La Classe Vapeur 43 n°4 - '43 steam course n°4

C'est la rentrée ! Alors reprenons les cours avec la boite à fumée et l'échappement.
   School is back ! So let's resume the course with the smokebox and the exhaust.

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Voyons le fonctionnement plus en détail:
   Let's see the operation more closely:

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Voici quelques photos pour illustrer cela sur la 040 Brigadelok:

 On peut voir en bas de la boîte à fumée l'accumulation de particules de charbon incomplètement brûlées : le fraisil.

La grille fixée au milieu a pour but de réduire l'évacuation des particules via la cheminée. Cela permet aussi de réduire le risque de départ de feu dans le cas où certaines particules seraient encore enflammées.

   Here are some photos to illustrate this on the 080 Brigadelok:
We can see  in the bottom of the smokebox the build-up of unburnt coal particles, the fraisil.
The grid set in the middle aims at reducing the particles evacuation throughout the chimney. It allows also to reduce the risk of setting fire in case some of these particles would be still burning.

Sur cette image, la boîte à fumée a été nettoyée et la grille enlevée pour avoir une vue complète. On peut remarquer au fond en bas que les têtes de rivets ont pratiquement disparu (corrosion).
   On this image, the smokebox has been cleaned and the grid removed for a complete view. We can remark the lower rivets heads are practically gone due to corrosion.

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Notes de Nicolas

* La disposition de la boîte à fumée comporte les éléments essentiels au bon fonctionnement de la chaudière. Sans eux, ça fonctionne, mais beaucoup moins bien et un chauffeur pourrait vite se trouver en difficulté, faute de pouvoir gérer son feu selon les exigences du parcours. La grille à flammèches est plus connue sous le nom de pare-escarbille et requiert un nettoyage fréquent pour garder le passage libre. Le souffleur a d'autres usages. L'augmentation du tirage sert à la protection de l'équipage contre les retours de flamme quand la porte du foyer est ouverte. On peut également l'utiliser pour accélérer la mise en chauffe lors de la préparation de la loco.

   The arrangement of the smokebox includes the essential items for proper operation of the boiler. Without them, it works, but far less efficiently and a fireman could quickly be in trouble, being unable to manage his fire according to the track requirements. The grid is also known as spark arrestor and requires frequent cleaning to keep the passage free. The blower has other uses. Rising the draught is used to protect the crew from backfire then the firebox door is open. It can also be used to speed up the heating during preparation of the loco.

** L'utilité d'un échappement réglable est de pouvoir doser le tirage. On peut avoir besoin de le réduire lorsque la chaudière est déjà au timbre, sans pour autant étouffer le feu en fermant l'entrée d'air. Inversement, on peut avoir besoin de "booster" le tirage en cas de forte demande de vapeur, sans faire appel au souffleur qui en consomme lui aussi.

   The purpose of an adjustable exhaust it to be able to set the draught. We might need to reduce it when the boiler is at max pressure, without smothering the fire closing the air intake. On the other hand, we might need to boost the draught in case of a strong demand for steam without using the blower which uses steam too.

*** Remarquez la différence entre l'échappement en voie normale et celui en voie étroite. Sur une grosse loco, il y a assez de place dans la boîte à fumée pour utiliser un dispositif de ramonage, rigide, semi-rigide articulé ou souple. Sur la 040 DFB, l'échappement est relevé pour dégager l'accès aux tubes. Bien sûr, il n'est pas réglable.

   Remark the difference between the exhaust of standard and narrow gauge. On a big loco, there is enough room in the smokebox to use rigid, semi-rigid or flexible cleaning rods. On the 080 DFB, the exhaust is raised to clear the access to the tubes. Of course it is not adjustable.

La Classe Vapeur 43 n°3 - '43 steam course n°3

Etes-vous prêts pour une nouvelle leçon ? Pour cette troisième leçon (du samedi), nous poursuivons plus en détails sur la voute et le cendrier. 

   Are you ready for a new lesson? For this third lesson (on Saturday), we continue in more details on the brick arch and ashtray. 

(1)

(2)

(3)
 

Sur la 040, voici ce que cela donne pour le foyer:

On the 080, here's what it looks like inside the firebox:

La tubulure de la chaudière de la 040 :

The boiler tubing of the 080:

Quelques remarques - Some remarks:

(1)

On pourrait s'étonner que les informations ne suivent pas une logique rigoureuse et soient relativement superficielles. Il faut garder à l'esprit qu'il s'agit d'un cours de base pour de jeunes apprentis et que l'objectif est surtout de leur inculquer les grandes lignes de la technologie et le vocabulaire associé. Ils peuvent ainsi comprendre les conversations qu'ils entendent au travail. Pour aller plus loin, il y a d'autres niveaux de cours que les cheminots suivront au fil de leur carrière.
Le rôle de la voûte a été exprimé de manière simplifié: il s'agit moins de refroidir la plaque tubulaire que de limiter son exposition aux flammes directes, source d'usure prématurée.

   One could find strange that the informations do not follow a straightforward course and keep relatively superficial. It is to be kept in mind that this is a basic training for young apprentices and that the goal is it give them the main lines of technology and the associated vocabulary. So they can understand the discussions they hear at work. To go further, there are others  levels the workers will attend during their carreer.

The role of the brick arch is expressed the simple way here: it is less a question of cooling the tube plate than to limit its exposure to direct flames, cause of premature wear.

(2)
L'accent est mis sur les contraintes mécaniques dans la boîte à feu. Que ce soit pour les parois ou les entretoises, l'action des flammes et de la dilatation est un sujet de préoccupation réel. L'utilisation de cuivre, qui transmet bien la chaleur mais se dilate différemment de l'acier, oblige à prendre des dispositions pour surveiller l'usure et la casse.
Il est clairement précisé qu'il n'y a pas de matériau miracle pour résister à cet environnement particulier. De nos jours on a mieux au niveau des alliages mais on n'est pas exempté de cette surveillance car les problèmes de dilatation et de corrosion sont toujours là !

   Emphasis is put on the mechanical constraints in the firebox. Be it for the walls or the stays, the action of flames and  thermal expansion is a real matter. The use of copper, which transmits heat very well but expands differently from steel, requires dispositions to survey wear and breakage.
It is clearly stated there is no miracle material to resist this harsh environment. Nowadays we have better alloys but we are not free from survey because the troubles with expansion and corrosion are still there !

(3)

La Loco Brigadelok a une seule longue virole pour former son corps cylindrique. Pour les grandes machines, c'est trop à rouler en une seule fois, donc plusieurs segments sont mis bout à bout. L'assemblage illustré ici est "télescopique", le diamètre un peu réduit à l'avant réduit un peu le risque de manque d'eau côté foyer quand la machine penche en avant.

   The Brigadelok loco has a single rolled sheet to form its cylinder body. For the large machines, it would be too much to roll in one time, so several segments are attached end to end. The illustraded assembly is "telescopic", the slightly reduced diameter at the front end diminished the risk of lack of water around the firebox when the machine leans forward downhill.

Le foyer de la chaudière - The boiler hearth

Le foyer de la chaudière est particulièrement complexe. C'est le cœur de tout le système et il est bien différent de la cheminée d'une maison !
   The hearth of the boiler is quite complex. It is the core of the whole system and very different from the house's one !

Le foyer est en fait la partie interne de ce qu'on appelle la "boîte à feu". Celle-ci est constituée d'une double paroi remplie d'eau. Les deux parois sont reliées par des barres appelées "tirants" ou "entretoises". Leur rôle est d'annuler les efforts opposés. Ce sont des pièces d'acier complexes à usiner, qui doivent subir des efforts de traction importants, tout en étant soumises à des cycles de température et à l'immersion dans l'eau.
   The hearth is in fact the internal part of what is called the "firebox".  It is made of a double wall filled with water. These walls are attached by bars called "tie rods" or "spacers". Their role is to annul the opposite efforts. These steel parts are complex to machine and must withstand significant traction efforts, while being subject to temperature cycles and immersion in water.

Entretoises et tirants au dessus du foyer.
Spacers and tie-rods over the hearth.

Les parois sont en acier ou parfois en cuivre. Les petites locomotives comme les Brigadeloks ont des tôles nues, contrairement aux grosses machines dont le foyer est doublé d'un briquetage réfractaire. Les formes du foyer sont généralement le résultat d'un sérieux travail de chaudronnerie et les assemblages entre tôles sont faits par des rivets à chaud. De nos jours, la construction mécano-soudée a totalement remplacé ces techniques de formage et d'assemblage et les alliages modernes se veulent plus résistants pour cette application.
   The walls are in steel, sometimes in copper. The small locomotives like the Brigadeloks have bare sheets, in opposite to the larger machines which have their hearth lined with a refractory bricklaying. The shape of the fireplace is generally the result of a serious boilermaking job and the assembly between sheets is made with hot rivets. Nowadays, the welded construction has totally replaced these forming and assembly techniques and modern alloys are more resistant for such application.

Ce foyer est donc ouvert en bas pour recevoir les barreaux de grille où l'on dépose le combustible. La double paroi présente un passage vers l'arrière, par lequel le chauffeur jette le charbon et surveille son feu. L'avant de la boîte à feu est raccordé au corps cylindrique de la chaudière, la paroi externe se trouve donc beaucoup plus loin, tout à l'avant. La paroi interne à cet endroit est constituée d'une plaque munie de trous dans lesquels des tubes sont sertis et qui parcourent le corps cylindrique. Les flammes s'y engouffrent sous l'effet du tirage et participent au transfert de chaleur.
    This hearth is open at the bottom to receive the grate bars where we put the coal. The double wall has a passage to the rear through which the fireman throws the coal and monitors the fire. The front of the firebox is connected to the cylinder body of the boiler, the outer wall is then far away to the front end/ The inner wall is made of a plate with holes where tubes are set then pass along the cylinder body. The flames get inside due to the draught and contribute to the heat transfer.

Au fond, la double paroi de la boîte à feu.
In the background, the firebox double wall.

- Si la chaleur est extrême, pourquoi le foyer ne se dégrade-t-il pas comme les barreaux ?
Plusieurs phénomènes entrent en jeu. En premier lieu, l'acier du foyer (ou le cuivre), n'est pas exposé à la même température que les barreaux. Ceux-ci sont en contact direct avec le charbon incandescent avec un passage d'air parfois trop faible pour assurer leur refroidissement (ou alors trop élevé au point de causer une contraction en dessous s'opposant à la dilatation du dessus). Les parois du foyer sont exposées au rayonnement thermique des flammes mais pas au contact direct du charbon en feu. C'est aussi une chaleur intense mais celle-ci est évacuée par l'eau qui se trouve immédiatement derrière. Le métal ne peut donc pas accumuler les calories et sa température reste donc relativement limitée.
D'autre part, l'atmosphère dans le foyer est différente de celle qui règne au niveau des barreaux. En effet, les barreaux portés à haute température sont exposé à l'oxygène qui traverse la grille et leur surface est peu à peu corrodée. Du côté des parois, les gaz chauds ont une nature différente: la combustion a associé l'oxygène à du carbone, ils ne peuvent plus se combiner au métal aussi facilement. De plus le dépôt de suie finit par former une couche qui réduit encore les échanges. D'ailleurs, cette couche doit être retirée fréquemment pour restaurer les performances thermique du foyer.
   - If the heat is extreme, why doesn't the fireplace degrade as the grate bars do ?
Several phenomenons take place here. First, the steel (or copper) is not exposed directly at the same temperature than the bars. The latters are in direct contact with the incandescent coal with an airflow sometimes too low for cooling (or too high, causing a contraction of the bottom opposing to the top expansion). The walls are exposed to the thermal radiation of the flames but not in direct contact with the burning coal. It is also an intense heat but it is evacuated by the water immediately behind. The metal can not accumulate the calories and its temperatures keeps somewhat limited.
Besides, the atmosphere in the fireplace is different than the one at the grate bars level. Indeed, the bars at high temperature are exposed to the oxygen passing through the grate and their surface is progressively corroded. For the walls, the hot gases have a different nature: the combustion has associated the oxygen with cabon, they can not combine with the metal as easily. Moreover, the soot deposit forms a layer that reduces the exchanges. This layer must be removed frequently to restore the hearth's thermal performances.

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- Et la pression, elle ne déforme pas les parois non plus ?
En conditions normales, les entretoises suffisent à retenir les parois puisque la force appliquée sur l'une est retenue par la force exercée sur la paroi opposée (c'est la même force qui s'applique des deux côtés, elle s'annule). Le nombre d'entretoises et leur positionnement sont étudiés pour que les forces soient réparties de manière à éviter les déformations.
Les entretoises peuvent être assimilées à des tiges filetées qui traversent les parois et les empêchent de s'écarter. Il en existe des versions massives et des versions creuses dont le forage laisserait apparaître une fuite de vapeur en cas de rupture dans la double paroi. Au cas où une telle rupture ne serait pas remarquée, une déformation des tôles pourrait se produire et avarier le foyer. C'est pourquoi des inspections minutieuses doivent être conduites très régulièrement pour s'assurer du bon état de l'ensemble.
Mais même avec toutes les entretoises en bon état, il peut cependant apparaître une déformation en cas de surchauffe et de pression excessive. Les parois internes du foyer présentent alors un aspect dit "matelassé" du fait de la ressemblance avec un capitonnage en tissu. C'est un incident très sérieux quant à la gestion de la chauffe et qui peut rendre une chaudière inutilisable. En effet, le matelassage signifie que par l'excès de chaleur et de pression, on a dépassé la limite élastique du métal. Celle limite élastique marque le niveau de contrainte au-delà duquel le métal ne reprend plus sa place initiale et reste déformé quand l'effort cesse. Or, cette limite baisse quand la température monte !
La formation des équipes de conduite est primordiale pour éviter ce genre d'incidents qui sont une phase annonciatrice d'un accident beaucoup plus grave si la situation n'est pas rapidement corrigée et que la limite de rupture est atteinte. Faut-il vraiment expliquer ce qu'est la limite de rupture ?
   - And doesn't the pressure distort the walls either ?
In normal conditions, the spacers are enough to hold the walls since the force applied on one of them is retained by the force exerted on the opposite wall (it is the same force applying on both sides so it cancels itself). The number of spacers and their positioning are designed so the forces are spread in a way distorsions are avoided.
The spacers can be seen as threaded bars passing through the walls, preventing them to get apart. There are plain versions and hollow ones for which the bore would cause a leak in case of a rupture between the walls. In case such a rupture would get unnoticed, a distorsion of the walls would happen and deteriorate the hearth. This is why thorough inspections must be carried out regularly to be sure everything keeps in good condition.
But even with all the spacers in good shape, a distorsion can happen though in case of overheating and overpressure. The internal hearth wall then get an aspect described as "quilted" due to the resemblance with a padded mattress. It is a very serious incident dealing with the heating management that might cause a boiler to become unusable. Indeed, the quilting means that, by excess of heat and pressure, we went beyond the elastic limit of the metal. This elastic limit marks the constraint level after which the metal doesn't come back anymore in its original shape when the effort disappears. But this limit lowers as the temperature rises !
Training of the driving teams is of prime importance to avoid this kind of incidents which are a precursor of a much more serious accident if such situation is not very quickly recovered and the rupture limit reached. Is it really necessary to explain what the rupture limit is ?

Simulation informatique des efforts entretoises/paroi.
Digital simulation of the spacers/walls efforts.

L'ouverture de chargement du combustible est parfois renforcée, au moins sur sa partie basse, pour résister au frottement des outils utilisés pour la gestion du feu. Elle est fermée par une porte un peu spéciale qui fera l'objet d'un prochain article.
   The coal loading opening is sometimes reinforced, at least on its lower part, to resist to the rubbing of the tools used to handle the fire. It is closed by a quite special door that will be the subject of a future article.

Vue depuis le cendrier: lignes de rivets d'assemblage et têtes d'entretoises.
View from the ashtray: the rivets lines and spacers heads.

La voûte intérieure, dite "ciel de foyer", comporte un bouchon-fusible de sécurité. C'est un bouchon fileté qui débouche dans le volume d'eau qui doit recouvrir la tôle. Ce bouchon a un orifice qui est rempli d'un alliage fusible qui résiste à la température normale du foyer mais fond en cas de surchauffe, typiquement par manque d'eau. En cas de fusion, la pression projette un jet de vapeur dans le foyer, ce qui ne manque pas d'alerter l'équipe de conduite et commence à ralentir l'allure du feu.
   The internal vault, called "hearth sky", includes a safety fusible plug. It is a threaded plug leading to the water volume that must overlay the metal sheet. This plug has a hole filled with a fusible alloy resisting to the normal hearth temperature but melts in case of overheating, typically due to a lack of water. In case of a melting, the pressures sends a steam jet in the hearth, it can't fail to alert the driving team and starts to reduce the fire activity.

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On ne parle ici que du foyer, mais une chaudière à vapeur en général est un réservoir contenant une énergie considérable. Toute atteinte à l'intégrité de l'enveloppe constitue un danger, et la mauvaise gestion de la chauffe n'est pas la seule menace.
Parmi les diverses menaces, on peut citer la corrosion, intérieure et extérieure, et la fatigue due aux cycles d'expansion thermique.
En effet, on comprend aisément que la chaudière se dilate en chauffant à l'allumage puis se contracte en refroidissant en fin de service. Ce qui est nettement moins évident, c'est que l'usage l'expose également à des variations de pression ET de température, autant de "mouvements" du métal à l'échelle moléculaire. La pression évolue constamment, en fonction de la production de vapeur d'un côté et de la consommation de l'autre. La température aussi, en fonction de la quantité de charbon jetée dans le foyer pour chauffer et les injections d'eau qui refroidissent le volume d'eau. Si on ne peut éviter les contraintes liées aux cycles de dilatation, on peut au moins en réduire l'impact en gérant la chauffe au mieux.
   We are only dealing with the hearth here, but a boiler in general is a reservoir holding a considerable energy. Any violation to the envelope integrity generates a danger, and the bad handling of the heating is not the only threat.
Among the various threats, we can cite the corrosion, both inside and outside, and the fatigue due to the thermal expansion cycles.
Indeed, we easily understand that the boiler expands while heating after being lit-up and contracts when cooling down at the end of the day. What is really less obvious is that the usage exposes it to variations of pressure AND temperature, causing "movements" of the metal at the molecular scale. The pressure evolves permanently, according to the steam production on one side and its consumption on the other. So does the temperature, along with the amount of coal thrown into the hearth to heat-up and the water injections which cool down the water volume. If we can not avoid the constraints of the expansion cycles, we can at least reduce their impact with a proper heating management.

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 En haut: détail de l'effet des injections courtes plus fréquentes (vert)

En bas: cycle journalier.
Top: Detail of the more frequent but shorter injections (green)
Bottom: one-day cycle.

Si les machines étaient maintenues chaudes la nuit, lorsqu'elle devaient reprendre la route dès le lendemain matin, c'était bien sûr pour qu'elles soient prêtes en temps voulu, mais cela avait aussi l'avantage d'éviter un cycle de dilatation-contraction. Les débuts et fins de service sont inévitables, on ne peut qu'essayer de les faire en douceur pour que la dilatation ait le temps de s'établir et que les contraintes soient relativement limitées. En service, pour maintenir le niveau d'eau, il faut injecter de l'eau dans la chaudière, ce qui la refroidit. Pour que ce refroidissement ne soit pas trop important, il vaut mieux injecter peu et souvent, les petits volumes étant plus faciles à réchauffer. Les injections d'eau représentent des variation de température assez brutales ainsi qu'une baisse significative de la pression, tout comme les appels de puissance au régulateur. Réduire ces variations permet de limiter les cycles de contraction-dilatation, si ce n'est dans leur nombre, au moins dans leur amplitude.
 Pendant le service, l'expérience du chauffeur, et sa connaissance de la ligne, lui permettent d'optimiser sa chauffe et de l'adapter au besoin, évitant les excès et les manques. Il doit donc anticiper les grosses demandes de vapeur et les périodes sans consommation pour ne pas se retrouver avec un petit feu, peu d'eau et de pression, ou à l'inverse un grand feu, une pression élevée et un niveau d'eau déjà haut, deux situations qui peuvent vite poser problème voire dégénérer gravement.
   If the machines were kept hot overnight, when they had to resume work early the next day, it was of course to be ready on time, but it also had the advantage of avoiding an expansion-contraction cycle. Beginnings and ends of duty are inevitable and we can only try to make them softly for the dilatation to have time to establish and the stress to keep limited. During operation, to maintain the water level, it is needed to inject some water in the boiler, it cools it down.  For this cooling down to remain limited, it is better to inject few but often, small volumes being easier to heat up. Water injections represent quite a brutal temperature shift as well as a significant drop of pressure, as do the power calls on the regulator. To reduce these variations allows to limit the dilation/contraction cycles, if not in their number, at least in their amplitude.
During operation, the fireman's experience and his knowledge of the line, allow him to optimize the heating and to adjust it if needed, avoiding excess or lack. He must anticipate the heavy calls on steam and the periods without consumption for not to get with a small fire, little water and pressure, or on the opposite, with a strong fire, a high pressure and an already high water level; two situations that could be problematic and quickly become critical.

La corrosion intérieure, quant à elle, peut avoir plusieurs origines et c'est un domaine à part entière qui sera mieux traité dans un autre article.
A noter cependant que ces considérations concernent surtout les locomotives utilisées en service commercial ou industriel, quand la durée de vie du matériel jouait fortement sur sa rentabilité. Ce n'était pas vraiment le cas des Brigadeloks conçues pour un usage militaire et certainement pas prévues pour durer une centaine d'années !
Néanmoins, avec les progrès de la métallurgie, avec une meilleure compréhension de la corrosion et de son traitement, avec des précautions dans la gestion de la chauffe, et d'autres choses, on peut de nos jours envisager une durabilité des chaudières nettement plus longue. Ce seront des critères de décision pour celle que nous devrons acheter. On aura bien l'occasion d'en reparler d'ici là, et il reste encore pas mal de choses à voir pour faire le tour de la chaudière. D'autres articles en perspective !
   The internal corrosion can have several causes and it is a domain in itself that will be detailed more deeply in a future article.
To be noted though that these considerations are mostly about the locomotives used for commercial or industrial duty, when the lifetime of the equipment strongly influenced its profitability. It was not really the case for the Brigadeloks designed for military use, and certainly not for a hundred years durability !
Nevertheless, with the progress of metallurgy, with a better understanding of the corrosion and its treatment, with precautions in heat management and other things, we can nowadays envisage a far longer durability of the boilers. These will be decision criterias for the one we will have to buy. We will have the opportunity to discuss it by then, and it remains a lot of things to see to cover the whole boiler. Some other articles to come !

Les barreaux de grille - The fireplace grate bars

Les barreaux de grille sont des barres en fonte spéciale qui forment le fond du foyer où brûle le charbon. Ils sont exposés à une chaleur extrême et doivent remplir plusieurs fonctions.
   The grate bars are pieces made of special iron forming the bottom of the fireplace where the coal burns. They are exposed to extreme heat and must perform several functions. 

Parce qu'il n'y a pas de détails laissés au hasard sur les locomotives, les barreaux de grille ne sont pas de simples bouts de ferraille alignés mais des dispositifs soigneusement étudiés.
En effet, ces barreaux sont exposés à une température d'environ 1200°C sur le dessus et seulement à la température ambiante en dessous. Cela est suffisant pour causer des déformations alors que les barreaux sont sensés former un plan plutôt lisse pour faciliter l'étalement du charbon.
   Because there is no details left to random on the locomotives, the grate bars are not simple in-line  bits of steel but rather carefully designed items.
Indeed, these bars are exposed to a temperature of approximatively 1200°C on the top side, and only at ambiant temperature on the lower part. It is enough to cause distortions while the bars are ment to form a rather flat surface to ease spreading the coal.

La déformation peut également être causée par une conduite inadéquate du feu, soit par une chaleur excessive, soit par une exposition non souhaitable à de l'air froid. Quand les barreaux sont très chauds et que charbon est retiré de la grille pour arrêter la production de vapeur, l'air refroidit les barreaux trop rapidement et de manière inégale, ils se déforment. Le profil qui présente plus de matière en haut qu'en bas fait que la dilatation n'est pas la même partout et des tensions internes se créent dans la matière, créant d'autres déformations.
   Distortion may also be caused by an improper lead of the fire, either by excessive heat, either by an unwanted exposure to cold air. When the bars are very hot and the coal is withdrawn form them to stop steam production, the air cools down the bars too fast and unevenly, they distort. The profile that shows more matiere on top than downside makes the dilatation to be different through it and internal tensions are created inside the material, causing more distortion.

Le profil des barreaux est établi de sorte à faciliter le passage de l'air tout en assurant leur maintien en place. Selon les versions, ce profil peut privilégier la résistance à la déformation par une hauteur plus importante, ou le passage de l'air par une forme aérodynamique. Le tirage est plutôt mauvais à froid et l'apport en air frais dans le foyer est particulièrement important. Le profil des barreaux présente des bossages latéraux pour leur donner un écartement minimum qui garantit le passage d'air minimum. En cas de déformation, le passage peut être réduit ou au contraire trop grand, avec perte de combustible et refroidissement localisé.
   The bars profile is designed as to facilitate the airflow while insuring they keep in place. According to versions, this profile may privilege the resistance to distortion by a more important height, or the airflow by an aerodynamic shape. The natural draught is rather bad when cold and fresh air supply in the fireplace is of paramount importance. The bars profile shows some side protrusions to give minimum separation distance insuring minimum airflow. In case of distortion, the passage may be reduced, or on the contrary too large, with loss of coal and localized cooling.

A gauche: profil résistant à la déformation, à droite: optimisé pour le débit d'air
Left: profile resisting to distortion, right: optimized for airflow

Les dimensions sont évidemment variables selon la taille du foyer et offrent suffisamment de jeu pour compenser la dilatation et laisser un espace d'où les cendres pourront être évacuées facilement. L'accumulation de cendres et de mâchefers doit en effet être évitée pour que les barreaux puissent se dilater librement sans forcer sur le cadre du foyer, cela freine un peu leur déformation. Ce nettoyage fait partie des premiers préparatifs que le chauffeur doit exécuter le matin avant l'allumage, et c'est parfois un exercice pénible quand la machine est encore chaude de la veille: le foyer est entouré d'eau chaude et la masse métallique est alors difficile à toucher alors qu'il faut bien nettoyer partout en passant le bras jusqu'à l'épaule...
Les barreaux sont simplement posés sur deux fers plats solidaires du cadre inférieur de la boîte à feu. Quand ils sont tous en place, ils ne peuvent pas tomber mais ont suffisamment de place pour se dilater et même pour être légèrement secoués par le chauffeur qui veut évacuer des cendres et mâchefers pour activer son feu.
   The dimensions are of course variable according to the fireplace size and offer enough room to compensate the dilatation and keep a space from where the ashes and clinker could be evacuated easily. Accumulation of ashed and clinker must indeed be avoided for the bars to axpand freely without forcing on the fireplace frame, it slows their distortion a bit. This cleaning is part of the first preparations the fireman must perform the morning prior to lighting, and it is sometimes a painful job when the machine is still hot from the day before: th;e firebox is filled with hot water and the metal mass is then difficult to touch while it is required to clean everywhere with the arm inserted up the shoulder...
The bars are simply laid on two flat irons attached to the firebox lower frame. When they are all in place, they can not fall down but have enough room to expand and even to be slightly shaken by the fireman who wants to get rid of ashes and clinker to activate the fire.

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La matière première est probablement de la simple fonte à l'origine, c'est maintenant une fonte plus élaborée, enrichie au chrome, pour améliorer sa résistance à la chaleur. Cela ne fait que retarder l'usure des barreaux, celle-ci est inévitable tant les conditions sont extrêmes à cet endroit. Par usure, on entend moins l'usure mécanique que l'usure chimique. Le frottement du charbon et du croc pour l'étaler ne sont pas suffisants à eux seuls pour expliquer la disparition des arrêtes. L'usure chimique, vient du fait que le métal porté au rouge est beaucoup plus sensible à la contamination par les gaz de combustion. Il se produit alors des échanges moléculaires qui changent la nature du métal et le rendent friable en surface. Dès lors, une action mécanique comme l'étalement du charbon avec le croc enlève de petites écailles. Au bout d'un certain temps les barreaux sont passablement usés et leur résistance diminue en conséquence.
Le phénomène est irréversible, on ne peut ni le freiner ni le stopper, seule l'usage d'alliage le plus résistant permet d'obtenir une durabilité acceptable. Les barreaux de grille sont des pièces d'usure au même titre que les sabots de frein.
   The original raw material is probably simple iron, it is now a more elaborated iron, enriched with chrome, to improve its resistance to heat. It only delays the wear of the bars, this wear remains inevitable due to the so harsh conditions there. By wear, we mean less the mechanical wear than the chemical wear. The rubbing of the coal and the hook to spread it are not enough to explain the removal of edges. The chemical wear comes from the fact the red hot metal is more sensible to contamination by combustion gases. Then molecular echanges happen, changing the nature of the metal and make it brittle on surface. Since then, a mechanical action as the spreading of coal with the hook removes some little scales. At some point, the bars are significantly worn out and their strength diminishes accordingly.
The phenomenon is irreversible, we can not slow it nor stop it, only the use of a more resistant alloy gives a more acceptable durability. The grate bars are expandable like the brake shoes.

Nos barreaux sont très déformés et corrodés, ils ont fait leur temps. Ils ne seront renouvelés que lorsque nous aurons pu remplacer la chaudière. Par contre, on en fera un modèle en bois pour le jour où l'on en fera faire en fonderie. Ce sont des pièces d'usure qu'il faut remplacer de temps en temps, lorsque c'est nécessaire.
   Our bars are very distorted and corroded, they did their time. They will be renewed only when we could replace the boiler. However, wer will make a wooden model for the day we will have some made by a foundry. These are expandables that must be replaced from time to time, when necessary.

En bonus, une vidéo où Edgard nous montre les barreaux en question et les remet en place dans le foyer.
   Bonus: a video where Edgard show us the said bars and replace them in the fireplace.

A voir en hd sur - to be seen on Youtube

Houston, we got a problem...

Cette phrase tristement célèbre pour avoir annoncé la perdition du vol lunaire Apollo 13 convient malheureusement à ce qui nous arrive. Nous sommes en effet confrontés à une difficulté majeure qui remet en cause tout le projet de restauration de la locomotive.
   This sentence, sadly known to have announced the Apollo 13 lunar flight perdition, perfectly matches what happens to us. We are facing a major difficulty which jeopardizes the whole project of the locomotive restoration.

Et ce n'est pas un petit problème car il s'agit ni plus ni moins que du cœur du dispositif: la chaudière. On la savait usée par le temps, surtout par la corrosion en fait, mais de nombreux éléments nous laissaient espérer une petite période d'exploitation à pression réduite. Par rapport à ses débuts, sa pression de service avait déjà été réduite par une procédure de "baisse de timbre". Par précaution, une chaudière que l'on estime moins résistante est exploitée à une pression moins élevée, ce qui permet de rester dans les limites de sécurité.
   And this is not a little problem since it is about no less than the heart of the device: the boiler. We knew it was used by time, mostly by corrosion in fact, but several elements let us expect some extra time for operation under reduced pressure. Compared to its debuts, its service pressure had already been reduced by a "pressure drop" procedure. By precaution, a boiler that is estimated less resistant is operated at a reduced pressure, allowing to work within safety margins.

En préparation pour l'inspection
Getting ready for inspection

En général, la corrosion interne affecte toutes les surfaces bien sûr, mais certains endroits sont plus exposés, comme les fonds et les interfaces eau/vapeur par exemple. Les entretoises du foyer sont également sujettes à une attaque et sont donc surveillées en conséquence. De nos jours, on peut réduire significativement la corrosion par un traitement préventif de l'eau et une conduite stricte de la chauffe (pas d'excès, extraction des boues, rinçages). Les chaudières du siècle dernier n'ont pas eu la chance de recevoir ces traitements qui n'existaient pas encore. D'ailleurs, pour le cas particulier de machines militaires de campagne, prévues pour un conflit sensé être court (!), la longévité n'était pas le premier des critères de conception.
De ce côté là, on savait donc que le handicap était installé depuis longtemps et on ne pensait pas pouvoir exploiter la machine très longtemps. Toutefois, les rapports d'inspection précédant son arrêt n'étaient pas alarmants et laissaient entrevoir la possibilité d'une remise en service, temporaire, à timbre réduit.
Contrairement à beaucoup d'autres chaudières, celle-ci présentait surtout un défaut de corrosion extérieure du foyer du fait d'avoir pris l'eau pendant des années de stockage extérieur. Là encore, nous étions dans les limites et l'achat de la machine relevait donc du risque calculé comme raisonnable.
   Generally, the internal corrosion affects all the surfaces of course, but some places are more exposed, like the bottoms and water/steam interfaces for example. The firebox  spacers are also subject to an attack and are subsequently surveyed. Nowadays we can significantly reduce corrosion with a preventive water treatment and a strict control of heating (no excess, mud extraction, rinsing). The last century boilers did not have the chance to receive such treatments which did not exist yet. Moreover, for the particular case of military field locomotives, made for a conflict that was tought to be quick (!), durability was not the first of design criteria.
At this point, we knew that the weakness was there from early on and we knew that we could not operate the machine for long. Anyway, previous inspection reports were not alarming and let us hope for the possibility of a temporary approval at reduced pressure.
Unlike many other boilers, this one suffered from a corroded zone of the outer firebox wall due to years of storage exposed to the rain. Her again, we were within the limits and purchasing the machine was a risk calculated as reasonable.

Vue du côté gauche de la boîte à feu corrodée
Left side view of the corroded firebox

La suite consistait donc à présenter la chaudière à un organisme de contrôle du secteur de Rillé pour être autorisés à l'exploiter. Ce contrôle est sérieux et demande une bonne préparation. La chaudière est mise à nu, toutes les carrosseries sont retirées pour une observation sous toutes les coutures. On lui applique une peinture haute température qui lui fait défaut depuis longtemps, on trace un quadrillage pour avoir des coordonnées et on procède à des mesures d'épaisseur avec un appareil spécialisé. Au départ, l'appareil a été approvisionné par l'Aecfm pour faire un suivi de ses chaudières neuves et évaluer l'efficacité du traitement de l'eau.
Pour nous, il s'agit de nous faire une idée de l'état réel de la chaudière, surtout aux points les plus fragiles.
   The following was to submit the boiler to an inspection organism nearby Rillé to be authorized to operate it. This inspection is serious and requires a good preparation. The boiler is totally exposed, all the bodywork is removed for observation everywhere. We apply a high temperature paint that lacked for long, we trace a grid to get coordinates and we proceed to thickness measurement with a dedicated apparatus. Initially, the apparatus was obtained by the Aecfm to follow its new boilers and evaluate the water treatment efficiency.
For us, it serves to get an idea of the real condition of the boiler, mostly at the weakest points.

Contrôle d'épaisseur de la plaque tubulaire avant
Front end tubular plate thickness test

Et là, c'est la douche froide ! Malgré la difficulté liée à la forte irrégularité des surfaces, les relevés nous montrent une perte d'épaisseur plus importante que prévu et qui ne correspond plus à la note de calcul établie à la demande du propriétaire précédent.
En clair, on repart de zéro et il faut faire un relevé complet des épaisseurs pour faire établir une nouvelle note de calcul. De là, savoir si des réparations sont possibles...
Autant dire que l'on entrerait là dans un processus très cher et sans garantie de réussite. Un retimbrage encore affaibli rendrait la circulation à Rillé difficile et l'investissement ne pourrait jamais être rentabilisé car la solution ne serait que temporaire. Le coût d'une remise en service de cette chaudière serait dès lors déraisonnable car susceptible de s'approcher rapidement du prix du neuf. On ne sait même pas si un chaudronnier qualifié accepterait une telle mission !
   And then it is the cold shower ! In spite of the difficulty of the strongly irregular surface, the measures show us a thickness loss more important than expected and no more meeting the values of the calculation note made upon request of the previous owner.
Clearly, we start again from zero and must do a complete thickness survey to get a new calculation note. From there, to know if repairs are possible...
To say that we would enter a very expensive process without warranty of success. A more reduced pressure would make operation at Rillé difficult and the investment would never be recovered since this solution would be only temporary. The cost of repairing this boiler would then be unreasonable as able to quickly approach the price of a new one. We don't even know if any qualified boilersmith would accept such a job !


Il faut se rendre à l'évidence, cette chaudière n'a plus d'avenir et la réaction d'un contrôleur qui venait pour une autre loco a été choquante: il a fait demi-tour dès qu'il l'a vue ! Il n'est même pas resté 5 secondes et ne voulait pas entendre parler d'une chaudière rivetée.
Bon, on aura au moins économisé les frais d'une visite de contrôle...

Nous sommes bien évidemment extrêmement déçus en comprenant que notre loco n'est pas prête de rouler par ses propres moyens et que le seul recours est de l'équiper d'une chaudière neuve. Plus facile à dire qu'à faire, ce n'est pas vraiment bon marché !
Le nombre de constructeurs de chaudières capables et acceptant des fabrications de ce type est très faible, il n'y en a même pas un pour chaque pays d'Europe ! Ce choix limité ne tire pas les prix vers le bas et rajoute encore de la difficulté par la distance, la langue et les normes nationales différentes.
   We must accept the evidence, this boiler has no more future and the reaction of an inspector that came here for an other machine was schocking: he left immediately as soon as he saw it ! I did not even stay for 5 seconds and wouldn't hear of a riveted boiler.
Well, at least we saved on an inspection fee...
We are of course extremely disapointed learning our locomotive is far from running again on its own and that the only way is to fit it with a brand new boiler. That's easier saind than done because it is not really cheap !
The number of boiler manufacturers capable of and accepting this king of construction is very low, there is not even one in each european country ! This limited choice does not lower the prices and adds to the difficulty by the distance, the language and the different national standards.

Nous entrons donc dans un processus d'étude de faisabilité pour un achat sur mesure au motif que l'on ne veut pas se risquer à ces réparations incertaines qui ne feraient que repousser peu de temps l'inexorable issue qu'est le remplacement. On ne veut pas prendre de risque en matière de sécurité, ni en matière d'argent, car on n'a jamais assez de l'un ni de l'autre. Cette démarche va certainement nous prendre beaucoup de temps et nous aurons l'occasion d'y revenir à de nombreuses reprises pour présenter nos progrès, nos hésitations, réussites et échecs. Revenez nous voir régulièrement car pendant ce temps, la restauration d'autres éléments continue !
So we enter a feasibility study process for a tailor-made purchase because we do not want to launch uncertain repairs that would only postpone for a short time the inevitable ending that is the replacement. We do not want to take risks with safety and money because we never have enough of both.
This approach will certainly take us a lot of time and we will have the opportunity to frequently talk about our progress, our hesitations, success and failures. Come regularly because in the meantime, the restoration of other elements continues !

En bonus pour ceux qui ont lu cet article jusqu'ici: une vidéo qui résume la situation:
   A bonus for those who read this article until there: a video summarizing the situation:

Lien vers la vidéo sur Youtube - link to the Youtube video:

 https://youtu.be/YvKtn6Wx104