Brevet FR2011777A1 — publié le 19700306

i 2011777 La présente invention concerne un procédé et un appareil pour former des dispositions provoquant des turbulences sur une surface d'un élément tubulaire. Il est connu que le transfert de la chaleur entre un élément à l'état 5 solide et un fluide circulant en contact avec cet élément est amélioré quand la surface de l'élément est rugueuse ou porte des ailettes. Ces surfaces augmentent la superficie de transfert de chaleur et augmentent les turbulences dans la couche de fluide voisine de la surface. Pour certaines applications, il est très important d'obtenir 10 le maximum de transfert de chaleur entre un élément chauffé et le fluide circulant le long de l'élément. L'évacuation de la chaleur engendrée par les éléments combustibles d'un réacteur nucléaire est un exemple. De grandes difficultés sont rencontrées pour un transfert rapide et uniforme de la chaleur d'un grand nombre (souvent plus de 1.000) d'éléments 15 combustibles, dont la longueur peut dépasser 3.mètres et dont le diamètre peut être inférieur à 1,27 mm vers un réfrigérant fluide circulant rapidement. Les techniques antérieures pour former des dispositions favorisant les turbulences sur les éléments combustibles ne sont pas satisfaisantes. La fixation d'ailettes sur les éléments ou les barreaux n'est pas possible 20 quand il existe un très grand nombre d'éléments dans le coeur du réacteur. Les éléments-ou dispositions favorisant les turbulences ne. doivent pas dépasser radialement d'une façon excessive, de la surface de la gaine, parce, que la distance entre les éléments combustibles est très faible. Il est souvent désirable aussi de modifier les caractéristiques des dispositions 25 provoquant les turbulences suivant la longueur de l'élément combustible et/ou d'après les groupes d'éléments combustibles situés en différents endroits du coeur. Les techniques antérieures ne permettent pas de faire varier ces caractéristiques avec la souplesse voulue. Le soudage d'éléments provoquant des turbulences sur des 30 éléments combustibles est en général indésirable, car il en résulte des dépôts de métal coulé sur la surface du métal soudable, et lè soudage peut provoquer des contraintes localisées et des zones sujettes à la corrosion pouvant entraîner avec le temps la rupture de la gaine de l'élément. En outre, le prix et la complexité de l'équipement nécessaire pour souder ou 35 fixer autrement des éléments provoquant des turbulences sur la surface de l'élément sont des facteurs appréciables. Les problèmes posés par la repro-ductibilité et la commande de l'opération et la difficulté d'une inspection non destructive pour garantir la qualité voulue limitent aussi l'utilisation des dispositifs provoquant des turbulences suivant les techniques antérieures. 69 21860 2 2011777 -.11 est par suite nécessaire de disposer d'un moyen perfectionné pour former des dispositions provoquant les turbulences éùr les surfaces d'échange thermique et en particulier sur les surfaces des éléments ou des barreaux combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires. 5 La présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour former des dispositions provoquant des turbulences sur la surface d'un élément d'échange thermique. Un appareil selon l'invention comporte au moins une bille appliquée en contact roulant sous pression contre la surface du tube pour former 10 une dépression dans cette surface, la bille et le tube étant ensuite déplacés l'un par rapport à l'autre à la fois en rotation et dans la direction axiale, afin de former au moins une rainure dans la surface du tube. L'appareil applique la bille en contact sous la pression désirée et commande les mouvements relatifs pour établir la configuration désirée. Plusieurs billes 15 sont habituellement utilisées pour former simultanément plusieurs rainures. Quand le tube est supporté intérieurement par un mandrin relativement incompressible étroitement adapté, le diamètre intérieur du tube n'est pas réduit, et il se forme des zones légèrement relevées à côté des rainures. Comme les billes sont toujours en contact roulant avec le tube, elles ne 20 coupent pas et n'usent pas par frottement la surface du tube. Comme les rainures ont des fonds arrondis, contrairement aux formes en V obtenues avec des outils à moleter, les concentrations sévères de contraintes sont évitées. De plus, le travail à froid de la surface peut améliorer la structure des grains de la surface en améliorant ainsi la résistance à la corrosion. Bien 25 entendu, les contraintes résiduelles résultant de la formation des rainures peuvent être supprimées si désiré par un recuit. Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent d'établir une grande variété de formes et de répartitions de dispositifs provoquant des turbulences. Par exemple, par un déplacement du tube devant la bille ou 30 les billes par un mouvement de rotation et un mouvement axial continus, il est possible de former des rainures hélicoïdales. Des rainures en zigzag peuvent être formées par rotation du tube alternativement dans les sens opposés pendant une avance axiale continue du tube à travers l'outil à billes. Une disposition en losanges peut être obtenue en formant d'abord des rainures 35 hélicoïdales à droite et ensuite en faisant avancer le tube à travers l'outil pour former des rainures à gauche. De plus, la forme des rainures elles-mêmes peut être facilement modifiée. Par exemple, des nervures ou ailettes à crêtes plates peuvent être obtenues avec des rainures" largement espacées, tandis que des rainures resserrées peuvent produire des nervures 69 21860 3 2011777 aiguës. Une rainure large résulte d'une bille de grand diamètre et une rainure étroite d'une bille de petit diamètre. Il est possible d'utiliser deux ou plus de deux billes pour former une même rainure ayant un fond plus plat et des côtés plus verticaux qu'en utilisant une bille unique. Comme 5 il est indiqué plus en détail ci-après, l'écartement et la profondeur des rainures peuvent varier le long des tubes de la façon désirée. De nombreuses autres variantes des configurations et des formes sont faciles à concevoir. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite 10 en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement en coupe la formation d'une disposition provoquant les turbulences selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 2 est une coupe d'un outil pour former automatiquement 15 des configurations provoquant des turbulences ; - la figure 3 est une coupe schématique illustrant l'utilisation d'un mandrin intérieur dans un tube dans lequel doivent être formées des configurations provoquant les turbulences, et - les figures 4 à 7 sont des photographies de différentes formes 20 de dispositifs provoquant des turbulences obtenues conformément à l'invention. t La figure 1 représente schématiquement en coupe un mode de mise en oeuvre de l'invention pour former des dispositions provoquant des turbulences au moyen de billes roulant sous pression contre la surface d'un tube. 25 Le dispositif de la figure 1 comporte plusieurs billes trempées tenues librement dans des trous d'une cage tubulaire 11. La cage 11 peut circuler à travers un mandrin tubulaire 12 comportant une entrée légèrement conique 13 prolongée par un alésage cylindrique 14. Le diamètre intérieur de l'alésage 14 est tel que les billes 10 soient forcées de dépasser à travers 30 la cage 11 pendant le passage de cette cage à travers l'alésage 14. Quand une pièce tubulaire 15 est introduite dans la cage 11 et est simultanément entraînée en rotation et déplacée longitudinalement, plusieurs rainures 16 sont formées dans la surface de la pièce 15. Bien qu'il soit possible de déplacer la pièce 15 à la main à travers l'appareil, il est préférable que 35 les mouvements soient commandés mécaniquement pour faciliter la formation reproductible d'une disposition uniforme pour provoquer les turbulences. Un tour à fileter classique peut donner d'excellents résultats comme dispositifs d'entraînement pour un tel appareil. Par exemple, la pièce 15 peut être 69 21860 4 2011777 tenue dans le mandrin du tour pour être entraînée en rotation. Le mandrin tubulaire 12 peut être fixé sur le chariot mobile longitudinalement entraîné par la vis mère du tour. Bien entendu, le dispositif d'entraînement peut être construit spécialement pour assurer les mêmes fonctions. 5 Les surfaces des billes 10 et du mandrin tubulaire 12 doivent être très dures et doivent résister à la pression. Les caractéristiques superficielles de ces différents éléments peuvent être similaires, afin que les uns ne soient pas exagérément usés par les autres. La dureté superficielle des billes 10 doit être nettement supérieure à celle de la pièce à usiner 15. 10 Par exemple, le mandrin tubulaire 12 peut être en acier à outil 4340 soumis à un traitement thermique. La surface intérieure du mandrin tubulaire 12 peut être de plus durcie, par exemple par nitruration et/ou par chromage dur. Les billes 10 peuvent être en n'importe quelles matières convenables, parmi lesquelles de l'acier 52100 traité thermiquement ou 15 différents carbures frittés. Ces matières conviennent bien pour former des dispositions provoquant des turbulences sur la surface de tubes en acier inoxydable, en alliage de zirconium et autres métaux. De préférence, au moins trois billes espacées angulairement sont montées dans la cage 11 pour équilibrer les forces et pour maintenir la 20 pièce 15 centrée. Des billes supplémentaires peuvent être utilisées si désiré dans une ou plusieurs positions espacées longitudinalement le long de la cage 11. Les billes peuvent avoir n'importe quel diamètre désiré. Comme il a été indiqué ci-dessus, pour une rainure d'une profondeur donnée, les billes de plus grand diamètre forment des rainures plus larges et des billes 25 plus petites, des rainures plus étroites avec des côtés plus verticaux. Les dispositions provoquant les turbulences peuvent avoir n'importe quelle profondeur convenable. Dans le cas d'une gaine tubulaire d'élément combustible pour réacteur nucléaire d'un diamètre extérieur d'environ 12,7 mm ayant une paroi d'une épaisseur d'environ 0,5 mm, la profondeur de la 30 rainure est de préférence comprise entre environ 12,7 et environ 100 microns. La production optimale des turbulences compatible avec la conservation d'une résistance mécanique et d'une résistance à la corrosion suffisantes de la paroi est obtenue avec «3es rainures d'une profondeur comprise entre environ 25 et environ 38 microns. 35 II est souvent désirable de former les dispositions provoquant les turbulences, seulement sur une partie de l'élément combustible. De même, il est en général indésirable qu'il existe des variations brusques des caractéristiques de transfert de la chaleur le long d'un élément combustible. 69 21860 5 2011777 Par exemple, il est en général indésirable de former des dispositions provoquant des turbulences à l'extrémité d'un élément combustible, à laquelle un bouchon d'extrémité doit être soudé. De même, dans le cas d'un élément combustible typique pour un réacteur à neutrons rapides réfrigéré par de . 5 la vapeur d'eau, l'élément combustible peut comporter, dans l'ordre, une chambre collectrice de gaz de fission, une certaine longueur contenant de la matière fertile, une certaine longueur contenant le combustible fissile ou actif et une troisième longueur contenant de la matière fertile. Il n'est pratiquement pas nécessaire de transférer de la chaleur à partir de la 10 zone de la chambre collectrice de gaz, et la chaleur à évacuer à partir des zones contenant la matière fertile est relativement faible, tandis que la plus grande partie de la chaleur produite dans l'élément doit être transférée du combustible fissile au réfrigérant circulant le long de l'élément combustible. Il peut par suite être désirable de ne pas former de dispo-15 sitions provoquant la turbulence sur la surface voisine de la chambre collectrice de gaz et de former des dispositions très efficaces pour provoquer les turbulences dans la zone du combustible fissile. Des dispositions provoquant des turbulences, ayant une efficacité intermédiaire peuvent être désirables dans les zones correspondant à la matière fertile. Il peut aussi 20 être préférable qu'il existe une variation progressive de l'efficacité de transfert de chaleur «ux points de transition entre ces différentes longueurs, pour éviter des concentrations de contraintes thermiques dans ces parties. Les positions et les profondeurs relatives des rainures ou autres dispositions provoquant les turbulences peuvent être variées facilement suivant 25 la longueur de l'élément combustible par le procédé et avec l'appareil selon l'invention. Les positions des dispositions provoquant les turbulences peuvent être variées simplement en introduisant la pièce 15 à travers la cage 11 placée dans l'entrée conique 13 jusqu'à atteindre la position désirée, en 30 déplaçant ensuite la cage 11 pour que les billes 10 commencent à venir en contact avec la pièce 15 et la surface intérieure de l'alésage 14. La longueur de l'alésage 14 détermine la longueur du tronçon comportant le dispositif provoquant les turbulences. La profondeur des rainures 16 peut être modifiée simplement par 35 modification du diamètre de l'alésage 14. Pour obtenir un passage progressif d'une surface lisse de la paroi du tube à une surface rainurée, il suffit de former l'alésage 14 avec un diamètre décroissant sur une longueur convenable. Différentes formes de rainures provoquant des turbulences peuvent aussi être utilisées le long des différentes parties de la pièce tubulaire. 69 21860 6 2011777 La figure 2 représente une forme préférée d'outil pour former des rainures provoquant des turbulences, conformément à l'invention. Cet outil comporte d'une façon générale un mandrin tubulaire 12 et une cage 11 pour des billes pouvant traverser l'alésage 14. 5 Le mandrin 12 de la figure 2 comporte une entrée 13 et une sortie 25 coniques pour une formation progressive des rainures à chaque extrémité. L'alésage 14 a une longueur sensiblement égale à la longueur de la pièce devant comporter les rainures. Une pièce tubulaire 15 est montée sur un dispositif tournant 10 (tel que le mandrin d'un tour), et elle est introduite dans la cage 11. La position le long de la pièce à usiner à partir de laquelle doivent débuter les rainures est déterminée par les broches fixes 17. Le mandrin 12 est monté sur un élément mobile longitudinalement (tel que le chariot entraîné par la vis mère du tour) pour être déplacé vers la pièce à usiner. Pendant 15 le déplacement du mandrin 12 vers la droite de la figure 2, les leviers 18 viennent buter contre les broches fixes 17, et par suite, ils pivotent autour des articulations 19 pour tirer l'étrier de démarrage 21 vers la gauche, afin de pousser la cage 11 vers la gauche. Les billes 10 roulent d'abord le long de la surface conique 13 et sont serrées contre la pièce'. La cage 11 20 avance ensuite à travers l'alésage 14, les billes 10 roulant entre l'alésage 14 et la pièce en formant des rainures dans la surface de la pièce. Quand les leviers 18 ont dépassé les broches 17 ils reviennent en position de repos. Les leviers 18 peuvent être rappelés en position de repos par des ressorts, pour venir buter contre une bague de réglage 21 vissée sur l'extrémité filetée 25 dû mandrin 12. La bague de réglage 21 peut ainsi être placée facilement dans des positions convenables en fonction de différentes combinaisons de cages et de billes. Une bague 22 en matière à faible coefficient de frottement, telle qu'un polymère de tétrafluoréthylène peut être placée à l'extrémité de la • cage 11. pour faciliter son guidage le long de l'alésage 14. Un ressort 23 30 peut être placé à l'intérieur de l'alésage 14 et être retenu par une bague 24 pour faciliter le retour de la cage 11 à sa position de départ après le passage de la pièce tubulaire 15 à travers la cage 11 et la sortie 25. Bien que les rainures puissent être formées dans le tube 15 sans utilisation d'un support intérieur, il est en général préférable de 35 placer un mandrin étroitement ajusté à l'intérieur du tube pendant la formation des rainures par les billes. Ce mode de travail est illustré par la figure 3. Ainsi que le montre la figure 3, le mandrin intérieur comprend une partie 30 étroitement adaptée à l'intérieur de la pièce 15. Il suffit que ce 69 21860 7 2011777 support occupe la zone dans laquelle doivent être formées les rainures. Une collerette 31 assure le positionnement de la partie 30 formant la partie active du mandrin à l'endroit voulu. Le mandrin comporte une poignée 32 pour l'introduction et l'enlèvement. Pour former les rainures, le tube 5 est introduit dans un outil, tel que celui de la figure 2, jusqu'à ce que la partie devant être formée arrive au niveau des broches 17. Le mandrin intérieur est introduit par l'extrémité de gauche de l'alésage 14, de façon que l'extrémité avant de la partie de grand diamètre 30 arrive à l'intérieur du tube 15 au niveau des broches 17. La longueur de la partie de grand 10 diamètre est égale à la longueur de la pièce 15 devant comporter les rainures. La poignée 32 doit avoir une longueur suffisante pour dépasser de l'outil quand le mandrin est en place. L'utilisation de ce mandrin est préférable quand le tube doit être chargé de pastilles de combustible nucléaire, car il maintient un diamètre intérieur sensiblement uniforme aussi bien dans les -15 parties ne comportant pas de rainures, que dans les parties comportant les rainures. Cependant, quand le tube, dans lequel doivent être formées les rainures, est déjà de matière combustible, ou quand une légère diminution du diamètre intérieur est acceptable, il n'est pas nécessaire d'utiliser le mandrin intérieur. 20 Les figures 4 à 7 sont des photographies de plusieurs formes de rainures provoquant des turbulences pouvant être obtenues par le procédé et avec l'appareil selon l'invention. La figure 4 est une reproduction d'une photographie d'une disposition formée par rotation de plusieurs billes dans un seul sens, en faisant avancer 25 l'outil. Il en résulte une forme "filetée". La forme de la rainure ou des rainures peut être modifiée en variant le nombre de billes, la vitesse de rotation de la pièce et la vitesse d'avance de l'outil. Les parties relevées entre les rainures peuvent être relativement larges et avoir des crêtes plates, ou être minces et aiguës ou alternativement larges et étroites. 30 La figure 5 représente une forme obtenue en établissant d'abord la forme filetée de la figure 4 et en passant ensuite une seconde fois la pièce à travers l'outil en la faisant tourner en sens opposé. Ce mode d'opérer établit une configuration en diamants ou en losanges. Les formes peuvent aussi être modifiées en faisant varier les paramètres de fonctionnement de 35 l'appareil. La figure 6 représente une forme en zigzag obtenue en faisant tourner la pièce alternativement dans les deux sens pendant l'avance de l'outil. Il en résulte une configuration avec des parties saillantes largement espacées, séparées par des nervures étroites. 69 21860 8 2011777 La figure 7 représente une configuration obtenue de la même façon générale que la configuration en diamants de la figure 5. Cependant, dans ce cas, les "filets" formés pendant les deux passes dans les deux sens de rotation sont beaucoup plus faibles. Des nervures minces et aiguës sont 5 formées au lieu de parties saillantes en forme de diamants. Ces nervures minces provoquent des turbulences particulièrement importantes et un transfert de chaleur important vers le réfrigérant circulant à grande vitesse le long de l'élément combustible ayant cette disposition. En outre, cette disposition ne provoque aucune tendance à lëcoulement du réfrigérant par une circulation 10 hélicoïdale, qui par contre peut avoir lieu dans le cas d'une disposition en "filet unique"étroitement espacé. La forme de la figure 7 est par suite en général préférable pour des éléments combustibles de réacteurs nucléaires. Ainsi qu'il ressort des photographies des figures 4 à 7, les dispositions provoquant les turbulences obtenues conformément à l'invention 15 comportent des zones creuses à fonds arrondis, ce qui empêche la concentration de contraintes dans des zones particulières du tube, les éléments ainsi formés ayant des parties hautes avec des bords relativement aigus permettant le maximum de turbulences et de transfert de la chaleur vers le réfrigérant. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, 20 et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. Pour les références du mémoire descriptif renvoyant aux figures 4 à 7, la planche Il/2 déposée au dossier peut être consultée à l'I.B.P.I. 69 21860 9 2011777 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour former des surfaces provoquant des turbulences pour favoriser le transfert de la çhaleur à partir de la surface extérieure d'un tube, caractérisé par la mise en contact sous pression d'au moins une 5 bille contre la surface extérieure du tube, pour estamper la surface du tube en provoquant simultanément la rotation relative et le déplacement longitudinal relatif entre la bille et le tube, pour former au moins une rainure par déformation à la surface du tube. 2 - Procédé' selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 10 tube est entraîné continuellement en rotation dans un sens et est déplacé longitudinalement par rapport à la bille pour former au moins une rainure hélicoïdale continue dans la surface du tube. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est déplacé longitudinalement de façon continue par rapport à au moins 15 une bille en provoquant un mouvement de rotation alternativement dans les deux sens du tu,be par rapport à la bille, afin d'établir une configuration de rainures en zigzag à la surface du tube. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rainures sont formées avec une profondeur variable le long 20 de chaque rainure. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse relative de rotation est suffisante pour provoquer la formation de rainures saillantes à bords relativement aigus entre les rainures. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par la répéti-25 tion du mouvement relatif du tube comportant les premières rainures en faisant tourner le tube en sens opposé pour former des zones en nervures saillantes à bords aigus espacés entre les rainures. 7 - Appareil pour former des éléments provoquant des turbulences pour améliorer l'échange thermique à la surface extérieure d'un tube, carac- 30 térisé par un mandrin tubulaire comportant un alésage de section circulaire avec une section d'entrée de diamètre croissant, une cage tubulaire d'un diamètre extérieur permettant son passage à travers l'alésage et comportant plusieurs trous espacés sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe de la cage tubulaire, et plusieurs billes dans ces trous disposées pour rouler 35 contre la surface intérieure de l'alésage du mandrin, en dépassant à l'intérieur de la cage quand celle-ci se trouve dans l'alésage du mandrin, la cage permettant le passage d'un tube à travailler afin qu'il soit en contact sous pression avec les billes pendant que la cage se trouve dans l'alésage du mandrin. 69 21860 10 2011777 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé par un dispositif pour provoquer simultanément la rotation du tube à travailler et le déplacement du tube à travailler longitudinalement par rapport aux billes se trouvant à l'intérieur de l'alésage du mandrin, afin qu'au moins une rainure soit formée dans la surface du tube à travailler. 9 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé par un dispositif pour faire passer la cage tubulaire de la section d'entrée dans l'alésage du mandrin pendant que le tube à travailler se trouve dans la cage tubulaire. 10 - Appareil selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par un mandrin sensiblement incompressible pouvant être engagé étroitement dans le tube à travailler traversant la cage tubulaire. 11 - Appareil selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les duretés de surface de l'alésage du mandrin et des billes sont sensiblement égales et la dureté superficielle des billes est supérieure à celle de la surface du tube à travailler.