Brevet FR2133518A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à tubes et plaques tubulaires construits en un matériau vulnérable à la corrosion sous lteffet de l'un et/ou autre des deux fluides en circulation. Dans de tels échangeurs, on cherche parfois à protéger le métal de base, par exemple acier, par un métal anti-corrosion, titane, tantale, zirconium ou autre, qui ne se soude pas convenablement au métal de base par procédés faisant intervenir une fusion, à cause de la production de composants fragiles, intermétalliques ou autres. Il résulte de cette incompatibilité à la soudure du métal de base et du métal de protection une difficulté d'assemblage entre matériaux, que l'invention se propose de resoudre. L'invention propose dans ce but une plaque tubulaire d'éehan- geur de chaleur, comportant sur une de ses faces une feuille de placage protectrice en métal anti-corrosion et sur sa face opposée, une feuille de placage fixatrice, servant à maintenir en position la feuille de placage protectrice, les deux feuilles étant mutuellement entretoisées à cet effet par des manchons en métal anti-corrosion, disposés dans des trous de la plaque tubulaire, et assemblés à elles par soudage. Les métaux des trois éléments du système de protection de la plaque, feuille protectrice, contre-feuille de maintien et manchons peuvent être différents les uns des autres, pourvu que le manchon soit soudable par fusion à chacune des deux feuilles. Dans une telle plaque, les manchons jouent le rtle de rivets creux, qui servent à maintenir les deux feuilles en position. Ils protègent en outre le métal de base de la plaque, dans les trous de passage des tubes, et ils constituent des éléments de raccord susceptibles de recevoir les tubes en métal anti-corrosion, et de se souder à eux par fusion. La feuille de placage protectrice s'étend sur toute la surface exposée au liquide corrosif et jusqu au delà du joint d'étanchéité disposé entre la plaque tubulaire et l'élément adjacent, demie d'obturation ou enveloppe cylindrique, de 11 échangeur de chaleur. Selon une disposition avantageuse, elle se termine, le long de sa périphérie, par un rebord reçu dans une gorge annulaire de la plaque tubulaire, et retenu dans cette gorge par une bague circonférentielle faite d'un seul tenant ou composée de plusieurs secteurs en arc-de-cercle. Le fluide corrosif ne risque donc pas de pénétrer entre la plaque protectrice et le métal de base. Il convient aussi d'y empêcher la pénétration de l'autre fluide. De ce point de vue, le choix, comme élément de fixation, d'une contre-feuille de placage semblable au placage de protection, se révèle particulièrement avantageux, car il suffit alors d'étendre la contrefeuille au-delà de la zone mouillée par l'autre fluide, et de l'ancrer éventuellement à la plaque tubulaire, suivant le mode adopté pour la feuille protectrice. Il est particulièrement commode de souder les manchons aux feuilles de placage, par faisceau d'électrons ou suivant un procédé analogue. L'épaisseur des feuilles de placage est souvent insuffisante pour donner à ces soudures la profondeur désirable. Pour obvier à cet inconvénient, l'invention propose d'aménager sur une feuille de placage, autour de chaque trou, un rebord coudé en équerre re, que l'on peut réaliser, par exemple, à la presse par estampage ou matriçage de la feuille, pour former une tubulure cylindrique présentant au manchon une zone de soudure de longueur axiale suffisante. Selon une variante, destinée au meme but, on forme sur une face de la plaque de base des gorges formant élargissements annulaires des trous de passage de manchons, on y insère des bagues en matériau soudable aux man#nons, on met ensuite les manchons en place et on les soude aux bagues, la dimension axiale de celles-ci permettant de donner aux soudures urine profondeur suffisante sans affecter le métal de base de la plaque tubulaire. Les surfaces d'échange de lltippareil sont formées d'un faisceau de tubes en métal anti-corrosion chaque tube étant reçu dans un manchon et pouvant Castre soudé à lui > par faisceau d'électrons ou autrement, sur une longueur axiale adéquate, sans affecter la plaque tubulaire de base. Les dispositions selon l'invention sont relativement faciles à mettre en oeuvre, car elles permettent de fabriquer, comme pièce indépendante, une plaque tubule rye protégée contre la corrosion, convenablement aménagée pour recevoir, après fabrication, un faisceau de tubes anti-corro#icn t pcr s'assembler à eux par soudage. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront, par aijlellrs. ae la deseription que l'on va en donner ci-après, portant r--)r des dispositions choisies à titre d'exemple et représentées svr les dessins annexes. Sur ces dessins la figure 1 représente une partie d'un échangeur de chaleur à tubes et plaque tubulaire, réalisé selon l'invention, en coupe axiale éclatée la figure 2 représente en coupe transversale à plus grande échelle un détail de fabrication au droit d'un trou de la plaque ; la figure 3 est une variante du détail de la figure 2 la figure 4 représente en coupe transversale un autre détail de fabrication de la plaque tubulaire. L'échangeur de chaleur représenté sur les dessins est du type comportant, de manière connue, une enveloppe cylindrique terminée à chacune de ses deux extrémités par un couvercle en dôme, ltespa- ce intérieur ainsi défini étant cloisonné par deux plaques tubulaires, pour former deux compartiments terminaux hémisphériques, qui servent respectivement de chambres d'admission et d'évacuation pour l'un des deux fluides, et qui communiquent l'un avec l'autre par 1' intermédiaire des tubes qui traversent les deux plaques, ainsi qu' un compartiment intermédiaire servant de chambre de circulation au deuxième fluide, lequel est ainsi appelé à balayer les surfaces extérieures des tubes. Sur la vue éclatée de la figure 1, une plaque tubulaire 1 de l'échangeur, percée de trous 10 destinés au passage de tubes 20, est disposée entre l'enveloppe cylindrique 2 et un couvercle terminal en dorme 3. Elle est adaptée à être serrée par des boulons, non représentés, entre une bride 4 de l'enveloppe et une contre-bride 5 du couvercle. L'étanchéité aux fluides est assurée par des joints circulaires 6 et 7. La plaque, l'enveloppe et les couvercles sont en acier. La plaque 1 est revêtue, sur sa face inférieure, d'un métal anti-corrosion, par exemple titane, tantale ou autre qui se présente sous forme d'une feuille mince 8 simplement disposée en contact avec la plaque. La feuille 8 est trouée au droit des perforations 10 de la plaque 1. Elle déborde radialement vers l'extérieur, au delà du joint annulaire 7, et se termine par un rebord 9 en équerre, qui vient se loger dans une gorge annulaire 11 creusée sur la face inférieure de la plaque 1. Un élément 12, constitué par une bague formée d'un seul tenant, ou composé de plusieurs secteurs en arcde-cercle placés bout à bout, maintient le rebord 9 étroitement serré dans la gorge 11. La plaque 1 porte sur sa face supérieure une feuille de placage 8', disposée de la même façon que la feuille anti-corrosion 8, et munie d'éléments 9', 11', 12', semblables aux éléments 9, 11 et 12. Des manchons cylindriques 13 en métal anti-corrosion, reçus dans les trous 10 de la plaque tubulaire, sont soudés par leurs deux extrémités aux feuilles de placage 8 et 8', les joints de soudure circulaires étant effectués, de préférence, au canon à électrons. Les tubes 20, qui constituent la surface d'échange de chaleur entre les deux fluides, sont en métal anti-corrosion. Reçus dans les manchons 13, ils sont soudés à eux, de préférence par bombardement électronique, effectué sur une longueur axiale suffisante entre la face extérieure du tube et la face intérieure du manchon. Les cordons 26 et 27 sont représentés respectivement sur les figures 2 et 3. Le couvercle en dôme 3 est revêtu sur sa face intérieure d'un placage anti-corrosion, formé d'une feuille métallique 14. Celleci se prolonge, sur son pourtour, par une partie plate 15 qui recouvre la bride 5, au delà du joint annulaire 7, et qui se termine par un rebord en équerre 16. Le rebord 16, logé dans une gorge annulaire formée sur la face supérieure de la bride 5, y est retenu par un élément de serrage 17, analogue aux éléments 12 et 12'. La partie supérieure de l'échangeur, non représentée, est semblable ou identique à la partie inférieure que l'on vient de décrire en référence à la figure 1. En fonctionnement, toutes les parties en acier de l'échangeur sont protégées contre les effets corrosifs d'un fluide qui circule d'une chambre hémisphérique à l'autre, à travers les tubes 20. Cette protection contre la corrosion est assurée par le choix d'un matériau convenable pour la feuille de placage 8, les manchons 13 et les tubes 20. Ces éléments peuvent être en matériaux identiques ou différents sous réserve de compatibilité à la soudure. Ils sont maintenus en place, sans soudure au métal de base (acier dans 1' exemple représenté), et cela grâce à l'adåonction de la contrefeuille de placage 8', soudée elle-meme aux manchons 13.Les fluides en circulation ne risquent pas de pénétrer dans les interfaces entre les éléments de placage 8, 8', 13, 14 et les pièces qu'ils recouvrent, grsce à la présence de gorges de serrage situées au dela des joints d'étanchéité 6 et 7. Une telle pénétration se trouve ainsi empêchée même en cas de fuite hors de l'échangeur. De plus, la fuite d'une soudure 26 ou 27 est sans conséquence sur le matériau constituant la plaque tubulaire. La feuillé de placage 8 t a pour rôle essentiel d'assurer le maintien en place du placage 8, en coopération avec les rivets creux que forment les manchons 13. Mais elle peut elletmême, par le choix d'un matériau convenable, servir à protéger la plaque 1 contre les effets corrosifs éventuels du fluide circulant dans la chambre délimitée par les deux plaques tubulaires, à 1 t intérieur de 1' enveloppe 2, c'est-à-dire le long des surfaces extérieures des tubes 20. Dans ce cas, l'enveloppe 2 pourra convenablement recevoir un reveAtement anti-corrosion, analogue à celui prévu sur la face intérieure du couvercle terminal 3. Sur la figure 1, la soudure entre les manchons et les feuilles de placage ne peut se faire que sur une profondeur au plus égale à l'épaisseur des feuilles. Cette profondeur peut se révéler insuffisante, et la soudure effectuée dans ces conditions risque d'affecter le métal de base. Les dispositions des figures 2 et 3 ont pour objet de remédier à ces inconvénients. Sur la figure 2, une des deux feuilles de placage, par exemple la feuille 8, porte, sur le pourtour de ses perforations, des rebords coudés d'équerre 19, formés par estampage ou autrement. La présence de ces rebords permet l'exécution d'une soudure 21 relativement profonde entre leur face cylindrique intérieure et leur face extérieure des manchons et facilite ainsi l'assemblage de ceux-ci à la feuille. Des dispositions semblables peuvent être adoptées sur la feuille 8'. Ces rebords facilitent également la fusion de matériaux très réfractaires tels que le tantale. Sur la figure 3, les feuilles 8 et 8' sont dépourvues de rebords coudés au droit de leurs trous. Par contre, la plaque de base 1 présente, sur chacune de ses faces, des gorges annulaires 22 qui élargissent les perforations 10, et dans lesquelles sont reçues des bagues 23. Celles-ci sont soudables aux manchons 13 et aux feuilles 8, 8'. Les cordons de soudure 24 qui relient les feuilles de placage aux manchons peuvent donc avoir une profondeur notablement supérieure à l'épaisseur des feuilles, sans risquer d'affecter le métal de base de la plaque. La figure 4 représente, comme variante, une plaque tubulaire 1 dont les deux feuilles de placage 8 et 8' se terminent, aux gorges de serrage, par des rebords simples, à une aile, au lieu des rebords à deux ailes en équerre représentés sur la figure 1. En outre la plaque 1 a, sur chacune de ses faces, une rainure semi-circulaire 251 destinée à recevoir un joint d'étanchéité 18 de formetorique. REVENDICATIONS 1. Plaque tubulaire d'échangeur de chaleur caractérisée par la présence, sur une de ses faces, d'une feuille en matériau anticorrosion, maintenue en contact avec ladite face par une feuille appliquée sur l'autre face et par des manchons disposés dans les trous de la plaque et soudés aux deux feuilles 2. Plaque tubulaire suivant la revendication 1, dont au moins une des deux feuilles déborde extérieurement sur un joint d'étanchéité associé à la face qu'elle recouvre. 3. Plaque tubulaire suivant la revendication 1 ou 2, dont au moins une feuille se termine sur son pourtour par un rebord logé et retenu dans une gorge creusée sur la face de plaque qu'elle recouvre. 4. Plaque tubulaire suivant la revendication 1, 2 ou 3, dont au moins une feuille présente, sur le pourtour de ses perforations, des rebords cylindriques, tournés vers l'extérieur de la plaque, et soudés aux manchons. 5. Plaque tubulaire suivant une quelconque des revendications précédentes, présentant, sur au moins une de ses faces, des gorges annulaires d'élargissement de ses trcus, ainsi que des bagues logées dans lesdites gorges et soudées a1x manchons. 6. Echangeur de chaleur comiportant une plaque tubulaire suivant une quelconque des revendications précédentes. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 6, comportant des tubes en matériau anti-corrosion reçus dans les manchons et soudés à eux. 8. Echangeur de chaleur suivant la revendication 6 ou 7, dont un élément d'enveloppes muïii d unebride d'assemblage à une plaque tubulaire, radiaiement vidée Veis l'extérieur, est protégé sur sa face intérieure par une feu lue de placage anti-corrosion, qui se prolonge radialement ver l'extérieur pour recouvrir la bride au delà du joint d'étanchéité c-, respondant. 9. Echangeur de * leu; suivant la revendication 8, dont le prolongement de placage qui recouvre la bride se termine, sur son pourtour, par un rebord reçu es maintenu dans une gorge creusée dans la 10. Plaque tubulaire ou echangeur de chaleur suivant une quelconque des revenuications précédentes, dont les soudures précitées sont effectuées par Faisceau d'électrons.