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Patrimoine Rail et défaut 213.0/113.0

La fissuration des aciers, un phénomène affectant les rails anciens

Contexte : Deux évènements graves de sécurité (ESR) ont eu lieu sur le Réseau Ferré National (RFN) au cours du deuxième semestre 2021. Dans les 2 cas, une rupture multiple du rail est survenue sur des rails de réemploi anciens d’une masse linéique inférieure ou égale à 46 kg. Ces ruptures ont été causées par des défauts de type UIC 213.0 « Vertical Split Head » Fissuration verticale. Ces 2 incidents ont entrainé des mesures conservatoires et notamment une analyse historique visant à expliquer l’origine de ces défauts ainsi que leur augmentation sur le patrimoine rail ancien du RFN.

Évolution des processus d’élaboration des rails :

La fissuration des aciers est un phénomène connu des industriels même en dehors du ferroviaire. Environ 10% de la production d’aciers par voie lingot présente des criques en surface qui doivent être éliminées par des opérations de décriquage ou d’usinage.

Les fissures verticales (Vertical Split Head, UIC 113 et 213) sont des défauts principalement dus à des problèmes métallurgiques pendant la fabrication des rails.

La fissuration du rail en interne peut se propager sur une longueur de 120 mètres (dans l’axe longitudinal du rail).

Si l’article sur la fabrication des rails à HAYANGE, vous a relaté l’histoire de ce site industriel, il est nécessaire de reprendre l’historique des différents procédés d’élaboration de rails pour comprendre, notamment pourquoi, le défaut de fissuration verticale impacte les rails anciens et certains rails de réemploi.

Différents procédés d’élaboration des rails :

Procédé BESSEMER en 1855
Procédé MARTIN-SIEMENS en 1864 utilisé jusqu’en 1971
Procédé THOMAS en 1870 utilisé jusqu’en 1974
Utilisation des aciers d’origine électrique au début des années 70
Acier soufflé à l’oxygène avec les convertisseurs à oxygène à partir de 1972
Abandon de la coulée en lingotière et remplacement par la coulée continue à partir de 1984 (usine d’Hayange)

Le défaut 113.0/2130 se trouve dans les rails anciens liés à l’élaboration des rails avec l’acier THOMAS en coulée lingotière : 

Forte probabilité sur tous les rails antérieurs à 1979,
Forte probabilité sur les rails VILRU entre 1979 et 1984,
Faible probabilité pour les autres rails entre 1979 et 1984,
Très faible probabilité pour des rails fabriqués après 1984 grâce à la coulée continue et à la mise en place de contrôles en ligne de fabrication

Lors de la solidification du lingot, on assiste à des évolutions thermiques, chimiques, et mécaniques violentes qui conduisent à une solidification non homogène de la pièce.

En fonction de la géométrie de la pièce, de la nuance, des conditions de refroidissement, ce phénomène génère des ségrégations plus ou moins marquées ainsi que des fissures proportionnelles aux contraintes et tensions internes.

Les apports de l’élaboration des rails en coulée continue :

La solidification / le refroidissement est maîtrisé et très progressif (lent)
Le phénomène de ségrégation et de fissuration est donc moins marqué

La fissuration des rails au niveau ferroviaire SNCF est donc un phénomène « normal » avant la coulée continue, soit :

jusqu’en 1986 (début de cette technologie)
puis en 1996, (plus qu’une usine)

Comme tous les procédés industriels, le laminage (et donc la qualité) des rails a considérablement évolué au fil des années.

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