Inserts en carbure de tungstène TBM : sélection, performances et guide du fournisseur

Sur un projet de tunnel en roche dure, la tête de coupe du tunnelier est le seul contact entre la machine et le sol. Des centaines de plaquettes en carbure de tungstène se trouvent à tout moment sur cette tête de coupe. Chacun est responsable de briser la roche, de transporter des charges et de survivre dans un environnement comprenant de la poussière, de l'eau, des vibrations et des grains minéraux durs. Si une plaquette tombe en panne prématurément, la tête de coupe s'arrête, le tunnel perd des heures et une équipe grimpe dans un espace confiné pour la remplacer. La conséquence n’est pas seulement le coût de l’insert ; c'est le coût de la machine qui ne bouge pas. C'est pourquoi la sélection d'une plaquette en carbure de tungstène TBM est une décision de projet et non une commande de pièces de rechange.

Pourquoi le carbure de tungstène est la norme pour les inserts TBM

La raison fondamentale est matérielle. Le carbure de tungstène, ou carbure cémenté, est un composite constitué de particules de carbure de tungstène liées entre elles par une matrice métallique de cobalt. Les particules de carbure confèrent au matériau son extraordinaire dureté. Le liant cobalt lui confère la solidité nécessaire pour survivre aux chocs. Les inserts de tunnelier fonctionnent contre des roches pouvant contenir du quartz, qui est plus dur que presque tous les matériaux techniques. En fonctionnement normal, l'insert subit des charges de compression élevées et des charges ponctuelles soudaines provenant de parois rocheuses irrégulières. Un matériau trop dur s’écaillera. Un matériau trop mou s’usera vite. Le carbure de tungstène offre un équilibre qu'aucun autre matériau pratique n'égale.

Le matériau peut être réglé dans certaines limites. La teneur en cobalt varie généralement d'environ 6 pour cent à 13 pour cent, et la taille des grains de carbure de tungstène peut être fine, moyenne ou grossière. Un grain plus fin donne généralement une dureté plus élevée et une meilleure rétention des bords. Un grain plus grossier donne une meilleure ténacité et résistance aux chocs thermiques. Pour les plaquettes TBM, les conditions de fonctionnement sont normalement abrasives et soumises à des chocs, une qualité plus équilibrée est donc typique. Les valeurs de dureté de ces qualités se situent généralement dans la plage HRA 86 à 92. Une qualité spécifique ne doit être sélectionnée qu'une fois que les conditions de la roche sont connues.

En pratique, cela signifie que le même insert qui fonctionne sans problème dans un tunnel d'argile molle et de sable peut avoir une durée de vie très courte dans un tunnel de granit dur. Une qualité bonne pour le granit peut être trop fragile pour un sol très fracturé. Les données d'entrée importantes sont le type de roche, la résistance à la compression uniaxiale et la teneur en quartz. En résumé : la qualité du matériau est le point de départ de la sélection des plaquettes, et elle doit correspondre au sol et non à la machine.

Insérer une géométrie : plus qu'une arête vive

Les inserts de tunnelier sont souvent représentés comme des dents pointues, mais en réalité, ils fonctionnent davantage comme des grattoirs et des concasseurs. La géométrie de l'insert détermine la manière dont la charge est transférée à la roche, la manière dont l'insert s'use et la force nécessaire pour pénétrer.

Les principales caractéristiques géométriques sont la forme du nez, l'angle du nez, la conicité du corps et la section de montage. Une pointe conique est courante et efficace pour pénétrer dans la roche. Un nez sphérique ou plus émoussé élargit la zone de contact, réduit le risque d'écaillage et est parfois préféré pour les roches très dures ou massives. Une pointe en forme de ciseau peut être utilisée dans certaines conceptions pour créer une cassure linéaire. Il n’existe pas de meilleure géométrie. Le choix dépend de la roche attendue et de la conception de la tête de coupe.

Outre la forme de la pointe, l'insert doit être fermement maintenu dans le support. Un insert lâche vibre, crée une fente dans le support et s'use prématurément. Le corps de l'insert est souvent réalisé avec un diamètre légèrement plus grand que le trou ou la fente afin de pouvoir être pressé ou brasé en place. Cet ajustement est l’une des raisons pour lesquelles les tolérances du travail d’usinage sont importantes. Même une note correcte ne peut compenser un mauvais ajustement.

Une bonne compréhension de la géométrie des plaquettes aide également l'équipe du tunnel à comprendre pourquoi certaines plaquettes s'usent selon une forme conique et pourquoi d'autres développent un méplat. Le profil d'usure fournit souvent des informations sur l'angle de contact. Ces connaissances sont utiles pour ajuster les paramètres de la tête de coupe ou changer le type de plaquette.

Pour un aperçu de la façon dont la conception des inserts du tunnelier affecte les performances, vous pouvez vous référer à cet article sur plaquettes en carbure de tungstène pour tunneliers .

Facteurs de sélection pour les inserts TBM

Choisir le bon Insert de tunnelier n’est pas une décision ponctuelle. Il s'agit d'un processus itératif qui commence par les données géologiques du tunnel et se poursuit par des tests sur la tête de coupe. Le tableau suivant répertorie les facteurs de sélection les plus importants.

C'est un endroit où un fournisseur peut ajouter de la valeur. Un fabricant professionnel ne se contentera pas d'étiqueter un insert comme « dur » ou « pour le rock ». Ils demanderont le rapport géologique, les spécifications de la tête de coupe et la taille de plaquette requise. Comparer, s'il y a lieu, la nuance et la géométrie sélectionnées avec des données de performances typiques. Ce dialogue est particulièrement important lorsque le tunnel traverse plusieurs zones géologiques. Un insert en roche dure peut fonctionner sur la majeure partie du parcours, mais une section plus molle ou une zone de faille peut créer des changements rapides.

Une pratique courante consiste à tester un ou deux modèles d’inserts au début d’un projet. La période d'observation ne doit pas nécessairement être longue. Si les plaquettes présentent des écailles importantes, la nuance est trop dure ou la géométrie est trop pointue. Si les plaquettes s'usent rapidement mais que la roche n'est pas particulièrement abrasive, la nuance est trop molle ou les paramètres de la tête de coupe sont erronés. Ces tests révèlent le comportement réel de la roche sous la machine, ce qui est toujours mieux qu'une estimation en laboratoire.

Qualité de fabrication et problème de cohérence

La nuance et la géométrie constituent la partie visible de la sélection des plaquettes. La partie invisible est la cohérence de la fabrication. Le carbure de tungstène est produit à partir de poudre. Si la poudre est mal mélangée, si la répartition granulométrique dérive ou si le processus de frittage n'est pas maîtrisé, les inserts d'un lot peuvent se comporter différemment des autres. Dans un tunnel, cette incohérence est très difficile à accepter car la tête de coupe transporte plusieurs plaquettes à la fois. Si un insert sur cent s'use rapidement, cela peut créer une zone locale sur la face du tunnel qui n'est pas entièrement coupée, laissant un gros morceau de roche qui doit être brisé par le tailleur voisin.

La production d'un insert TBM fiable nécessite une ligne de production intégrée. Dans notre usine de Changzhou, en Chine, nous commençons par presser la poudre de carbure de tungstène à l'aide de presses TPA. Cette méthode utilise un profil de pression contrôlé pour créer un corps vert avec une forme et une densité constantes. Le corps vert est ensuite fritté dans des fours de frittage basse pression. Le frittage basse pression réduit la porosité résiduelle finale et produit une structure plus fine et plus dense. Une structure dense avec peu de pores est directement liée à une meilleure résistance à l’usure et à un risque de fracture moindre.

Après frittage, les inserts sont meulés aux dimensions finales et à l'état de surface. Le meulage de précision est effectué sur des rectifieuses d'outils CNC à cinq axes, et la géométrie de l'outil est vérifiée avec un équipement de réglage d'outils numérique. Pour les outils ronds et autres composants de précision, notre production suit une norme de production allemande reconnue. Ce système nous donne une référence en matière de tolérances et de durée de vie des outils. Les instruments d'inspection font partie du processus ; ils ne sont pas supprimés de l'environnement de production et utilisés uniquement pour les contrôles finaux. Ils sont également utilisés pour contrôler l’opération de meulage de la machine.

L'entreprise est certifiée ISO9001 et ISO14001. Ces certifications indiquent que le système de production est audité et que des processus de gestion environnementale et de qualité sont en place. Pour un projet de tunnel, ce niveau de contrôle répond à un objectif simple mais important : les inserts qui arrivent sur le site doivent se comporter de manière cohérente avec les inserts testés.

Durée de vie et coût réels des inserts

Le coût d’un insert de tunnelier est faible comparé au coût des temps d’arrêt du tunnel. C'est la raison pour laquelle la sélection des encarts doit être considérée comme un facteur de productivité, et pas seulement comme un élément de campagne d'achat.

Une plaquette mal adaptée peut également créer des problèmes de géométrie. Si une plaquette s'use de manière inégale, le disque de coupe peut cesser de tourner et couper un bord plat dans la roche. Cela augmente la résistance de coupe pour l'ensemble de la tête de coupe. Les entrepreneurs en construction de tunnels savent que le coût d'un arrêt inattendu de la tête de coupe ne concerne pas seulement la main d'œuvre ou les nouvelles pièces ; c'est aussi la perte de production et le risque sur le planning.

Une pratique efficace consiste à suivre la durée de vie des inserts par zone du tunnel, en mètres d'avance. Cela crée une courbe de performance simple qui peut être comparée au type de roche. Lorsque l'insert atteint la fin de sa durée de vie utile, un remplacement planifié peut être effectué dans un endroit sûr. Le matériau utilisé dans l’insert, sa géométrie et sa qualité de fabrication contribuent à ce projet.

La relation entre le choix de la plaquette, les conditions de la roche et les performances de la tête de coupe est abordée plus en détail dans notre article sur pourquoi les inserts en carbure de tungstène TBM sont cruciaux pour la construction souterraine .

L'insert en carbure de tungstène TBM est un petit composant qui a une énorme influence sur la progression du tunnel. Le matériau doit être résistant à l'abrasion. La géométrie doit correspondre à la roche. La qualité doit correspondre à la tête de coupe réelle. Et la fabrication doit produire des pièces cohérentes. Lorsque ces facteurs se mettent en place, l’insert fonctionne comme prévu pour une distance prévisible. Lorsqu’un facteur ne va pas, c’est la machine qui en souffre. Les acheteurs et les ingénieurs en tunnel doivent traiter le choix des plaquettes comme une négociation technique : rassembler les données géologiques, discuter de la conception de la tête de coupe et exiger un fournisseur capable de contrôler l'ensemble du processus de production. Les jours où la tête de coupe reste abaissée coûtent plus cher que la plaquette elle-même.