintes qui accélèrent la fatigue. Une tige présentant des dommages visibles au filetage doit être immédiatement mise hors service – et non pas simplement « réaléser le trou » ou « on va surveiller ».
Troisièmement : choisissez une tige adaptée au terrain. Une tige conçue pour une roche homogène moyennement dure n’offrira pas une marge de fatigue suffisante pour un terrain fracturé et variable où la charge est imprévisible. Dans des conditions difficiles, il vous faut une tige avec une section transversale plus importante au niveau du raccord avec le trépan, un rayon de courbure du filetage plus généreux et un matériau privilégiant la résistance à la fatigue à la résistance à la traction brute. Une tige coûtant 20 % plus cher mais durant trois fois plus longtemps en terrain difficile n’est pas onéreuse ; en revanche, une tige qui casse en cours de forage l’est.
