Analyse détaillée des matériaux et des propriétés du tube en alliage de précision

Une demande qui demande un tube en alliage de précision a décrit une réputation et non une exigence. La précision est un mot que chaque laminoir utilise et qu'aucun standard ne définit. Ce que le standard définit est une tolérance, et une tolérance est un nombre avec un signe et une unité attachés à une dimension.

La différence n'est pas académique, car les deux chiffres qui comptent sur un tube sont écrits dans des devises différentes. Dans l'ASTM A269, la norme pour les tubes en acier inoxydable austénitique sans soudure et soudés pour service général, le diamètre extérieur d'un tube entre 12,7 mm et 38,1 mm est maintenu à plus ou moins 0,005 pouce (0,13 mm), et la paroi du même tube est maintenue à plus ou moins 10 %. L'un est un chiffre absolu et l'autre est un pourcentage, et le second change avec la paroi que vous commandez.

Sur un tube avec une paroi de 2,0 mm, 10 % correspondent à plus ou moins 0,20 mm, ce qui est 1,5 fois la tolérance du diamètre extérieur. Sur un tube avec une paroi de 0,8 mm, les mêmes 10 % correspondent à plus ou moins 0,08 mm, ce qui est plus serré que la tolérance du diamètre. La même ligne du même standard produit deux promesses différentes, et le dessin doit être lu par rapport à la paroi qu'il spécifie réellement.

Cette page expose ce qu'un standard de tube fixe réellement, lesquelles des trois dimensions de tube peuvent être fixées à la fois, quelle est la différence de coût entre une paroi moyenne et une paroi minimale, et pourquoi la finition de surface est un achat séparé de la précision dimensionnelle.

L'ASTM A269 est une référence utile car c'est la norme la plus souvent citée pour les tubes d'instrumentation et de service général, et sa table dimensionnelle est suffisamment courte pour être reproduite intégralement. Les valeurs ci-dessous sont les tolérances pour le diamètre extérieur et la paroi, et la norme s'applique à une épaisseur de paroi nominale de 0,5 mm et plus.

Deux caractéristiques de cette table décident de la plupart de ce qui suit. La tolérance du diamètre augmente en termes absolus à mesure que le tube grossit, ce qui est normal car le processus d'étirage et la manipulation d'une bobine plus grande ajoutent de la variation. La tolérance de la paroi reste à 10 % sur quatre des cinq bandes de taille, ce qui signifie qu'elle évolue avec la paroi et non avec le diamètre.

Il existe également une limite dans la norme que les pages de catalogue mentionnent rarement : elle s'applique à partir de 0,5 mm de paroi nominale et plus. En dessous de ce chiffre, le produit appartient à une classe différente, généralement des tubes capillaires ou hypodermiques, et il est commandé selon un document différent avec des règles d'inspection différentes. Un acheteur qui demande une paroi de 0,3 mm selon la norme A269 a demandé quelque chose que la norme ne couvre pas.

Un tube rond est décrit par trois dimensions, et seulement deux d'entre elles sont indépendantes. La paroi est la moitié de la différence entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur, donc deux des trois fixent la troisième.

Un dessin qui impose une tolérance sur les trois a donc imposé une tolérance sur une quantité déjà déterminée, et les trois tolérances se contrediront généralement. Un tube au sommet de la tolérance du diamètre extérieur et au sommet de la tolérance de la paroi a un diamètre intérieur au-dessus de sa propre limite, et l'inspecteur doit décider contre quels trois chiffres la pièce a été réellement achetée. Les laminoirs résolvent cela de la même manière à chaque fois : le dessin est cité avec une note demandant quelles deux dimensions régissent, et la commande ne bouge pas tant que la note n'est pas répondue.

Le choix des deux décide également du processus. L'étirage sur mandrin contrôle la paroi et le diamètre intérieur, car le mandrin définit l'alésage et la filière définit l'extérieur. Le tréfilage, qui étire le tube sans support interne, réduit le diamètre extérieur et laisse la paroi s'épaissir, il maintient donc la dimension extérieure et laisse la paroi suivre. Le rectifiage sans centre corrige le diamètre extérieur et la surface, et ne peut pas corriger une paroi déjà défectueuse. Un dessin qui fixe le diamètre intérieur et la paroi a choisi une voie qui coûte plus cher qu'un dessin qui fixe le diamètre extérieur et la paroi, et la différence de prix est une différence de processus.

La tolérance de paroi dans la table s'applique à l'une des deux définitions, et la norme exige que la commande d'achat indique laquelle. Une commande de paroi moyenne accepte une paroi qui mesure en dessous du nominal à certains points, à condition que la moyenne sur la longueur et la circonférence reste dans la tolérance. Une commande de paroi minimale exige qu'aucune mesure ne tombe en dessous du chiffre nominal.

L'arithmétique est simple et la conséquence commerciale ne l'est pas. Prenons une paroi nominale de 2,0 mm avec une tolérance de plus ou moins 10 %.

Une commande de paroi minimale pour une paroi de 2,0 mm achète donc un tube qui fait en moyenne 2,22 mm et peut peser jusqu'à 11 % de métal en plus que le chiffre nominal ne le suggère, avant toute allowance pour l'excentricité. Sur un tube à paroi mince, la masse est presque proportionnelle à la paroi, donc le prix évolue avec elle. Une commande d'achat qui indique une paroi de 2 mm et s'arrête laisse le choix au laminoir, et le laminoir citera l'interprétation qui utilise moins de métal.

La distinction change également la pression nominale. Un calcul d'éclatement utilise la paroi minimale, donc une conception qui a supposé 2,0 mm et a reçu un tube à paroi moyenne avec un minimum de 1,8 mm a une frontière de pression plus mince que celle supposée par le calcul, même si le tube est conforme à la norme.

L'excentricité est la variation de la paroi autour d'une section transversale, et aucune colonne d'une table dimensionnelle ne l'indique directement. Ce que la table appelle tolérance de paroi s'applique à la paroi mesurée, et un tube peut satisfaire la tolérance de paroi sur sa moyenne tout en portant un alésage visiblement décentré. La conséquence est une paroi épaisse d'un côté et mince de l'autre, avec la moyenne dans la bande.

La source de cette variation est en amont de la filière finale. L'excentricité entre au niveau de la coquille ou du billette, où une différence de température à travers la section fait couler le métal de manière inégale, et chaque étirage subséquent la réduit sans l'éliminer. Un laminoir qui cite une valeur de concentricité cite le résultat de son propre contrôle de processus et non une propriété de l'alliage, c'est pourquoi deux fournisseurs peuvent tous deux expédier selon A269 et produire des tubes qui se comportent différemment dans un échangeur de chaleur.

Les parois minces aggravent le problème, et la norme le reconnaît. A269 autorise un tube plus mince, dont la paroi représente 3 % du diamètre extérieur ou moins, à dépasser la plage d'ovalité normale d'un facteur deux, à condition que la moyenne des lectures maximale et minimale soit toujours conforme. Sur un tube de 25,4 mm, la ligne de 3 % se situe à une paroi de 0,76 mm, donc un tube de 0,7 mm de paroi appartient à la classe relaxée et un tube de 1,0 mm de paroi n'en fait pas partie. Un dessin qui spécifie une paroi mince et une valeur de rondeur sans remarquer cette limite a spécifié deux exigences que la norme ne concilie pas.

Pour un échangeur de chaleur, ce n'est pas un problème cosmétique. La performance thermique dépend de la paroi, la pression nominale dépend de la paroi minimale, et l'assemblage tube-plaque tubulaire dépend de la paroi à la position de roulage. Un tube qui respecte la tolérance de paroi moyenne et porte sa section mince au niveau du cordon de soudure a passé la norme et peut toujours échouer à l'assemblage.

Rien dans une tolérance dimensionnelle ne contraint la surface. A269 demande un tube propre et exempt de calamine, et ne fixe pas de valeur de rugosité, donc deux tubes peuvent respecter le même plus ou moins 0,13 mm sur le diamètre extérieur et différer d'un ordre de grandeur en rugosité.

Là où la surface est importante, l'exigence arrive par un document différent ou par une ligne sur le dessin. Le service sanitaire est commandé selon l'ASTM A270, qui ajoute une exigence de propreté et de surface que A269 ne porte pas. Le service pharmaceutique et semi-conducteur ajoute une finition électropolie, et la finition est écrite comme une moyenne de rugosité en micromètres, avec la longueur de mesure et l'instrument nommés. Un dessin qui dit alésage lisse n'a rien dit qui puisse être inspecté.

La raison pour laquelle la distinction est commerciale est que la rugosité est produite par une opération séparée. L'étirage fixe la dimension, et le polissage ou l'électropolissage fixe la finition, et la seconde opération a son propre prix, son propre délai de livraison et son propre taux de rebut. Une cotation qui les regroupe sans nommer la valeur de rugosité a coté une finition que l'acheteur ne peut pas faire respecter.

Le tube de précision n'est pas une famille de matériaux. C'est une classe de produits qui se situe au-dessus de plusieurs familles de matériaux, et chaque famille est régie par sa propre norme de tube. La norme décide ensuite quels tests le certificat rapportera, donc le choix de l'alliage va jusqu'à la paperasse.

Deux entrées dans cette table nécessitent une note. Le titane Grade 2 est le grade commercialement pur utilisé pour les tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur, et le Grade 5 est l'alliage à haute résistance dont la forme tubulaire est commandée selon une spécification de tube aérospatial, donc les deux grades ne sont pas interchangeables sur une commande de condenseur. Les tubes de précision en acier au carbone et faiblement allié se situent en dehors du tableau, car ils sont régis par l'EN 10305-1 et expriment leurs tolérances sous forme de grades et non sous forme de table dimensionnelle unique. Mélanger cette classe dans une demande d'alliage de nickel modifie la voie d'inspection, le certificat et la base de prix.

La portée de chaque document comporte une limite de taille qui mérite d'être lue avant de demander un devis. L'ASTM B163, par exemple, couvre les tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur en nickel et alliages de nickel sans soudure de 3 pouces (76,2 mm) de diamètre extérieur et moins, avec des épaisseurs de paroi minimales de 0,148 pouce (3,76 mm) et moins. Une exigence en dehors de cette enveloppe appartient à une spécification de tuyau et non à la spécification de tube, et les exigences de test changent avec elle.

Le programme de test est là où deux commandes autrement similaires divergent.

Un tube 316 commandé selon A269 et le même tube commandé selon A213 sont le même alliage et non le même achat. Le second porte un résultat de traction et une voie d'acceptation différente, et si l'application est un échangeur de chaleur, le second est le document dont le concepteur a besoin. Envoyer un certificat A269 à un réviseur qui a demandé A213 ne résout pas la question, car le test manquant ne peut pas être déduit de la chimie.

Quatre défauts expliquent la plupart de la correspondance sur une commande de tube de précision, et tous les quatre sont visibles avant que la commande ne soit passée.

Le premier est un dessin qui spécifie le diamètre extérieur, le diamètre intérieur et la paroi, chacun avec une tolérance. La géométrie rend l'un des trois redondant, et les trois limites seront en désaccord aux coins de leurs bandes. La solution est de tolérer deux dimensions et de déclarer la troisième comme référence.

Le second est une valeur de paroi sans base attachée. La paroi moyenne et la paroi minimale diffèrent d'environ 11 % en métal sur une paroi de 2 mm, et le laminoir citera l'interprétation la plus légère lorsque la commande ne le précise pas.

Le troisième est une exigence de rondeur ou de concentricité sur une paroi mince, où la norme a déjà assoupli la tolérance d'ovalité car la section ne peut pas la maintenir pendant le traitement thermique. L'exigence n'est pas impossible, et elle coûte une voie de processus différente et un prix différent.

Le quatrième est une exigence de surface exprimée par un mot. Lisse, propre et poli ne sont pas mesurables, et aucun d'entre eux ne survit à une inspection entrante. Une valeur de rugosité avec une longueur de mesure le fait.

DLX fournit des tubes en alliage de nickel et en acier inoxydable de Changzhou, Jiangsu, sous forme sans soudure et soudée, ainsi que les mêmes familles d'alliages en barres, fils et bandes lorsque la pièce prend une forme différente. Les tubes sont produits selon la norme nommée sur la commande d'achat, avec la base de paroi indiquée, et un certificat EN 10204 3.1 est disponible sur demande avec le numéro de coulée traçable aux résultats des tests.

Deux questions résolvent la plupart des devis de tubes. La première est de savoir quelles deux dimensions régissent, car cette réponse définit le dessin et le processus. La seconde est de savoir si la valeur de la paroi est une moyenne ou une minimale, car cette réponse définit la masse et le prix.

Cela signifie tout ce que la tolérance indique sur le dessin, et rien de plus. L'ASTM A269 maintient le diamètre extérieur d'un tube de 12,7 à 38,1 mm à plus ou moins 0,005 pouce (0,13 mm) et la paroi à plus ou moins 10 %. Ce sont deux types de promesses différents, et un dessin qui utilise le mot sans les chiffres n'en a spécifié aucun.

Parce que la paroi est la moitié de la différence entre les deux diamètres, donc le troisième chiffre est déterminé par les deux autres. Trois tolérances sur trois dimensions dépendantes se contrediront aux extrêmes de leurs bandes, et le laminoir demandera quelles deux régissent avant de faire un devis. Tolérez deux dimensions et marquez la troisième comme référence.

Une commande de paroi moyenne accepte des lectures inférieures au nominal si la moyenne reste dans la tolérance. Une commande de paroi minimale exige qu'aucune lecture ne tombe en dessous du nominal. Sur une paroi de 2,0 mm avec une tolérance de 10 %, la commande de paroi minimale nécessite une moyenne de 2,22 mm, ce qui représente environ 11 % de métal en plus que le chiffre nominal ne le suggère.

Parce qu'une section mince se déforme pendant le traitement thermique. L'ASTM A269 autorise un tube dont la paroi représente 3 % du diamètre extérieur ou moins à dépasser la plage d'ovalité normale d'un facteur deux, à condition que la moyenne des lectures maximale et minimale soit toujours conforme. Sur un tube de 25,4 mm, cette limite se situe à une paroi de 0,76 mm.

Il peut être fourni selon A269, et un échangeur de chaleur est normalement commandé selon A213 pour les aciers inoxydables ou selon B163 pour les alliages de nickel, car ces normes portent les exigences de traction et non destructives dont dépend la conception. L'alliage peut être identique et le certificat ne le sera pas.

Non. Une tolérance dimensionnelle contraint la taille et ne dit rien sur la rugosité. A269 demande un tube propre exempt de calamine et ne fixe aucune valeur de rugosité. Le service sanitaire est commandé selon A270, et une finition pharmaceutique est écrite comme une moyenne de rugosité en micromètres avec la longueur de mesure nommée.

Un tube de précision est défini par des nombres qui appartiennent à des systèmes différents. Le diamètre extérieur est maintenu par un chiffre absolu qui augmente avec la taille, la paroi est maintenue par un pourcentage qui augmente avec la paroi, la tolérance d'ovalité se relâche pour une section mince, et la surface est maintenue par un document séparé ou par une valeur de rugosité sur le dessin. Une commande d'achat qui capture les quatre a spécifié un tube. Une qui dit précision a spécifié une relation fournisseur.

La géométrie ajoute une contrainte qu'aucune table de tolérances ne peut supprimer. La paroi est la moitié de la différence entre les deux diamètres, donc deux dimensions sont libres et la troisième suit. Décider quelles deux sont libres, et si la paroi est une moyenne ou une minimale, règle le dessin, le processus, la masse et le prix dans cet ordre.

ASTM A269/A269M, spécification standard pour les tubes en acier inoxydable austénitique sans soudure et soudés pour service général, pour la table de tolérances du diamètre extérieur et de la paroi, la règle d'ovalité pour les parois minces, et la limite de paroi nominale de 0,5 mm.

ASTM A213/A213M, spécification standard pour les tubes de chaudière, de surchauffeur et d'échangeur de chaleur en acier allié ferritique et austénitique sans soudure, pour les exigences de traction qui le séparent de l'A269.

ASTM A270, spécification standard pour les tubes sanitaires, pour les exigences de propreté et de surface qui se situent en dehors de la table dimensionnelle.

ASTM B163, spécification standard pour les tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur en nickel et alliages de nickel sans soudure, pour la limite de portée de 3 pouces de diamètre extérieur et 0,148 pouce de paroi minimale.

ASTM B165, spécification standard pour les tubes et tuyaux en alliage nickel-cuivre sans soudure, couvrant les tubes sans soudure travaillés à froid Monel 400.

ASTM B167, spécification standard pour les tubes et tuyaux sans soudure en alliage nickel-chrome-fer, couvrant la famille 600, 601 et 690.

ASTM B622 et B626, spécifications standard pour les tubes et tuyaux en nickel et alliages de nickel-cobalt sans soudure et soudés, couvrant les grades de corrosion contenant du molybdène.

EN 10305-1, tubes en acier de précision étirés à froid sans soudure, en tant que système de tolérance distinct qui régit la classe de tubes en acier au carbone et faiblement allié.

Les valeurs de tolérance citées ici sont les valeurs publiées pour les normes nommées, et elles ne constituent pas un certificat pour un lot livré. Un tube est accepté selon l'édition de la norme nommée sur la commande d'achat, et les éditions ultérieures révisent les tables. Lorsqu'un chiffre est calculé, comme dans la comparaison entre paroi moyenne et paroi minimale, il s'agit d'une illustration arithmétique des définitions et non d'une valeur tirée d'une norme. L'excentricité est le résultat d'une voie de processus spécifique et n'est fixée par aucune table dimensionnelle citée ici. La rugosité de surface est mesurée selon une méthode et une longueur nommées, et une valeur de rugosité sans ces deux détails ne peut pas être inspectée. Les spécifications des produits sont révisées, et l'édition nommée sur la commande régit. Rien ici ne remplace une autorisation d'ingénierie ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.