Brevet FR2002738A1 — publié le 19691031

La présente invention concerne un procédé pour former un joint mécanique entre des tubes et les joints formés par ce procédé. Ce procédé permet en particulier de former des oints mécaniques entre un tube métallique à paroi mince, par exemple en alliage à base de zirconium, et un élément en matière différente. Dans la construction des réacteurs nucléaires comportant à l'intérieur du coeur des matériaux tels que les alliages à base de zirconium ayant une faible section efficace de capture des feutrons, 11 existe des problèmes pour la jonction des éléments en alliage à base dézirconiumaux éléments en matériaux plus courants de la structure du réacteur au voisinage et à I-'extérieur dupeur. La difficulté pour la jonction d'un tube en alliage à base de zirconium à paroi mince à un élément tubulaire en acier inoxydable provient principalement de l'insuffisance des techniques de soudage actuelles du point de vue du maintien de la résistance des matériaux dans la zone de soudure.Pour éviter cette difficulté, il est habituel d'établir une connexion mécanique au point de transition entre le tube en alliage à base de zirconium et l'autre élément formé d'une matière différente. Un problème particulier résolu par la présente invention est celui posé dans le pas d'un réacteur-eomportant des ensembles combustibles formant des canaux fabriqués en usine, ce qui nécessite que le diamètre extérieur de la pièce d'extrémité soit approximativement le même que le diamètre extérieur du tube en alliage de zirconium devant subir la pression. L'utilisation d'un embout à paroi épaisse à l'intérieur du tube permet son passage à l'intérieur du tube au moment de la mise en place. Un joint satisfaisant est obtenu selon la présente invention, aussi bien du point de vue d'une résistance mécanique élevée que d'une grande résistance aux fuites en utilisant un embout épais introduit dans le tube et en dilatant et embout pour l'élargir et pour qu'il subsiste des contraintes résiduelles à la traction dans le tube. Il a été constaté conformément à l'invention qu'en plaçant un tube en alliage à base de zirconium dans un gabarit empêchant un mouvement radial appréciable, il est pos sigle de travailler-- à froid un embout à paroi relativement épaisse à l'intérieur du tube pour provoquer une déformation plastique de la matière de ltembout telle qu'après la suppression du-dlspositif~de. ma.intien du tube, ltembout et le tube subissent une dilatation suffisante pour:établir des contraintes résiduelles àSla traction dans le tube et des contraintes résiduelles à-la compression correspondante dans l'embout.La résistanee mécanique de ltensemble peut être améliorée par l'adjonction d'un manchon ou d'un collier de frettage autour du tube dans la zone de jonction, ce collier tendant à réduire la contrainte à la- tract-ion dans le tube, tout en maintenant la-charge à l'interface entre les surfaces de jonction du tube et de l'embout. La présente invention a par suite pour objet un procédé pour établir une jonction étanche aux fluides entre un élément tubulaire à paroi mince, et un embout à paroi épaisse de diamètre plus faible que celui du tube, cet embout ayant en général au moins une partie circulaire en forme de nervure large formant une partie saillante de contrainte, le procédé consistant en particulier à dilater l'embout et à maintenir le tube de manière à établir une pression importante de contact entre le tube et embout, arin- qu'il subsiste une contrainte résiduelle à la traction dans le tube, pour former un joint étanche entre la surface intérieure du tube et la surface extérieure de l'embout. Les caractéristiques de- l'invention ressortiront plus particulièrement de la description su#ivante, donné à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel - la figure unique est une vue en perspective et en coupe d'un joint réalisé suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments représentés sur la figure unique comportent un tube 20 dont l'extrémité est située entre un embout à paroi épaisse 50 et un manchon ou collier 40. La surface extérieure de l'embout 30 comporte au moins une partie circulaire saillante 32 limitée par deux épaulements 34 et 36. Le collier 40 en forme de manchon comporte une gorge circulaire 42 de forme correspondante limitée par des épaulements 44 et 46, la largeur dans le sens axial de la gorge 42 étant supérieure F la largeur dans le sens axial de la partie saillante 32. Pour l'assemblage des trois éléments considérés cl- dessus, ceux-cl sont placés dans un gabarit ou dispositif de maintien, ne faisant pas partie de la présente invention, pour retenir radialement le collier 40. L'embout 30 peut alors être mandriné en utilisant un appareil d'un type connu pour provoquer la déformation plastique de la matière de l'embout, au moins dans la région de la partie saillante circulaire 32 entre les épaulements 34 et 36 afin de déformer le tube et le verrouiller entre le collier 40 et embout 30.Après l'enlèvement du dispositif de serrage entourant le- collier 40, les trois éléments peuvent subir- une dilatation radiale provoquant la déformation finale du tube 20 initialement droit de la façon représentée, le tube étant emprisonné entre le collier et l'embout avec des forces de compression dans le sens axial dans la zone des épaulements de l'embout, pour former un joint étanche de bonne qualité. Les esSais effectués montrent qu'il est possible d'obtenir un joint satisfaisant de ce type entre un tube en Zircaloy 2 (marque déposée) et un embout en acier inoxydable type 403, la paroi de l'embout ayant une épaisseur pouvant atteindre 11 mm qui permet encore la déformation plastique voulue dans la zone circulaire devant former le joint. Il a été constaté que l'étanchéité aux fuites du joint ainsi obtenu est fonction du pourcentage de réduction de ltépaisseur de l'embout pendant sa déformation plastique et qu'une réduction de l'épaisseur de l'embout comprise entre 3% et 35% est efficace, d'après les conditions normales d'étanchéité aux fuites demandées pour le joint. Il a été constaté que le mandrinage de l'embout avec maintien des éléments extérieurs pour obtenir une réduction de l'épaisseur de l'embout comprise entre 4 et 6s, permet le développement complet de la résistance du joint, égale à la résistance à la traction du tube en Zircaloy. De plus, un jeu radial limité entre la surface extérieure du collier 40 et l'appareil de maintien (non représenté) avant l'opération de mandrinage de ltembout, permet le développement plus complet de la résistance à la traction du collier 40. Les essais effectués pour contrôler la sécurité des joints montrent qu'en plus du taux faible de fuites dans le cas de l'hellium, le comportement d'un Joint formé dtun tube en zirconium-niobium et d'un embout en acier inoxydable type 403 avec collier est satisfaisant à des températures dépassant 26000 et avec changement peu appréciable de la valeur des contraintes résiduelles dans les différents éléments du joint. Pour la mise en oeuvre du procédé, il--est préf#- rable que la limite élastique de la matière de l'embout soit supérieure à celle de la matière du tube. En outre, pour conserver l'étanchéité aux fuites aux températures élevées, les coefficients de dilatation thermique des matières de l'embout et du tube doivent être à peu près semblables. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E-N D I C A T I O N S 1 -Un procédé pour former un joint pratiquement étanche aux fluides entre un élément tubulaire à paroi mince et un embout à paroi épaisse d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur du tube, caractérisé par la dilatation de l'embout en retenant périphériquement le tube pour établir une pression élevée de contact entre le tube et l'embout, afin qu'après l'enlèvement du dispositif de retenue, il subsiste une contrainte résiduelle à la traction dans le tube pour établir un joint étanche entre la surface intérieure du tube et la surface extérieure de l'embout. 20-Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'ùtilisation d'un élément de compression extérieur afin que le tube soit serré entre cet élément et l'embout. 30-Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dilatation de l'embout est provoquée# par déformation plastique vers l'extérieur de cet embout avec réduction de ltépaisseur de sa paroi. 40-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube est retenu périphériquement au moins pendant une partie de la dilatation, l'embout étant déformé par mandrinage provoquant une réduction supérieure à 3 % de l'épais seur de sa paroi. 5"procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par la formation d'une zone circulaire saillante sur le pourtour de l'embout pour constituer un élément de contrainte entre l'embout et la surface intérieure du tube. 60-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par la dilatation de l'embout par mandrinage avec réduction de l'épaisseur de sa paroi pouvant atteindre 15 %. 70-Un procédé pour former un joint étanche aux fuites entre trois éléments tubulaires concentriques, superposés, caractérisé par la formation d'au moins une gorge circulaire dans la surface intérieure de l'élément tubulaire extérieur, d'au moins une partie saillante circulaire sur la surface extérieure de l'élément tubulaire intérieur, l'élément tubulaire intérieur et l'élément tubulaire extérieur étant prévus pour établir un jeu radial et axial réduit entre la gorge et la partie saillante pour recevoir l~lément tubulaire intermédiaire, par le maintien de- la surface extérieure de l'élément- tubulaire extérieur pour empê- cher toute variation substantielle de son-diamètre extérieur, par la déformation plastiquede- la paroi de l'élément intérieur pour provoquer une réduction de 3 % à 15 % de l'épaisseur de sa paroi en comprimant et en déformant l'élément tubulaire intermédiaire dans le Jeu et par l'enlèvement du dispositif de maintien de l'élément extérieur pour permettre l'augmentation du diamètre de chacun des éléments, afin d'établir des cont#- tes résiduelles à la traction dans l'élément intermédiaire et former un joint étanche efficace entre l'élément intérieur et l'élément intermédiaire. 80 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la déformation de l'élément intérieur est effectuée par mandrinage agissant sur la surface intérieure de ltélément in' térieur pour provoquer sa dilatation radiale. 9 -Un joint comportant un élément tubulaire mince et un élément tubulaire épais à l'intérieur de l'élément tubulaire minci caractérisé en ce que l'élément tubulaire épais a été déforme élastiquement pour établir des forces résiduelles élevées de verrouillage entre les deux éléments. 10 - Joint selon la revendication 9, caractérisé par un élément tubulaire extérieur entourant l'élément tubulaire mince en comprimant celui-ci, de façon que l'élément tubulaire mince soit serré entre l'élément extérieur et l'élément intérieur épris 11 -Joint selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément tubulaire extérieur est un tube droit avec une gorge circulaire assurant le verrouillage avec les autres éléments. 120 -Un joint mécanique non soudé entre deux éléments tubulaires, caractérisé par un élément tubulaire intérieur à paroi épaisse, un collier en forme de manchon s'étendant au moins le long d'une partie de l'élément intérieur, ces éléments comportant respectivement au moins une partie saillante annulaire et une gorge annulaire sensiblement complémentaire pour recevoir un élément tubulaire à paroi mince entre les deux, l'élément intérieur tubulaire ayant été déformé plastiquement pour serrer l'é- lément tubulaire intermédiaire entre l'élément intérieur et le collier, de façon que l'élément tubulaire mince soit déformé radialement pour Entre verrouillé dans la gorge et qu'il subsite des contraintes résiduelles aux interfaces entre les éléments pour établir un engagement mécanique étanche au moins entre l'élément intérieur et l'élément tubulaire mince. 130Joint mécanique non soudé, selon la revendication 12 caractérisé en ce que la limite élastique de l'élément intérieur est supérieure à la limite élastique de l'élément tubulaire à paroi mince.