ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 3 FABRICATION ET MONTAGE

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1 ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 3 FABRICATION ET MONTAGE Leçon 3.6 Inspection Assurance Qualité Fichier : L3-6.doc

2 OBJECTIF Expliquer pourquoi l'inspection est quelque chose d'essentiel pour assurer la sécurité de la structure et introduire les types d'inspection les plus importants - matériau, dimensions, soudures et boulons - et les équipements nécessaires à les mettre en œuvre. Définir les termes et donner les mises en garde relatives au sujet. PREREQUIS Volume 1A: Volume 1B: Volume 2: Volume 3: Volume 6 : Volume 11 : Volume 12 : Construction acier : Facteurs économiques et commerciaux Construction acier : Introduction à la conception Métallurgie appliquée Construction Stabilité appliquée Conception des assemblages Conception à la fatigue LEÇONS CONNEXES Leçon 1B.2.1 : Leçon : Leçon : Leçon 3.3 : Leçon 3.4 : Les différentes philosophies de la conception Principes généraux de fabrication des structures en acier 1 ère partie Principes généraux de fabrication des structures en acier 2 ème partie Principes du soudage Modes opératoires de soudage RESUME Cette leçon définit les termes importants utilisés dans ce domaine. Elle étudie les principaux objectifs de l'inspection et de l'assurance Qualité qui sont de vérifier que la sécurité est obtenue sans nuire à l'aspect économique. On y définit les interrelations qui existent entre les responsabilités de la conception, de la fabrication et de l'inspection. On y introduit les principaux types d'inspection et les méthodes les plus courantes d'inspection, avec quelques explications sur leur raison d'être. Page 1

3 1. INTRODUCTION / DEFINITIONS Les définitions suivantes s'appliquent généralement aux activités de conception et de fabrication, y compris celles qui concernent la construction métallique : Qualité : Assurance Qualité : Contrôle Qualité : Spécification : Inspection : Certification : La totalité des caractéristiques et des particularités d'un produit ou d'un service qui s'appuient sur sa capacité à satisfaire un besoin donné. Le système, y compris toutes les activités, documentation et fonctions, concernant la réalisation de la qualité exigée. Les modes opératoires et les activités qui ont pour but de vérifier que la qualité du produit ou du service satisfait aux exigences requises. Désigne aussi l'utilisation de ces modes opératoires et activités. Le document qui mentionne en détail les exigences auxquelles le produit ou service doit satisfaire. Le procédé de mesure, examen, essai, étalonnage ou autre permettant de comparer la pièce aux exigences auxquelles elle doit satisfaire. L'acte de l'autorité de contrôle de compléter le document de satisfaction des exigences. On verra à partir des définitions ci-dessus que l'inspection constitue une partie importante du Contrôle Qualité et que le Contrôle Qualité et la Certification constituent des parties importantes de l'assurance Qualité. Page 2

4 2. OBJECTIFS Les objectifs de l'assurance qualité en construction métallique sont de s'assurer que : La qualité de la conception, les spécifications et la conception de détail sont telles que les exigences des états limites soient satisfaites de la façon la plus économique possible. La qualité des matériaux, la fabrication et le montage satisfont aux exigences de la conception. Page 3

5 3. MARGES DE SECURITE 3.1 Écarts dus au procédé Tous les procédés sont sujets à des influences variables, dont certaines peuvent être au détriment de la sécurité ou de l'économie de la structure. Par exemple, si un profilé en acier est laminé beaucoup plus petit que les dimensions spécifiées, il peut être dangereux. S'il est laminé beaucoup plus épais que la valeur exigée, c'est du gaspillage. Les dimensions des profilés ne sont jamais exactement les mêmes que celles des valeurs standard. Les variations par rapport aux dimensions théoriques et aux propriétés du matériau sont dues aux limitations économiques sur le contrôle du processus de fabrication. Ces variations peuvent être déterminées de façon statistique et contrôlées de manière à assurer la conformité aux exigences, permettant par conséquent de choisir les valeurs appropriées du coefficient partiel de sécurité M. 3.2 Erreurs grossières D'autres types d'écarts peuvent être regroupés sous le nom d' «erreurs grossières». Ces variations sont rares, mais lorsqu'elles se produisent, les conséquences peuvent être graves. Par exemple, si on fournit un poteau laminé HEA 340 A à la place de la taille supérieure voisine (HEB 320) et s'il est utilisé sans que cela n'ait été remarqué, la perte potentielle de résistance est d'environ 38 %. Même pire, si la nuance de l'acier de soudure était du Fe 275 au lieu du Fe 350 spécifié, la perte de résistance serait supérieure à 23 %. Il n'est pas économique de permettre des erreurs grossières en augmentant le facteur de sécurité partielle du matériau. Le risque d'erreur grossière peut être réduit à un minimum acceptable au moyen de procédures de contrôle de la qualité adéquates. Il s'avère alors que corriger l'identification et la traçabilité est tout aussi important pour la sécurité que les mesures de routine et les essais. Page 4

6 4. RESPONSABILITES 4.1 Implication Les personnes concernées par l'assurance qualité dans un contrat de construction métallique sont : le concepteur/le client, le fournisseur du matériau/le fabricant/le monteur, l'inspecteur. Cette liste représente un découpage simplifié dans le but de définir les responsabilités. La structure de l'organisation dépend du type et des conditions du contrat. Par exemple le concepteur, le fabricant et l'inspecteur peuvent appartenir à une seule organisation et le client à une autre. Dans un autre cas, le client et le concepteur peuvent être la même entité. L'inspecteur peut ou non, être employé par le fabricant. On pourrait penser que la seule partie concernée par la réalisation de la qualité recherchée est l'inspecteur. Cependant, à partir du moment où on l'obtient l'acier, jusqu'au moment où la structure est achevée, toutes les personnes en liaison avec la planification, la conception, la fabrication et le montage de la structure sont concernées par un aspect ou un autre de sa qualité. L'Assurance Qualité désigne le mécanisme tout entier qui certifie que toutes les personnes concernées : a) savent ce qu'elles doivent faire, b) le font, c) montrent qu'elles l'ont fait. 4.2 Évolution à travers les pratiques Les systèmes d'assurance Qualité actuellement opérationnels ont évolué à travers les années. Ils sont écrits sous la forme de règles de pratique, spécifications standard et procédures. Ces documents sont inclus dans les contrats de conception et de construction. Le travail de l'inspecteur est principalement celui du point c) ci-dessus. La plupart du temps, les équipes chargées de la conception, de l'approvisionnement en matériau, de la fabrication ou du montage inspectent leur propre travail, dans la mesure où c'est leur responsabilité d'assurer la vérification des standards requis. Cependant, lorsque les Page 5

7 contrats sont adjugés sur la base d'un coût minimum à la soumission, il y a des pressions commerciales pour réduire les délais et donc le coût de chaque activité. 4.3 Causes et préventions des défauts Il y a toujours le risque que quelqu'un : soit ne sache pas toujours quoi faire, soit n'ait pas assez de temps ou oublie ce qu'il a à faire et que l'oubli d'une activité ne soit pas détecté. Ce sont là les premières causes de défauts de structure qui se répartissent de manière identique sur les opérations de conception, de fabrication et de montage. C'est la responsabilité de l'inspecteur indépendant d'agir comme une seconde ligne de défense, afin de réduire de telles aberrations à un minimum. Il ne serait évidemment pas économique de surveiller, de façon continue, l'activité de chacun. L'acte de l'inspection indépendante est donc de mesurer, d'examiner et de tester d'une manière telle et à un moment tel, que les erreurs graves aient la plus grande chance d'être détectées le plus tôt possible et avec le minimum de surcoûts à la production. 4.4 Situation dans le temps On ne met jamais assez l'accent sur l'importance de la détection précoce des erreurs ou de la non-conformité aux spécifications. La conséquence sur le coût d'une erreur qui reste non-détectée augmente de façon exponentielle avec le temps. Des erreurs peuvent survenir à des phases précoces de la conception qui peuvent être très graves. Si le comportement de la structure est modélisé de façon incorrecte, les contraintes fausses et les matériaux choisis incorrects, la conséquence sur le coût dans le cas où la structure a été construite, peut facilement être le doublement du coût. D'un autre côté, si on découvre une soudure fissurée et qu'elle soit réparée avant que l'équipe de soudage ne quitte la zone d'opération, les implications économiques seront relativement faibles. 4.5 Spécialisation L'inspection indépendante devient de plus en plus une activité spécialisée, au fur et à mesure que la demande en sécurité augmente. Les inspecteurs n'ont pas un rôle de gestionnaire ou de production et sont, d'habitude, qualifiés pour un type limité d'inspections. Dans le domaine de la conception, ils peuvent être nommés ingénieur en vérification, essai ou en certification, plutôt qu'inspecteurs. Page 6

8 4.6 Compte-rendu Une des fonctions les plus importantes de l'inspecteur est de fournir la preuve permanente de la conformité aux spécifications de qualité nécessaires. Cette exigence peut se faire de différentes façons, les plus fréquentes étant : (i) (ii) (iii) Rédiger un rapport. Témoigner d'une activité et signer un certificat de conformité. Marquer un composant avec une marque d'identification permanente et unique. Page 7

9 5. PRINCIPAUX TYPES D'INSPECTIONS 5.1 Conception En conception, les types d'inspections les plus importants concernent la vérification de ce que les dimensions sont compatibles avec une utilisation satisfaisante et que les matériaux, résistances et flèches sont en deçà des limites autorisées par les règlements devant être utilisés. Les calculs constituent la base principale de la conformité et la vérification est souvent faite par une tierce partie. Ces vérifications comportent l'examen des plans, spécifications, notes de calcul et listings de programmes informatiques. 5.2 Fabrication La fabrication des composants de base comme les profilés en acier et les plats, boulons et consommables de soudage nécessite les vérifications suivantes, faites d'habitude chez le fabricant : (i) (ii) (iii) (iv) Identification du lot. Analyse chimique. Essais mécaniques. Vérifications dimensionnelles - extérieures et intérieures. Un certificat de conformité est signé par l'inspecteur qui a mis en œuvre ou a été témoin des essais, ceux-ci ayant été réalisés normalement sur le produit fini. Aux stades de fabrication et de montage, au moment de l'assemblage des composants de base sur des unités importantes et plus complexes, il n'est pas pratique de faire une analyse chimique ou mécanique de la pièce elle-même. Ceci s'applique particulièrement au cas des joints soudés, pour lesquels l'acte de soudage peut modifier les propriétés chimiques et physiques des matériaux d'origine. Dans ce cas, la sécurité porte sur les vérifications du mode opératoire de soudage, selon spécification, suivi d'essais non destructifs. Page 8

10 6. STADES DE L'INSPECTION Dans le 4.4, on a mis l'accent sur l'importance de la situation dans le temps des inspections. Pour des contrats en construction métallique, il y a de nombreux stades d'inspection. Les plus importants sont : (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) (vii) (viii) (ix) (x) (xi) (xii) (xiii) (xiv) Achèvement des calculs. Achèvement des plans d'exécution. Achèvement des plans de fabrication. Fabrication des produits de base. Livraison et enlèvement du magasin. Tests de procédure Tests de qualification de l'opérateur (en particulier pour le soudage). Achèvement de la préparation des matériaux (découpage, perçage...). Achèvement des gabarits et ajustement des composants. Fin de l'assemblage en atelier (soudage...). Achèvement de la préparation des revêtements de protection. Achèvement du revêtement de protection. Achèvement de l'assemblage sur site. Achèvement du montage sur site. La plupart des stades d'inspection mentionnés ci-dessus sont mis en œuvre à la fin d'une phase particulière sur le lieu de travail. De ce fait, tout défaut peut être rectifié, avec un coût et un délai minimum pour le programme. La conformité au programme de travail tel que le définit le planning est aussi une caractéristique importante de l'assurance qualité. Page 9

11 7. METHODES D'INSPECTION, BUTS ET CRITERES D'ACCEPTATION 7.1 Identification Les plats et les profilés en acier sont identifiés par leur numéro de coulée. Les pièces individuelles sont marquées de façon permanente par estampage à froid ou avec de la peinture indélébile. Lorsqu'elles sont recoupées, ces repères doivent être transférés sur tous les éléments du découpage, mis à part pour celles qui sont utilisées comme ferraille (diapositive 1). Les petits composants fabriqués, comme boulons ou rouleaux de soudure ont d'habitude leur référence ou classe marquée en relief ou notée sur chacun d'eux. Le numéro du lot est noté sur le sac ou la boite dans laquelle ils sont livrés. Les composants de structure ont des numéros d'identification qui leur sont donnés par le fabricant. Les éléments identiques ont d'habitude la même référence, afin d'éviter des complications pas nécessaires. On doit pouvoir repérer l'origine de tous les matériaux (traçabilité) et composants, quel que soit le stade du projet. Les plans et leurs différentes versions doivent être clairement identifiés et les versions antérieures retirées de l'atelier. Les certificats de tests doivent avoir un numéro d'identification unique. La première exigence de l'acceptation d'un produit est que son repère d'identification permette de remonter à son origine et de le confronter aux documents d'origine, tels que certificat, plan Analyse chimique Les vérifications de l'analyse chimique constituent une partie importante du contrôle qualité. L'analyse de l'acier se fait normalement à chaque coulée. Les taux de carbone et de manganèse ont des répercussions directes sur la résistance. Les taux de chrome, molybdène, vanadium, nickel et cuivre sont aussi pris en compte dans la mesure de la soudabilité, par l'utilisation de la formule du Carbone Équivalent. La vérification de ces taux est vitale pour la préparation des modes opératoires de soudage (voir leçon 3.4). Les niveaux de soufre et de phosphore doivent aussi être contrôlés, pour assurer ductilité et soudabilité. Page 10

12 La plupart des spécifications relatives à l'acier de structure définissent les limites de carbone, manganèse, soufre et phosphore. L'analyse de la coulée figure sur le certificat de test d'usine (diapositive 2). Les consommables de soudage sont soumis à des analyses particulières. L'analyse des aciers par spectrométrie-x est habituellement faite à l'usine. Les peintures sont soumises à des analyses spéciales, pour assurer leur uniformité d'un bain à l'autre. 7.3 Essais mécaniques L'essai mécanique le plus important est l'essai de traction. Cet essai est réalisé par le fournisseur d'acier sur chaque lot d'une coulée, d'une forme de produit, d'une nuance particulières. Un lot typique peut faire de 40 à 50 tonnes. L'éprouvette de traction (diapositive 3) est usinée à partir d'un bord de produit et testée jusqu'à rupture. On mesure l'effort et l'allongement. La limite élastique, la résistance ultime et l'allongement (ou la diminution de section) qui en résultent (diapositive 4) sont notés sur le certificat de test. Un autre essai mécanique important est l'essai de résilience Charpy-V, pour déterminer la résilience de l'acier à la température correspondante (diapositives 5 et 6). Cet essai doit être fait à une température donnée qui peut varier depuis la température ambiante (+ 20 C) à - 50 C ou 60 C selon la nuance d'acier spécifiée. L'exigence de l'essai est que l'absorption d'énergie ne soit pas être inférieure à l'énergie minimum spécifiée à la température de l'essai (d'habitude 27 Joules). L'orientation de l'éprouvette, sa localisation et son usinage sont précisés avec soin. On obtient d'habitude la température en utilisant de la neige carbonique. D'autres essais de matériaux comportent l'essai de ductilité dans le travers court, pour la détermination de la résistance à l'arrachement lamellaire, l'essai de pliage pour les soudures bout-à-bout (diapositive 7), l'essai de texture pour les cordons d'angle et l'essai de pliage pour les goujons. La qualité des soudures-tests est la plupart du temps déterminée en découpant une section transversale dans la soudure. Cette coupe est ensuite polie, puis attaquée à l'acide afin de montrer la limite de la zone fondue et la zone thermiquement affectée (ZTA). On réalise ensuite des essais de dureté, afin de trouver le pic de dureté. Ces essais comportent l'appui d'une pointe pyramidale de diamant sur la surface, avec une force déterminée et on mesure la taille de l'empreinte faite par le diamant (diapositive 8). Des spécifications limitent souvent la dureté autorisée aux environs de 350 Vickers pour la ZTA dans les soudures et les bords découpés au chalumeau. Pour les soudures bout-à-bout, dans certaines structures, on peut exiger que des essais de production soient faits sur des appendices-témoins qui sont des extensions de la soudure du joint de structure. Ces appendices-témoins sont constitués du même Page 11

13 matériau que celui de la structure et sont soudés en même temps. Ils sont plus tard coupés au bout du joint et soumis aux essais mécaniques appropriés. 7.4 Mesures dimensionnelles Extérieures Un ensemble d outils simples est utilisé pour vérifier la précision des dimensions (diapositive 9) Les épaisseurs des plats peuvent être vérifiées à l'aide de jauges micrométriques. Les longueurs et les sections sont vérifiées à l'aide de mètres rubans. La linéarité des poutres et poteaux est vérifiée à l'aide d'un fil tendu entre les extrémités. L'écart de linéarité est mesuré entre le bord de l'élément et la ligne, à différentes positions le long de l'élément. La planéité des éléments-plaques est vérifiée avec un bord rectiligne en aluminium et un palpeur ou un capteur plat. Les angles sont mesurés au moyen d'un prolongateur ou, dans le cas d'angles faibles, par la pente (cotangente) de l'angle, par exemple 1 pour 20, 1 pour Sur le chantier, les niveaux sont mesurés avec le niveau automatique d'un géomètre, et, pour les longueurs faibles, avec un niveau à bulle. Les poteaux sont mis d'aplomb au théodolite ou au fil à plomb. L'ajustement des éléments usinés est vérifié au moyen d'un ensemble de palpeurs ou de capteurs de délardage. Le but des vérifications dimensionnelles est de s'assurer de l'acceptabilité pour l'utilisation et du caractère satisfaisant de l'aspect, d'assurer un accostage, un assemblage et un montage corrects. L'acceptation se fait sur la base des tolérances spécifiées sur les plans ou dans les spécifications (diapositive 10) Intérieures (essais non destructifs) Détection par ultrasons (diapositive 11) Pour des travaux critiques, la qualité interne des produits en acier peut avoir à être vérifiée, afin d'être indépendante des défauts de laminage, tels que le feuilletage. Cette vérification est réalisée au moyen d'un sondage aux ultrasons qui envoie un faisceau sonore haute fréquence, d'habitude aux environs de 2 MHz. Toute discontinuité de planéité de la plaque renvoie une réflexion à la sonde. Le temps nécessaire pour aller et Page 12

14 revenir de la discontinuité s'affiche sur l'écran cathodique du détecteur de défauts sur son axe des x. L'intensité du signal de retour donne une indication de la sévérité de la discontinuité. Elle est affichée sur l'axe des y. Le même principe s'applique aux joints soudés. La seule différence est que la géométrie restreint la localisation de la sonde qui doit toujours se trouver sur une surface lisse, afin d'assurer la transmission correcte des ondes ultrasonores. Les soudures bout-à-bout sont vérifiées par cette technique et la mesure de la taille des défauts s'est maintenant beaucoup développée avec l'utilisation de systèmes informatisés. Cette méthode est très sensible à de petites discontinuités et constitue donc une bonne technique de détection. Ses principaux inconvénients sont que la caractérisation des discontinuités relève d'une exploitation subjective et que sa capacité de mesure de dimension est limitée (hauteur 3-4 mm ; longueur 5 mm). On utilise généralement une sonde d'angle pour les soudures Radiographie (diapositive 12) Cette méthode est aussi utilisée pour l'inspection des soudures. Elle présente l'avantage de produire un enregistrement permanent sur un film photographique. Le film est placé sur le bord opposé du joint par rapport à la source de rayons X. Cette technique donne une image meilleure de la qualité de la soudure, mais elle a des inconvénients différents comparée aux essais par ultrasons : 1. Elle est plus chère par mètre de longueur de soudure. 2. Elle est très disruptive pour la construction métallique en raison du danger des radiations. 3. Elle ne trouve pas les fissures étroites qui sont obliques par rapport au faisceau de rayons X. 4. Elle ne peut pas mesurer la hauteur des discontinuités avec précision. Son usage en construction métallique tend à être limité par rapport aux ultrasons Contrôle magnétoscopique (ou par aimantation) (diapositive 13) Cette technique est utilisée pour trouver des fissures très étroites ou très proches de la surface qui ne peuvent pas être vues à l œil nu. Elle repose sur le principe de l'application d'un champ magnétique au joint, en utilisant un aimant permanent ou un électro-aimant. Une solution, contenant des particules de fer est vaporisée sur la surface, les particules se rassemblent autour de toutes les variations du champ magnétique, comme celle qui est introduite par une fissure. Elle est rapide à utiliser, mais ne permet pas de conserver un enregistrement permanent, à moins de faire une photo. Le contrôle magnétoscopique peut aussi être utilisé pour détecter les fissures sur les bords découpés au chalumeau et les pliages formés à froid. Page 13

15 Ressuage d'un liquide pénétrant Cette méthode est utilisée dans le même but que la méthode magnétoscopique, sauf qu'elle ne peut détecter aucune fissure qui ne débouche pas à la surface. Le principe consiste à vaporiser un liquide coloré sur la surface qui est ensuite absorbé par la fissure. On nettoie ensuite la surface et on étale dessus une fine couche de craie. Le liquide de teinture est alors aspiré hors de la fissure dans la craie environnante. Le contrôle par aimantation et le ressuage d'un liquide pénétrant permettent d'estimer la longueur d'une fissure, mais pas sa profondeur. Page 14

16 8. CONCLUSION Cette leçon a permis de définir des termes importants. Elle a étudié les principaux objectifs de l'inspection et de l'assurance Qualité qui sont d'assurer que la sécurité est obtenue sans nuire à l'aspect économique. On y a défini les interrelations qui existent entre les responsabilités de la conception, de la fabrication et de l'inspection. On a introduit les principaux types d'inspection et les méthodes d'inspection les plus courantes, avec quelques explications sur leur raison d'être. Page 15

17 9. LECTURES COMPLEMENTAIRES 1. EN 29000, Quality systems 2. Burgess, N.I. : "Quality Assurance of Welded Construction", Applied Science Publishers, Différentes normes d'essais et d'inspection (Internationales, Européennes, and Nationales) sont aussi disponibles et doivent être citées en référence. Page 16

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