Raccords de tiges de forage : coniques, filetés et DTH — Ce qui fonctionne où et pourquoi
Chaque tige de forage possède deux extrémités, et la qualité de leur raccordement est déterminante pour sa durabilité. Choisir le mauvais raccordement, c'est s'exposer à des problèmes constants de tiges bloquées, de filetages grippés et de défaillances prématurées. En revanche, avec le bon raccordement, les éléments deviennent l'épine dorsale invisible d'un programme de forage : leur fonctionnement est si fiable qu'on n'y pense même plus.
Le forage de roches utilise trois grandes familles de raccords : les raccords coniques pour le forage pneumatique manuel, les raccords à épaulement fileté pour les jumbos hydrauliques et les foreuses de surface, et les raccords DTH pour les systèmes de marteau fond de trou. Chacune présente ses propres caractéristiques physiques, ses propres modes de défaillance et ses propres règles de mise en œuvre.
Raccords coniques : géométrie simple, ajustement précis
Le système de fixation le plus courant pour les forets portatifs de petit diamètre (comme les forets à molette de 22 à 42 mm montés sur des perceuses pneumatiques à colonne) est la fixation conique. Le foret possède un logement conique, la tige un emmanchement conique correspondant, et leur emboîtement se fait par simple friction. Pas de filetage, pas de bague de retenue, juste un ajustement serré entre deux surfaces coniques rectifiées avec précision.
L'angle de conicité est faible (généralement 7 degrés ou 12 degrés selon la norme), ce qui assure un verrouillage automatique. La force axiale exercée par le foret resserre le cône. Le foret reste en place car la force de frottement entre les deux surfaces, multipliée par l'effet de coin de l'angle faible, est supérieure à toute force tendant à l'arracher.
Le génie de la connexion conique réside dans sa simplicité. Pas de filetage susceptible de se gripper, pas de dispositifs de retenue qui cassent, pas d'usinage complexe requis. L'inconvénient, c'est que tout repose sur la précision de l'ajustement. Un cône même légèrement imparfait — une tige usée et trop petite, un logement de foret déformé — ne tiendra pas. Le foret risque de déraper pendant le perçage, et récupérer un foret coincé au fond d'un trou n'est certainement pas une solution rapide.
Le cône doit être propre avant chaque raccordement. La poussière de roche, la boue ou la rouille présentes sur l'une ou l'autre surface empêchent un contact optimal, et un contact partiel risque de desserrer le foret. Un simple coup de chiffon suffit, mais négliger cette étape est la cause la plus fréquente de perte de forets lors du forage conique.
Lorsque le cône s'use — et il s'use bel et bien, car chaque coup de marteau provoque un micro-glissement entre les deux surfaces —, le foret s'enfonce davantage dans la tige. Finalement, le foret bute contre le logement avant que le cône ne soit complètement engagé. C'est le signal qu'il est temps de le remplacer. Continuer à utiliser un cône usé ovalise le logement du foret, et une fois le logement ovalisé, une tige neuve ne pourra plus s'y insérer correctement.
Raccords à filetage en R et en T : l’épaulement fait le travail
Pour les marteaux hydrauliques et pneumatiques de grand diamètre — utilisés notamment pour le forage de tunnels, le creusement de gradins et le forage de production — les raccords à épaulement fileté sont la norme. Les deux profils les plus courants sont le filetage R (filetage en corde) et le filetage T. Leur principe de conception est important à comprendre : le filetage assure le positionnement et le serrage, tandis que la charge est supportée par les faces d’épaulement.
Dans un assemblage à épaulement correctement conçu, les flancs du filetage plaquent la goupille et le boîtier l'un contre l'autre jusqu'à ce que les faces annulaires planes (l'épaulement de la goupille et la face du boîtier) soient en contact total. Une fois ces faces en contact, un serrage supplémentaire comprime les faces de l'épaulement l'une contre l'autre, et ce contact métal sur métal devient la principale voie de transmission des forces de compression et d'impact. Le filetage supporte principalement la tension et le couple.
Cette séparation des tâches — filetage pour la tension, épaulement pour la compression — explique la résistance de ces assemblages au perçage par percussion. Si le filetage devait supporter directement la charge d'impact, la concentration de contraintes à la base du filetage provoquerait des fissures de fatigue dès les premiers centaines de coups. En transmettant l'impact par les faces d'épaulement, le filetage est largement protégé des contraintes les plus importantes du perçage par percussion.
Point critique de maintenance : les faces d’épaulement doivent être propres, planes et intactes. Une entaille ou une bosse sur l’épaulement empêche un contact optimal, ce qui signifie qu’une partie de la charge d’impact, qui devrait passer par l’épaulement, est transmise par le filetage. C’est le chemin le plus rapide vers une rupture par fatigue du filetage. Inspectez les épaulements à chaque raccordement d’une bielle.
Le pas de vis a également son importance. Un filetage plus grossier (moins de filets par pouce) permet un vissage plus rapide et réduit les risques de filetage croisé lors de changements de tiges rapides, mais offre un couple de serrage moindre. Un filetage plus fin assure un vissage plus précis et une force de serrage supérieure pour un même couple, mais il est plus fragile et plus long à mettre en place. Le choix entre un pas grossier et un pas fin représente un compromis entre vitesse et précision, qui dépend de l'application de perçage.
Connexions DTH : Là où vit le marteau
Les systèmes de forage à percussion de fond de trou utilisent un principe de connexion totalement différent. La tige de forage ne se contente pas de transmettre la rotation et l'avance ; elle canalise également de l'air comprimé en son centre pour actionner le piston du marteau. La liaison entre la tige et le marteau doit supporter à la fois cette force et la force de réaction percussive générée par l'impact du marteau.
Les raccords tige-marteau DTH utilisent généralement une conception à épaulement et face plate avec une courte section filetée. Le filetage, à gros pas et robuste, est conçu pour un vissage et un dévissage rapides sur le terrain, contrairement aux exigences d'étanchéité à couple élevé des tiges de forage pétrolier. La face d'épaulement supporte la charge de compression due à la pression d'alimentation, tandis que le filetage résiste à la tension lors de la descente et au couple pendant la rotation.
L'extrémité filetée extérieure (la goupille) se trouve généralement sur la tige, le boîtier étant situé à l'arrière de la tête du marteau. Cette configuration permet de se procurer le filetage extérieur, plus fragile, sur la pièce la moins chère et la plus facile à remplacer. En cas d'endommagement du filetage, il suffit de remplacer un tronçon de tige, et non le marteau entier.
Un risque spécifique aux marteaux perforateurs à tambour (DTH) : l’air comprimé circulant dans le raccord peut transporter de fines particules de roche qui érodent les surfaces d’étanchéité au fil du temps. Un raccord parfaitement étanche à l’état neuf peut présenter des fuites après une utilisation prolongée. Ces fuites d’air réduisent la quantité d’air atteignant le marteau, ce qui diminue l’énergie d’impact et ralentit la pénétration. Il est donc important de vérifier régulièrement l’étanchéité du raccord entre la tige et le marteau en détectant les fuites d’air lorsque le compresseur est en marche mais que le marteau est à l’arrêt.
Que faut-il assortir et pourquoi ?
Le type de raccord doit être adapté à la foreuse, au diamètre du trou et à la nature du terrain. Un raccord conique est idéal pour les forages manuels de petit diamètre car il est rapide, simple et tolérant aux conditions de chantier. Un raccord fileté à épaulement est nécessaire pour les forages de production de plus grand diamètre où les charges sont plus importantes et les conséquences d'un trépan mal fixé sont plus coûteuses. Un raccord fond de trou (DTH) est requis lorsqu'un marteau est utilisé au fond du trou car le raccord doit résister à l'air et à la force mécanique.
Mélanger les types de raccords sur un même chantier de forage ne pose pas de problème tant que chacun sait quel raccord utiliser. Le problème survient lorsqu'on essaie de visser un trépan conique sur une tige filetée en se disant : « Ça a l'air compatible… » Eh bien non ! Le raccord est l'interface entre l'énergie et la roche, et si cette interface est défectueuse, tout ce qui se trouve en aval ne fonctionnera pas correctement.
