Étude expérimentale et numérique du procédé de trempe par jet d’eau impactant

par Sylvain Devynck

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Jean-Pierre Bellot, Sabine Denis et de Michel Gradeck.

Le président du jury était Lounes Tadrist.

Les rapporteurs étaient Jérôme Bellettre, Jean-Michel Bergheau.


  • Résumé

    La trempe à eau par jet impactant est une étape clé des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le contrôle des évolutions microstructurales de l'acier, de conférer des propriétés mécaniques élevées, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extrêmes (nouvelles générations de centrales électriques, forages très profonds,…). En cours de trempe, des phénomènes complexes se produisent à la fois en surface des tubes et au sein du matériau. Les mécanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - déformations) sont en effet étroitement liés aux phénomènes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phénomènes et leur couplage requièrent une parfaite compréhension et maîtrise pour anticiper l'apparition de certains défauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de thèse, une démarche en deux temps. Dans un premier temps, à l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 préchauffé à 600°C, nous avons étudié les effets de plusieurs paramètres opératoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de déplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles corrélations prédisant la densité de flux maximale échangée en paroi, qui prennent en compte la mobilité de la paroi, ont été proposées. En parallèle de ces expérimentations, nous avons entrepris la simulation numérique de la configuration expérimentale en utilisant le code de mécanique des fluides Fluent. Cependant la difficulté rencontrée pour simuler, à partir des modèles d'ébullition disponibles par défaut dans le code, l'ensemble des régimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu être surmontée. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif expérimental de refroidissement hétérogène d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la génératrice supérieure. La température du tube (en plusieurs points) et le déplacement vertical en son milieu étaient mesurés lors des essais. De plus, des visualisations à l'aide d'une caméra rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout début de trempe. En parallèle, nous avons réalisé des simulations de ces expériences pour calculer les évolutions de température, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes et des déformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilisé le code de calcul par éléments finis, Sysweld, auquel est intégré le modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de paramètres thermophysiques, thermométallurgiques et thermomécaniques a été établi en se basant sur des travaux antérieurs et sur des caractérisations expérimentales menées au laboratoire.. L'analyse des résultats des simulations a permis de comprendre l'évolution de la flèche du tube en fonction des gradients de température et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - expérience a mis en évidence des écarts que nous avons tenté d'expliquer. Nous avons proposé des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette thèse

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of water jet impingement quenching process


  • Résumé

    Jet impingement quenching is one of the key steps among the heat treatments undergone by seamless steel tubes. By controlling the steel microstructural evolutions, the heat treatment leads to specific mechanical properties which are required by the use of the tubes in extreme environment (new generation of power plants, deep drilling,…) During the quenching, complex phenomena occur both at the pipe surface and within the material. The latter (thermal diffusion – phase transformations – stress – strain) are indeed closely related to the hydraulic and thermal mechanisms occuring on the surface. All these phenomena and their interconnection must be perfectly understood and controlled to prevent the appearance of quenching defects such as tube bending and quench cracks and to get the desired metallurgical phases. To achieve this goal we have adopted a two-stage approach. Firstly, using two innovative cooling experimental devices, including a rotating Ni201 cylinder preheated up to 600°C, we have studied the effect of several operating parameters on thermal transfer: subcooling, jet velocity, velocity of the displacement of the cooled surface, direction and impact angle of the jet. Following these sets of experiments, new correlations predicting the maximum of wall heat flux density have been proposed. These correlations take into account the wall motion. Besides this experimental work, we have undertaken numerical simulations of the experimental configuration using the CFD software Fluent. However, simulating all the thermal transfer regimes, particularly the boiling regime and their transitions is still challenging when using the default encoded boiling models; we were unable to successfully complete this work. In a second step, we have built an experimental device allowing heterogeneous quenching of a 42CrMo4 steel tube by an impinging water jet. During the quenching, the tube temperature at different locations and vertical displacement evolutions were recorded. In addition, data obtained from high-speed camera recordings allowed us to monitor the evolution of the rewetting front at the onset of cooling. Numerical simulations of these experiments were conducted in order to compute the time evolutions of temperature, phase transformations, stress and strain throughout the steel tube. To this end we used the finite element calculation software Sysweld, which includes a predictive model for the kinetics of phase transformations called PhaseRC. Using bibliographic data and some laboratory experimental characterizations, we were able to build a set of thermo-physical, metallurgical and thermo-mechanical data needful for these calculations. The simulation results have allowed to understand well the bending evolution of the tube during cooling, considering the thermal gradients and the progress of the phase transformation. Comparison of the simulation results with those obtained from measurements has shown discrepancies that we have tried to explain. Some suggestions have been given for the progress of the work accomplished during this thesis


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