Brevet FR2137428A1 — publié le 19721229

La présente invention se rapporte à un. appareil résistant à - dea,pressions élevées ayant une paroi composite pré-contrainte ainsi qu'à la méthode de fabrication de cet appareil. Les industries chimique et pétrochimique,dans le développe-5 ment des nouveaux procédés,ont tendance à utiliser des pressions très élevées en même temps que de hautes températures,en sorte que les performances exigées des matériaux sont de.plus en plus sévères* Pour construire de gros réacteurs on se trouve contraint d'u-10 tiliser des parois de très grande épaisseur car la recherche sur de nouveaux matériaux soudables n'a pas permis de parvenir à une réduction acceptable du rapport coût/caractéristiques mécaniques. L'emploi de parois de grande épaisseur pour les appareils de l'industrie chimique et pétrochimique implique un coût élevé de 15 construction,des difficultés de soudage et des difficultés de transport et d'assemblage des appareils dûes au poids considérable de ceux-ci. Les appareils ci-dessus ayant des parois épaisses doivent,en vue de surmonter les difficultés de soudage qui se posent pour 20 de fortes épaisseurs,être réalisés par superposition soit de plaques de faible épaisseur (6,5 à 10mm) ( système multi-couches) soit de plaques d'épaisseur moyenne ne dépassant pas 50mm (système multi-parois) mais, bien que les problèmes du soudage et des dimensions transversales de l'appareil soient résolues( il 25 est en effet possible de fabriquer des récipients de large diamètre) il n'en reste pas moins que l'épaisseur de la paroi du récipient n'est pas réduite. De plus,en travaillant suivant les procédés connus dans la technique,la complexité des systèmes de construction entraine des 30 charges plus importantes et l'on ne peut réaliser des économies sensibles. Le problème à résoudre est par conséquent celui d'obtenir des appareils,capables de résister à de hautes pressions,dont l'épaisseur des parois est réduite par comparaison à l'épaisseur des 55 parois des appareils connus dans la technique,les conditions de sécurité restant inchangées vis à vis des diverses règlementatioŒ de sécurité. 71 42853 21 37428, C'est un objet de l'invention de fournir un appareil capable de résister à de hautes pressions,cet appareil ayant une .épaisseur de paroi considérablement plus faible que 1'épaisseur de paroi des appareils construits selon la technique antérieure;cet 5 appareil est de plus réalisable d'une manière remarquablement simple et permet des économies très sensibles dans les coûts de fabrication. On a en effet découvert,de manière surprenante,qu'il est possible .de réduire sensiblement l'épaisseur de paroi des appareils 10 pour hautes pressions en les réalisant en deux ou plusieurs couches de matériaux métalliques identiques ou différents,une ou plusieurs des couches internes étant soit totalement,soit partiellement libérées de contraintes. . Les appareils objets de l'invention sont constitués parî 15 1°) une où plusieurs enveloppes ou chemises cylindriques internes,libérées de contraintes totalement ou sur l'épaisseur voulue,ces chemises étant en matériaux métalliques en particulier en acier au carbone;les chemises cylindriques internes sont réu-. nies par soudage longitudinal et circonférentiel,de toute manière 20 toujours par soudage circonférentiel,et sont assimilables à une seule paroi capable de résister aux contraintes longitudinales engendrées par les charges appliquées;dans la suite de la description cette partie de l'appareil sera dénommée chemise cylindrique interne. 25 2°) une ou plusieurs enveloppes cylindriques externes,dont chacune est constituée par forgeage,calandrage et soudage ou laminage de plaques de matériaux métalliques,particulièrement d'acier au carbone,ces plaques n'étant soudées ni à la chemise interne,^ entre elles,leur diamètre intérieur étant égal au dia-30 mètre extérieur de la chemise cylindrique interne adjacente;dans la suite de la description cette partie de l'appareil sera dénommée plaques externes. De préférence,mais de manière non restrictive,l'appareil est * » réalisé avec seulement une chemise interne cylindrique et seule-35 ment une série de plaques externes. L'appareil objet de la présente invention présente certains avantages qui apparaîtront de manière évidente immédiatement. 71 42853 3 21 37428 La chemise cylindrique interne est libérée de contraintes sur une partie ou la totalité de son épaisseur par l'application d'une pression hydraulique ou plus généralement hydrostatique après enfilage des plaques extérieures. 5 Du fait de cette précontrainte,qui déforme plastiquement la chemise cylindrique interne sur une partie ou sur toute son épai-^ sseur,la paroi de l'appareil,après ce traitement,est le siège de contraintes résiduelles qui,superposées aux contraintes produites par la. pression de fonctionnement de l'appareil,quand il est en 10 marche,réalisent une distribution plus uniforme des contraintes résultantes. La contrainte axiale est supportée exclusivement par la chemise cylindrique interne. Les caractéristiques mécaniques des couches constituant la 15 chemise cylindrique interne et les plaques externes peuvent être identiques ou différentes même si elles sont constituées en un même matériau. L'appareil objet de la présente invention peut comporter entre - les plaques externes et la chemise cylindrique interne un très 20 léger espace creux réalisé au moyen de rubans d'acier enroulés de manière appropriée sur la surface externe de la chemise cylindrique interne après avoir enfilé les plaques cylindriques sur » celle—ci. Ce mode de réalisation est particulièrement préféré quand l'ap-25 pareil de pression est utilisé pour la synthèse de l'ammoniaque dans laquelle,comme on sait,de l'hydrogène diffuse facilement à travers l'acier et par suite doit être évacué vers l'extérieur. Dans le mode particulier de réalisation de l'appareil,!'évacuation de l'hydrogène vers l'extérieur est facilitée et l'on évite 30 l'utilisation des gainages percés utilisés dans la technique antérieure. Les fonds sont fixés à la chemise interne de l'appareil par soudage ou par d'autres moyens classiques,les plaques externes « contribuant seulement à résister à l'action combinée des contrain-35 tes circonférentielles et radiales. Un autre objet de l'invention réside dans la méthode de construction de l'appareil.Cette méthode comprend les étapes suivantes 42853 21 37£t28 consistant àï 1°) construire une chemise cylindrique métallique(chemise interne) de dimension intérieure et de longueur correspondant à celles désirées pour l'appareil;la chemise peut être constituée soit par plusieurs couches cylindriques réunies pour former un seul cylindre pu par plusieurs plaques soudées longitudinalement et circonférentiellement ou par un tube monobloc ou par plusieurs tubes ou enfin à la fois par des tubes et des plaques d'épaisseur convenable. 2°) enfiler sur la chemise cylindrique interne des plaques soit forgées soit calandrées et soudées,soit laminées en une ou plusieurs couches,ces plaques étant chauffées à une température telle qu'après refroidissement(dans l'air)elles adhèrent à la chemise interne adjacente.De nombreuses plaques sont ajoutées l'une après l'autre de manière à atteindre la longueur désirée » de l'appareilîles plaques,de préférence,n'étant soudées ni circonf érentiellement les unes aux autres ni à la chemise interne; après que les piaques aient été enfilées 3-e récipient composite peut être ou ne pas être traité thermiquement; J°) soumettre l'appareil ainsi fabriqué à une pression hydrostatique, en particulier hydraulique,de manière à obtenir une déformation plastique de tout ou partie de l'épaisseur de la chemise cylindrique interne;par déformation plastique on entend la déformation du matériau quand la pression est telle que les contraintes exercées sur le matériau sont supérieures à celles d'élasticité. Quand un. espace creux est nécessaire entre la chemise interne et les plaques externes,on enroule un ruban métallique d'épaisseur et de largeur désirées extérieurement à la chemise interne,de préférence en hélice,après l'opération définie ci-dessus en 1). Les résultats obtenus au moyen des appareils réalisés selon l'invention seront maintenant donnés dans un but illustratif mais non limitatif. EXEMPLE_1. On a construit une chemise cylindrique en acier faiblement allié ayant un diamètre interne de 1400mm,une longueur de 3000mm, une épaisseur de 68mm,la limite élastique à la température •7142853 2137428 ambiante étant de 35 kg/mm2.Sur cette chemise,constituant la chemise interne du récipient de pression, on a enfilé cinq plaques laminées à chaud au moyen dfun laminoir vertical,ces plaques étant en acier faiblement allié présentant,à la température 5 ambiante,un point de limite élastique de 70 kg/mm2,la température des plaques pendant l'enfilage étant de 450°C. i Les plaques avaient une épaisseur de 40mm et n'étaient soudées ni entre elles.ni à la chemise interne. Les caractéristiques mécaniques minimales à 300°C pour les 10 aciers faiblement alliés correspondaient respectivement à des points de limite élastique de 30 kg/mm2 et 63 kg/mm2. Ce récipient composite a été soumis,après'fermeture de ses extrémités,à une pression hydrostatique de 560kg/cm2 à la température ambiante afin de réaliser la précontrainte. 15 Cette pression a déformé plastiquement 52mm de la chemise interne. Le récipient réalisé peut être utilisé avec les coefficients de sécurité prescrits par la réglementation,pour travailler en continu sous une pression de 400 kg/cm2 et à une température de 20 300°C. Un récipient construit selon la technique antérieure^du type monobloc ou multi-couches^devrait avoir une épaisseur de 158mm pour réaliser ces performances. EXEMPLE_2 25 On a construit un récipient analogue à celui de l'exemple 1 mais en interposant,entre les couches internes et externes,un ruban métallique en acier au carbone ordinaire d'une largeur de 10mm et d'une épaisseur de 0,3mm, enroulé en hélice avec un pas de 30mm. 30 Ce ruban a été superposé à la chemise interne avant d'enfiler sur celle-ci les plaques externes,et fixé en des points espacés par brasage à l'étain. Le récipient ainsi fabriqué a été soumis aux même essais que le récipient précédent et avec les" mêmes résultats. 35 De plus le maintien en permanence d'un espace creux a été contrôlé après l'essai en introduisant du fréon par un trou spécial ménagé dans une des plaques externes. . I . 71 42853 6 21 37428 REVENDICATIONS 1°) Appareil résistant aux pressions élevées,caractérisé en ce qu'il est constitué par une ou plusieurs chemises cylindriques internes en matériaux métalliques,particulièrement en acier 5 au carbone,partiellement ou totalement libérés de contraintes et par une ou plusieurs enveloppes cylindriques externes dont chacune est constituée de plaques de matériaux métalliques de même type ou de type différent de ceux des chemises internes,ces plaques n'étant soudées ni aux chemises cylindriques internes ni 10 circonférentiellement entre elles,ces plaques étant,pour chaque couche,en nombre tel que la ou les chemises cylindriques internes soient complètement recouvertes. 2°) Appareil selon la revendication 1,caractérisé en ce que les chemises cylindriques internes sont constituées par plu-15 sieurs couches cylindriques réunies de manière à former des cylindres unitaires. 3°) Appareil selon la revendication 1,caractérisé en ce que les chemises cylindriques internes sont constituées par plusieurs plaques soudées à la fois longitudinalement et circonfé-20 rentiellement de manière à former des tubes. 4°) Appareil selon la revendication l,dans lequel les chemises cylindriques internes sont des tubes monoblocs. 5°) Appareil selon l'une des revendications 2 et 4,caractérisé en ce que les chemises cylindriques internes sont consti-25 tuées à la fois de tubes monoblocs et de couches cylindriques réunies de manière à former des tubes unitaires. 6°) Appareil selon l'une des revendications 3 et 4,caractérisé en ce que les chemises cylindriques internes sont constituées à la fois de tubes monoblocs et de tubes obtenus par sou-50 dage de plaques. 7°) Appareil selon l'une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les chemises cylindriques internes sont réunies par soudage longitudinal et circonférentiel,ce soudage étant en tout cas toujours circonférentiel. 35 8°) Appareil selon l'une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les enveloppes externes sont constituées en plaques soit forgées,soit calandrées et soudées,soit laminées. 71 42853 21 37428 9°) Appareil selon l'une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les chemises internes et enveloppes externes forment entre elles un espace creux obtenu par enroulement, hélicoïdal ou autre,d'un ruban de métal ou de tout autre matériau 5 approprié sur la surface externe de la chemise interne la plus grosse. v/ 10°) Méthode de construction d'un appareil résistant aux hautes pressions tel que défini à l'une des revendications précédent es, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes 10 consistant àî a) construire une chemise cylindrique métallique ayant les dimensions internes désirées dans le sens transversal et en longueur, cette chemise étant en particulier constituée par une ou plusieurs couches de plaques métalliques soudées à la fois longi- 15 tudinalemènt et circonférentiellement et de toute manière toujours circonférentiellement ou par un ou plusieurs tubes ou par des tubes et plaques,les couches .étant convenablement réunies ensemble. b) enfiler à.chaud,sur la chemise cylindrique décrite en a) des 20 "plaques soit forgées,soit calandrées et soudées,soit laminées en une ou plusieurs couches,ces plaques étant chauffées à une température telle qu'après refroidissement elles adhèrent parfaitement à la chemise adjacente,un traitement thermique pouvant être effectué après l'enfilage; 25 c) soumettre l'appareil composite à une pression hydrostatique, en particulier hydraulique,de manière à libérer de contraintes partiellement ou totalement,toutes les couches de la chemise décrite en a). 11°) Méthode selon la revendication 10,caractérisée en ce que, 30 après l'opération décrite en a),on enroule un ruban de mé tal ou autre matériau,de manière appropriée,de préférence en hélice,sur la surface extérieure de~la chemise interne la plus grosse de manière à créer un espace creux.