Développement d’un appareil de caractérisation d’éléments de connecteurs électriques boulonnés

Dans le réseau de distribution et dans les postes d’Hydro-Québec, on utilise une grande variété de boulons (matériaux, dimensions, grades, fournisseurs, etc.) . Chez TransÉnergie, on dispose déjà d’un grand stock de boulonnerie qui doit être utilisé dans plusieurs catégories d’applications. Souvent il y a manque de marquage sur les boulons, ce qui rend la tâche très difficile pour les gens qui utilisent ces boulons et peut les amener parfois à ne pas faire des choix adéquats pour les applications appropriées. Notre mandat dans ce projet va être de fournir un moyen capable de résoudre ce problème et de rendre plus facile l’identification d’un boulon. Ceci par la conception d’un appareil ou d’un autre moyen qui peut être disponible dans les postes et qui permet de donner une information précise et rapide aux employés.

Suite à nos contacts et visites chez notre client TransÉnergie (Hydro-Québec), nous avons pu prendre conscience des problèmes que peuvent causer les éléments de fixation filetés ou la boulonnerie s’ils sont installés d’une façon inadéquate. Nous pouvons alors imaginer les inconvénients qu’ils peuvent provoquer surtout pour le fonctionnement et la sécurité. On rappelle qu’on utilise les boulons et les tiges filetées dans les postes de transformation et de distribution   pour deux catégories d’applications, d’une part pour les structures porteuses et d’autre part, pour l’appareillage et les équipements électriques.

Après avoir acquis une compréhension du problème, nous nous sommes fixés un ensemble d’objectifs qui sont les suivants :

➤ Identifier et analyser la situation actuelle avec la boulonnerie (logistique, commande, contrôle de réception, stockage, traçabilité, … );
➤ Développer une méthodologie des essais d’identification;
➤ Concevoir et valider le dispositif servant à l’identification dans les postes.

Revue des normes et marquages 

Pour vérifier les propriétés mécaniques d’un élément de fixation fileté, les normes applicables au Canada dans ce domaine ISO, ASTM et SAE suggèrent une série d’essais à effectuer. Dans le cadre de notre projet, le problème consiste à déterminer le grade (ou classe) d’un boulon, ou à le vérifier pour un boulon dont nous connaissons déjà ce paramètre. On rappelle que le grade d’un boulon s’identifie par une valeur de contrainte éprouvée et une valeur de résistance ultime.

Comme l’indiquent les nonnes déjà montrées, le grade d’un boulons s’identifie par sa valeur de résistance à la rupture. Toutefois, dans les mêmes nonnes il est indiqué des intervalles de dureté recommandés pour chaque grade. Dans la suite de ce chapitre, nous allons essayer d’étudier, d’analyser et de voir les limitations qui existent dans la relation qui relie la résistance à la rupture et la dureté. On rappelle que les essais de dureté présentent les avantages suivants :
• Simples, rapides et économiques;
• Non destructifs;
• Ne nécessitent pas de montages spéciaux comme le cas des essais de traction.

Théorie de la relation « dureté- résistance mécanique » 

Le test de dureté peut être utilisé pour estimer d’autres propriétés mécaniques, notamment la résistance à la rupture Rm. Une estimation de cette dernière peut être très utile si on ne peut y l’avoir directement. De nombreuses relations ont été établies entre la valeur de la dureté et la résistance à la rupture. Brinell a remarqué que la valeur de la dureté HB valait approximativement deux fois la valeur de Rm (en ksi) pour l’acier. Il faut noter toutefois que cette relation n’est valable que pour une bille de 10 mm et une charge appliquée sur le matériau de 3000 kgf.

La dureté Brinell 

Si la notion de dureté est l’une des plus intuitives, sa mesure correspond en pratique à celle de la résistance à la pénétration locale du matériau considéré. La dureté est alors une propriété physique complexe et difficile à interpréter, qui dépend non seulement des caractéristiques de ce matériau, mais aussi de la nature et de la forme du pénétrateur et du mode de pénétration (D. FRANÇOIS (1984)). Dans le cadre du projet, nous utiliserons l’essai de dureté par pénétration de type Brinell. Dans l’essai proposé par Brinell, le pénétrateur est une bille polie en acier trempé ou en carbure de tungstène (indentation sphérique). Son diamètre D vaut normalement 10 mm, mais peut aussi être de 5, 2, 5 et 1 mm. La bille est appliquée sur le métal avec une charge F. Après suppression de la charge, elle laisse dans le métal une empreinte circulaire permanente dont on mesure le diamètre d, d’autant plus grand que la bille a pénétré plus profondément dans le métal, indiquant donc que celui-ci est moins dur (figure 6). La mesure de l’empreinte se fait souvent avec une lunette à oculaire micrométrique d’un grossissement de l’ordre de 20.

Méthodologie des travaux de J. Datsko et al. (2001)

J. Datsko a procédé au test de dureté de plus de 31 matériaux au total. D’un autre côté, pour chacun de ces matériaux, il a effectué un essai de traction pour obtenir la valeur de Rm. L’essai de traction a été effectué selon la procédure standard prévue par la norme ASTM-E8.

Quant aux tests de dureté, ils ont été effectués sur un appareil de mesure de dureté Brinell (indentation sphérique). L’objectif de cette étude était d’obtenir une gamme de valeurs de d/ D (division du diamètre d’empreinte d par le diamètre du pénétrateur D) aussi large que possible car la précision de la méthodologie appliquée augmente avec le nombre de valeurs de d/ D. Ainsi, J. Datsko a choisi d’appliquer des charges de 500, 1000, 1500, 2000 et 3000 kgf sur une bille de 10 mm de diamètre. Comme les métaux sélectionnés pour cette étude étaient des matériaux ductiles tels que 1′ aluminium ou très durs comme l’acier, des tests additionnels ont été réalisés sur une machine de tensioncompression Baldwin avec des billes de diamètre 12,7, 19,5 et 25,4 mm. Les charges appliquées allaient de 45 kgf pour les matériaux ductiles jusqu’à 4100 kgf pour les matériaux les plus durs. Pour chaque matériau, un tableau a été dressé, présentant la charge appliquée au cours du test, deux mesures du diamètre de l’empreinte (effectuées à 90° l’une par rapport à l’autre) et la moyenne obtenue pour le diamètre de l’empreinte. Les valeurs de F/D2 (MPa), d/D, log(F/D2}et log(d/D) ont également été calculées afin de tracer le graphique  .

Nous avons présenté dans ce projet plusieurs lois empiriques existantes de la dureté Brinell. Il en existe également pour les autres échelles de dureté des matériaux. Avant d’accéder à la valeur de la résistance à la rupture Rm puis à l’identification des grades des éléments filetés, il a été nécessaire de bien regarder la théorie sur laquelle s’appuient les mesures de dureté. En effet, les différentes méthodes d’estimation de la résistance à la rupture à partir de la dureté découlent toutes en fin de compte des mêmes principes : la théorie de la plasticité et la loi de consolidation (écrouissage).