La plupart des raisons de choisir un goujon sont des raisons de choisir un trou taraudé

Un mot, deux questions

L’ASME PCC-1, le guide de montage auquel le monde des canalisations se réfère réellement, ne range pas du tout la boulonnerie en goujons et en boulons. L’annexe N définit un boulon à tête intégrée comme une fixation munie d’une tête fixe à une extrémité et, à l’autre, d’un écrou ou d’un trou percé et taraudé, et un boulon sans tête intégrée comme une fixation entièrement filetée utilisant soit deux écrous, soit un écrou et un trou percé et taraudé.

À la seconde lecture, la structure apparaît. Il y a deux questions indépendantes. Y a-t-il une tête intégrée ? Et l’autre côté est-il un écrou ou un trou taraudé ? Deux questions donnent quatre assemblages, et le mot « goujon » en couvre deux : la tige entièrement filetée avec un écrou à chaque extrémité, et la fixation dont l’extrémité d’implantation reste en permanence dans un trou taraudé. Les deux se comportent différemment, et presque tous les avantages que l’on récite appartiennent au second.

L’autre axe, celui qui consiste à savoir si le filetage femelle est un écrou acheté ou un trou dans votre propre pièce, est traité dans vis à métaux ou boulon. Cette page porte sur la tête.

Ce que change le trou taraudé, chiffre à l’appui

La PCC-1 comporte une annexe de dépannage pour les assemblages qui fuient à répétition, et elle y cite nommément l’assemblage à bride unique. Un assemblage composé d’une seule bride, dont les boulons sont vissés dans des trous taraudés, est intrinsèquement moins souple et généralement plus problématique, parce que la longueur d’allongement effective des boulons est plus courte. Il tolère moins bien la perte d’épaisseur du joint et la dilatation thermique différentielle. L’annexe le chiffre ensuite : un tel assemblage subit environ deux fois plus de perte de charge dans les boulons pour chaque 0,02 mm (0,001 in.) d’épaisseur de joint perdue après le montage.

C’est une véritable différence technique, elle est écrite noir sur blanc, et elle n’a rien à voir avec la présence d’une tête sur la fixation. Elle découle de la présence d’une bride au lieu de deux. Pourquoi un boulon court est un moins bon ressort qu’un boulon long est expliqué dans le boulon est un ressort.

Le décompte mérite d’être vu, car il règle un mythe voisin. La PCC-1 prend comme longueur d’allongement effective d’un assemblage traversant la distance entre les mi-épaisseurs des deux écrous, un écrou hexagonal lourd ayant une épaisseur d’un diamètre nominal. Pour la partie d’une fixation implantée dans un trou taraudé, elle retient un demi-diamètre nominal. Un demi-diamètre de chaque côté. Selon ce modèle, le trou taraudé et l’écrou apportent la même longueur ; le trou taraudé n’est donc pas pénalisé parce qu’il est un trou taraudé. L’assemblage est plus court parce qu’il ne comporte qu’une bride.

Ce que le trou taraudé coûte vraiment, c’est ce qui arrive quand son filetage est endommagé. La PCC-1 demande de vérifier que les filetages des trous taraudés se vissent librement à la main, exactement comme ceux des écrous, et renvoie à l’ASME PCC-2 Article 303 lorsqu’ils sont endommagés. Il s’agit d’une procédure de réparation et non d’un remplacement de pièce, ce qui est la version exacte de l’affirmation d’atelier selon laquelle un trou taraudé grippé signifie la mise au rebut de l’appareil. Il existe une voie de retour documentée. C’est une mauvaise journée, pas une perte totale. Ce que l’on peut ou non remettre dans un filetage femelle endommagé est traité dans rien ne comble un filetage arraché.

Ce que change réellement la suppression de la tête

La liste honnête est plus courte que la tradition, et chacun de ses points concerne le montage et le démontage plutôt que la résistance.

• Elle n’épargne pas une clé. La PCC-1 définit la clé de maintien comme l’outil qui immobilise l’écrou ou la tête du boulon opposé à celui que l’on tourne. Deux écrous sur une tige filetée en demandent une, tout comme un boulon à tête. La configuration qui supprime la clé de maintien est le trou taraudé, ce qui est une autre question.
• On choisit l’extrémité qui porte le filetage en excès. La PCC-1 recommande d’engager complètement l’écrou à une extrémité pour qu’aucun filet n’y dépasse et de reporter tout l’excédent à l’autre extrémité, car une saillie excessive accumule corrosion et peinture et rend l’assemblage difficile à ouvrir. Avec deux extrémités filetées, on place l’excédent là où on le souhaite.
• Le serrage par tension a besoin de filets à saisir. Un tendeur hydraulique exige que le filetage dépasse d’au moins un diamètre de boulon la face extérieure de l’écrou, du côté du tendeur. Une fixation sans tête l’offre des deux côtés.
• La rondelle a été conçue pour le côté écrou. La spécification des rondelles trempées à cœur de la PCC-1 indique que leur alésage a été choisi pour un emploi sous l’écrou, et que leur emploi sous une tête de boulon peut interférer avec la tige ou le congé sous tête. Pourquoi ce congé n’est pas un détail est expliqué dans le congé sous la tête.
• Deux écrous donnent deux essais. Il s’agit d’une pratique de terrain et non d’une clause, et il faut le dire comme tel : si un écrou grippe, il vous reste un filetage intact et un écrou intact à l’autre extrémité. La PCC-1 répond à l’inquiétude sous-jacente par un remède précis, en notant que les cas de grippage avec la boulonnerie SA-193 Gr B7 sont évités en employant l’écrou SA-194 Gr 4, de résistance supérieure, au lieu de Gr 2 ou 2H. Voir aussi pourquoi l’inox grippe.

L’affirmation selon laquelle les goujons se tordent moins

Cette affirmation circule largement et mérite une réponse attentive, car une version en est vraie et la version habituelle ne l’est pas.

La PCC-1 indique bien qu’une fixation serrée par tension hydraulique dure plus longtemps, avec moins de risque au réemploi, et en donne la raison : ni torsion ni grippage des filets, parce que l’écrou est vissé pendant que la fixation n’est pas chargée. C’est un argument en faveur de la méthode. Nous avons parcouru le document à la recherche d’une clause attribuant à une fixation sans tête une torsion moindre sous une clé dynamométrique, sans en trouver. Quand on tourne un écrou contre le frottement des filets, la fixation supporte ce couple de filetage, que l’autre extrémité porte ou non une tête forgée.

En pratique, si la torsion est votre problème, la solution que propose le guide est le serrage par tension, et non un changement de pièce. La destination réelle du couple appliqué est traitée dans couple et effort de serrage, et ce que la valeur suppose tacitement sur le frottement dans une valeur de couple suppose une condition de frottement.

L’autre goujon : ses deux extrémités n’ont pas le même filetage

L’assemblage que la plupart des gens imaginent en entendant ce mot est celui dont l’extrémité d’implantation reste en permanence dans un trou taraudé, les goujons de culasse en étant l’exemple courant. Pour cette pièce, les deux extrémités diffèrent par plus que la longueur, et la différence est spécifiée.

La norme indienne des goujons, IS 1862, les répartit en trois types selon la longueur de l’extrémité d’implantation : type A d’environ un diamètre pour l’acier, type B d’environ 1,5 diamètre pour la fonte, type C d’environ deux diamètres pour les alliages d’aluminium. La même norme renvoie le filetage de l’extrémité d’implantation à un document distinct, IS 2186, consacré aux filetages extérieurs à ajustement serré. L’extrémité qui entre dans la pièce n’est pas simplement plus longue. Elle a un autre ajustement, et c’est ce qui maintient le goujon en place quand on retire l’écrou.

Trois normes nationales ont consigné ce tableau, et il n’y en a pas deux qui concordent.

L’entrée japonaise mérite une seconde lecture. La JIS B 1173 propose trois longueurs d’implantation, puis précise dans une note de son tableau de dimensions que les types 1 et 2 sont tous deux destinés à l’implantation dans l’acier, acier moulé et acier forgé compris, ou dans la fonte, et que le type 3 est destiné aux alliages légers. La norme qui comporte la colonne matériau refuse de dire si l’acier prend 1,25 d ou 1,5 d. Ce n’est pas un oubli. La longueur d’engagement découle de la résistance des deux filetages et non du nom du matériau de la pièce, voir longueur d’engagement du filetage ; pourquoi les règles publiées divergent est expliqué dans pourquoi les règles d’engagement divergent.

En lisant le tableau en travers, la ligne de la fonte passe de 1,25 d à 1,5 d selon le catalogue ouvert. Un plan qui indique seulement « goujon, M12 » n’a pas dit au fournisseur laquelle de ces pièces fabriquer.

Comment poser la question pour qu’elle ait une réponse

La discussion sur r/AskEngineers a atteint 125 commentaires sans jamais aboutir, parce que « goujons ou boulons » recouvre deux questions sous un seul nom. Séparez-les et chacune a une réponse.

• L’autre côté est-il un écrou ou un trou taraudé ? Cela détermine la raideur de l’assemblage, la manière dont il tolère le relâchement du joint et ce qui se passe quand un filetage est endommagé. C’est là que se trouve l’ingénierie.
• Y a-t-il une tête intégrée ? Cela détermine comment l’assemblage est monté et démonté, quelle extrémité porte le filetage en excès, si un tendeur peut être utilisé et quelle rondelle est légitime.

Si la réponse reste norme du secteur, la question suivante est de savoir à laquelle des deux elle renvoie. Dans le guide auquel renvoie l’expression, le nom désigne les quatre.

Le même choix se présente à l’échelle d’une baie, où une norme refuse de le trancher : l’EIA-310-D autorise des trous de montants ronds, carrés ou taraudés, de sorte que le filetage peut se trouver dans le montant, dans un écrou cage ou de l’autre côté.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

Un goujon est-il plus résistant qu’un boulon de même classe et de même diamètre ?

Rien dans l’ASME PCC-1 ne le dit, et ses calculs de charge et d’allongement des boulons ne distinguent pas les deux. Le modèle de longueur d’allongement effective attribue à l’écrou et au trou taraudé le même demi-diamètre chacun, et la nuance du matériau est fixée par la spécification matière, non par la présence d’une tête forgée. L’affirmation selon laquelle le refoulement de la tête perturbe le fibrage et laisse une amorce de fissure circule dans les ateliers, mais nous n’avons trouvé ni clause ni essai publié qui l’étaye comme classement général ; ce n’est donc pas une base de substitution.

Nos monteurs ne placent la clé dynamométrique que sur un seul écrou. Est-ce une erreur ?

Non. Un écrou est tourné et l’autre est maintenu, ce que la PCC-1 appelle une clé de maintien : l’outil qui immobilise l’écrou ou la tête du boulon opposé à celui que l’on tourne. Il en va de même pour un boulon à tête, dont la tête est la partie maintenue. Ce qui compte, c’est que l’autre côté ne tourne pas, et non le côté où se trouve la clé dynamométrique.

Pourquoi les assemblages à bride unique fuient-ils plus souvent ?

La PCC-1 l’attribue à la longueur d’allongement effective plus courte. Un assemblage d’une seule bride avec des boulons vissés dans des trous taraudés est plus raide, si bien qu’une même petite perte d’épaisseur du joint libère davantage de charge dans les boulons. L’annexe l’évalue à environ deux fois plus de perte de charge pour chaque 0,02 mm d’épaisseur perdue après le montage, et suggère d’accroître la souplesse des boulons par des entretoises et des boulons plus longs lorsque c’est un problème.

Un goujon évite-t-il la torsion de la fixation au serrage ?

Pas à lui seul. La PCC-1 attribue l’absence de torsion au serrage par tension hydraulique, où l’écrou est vissé pendant que la fixation n’est pas chargée, et non à l’absence de tête. Sous une clé dynamométrique, la fixation supporte de toute façon le couple de frottement des filets.

Un plan indique goujon M12x60 et rien d’autre. Est-ce suffisant pour commander ?

Non, si l’extrémité d’implantation entre dans un trou taraudé. La longueur d’implantation est une décision à part : l’IS 1862 donne environ 1 d pour l’acier, 1,5 d pour la fonte et 2 d pour les alliages d’aluminium, tandis que la série DIN propose 1 d, 1,25 d, 2 d et 2,5 d sous forme de quatre normes distinctes sans nommer de matériau. L’IS 1862 renvoie en outre le filetage de l’extrémité d’implantation à une spécification d’ajustement serré. Indiquez la norme et le matériau de la pièce, ou précisez quelle extrémité va où.

Références

• ASME PCC-1 — Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly (édition 2019 consultée : définitions de l’annexe N-1, paragraphes 8.2 et 8.2.1, paragraphe 10.2, annexe A-1.2, annexe M-1.2, annexe P-4.2.1, annexe Q-4.2)
• ASME PCC-2, Article 303 — réparation des filetages endommagés de trous taraudés
• IS 1862:1975 — Specification for Studs (Second Revision) ; amendement n° 1, mars 1981, types A, B et C
• DIN 938 — goujons, extrémité d’implantation d’environ 1 d (normes sœurs DIN 939, DIN 835, DIN 940)
• JIS B 1173 — goujons ; la note 3 du tableau 1 donne les longueurs d’implantation des types 1, 2 et 3 et les matériaux de pièce auxquels elles sont destinées

Le texte de la PCC-1 consulté pour cette page est l’édition 2019 ; l’édition d’achat en vigueur est plus récente, et les numéros de paragraphes doivent être vérifiés sur celle-ci avant d’être cités dans une procédure. La note de la PCC-1 renvoyant à l’engagement complet du filetage cite l’ASME BPVC Section VIII Division 1 UG-13 et l’ASME B31.3 paragraphe 335.2.3, qui n’ont pas été consultés directement ici. Les longueurs d’implantation DIN proviennent des titres mêmes des normes ; la correspondance entre longueur d’implantation et matériau de la pièce figure dans l’IS 1862 et n’est pas indiquée dans les titres DIN, il ne faut donc pas fusionner les deux. La JIS B 1173 a été lue sur une copie publique du texte de la norme et non sur un exemplaire acheté auprès de la Japanese Standards Association ; la note citée est la note 3 du tableau de dimensions, et sa formulation indique que les longueurs sont égales ou proches de 1,25 d, 1,5 d et 2 d, et non exactement ces valeurs. Le point « deux écrous, deux essais » relève de la pratique de terrain et ne figure comme clause dans aucun des documents consultés pour cette page.