Brevet FR2183539A1 — publié le 19731221

La présente invention est relative à un dispositif destiné a assurer une protection efficace vis- -vis des contraintes thermiques créées lors du fonctionnement d'un échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide primaire apportant des calories a un fluide secondaire isolé de ce fluide primaire et parcourant à cet effet un faisceau de tubes de circulation, ceux-ci étant rendus solidaires à une au moins de leurs extrémités d'une plaque tubulaire présentant des orifices de passage sur lesquels s'adaptent ces tubes, liés a la plaque au niveau de ces orifices par des jonctions soudées étanches. L'invention s'applique plus particulièrement dans le cas où le fluide primaire est constitué par un métal liquide, notamment du sodium, le fluide secondaire étant formé par de l'eau transformée partiellement ou totalement en vapeur dans l'échangeur, par le contact du fluide primaire avec la surface externe des tubes de circulation. On a déjà réalisé des échangeurs de chaleur a plaques tubulaires du genre rappelé ci-dessus, dans lesquels la liaison entre ces plaques et les tubes est réalisée par des soudures effectuées directement sur la face interne des plaques au droit des orifices, ces plaques comportant a cet effet et pour chacun des tubes une gorge de soudage préalablement usinée, la jonction soudée entre tubes et plaques étant réalisée à partir de la face de ces plaques extérieure à l'échangeur. Or, dans de telles installations, on constate en fonctionnement, l'existence d'un gradient thermique important dans les plaques tubulaires du cbté de celles-ci dirigé vers l'intérieur de l'échangeur et en particulier a travers les jonctions soudées entre plaques et tubes.En effet, les plaques et les tubes sont fortement chauffés d'un côté de ces derniers par le fluide primaire1 tandis qu'ils sont énergiquement refroidis de l'autre coté par le fluide secondaire. Par ailleurs en fonctionnement, il se produit fréquemment et localement au sein de l'écoulement du fluide primaire, des variations de températures notables, ce qui entralne des contraintes à la fois très élevées et très variables en intensité et en direction. Ces diverses contraintes S'exercent principalement dans les plaques tubulaires au niveau des soudures avec les tubes, dans une région qui est métallurgiquement non homogène et dont la résistance mécanique est de ce fait plus faible. Diverses solutions ont déjà été envisagées pour empêcher la création de telles contraintes, visant en particulier à réduire le transfert des calories entre les fluides primaire et secondaire au niveau des jonctions soudées entre les tubes et les plaques. Notamment, on a déjà prévu de disposer une plaque tubulaire à la partie supérieure de l'échangeur, celui-ci étant vertical, et de ménager au-dessus du fluide primaire un matelas gazeux en contact avec la plaque et formant écran thermique.Dans une autre réalisation, on a également envisagé de munir l'échangeur d'une chicane transversale, s'étendant entre le faisceau des tubes à une distance déterminée de la plaque tubulaire, cette chicane délimitant entre elle et la plaque en regard un espace où le fluide primaire est pratiquement stagnant, ce qui assure une réduction du transfert de chaleur dans la zone critique des soudures entre les tubes et la plaque. Ces diverses solutions présentent toutefois certains inconvénients. Dans le premier cas, l'échangeur est nécessairement vertical, ce qui exige que les tubes soient conformés en epingle à cheveux et conduit à une complication importante de la fabrication et à une moins bonne accessibilité aux différents tubes. Dans le second cas, la difficulté essentielle résulte du fait que le fluide primaire constitué par du sodium risque, en cas de fuite au niveau d'une jonction soudée d'un tube et de la plaque, de produire par réaction chimique avec le fluide secondaire, une détérioration notable et rapide des autres tubes environnant celui qui présente la fuite, en raison en particulier de la poussée exercée sur la chicane transversale par la pression due aux produits de réaction créés, poussée qui se répercute sur les jonctions des tubes. La présente invention a pour objet un dispositif de protection pour échangeur à plaque tubulaire qui, grace à un agencement simple des tubes et de moyens qui leur sont associés au niveau de leurs jonctions avec la plaque, évite ces inconvénients, en procurant une sécurité de fonctionnement considérablement améliorée. A cet effet, le dispositif considéré se caractérise en ce qu'il comporte, pour chaque tube de la plaque, une manchette cylindrique, coaxiale, entourant le tube avec jeu sur une partie de sa longueur et en appui contre la plaque, cette manchette présentant à son extrémité opposée à la plaque une collerette radiale externe, agencée de telle sorte que les collerettes de l'ensemble des manchettes associées au faisceau de tubes s'imbriquent entre elles pour obturer les volumes laissés libres entre les surfaces externes de ces manchettes, les collerettes et la plaque tubulaire. Par l'intermédiaire de leurs collerettes radiales, les manchettes délimitent ainsi entre elles et la plaque tubulaire, des volumes fermés dans lesquels le fluide primaire qui les remplit est pratiquement stagnant, ces volumes étant normalement isolés de l'espace intérieur aux manchettes. Le fluide primaire stagnant dans ces volumes prend dès lors sensiblement la température des tubes, ce qui limite considérablement le gradient thermique au niveau des jonctions soudées entre la plaque et ces tubes. Avantageusement, afin de permettre aussi bien le remplissage des volumes entre les manchettes par le fluide primaire que l'évacuation de ce fluide en cas de vidange de l'échangeur, chaque manchette comporte un passage transversal de faible diamètre constitué par un trou ménagé à travers cette manchette au voisinage de l'extrémité de celle-ci en appui contre la plaque. Les dispositions de réalisation envisagées permettent dès lors une protection efficace des jonctions soudées entre les tubes et la plaque contre les variations brutales de température et les chocs thermiques qui en résultent. De plus, elles permettent aux manchettes entourant -ncqle tube de protéger les tubes voisins vis-à-vis des jets de fluide secondaire se produisant en cas de fuite ou de rupture du tube considéré, notamment au niveau de sa jonction soudée avec la plaque, limitant encore ainsi les effets préjudiciables d'un tel accident.Enfin, la présence des manchettes entourant les tubes avec jeu n'empêche nullement le montage du faisceau de ces tubes dans l'échangeur par empilage de nappes successives, indépendamment de la fixation propre des manchettes, ces dernières étant mises en place en étant d'abord enfilées sur les tubes, puis fixées contre la plaque tubulaire après réalisation de la jonction soudée entre plaque et tube. Dans ce but et selon une caractéristique particulière de l'invention, chaque collerette radiale présente dans sa surface externe un filetage dont le pas permet le vissage mutuel des manchettes les unes par rapport aux autres au fur et à mesure du montage des tubes. De préférence et à son extrémité opposée à la collerette radiale, chaque manchette s'engage dans une gorge annulaire ménagée dans la plaque, le blocage de l'ensemble des manchettes étant réalisé par une ceinture de frettage, entourant les manchettes périphériques du faisceau-de tubes, cette ceinture de frettage comprenant des manchons externes traversés par des goujons filetés coopérant avec des écrous solidarisant la frette et la plaque tubulaire. Enfin et dans un mode de réalisation particulier de l'invention, chaque manchette comporte une paroi tubulaire cylindrique, présentant dans sa surface externe sous sa collerette radiale un redan, délimitant avec les manchettes des tubes voisins du faisceau des logements s'étendant sur une partie de la hauteur de ces manchettes, et correspondant à la majeure partie des volumes de fluide primaire stagnant. D'autres caractéristiques d'un dispositif de protection établi conformément à l'invention apparaftront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel: - La Fig. 1 est une vue en élévation d'une manchette de protection, illustrant à sa partie supérieure une collerette de liaison avec les collerettes des manchettes voisines dans le faisceau de tubes. - La Fig. 2 est une vue en coupe partielle et en élévation d'une plaque tubulaire munie de tubes de circulation comportant des manchettes de protection selon la Fig. 1. Comme on le voit sur ces figures, a référence 1 désigne une plaque tubulaire 1, formant plaque de fermeture d'un carter d'échangeur de chaleur (non représenté) dans lequel se produit un transfert de calories entre un fluide primaire, notamment constitué par du sodium, et un fluide secondaire généralement de l'eau, au moins partiellement vaporisée à la traversée de l'échangeur. Pour isoler le fluide primaire du fluide secondaire, la plaque 1 comporte une série d'orifices de passage 2 à l'extrémité desquels et contre la surface de la plaque dirigée vers l'intérieur de l'échangeur, sont fixées les extrémités des tubes tels que 3, appartenant à un faisceau de tubes parallèles, ces tubes étant parcourus par le fluide secondaire et baignés extérieurement par le fluide primaire.La liaison entre le tube 3 et la plaque 1 est réalisée par tout procédé en lui-même connu au niveau d'une gorge 5, notamment par une soudure ménagée à travers l'orifice 2 dans la surface interne du tube. Pour assurer, conformément à l'invention, une protection thermique convenable des soudures ainsi réalisées, on entoure chacun des tubes 3 précédents d'une manchette de protection 6, coaxiale et présentant un diamètre interne suffisant pour laisser libre, entre la surface externe de ce tube 3 et cette manchette, un jeu 7 dans lequel peut circuler le fluide primaire de l'échangeur. A son extrémité dirigée vers la plaque 1, chacune des manchettes 6 comporte une partie biseautée 8 permettant à cette manchette de venir se positionner dans une gorge annulaire 9 entourant le tube 3 au niveau de l'extrémité de l'orifice 2 correspondant. A son autre extrémité, chaque manchette 6 comprend une collerette radiale 10, en saillie vers l'extérieur, l'ensemble des collerettes ainsi associées au faisceau de tubes étant'destiné à constituer une sorte de chicane parallèle à la plaque tubulaire 1, emprisonnant entre elle, la plaque et les manchettes une quantité convenable de fluide primaire. A cet effet, chaque manchette 6 présente sous sa collerette 10, un redan délimitant avec les parois en regard des manchettes adjacentes appartenant aux tubes voisins dans le faisceau, des volumes 12 où le fluide primaire est pratiquement stagnant.Chacun de ces volumes 12 communique avec un passage annulaire étroit 13 prévu entre les manchettes au niveau de leur extrémité vcisine de la plaque 1; en outre, chaque manchette comporte à son extrémité inférieure un orifice transversal 14, permettant d'assurer le remplissage de ces volume et en cas de nécessité, leur vidange, lors notamment d'un démontage de l'échangeur. Pour réaliser la chicane de fermeture nécessaire, chacune des collerettes 10 présente dans sa surface externe un filetage 11 (Fig.1) réalisé de telle sorte que les différentes collerettes appartenant aux manchettes voisines dans le faisceau des tubes de l'échangeur, s'imbriquent les unes dans les autres par un vissage mutuel , réalisé notamment par l'intermediaire d'une tête 16 assurant la rotation de la manchette sur elle-même et sa fixation sur les manchettes voisines. Le ronvaa2 des turcs de L'échangeur s'enffectue dès lors de la manière suivante: Dans un premier temps, on présente en regard de la plaque tubulaire 1, disposée de préférence verticalement, une premiere nappe de tubes 3, s'étant dant horizontalement. Sur chacun de ces tubes est engagée et montée de manière à pouvoir coulisser librement une manchette 5 ou deux manchettes dans le cas ou les tubes sont prévus pour s'entende entre deux plaques tubulaires parallèles. Les tubes de la nappe considérée sont alors rendus solidaires de la plaque 1 au niveau de ces orifices 2 par des soudures effectuées par l'intérieur de ces orifices dans les aortes de soudante 5. Une fois la nappe de tubes ainsi fitzee et les soudures réalisées convenablement controlées, on met en place les manchettes correspondantes en venant engager leur biseau d'extrémité 3 dans les noras de positionnent 9 entourant les orifices 2 puis on procéde COT'-T2- ci-dessus, au n.ontave d'une seconde nappe de tubes et enfin on réalise la liaison des manchettes des deux nappes en vissant les collerettes externes 10 ae la seconde sur celles de la première par l'intermédiaire de leur tête 16. On procède ensuite et de la même manière pour toutes les nappes de l'echangeur puis, une fois l'ensemble des tubes du faisceau en place, on assure le blocage de l'ensemble au moyen d'une ceinture de frettage externe 17, venant s'appuyer contre un épaulement 18 ménagé dans les manchettes périphériques. Cette ceinture de frettage 17 est rendue solidaire de manchons externes 19, traversés par des goujons 20 liés à la plaque 1, ces goujons comportant une extrémité filetée coopérant avec des écrous de blocage 21 assurant l'immobilisation de la frette et par suite de l'ensemble des manchettes qu'elle entoure, vis-a-vis de cette même plaque. On réalise ainsi un dispositif de protection des jonctions soudées entre les tubes d'un faisceau et une plaque tubulaire dans un échangeur de chaleur, d'une conception et d'une mise en oeuvre particulièrement simples.Les avantages des dispositions envisagées ont déjà été soulignés précédemment. Toutefois, il convient d'ajouter ceux qui résultent de la commodité du montage et du fait que les manchettes de protection sont indépendantes mécaniquement des tubes de circulation euxmêmes, ce qui évite tout effort parasite sur ceux-ci et sur leurs jonctions avec la plaque. Les volumes de fluide primaire stagnant dans les espaces délimités extérieurement par les manchettes uniformisent les températures, en dépit des variations susceptibles de se produire dans l'écoulement du fluide primaire à l'intérieur de ces mêmes manchettes. Enfin, la présence du jeu laisse libre entre les tubes et les manchettes évite tout effet préjudiciable dû à une augmentation de pression dans l'écoulement du fluide primaire, puisque celui-ci peut sans difficulté s'échapper par l'extrémité ouverte de ces manchettes vers l'intérieur de l'échangeur. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 10) Dispositif de protection pour échangeur de chaleur à plaque tubulaire, dans lequel circule un fluide primaire apportant des calories à un fluide secondaire isolé de ce fluide primaire et parcourant à cet effet un faisceau de tubes de circulation, ceux-ci étant rendus solidaires à une au moins de leurs extrémités d'une plaque tubulaire présentant des orifices de passage sur lesquels s'adaptent ces tubes, liés à la plaque au niveau de ces orifices par des jonctions soudées étanches, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque tube de la plaque, une manchette cylindrique, coaxiale, entourant le tube avec jeu sur une partie de sa longueur et en appui contre la plaque, cette manchette présentant à son extrémité opposée à la plaque une collerette radiale externe, agencée de telle sorte que les collerettes de l'ensemble des manchettes associées au faisceau de tubes, s'imbriquent entre elles pour obturer les volumes laissés libres entre les surfaces externes de ces manchettes, les collerettes et la plaque tubulaire 20) Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque manchette comporte un passage transversal de faible diamètre, constitué par un trou ménagé à travers cette manchette au voisinage de l'extrémité de celleci en appui contre la plaque. 30) Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque collerette radiale présente dans sa surface externe un filetage dont le pas permet le vissage mutuel des manchettes les unes par rapport aux autres, au fur et à mesure du montage des tubes. 40) Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'à son extrémité opposée à la collerette radiale, chaque manchette s'engage dans une gorge annulaire ménagée dans la plaque, le blocage de l'ensemble des manchettes étant réalisé par une ceinture de frettage, entourant les manchettes périphériques du faisceau de tubes, cette ceinture de frettage comprenant des manchons externes traversés par des goujons filetés coopérant avec des écrous solidarisant la frette et la plaque tubulaire. 50) Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque manchette comporte une paroi tubulaire cylindrique, présentant dans sa surface externe sous sa collerette radiale un redan, délimitant avec les manchettes des tubes voisins du faisceau des logements s'étendant sur une partie de la hauteur de ces manchettes, et correspondant à la majeure partie des volumes de fluide primaire stagnant.