Les forces que subit une tige de forage sous terre (et pourquoi les connaître change votre façon d'acheter de l'acier)
La plupart des gens qui achètent des tiges de forage les évaluent en termes de « combien de mètres avant qu'elles ne cassent ? ». C'est bien pour un tableau de conversion. Mais si vous voulez comprendre…pourquoiPour comprendre pourquoi certaines tiges cassent — et pourquoi les chères ne cassent pas parfois, et les bon marché parfois — il faut raisonner en termes de forces.
Une tige de forage paraît simple : une barre d'acier filetée à ses deux extrémités. Pourtant, les trente secondes nécessaires pour percer un trou d'un mètre soumettent cette barre à des contraintes que peu de composants de machines subissent. Voici toutes les forces en jeu, dans l'ordre où elles s'exercent sur la tige.
Compression et tension axiales — Le cycle de poussée-traction
C'est le cas le plus évident. Le piston heurte l'adaptateur de tige. La tige heurte la tige. La tige heurte le trépan. Le trépan heurte la roche.
Mais voici ce que beaucoup de gens ignorent : la pierre riposte.
Lorsque le foret frappe la paroi rocheuse, celle-ci n'absorbe pas seulement le choc. Elle renvoie une onde de contrainte réfléchie le long du câble. Cette onde est de traction : elle tire sur la tige au lieu de la pousser. Ainsi, lors d'un seul impact, la tige passe de la compression à la tension, puis de nouveau à la tension. À raison de 50 coups par seconde, cela représente 50 cycles complets de compression-traction par seconde, soit 180 000 par heure.
Chaque filetage, chaque changement de section, chaque discontinuité métallurgique de cette barre est soumis à trois mille cycles de traction et de compression par minute. La barre résiste car les contraintes restent inférieures à la limite de fatigue d'un acier correctement traité thermiquement. Mais si cette limite chute – à cause d'une surchauffe, d'un défaut de surface ou d'une faiblesse du traitement thermique – la rupture est inévitable.
Contraintes de flexion — Le problème de l'élancement
Une tige de forage est une colonne élancée. Les tiges R32 utilisées pour le creusement de tunnels peuvent mesurer jusqu'à trois mètres de long et avoir un diamètre de 32 millimètres au niveau de la partie filetée. Cela représente un rapport d'aspect proche de 100:1.
Trois facteurs contribuent à la flexion de cette colonne. La gravité seule suffit à faire fléchir une longue tige, surtout lorsqu'il s'agit d'une série de dix ou plus. La force d'avance — la pression qui pousse la perceuse vers l'avant — accentue cette flexion si la tige n'est pas parfaitement axiale. Enfin, la force d'impact, si la tige n'est pas parfaitement droite, introduit une composante de flexion à chaque coup, car le trajet de l'énergie s'écarte de l'axe central.
La contrainte de flexion est importante car elle s'additionne. Une tige soumise à une compression axiale pure peut supporter un impact de 200 kN. Si l'on ajoute un moment de flexion dû à une légère courbure ou à un défaut d'alignement de l'alimentation, la contrainte maximale à la fibre extérieure de la courbure peut être le double de celle produite par la seule charge axiale. C'est ainsi qu'une tige qui aurait dû être réparée se rompt à la moitié de sa longueur nominale.
Contrainte de torsion — La torsion
Le moteur de rotation d'un marteau perforateur hydraulique applique un couple pour faire tourner l'ensemble de la garniture de forage : tiges, raccords et trépan. Les tiges doivent transmettre ce couple tout en supportant simultanément l'impact axial et les contraintes de flexion.
La contrainte de torsion s'ajoute à l'état de contrainte combiné. Une tige soumise à la torsion, à la flexion et à un impact axial se trouve dans un état de contrainte triaxiale. Prédire la rupture dans ces conditions n'est pas simple ; cela dépend des amplitudes relatives des contraintes et de la réponse du matériau aux chargements multiaxiaux. Concrètement, une tige à forte rigidité en torsion résiste mieux aux chargements combinés qu'une tige qui se tord facilement, car une moindre déformation angulaire signifie une moindre dissipation d'énergie dans la tige au lieu de sa transmission à la roche.
Usure externe — Frottement, ébréchures et eau
Toutes les forces ne proviennent pas de la perceuse. Le trou lui-même constitue un milieu abrasif.
La tige frotte contre la paroi du trou, surtout lorsque celui-ci n'est pas rectiligne. Des copeaux de roche, entraînés par l'eau de rinçage, tourbillonnent autour de la tige et la poncent comme du papier de verre humide. Cette eau, souvent chargée de fines particules abrasives, érode la surface de la tige au fil du temps. En présence d'eaux souterraines corrosives – comme les eaux acides des mines –, l'acier subit une agression chimique combinée à une contrainte mécanique, une combinaison qui accélère la fissuration par fatigue par corrosion sous contrainte.
C’est pourquoi l’état de surface des tiges est important et pourquoi des tiges d’apparence identique sur une fiche technique peuvent se comporter différemment sous terre. Une surface lisse et bien finie résiste à l’amorçage des fissures. Une surface rugueuse présentant des marques d’usinage ou de la calamine favorise la corrosion et la fatigue.
Les cartes joker — Opérations spéciales
Et puis il y a les choses pour lesquelles la canne n'a jamais été conçue, mais qu'on lui demande quand même de faire.
Faire levier sur la roche instable avec la garniture de forage. Extraire une tige coincée d'un trou effondré. Tirer à blanc lorsque la pression d'alimentation chute et que le trépan perd le contact avec la paroi rocheuse. Enfoncer la tige dans un trou périphérique dynamité où les parois sont fracturées et adhérentes. Chacune de ces situations soumet la tige à des contraintes qui dépassent les limites de conception.
Une tige conçue pour un forage normal sur mille mètres peut céder dès la première tentative de levier. Les forces et les concentrations de contraintes sont différentes, et la tige ignore qu'elle était censée durer plus longtemps.
Pourquoi c'est important lors de votre achat
Voici la conclusion pratique à retenir : si vous comparez deux tiges de forage aux caractéristiques similaires (même type de filetage, même longueur, même nuance d’acier) et que l’une coûte 30 % plus cher, la différence réside presque toujours dans la façon dont la tige supporte les charges multiaxiales.
La tige la moins chère peut avoir la dureté superficielle adéquate, mais une transition abrupte avec le cœur, la rendant sensible à la fatigue par flexion. Elle peut avoir la résistance à la traction appropriée, mais un mauvais état de surface, favorisant la corrosion. Elle peut avoir la géométrie adéquate, mais une rectitude irrégulière, de sorte que chaque tige de la chaîne contribue à la flexion.
La tige plus chère et plus durable n'a rien de magique. C'est simplement de l'acier traité pour résister simultanément aux cinq régimes de force, et non pas seulement à celui le plus facile à spécifier.
