Rail cassé

Face à l’augmentation du nombre de voyageurs et à l’accroissement de l’offre de service, les infrastructures se retrouvent confrontées à des sollicitations de plus en plus importantes.

Dans ce contexte, le rail est le composant le plus exposé. L’augmentation de la fréquentation se traduit en effet par une hausse du tonnage quotidien qui nécessite de la part des acteurs ferroviaires une maîtrise grandissante des problématiques d’usure et de fatigue de la voie.
Pour assister les exploitants et les mainteneurs dans cette démarche, le Laboratoire Essais et Mesures (LEM) s’appuie sur un retour d’expérience important dans l’analyse des défaillances du rail et de ses fixations.

Les enjeux sont importants car, outre les risques engendrés pour la sécurité des personnes et des équipements, une rupture de rail peut perturber le trafic d’une ligne pendant de longues minutes, occasionnant des retards importants et une congestion progressive du réseau.

Grâce à des moyens d’essais performants, le LEM est en mesure d’identifier les phénomènes à l’origine de l’endommagement afin d’orienter ses clients vers les actions correctives permettant d’améliorer la disponibilité des infrastructures.

Pour illustrer l’apport du LEM sur un cas concret, considérons la rupture d’un rail à proximité d’une soudure alumino-thermique (AT). Sur des coupons de rail rompu, le LEM peut notamment mettre en œuvre en laboratoire :

• Des examens morphologiques afin de caractériser la rupture (fatigue, rupture fragile…) et d’estimer les types de contraintes ayant entraîné la casse,
• Des examens microfractographiques au microscope électronique à balayage (MEB) permettent de localiser le point d’amorçage de la fissure et le mode de propagation,
• Des analyses matière et des essais mécaniques pour vérifier la conformité du matériau du rail vis-à-vis des exigences normatives et spécifications,
• Des examens micrographiques pour analyser la structure métallurgique de l’acier dans les différentes zones à proximité de la rupture (ZAT, soudure, pleine matière).

Avec une analyse complémentaire de la configuration de la voie dans la zone de la rupture,  le LEM peut alors proposer un scénario pour expliquer les raisons de la défaillance en s’appuyant sur une solide connaissance des problématiques d’interface matériel roulant / infrastructure.

Dans le cas où l’analyse des causes de rupture ferait apparaître une probable surcharge ponctuelle du rail, le LEM peut en outre intervenir sur site pour instrumenter la voie dans la zone de la rupture afin d’étudier son comportement au passage des trains.

A l’aide de capteurs de déplacement, de caméras vidéo, de jauges de déformation et d’accéléromètres, le comportement dynamique de la voie peut être décrit complètement.

Différentes hypothèses peuvent être investiguées en analysant de manière croisée l’ensemble des données mesurées : train présentant des plats aux roues, comportement anormal de la voie, défaut de bourrage localisé…

A l’opposé, dans le cas où une rupture en fatigue du rail serait mise en évidence, le LEM peut équiper le rail de plusieurs jauges de déformation afin d’étudier la répartition des contraintes dans la section du rail et à proximité de la soudure AT.

Ces données sont ensuite traitées numériquement pour caractériser précisément le type de sollicitations appliquées au rail. La durée de vie du rail peut alors être estimée à l’aide de critères en fatigue multiaxiaux (Dang Van, Wang-Brown…) et l’effet géométrique de la soudure sur les niveaux de déformation peut être quantifié avec précision.
L’impact des variations de température peut aussi être étudié pour les portions de voie situées en extérieur (contraintes thermiques).
Sur ces bases, le LEM est par ailleurs en mesure d’assister les bureaux d’étude Voie afin de définir par exemple une nuance de rail plus résistante, une pose de voie moins sollicitante pour le rail ou un procédé de soudure AT offrant une meilleure tenue en fatigue…