Brevet FR2219338A1 — publié le 19740920

La présente invention concerne un dispositif amortis seur mécanique et plus particulièrenzent un dispositif mécanique d'absorption de l'énergie dégagée par un choc, présentant une grande capacité d'absorption sous un faible encombrement. Dans certains domaines particuliers, intéressant les centrales nucléaires par exemple, des absorbeurs à grande capacité, destinés a amortir le fouettement des canalisations de vapeur à haute pression lorsque se produit une rupture accidentelle, sont; constitués de sangles triples,en acier à grand allon- ge:nent,assu#etties à des portiques solidement ancrés dans le sol ou dans les murs.De tels dispositifs dénommés antifouettement sonz aptes à supporter les efforts considérables, qui peuvent appa traître lors d'une rupture de grosses canalisations, laquelle, sans cette précaution, risquerait de détériorer sérieusement les bâtinsents ou les appareils voisins. A titre d'exemple , une canalisation de vapeur à haute pression de 89 cm de diamètre peut aisément développer une énergie de 600 OGO Joules lorsque se produit une rupture et l'on conçoit que des 'dispositifs de grande capacité doivent alors être mis en place en nombre suffisant tout au long du trajet de la canalisation à protéger. L'art antérieur fournissait bien la solution technique du problème posé mais l'encombrement des portiques soutenant les sangles triples restait important et la mise en tension desdites sangles délicate à réaliser. Dans d'autres domaines- que celui de la protection contre lteffet de fouet d'une canalisation qui se rompt, les systèmes d'absorption de chocs ou d'énergie de grande capacité connus, qu'ils soient à ressorts hélicoidaux, à lames, a rondelles élastiques ou autres, présentent tous l'inconvénient d'un encomblement important, souvent difficilement compatible avec leur implantation. L'invention fournit en conséquence Un dispositif méca niqu? 'absorption de chocs ou d'énergie de relativement faible encombrement qui peut être substitué avantageusement aux portiques antifouettement employés dans la pratique et dans la plupart des cas aux autres systèmes d'absorption antérieurs. Le dispositiphelon l'invention comporte essentiellement une -stratification alternée d'éléments minces plans et d'éléments en forme de feuille ondulée de telle sorte que l'ahsorption totale dudit dispositif se trouve etre la somme de la capacite d'absorption de chaque feuille ondulée prise individuellement ajoutée aux frottements importants qui prennent naissance si les sommets d'ondes peuvent glisser contre l'élément plan correspondant. Bien entendu, les paramètres d'adaptation de tels dispositifs sont nombreux si l'on considère toutes les variantes d'application pouvant intervenir notamment en ce qui concerne la nature des matériaux et leur état de surface, les dimensions des ondulations, l' épaisseur et le nombre des feuilles ondulées, les surfaces intéressées ainsi que l'arrangement possible des différents modules d'ondulations . De même la conformation des dispositifs envisagés peut être extrêmeinent variée et mettre en oeuvre des surfaces planes, cylindriques ou coniques, de telle sorte que la forme de réalisation qui est décrite dans la suite du texte, n'est pas exclusive d'autres variantes mais seulement représentative d'une possibilité d'application de/cite invention parmi de nombreuses autres possibilités. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre indicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure i est une vue en coupe schématique d'un dispositif de l'art antérieur; la figure 2 est une vue analogue d'un dispositif suivant l'invention, la figure 3 est une vue à plus grande échelle du dispositif de la figure 2; les figures 4 à 12 sont des vues de détail d'éprouvettes d'essai; la figure 13 est un diagramme comparatif de deux dispositifs suivant-l'invention avec et sans blocage des rives; la figure 14 est une vue frontale explicative d'un élément absorbeur à rives libres en relation avec le graphique de la figure 13; la figure 15 est une vue analogue lorsque les rives sont bloquées la figure 16 est un diagramme représentatif de la loi d'écrasement d'un absorbeur à cinq couches à rives bloquées;; la figure 17 est une vue analogue à celle des figures 14 et 15 correspondant au graphique de la figure 16; la figure 18 est un graphique récapitulatif. On voit, sur la figure 1, un dispositif suivant l'art antérieur comprenant un portique 1 solidement ancré en 2 dans le sol et auquel une conduite sous pression 3 est amarrée de façon élastique par des sangles d'acier 4 précontraintes au moyen de raidisseurs sur un manchon tubulaire auxiliaire 5. En cas d'accident sur la canalisation, l'énergie brutalement libérée et transmise à la conduite est dissipée par celle nécessairé à la déformation des sangles, ce qui maintien; la conduite en place et Llempêcbe. de fouetter en endommageant les installations voisines. Mais ce dispositif connu est très encombrant et l'invention fournit en perfectionnement avantageux un manchon 6 représenté sur la figure de principe 2, qui ceinture la conduite 3 et est maintenu en place par un support 7 solidement fixé au sol par des vis d'ancrage 8. La figure 3 montre le détail d'une forme de réalisation suivant laquelle une conduite 9 est gainée par un manchon amortisseur désigné dans son ensemble par 10, capable d'absorber l'énergie développée brusquement en-cas de rupture de la canalisation sous pression. On voit que ce manchon iO comprend essentiellement un certain nombre de couches alternées d'éléments ondulés il et d'éléments cylindriques 12. En particulier les éléments ondulés il peuvent être du type de ceux de la marque NORsiAL/B 30 déposée par la Demanderesse, de hauteur d'ondulation "h" (voir figure i49 égale à 3,7mm, l'épaisseur des feuilles ondulées étant dé O,mm et celle des éléments cylindriques de 1 mma 30 couches alternées étant introduites entre deux tubes intérieur et extérieur 13 et 14 de 5 mm d'épaisseur, le diamètre extérieur "D" étant de 1480 mm, la canalisation 9 coaxiale à protéger présentant un diamètre extérieur "d" de 800 mm. En variante, le manchon 10 de la figure 3 peut également être obtenu par enroulement en spirale de 30 spires d'un ensemble alterné du couple feuille mince, feuille ondulée. Pour caractériser la capacité d'absorption d'un dispositif d'absorption d'énergie à stratification d'éléments alternés plans et ondulés, la Demanderesse a procédé à différents essais d'écrasement. On voit, sur les figures 4 et 5, un élément ondulé 14, dont le profil est par exemple celui du profil standard de la marque NORSIAL déposée par la Demanderesse, disposé entre deux plateaux 15 et 16 dont on peut mesurer l'effort d'écrasement sous une force dans la direction de la flèche fi à une vitesse de rapprochement par exemple de 4 mm par minute. En se reportant aux paramètres de la figure analogue 14, si l'on donne à un élément ondulé 14 les valeurs suivantes h = 3,7 mm, 2 p = 6 mm, Q = 600, pour une surface de 24 cm, et sur un acier inoxydable Z~10 C N 18-8 à l'état brut écroui; présentant une résistance à la rupture de 110 kg/mm2 etteuille de 0,15 mm d'épaisseur, on trouve une capacité d'absorption de 1880 daN/mm, c'est-à-dire de 1,88 kgm ou en unités légales SI de 18,8 Joules lorsque les rives sont libres. Sur les figures 6, 7 et 15, l'essai est conduit de façon que les rives soient bloquées latéralement par les parois 17 du logement de la feuille ondulée 18. Dans ce cas, avec la mAme éprouvette l'énergie absorbée par L'écrasement'est de 2570 daN/mm ou 25,7 Joules, c'est-à-dire accrue dans la proportion de 37 #. Le même essai effectué sur un m#me type de feuille ondulée en acier inoxydable Z 10 ON 18-8, mais à l'état 2 écroui tel que la résistance d la rupture soit de 140 kg/mm , fait apparattre une capacité d'absorption de 3370 daN/mm ou 33,7 Joules, c'est-à-dire augmentée de 30 %. Si l'épaisseur de la feuille n'est que de 0,10 mm, l1éner- gie absorbée par l'écrasement n'est que de 13 Joules, c'est-à dire de 60 yó plus faible. Lvs diagrammes respectivement 19, 20 et 21, avec l'effort d'écrasement en ordonnée et la course en abscisse rendent compte sur la figure 13 de ces trois essais élémentaires de base, la surface hachurée étant représentative du travail absorbé. Sur les figures 8 à 11, on voit ce qui se passe lorsqu'au lieu d'une feuille ondulée on écrase un empilement de plusieurs stratifications alternées d'une feuille ondulée et d'une feuille plane. Dans le cas, par exemple, de l'essai à rives bloquées de la figure 17, pour une surface au sol de 24 cm et pour un empilement de 5 couches d'un m#me type de feuilles ondulées, on déve- loppe un travail d'écrasement de 217 Joules, mesuré sur la surface hachurée de la courbe 307 supérieur de 48,5 Joules au produit par 5 du travail absorbé comme on l'a vu précédemment par une couche unique 5 x 33,7 = 16825 = 217 - 48,5. Il existe donc dans ce genre d'écrasement un facteur multiplicateur d'efficacité de rendement qui est ici de 217 5 - 1,3. Cet accroissement d'efficacité s'explique par 168,5 L'énergie absorbée par la déformation des feuilles planes inter médiaires. La figure 12 montre à titre de variante une stratification à couches multiples et à déplacement programmé par empilement d'ondulés 26, 27, 28, 29 de modules différents. Sur le graphique de; la figure 18 on retrouve les résul- tats de certains de ces essais : les courbes 22 et 23 donnent respectivement pour une couche élémentaire en fonction de la résistance de 11 acier ou de l'épaisseur de la feuille ondulée, l'énergie. absorbée par l'écrasement (échelle de gauche) et la courbe 24 l'énergie absorbée en fonction du nombre de couches pour une épaisseur de 0,1 mm (échelle de droite) ; la courbe 25 donne l'énergie absorbée (échelle de droite) par l'écrasement dans le cas d'une feuille d'épaisseur 0,15 mm en fonction du 2 nombre de couches, dans tous les cas pour une surface de 24 cm - L'influence de l'épaisseur e sur l'énergie absorbée se traduit par un rapport d'accroissement d'énergie absorbée de 2,6 pour un rapport d'accroissement d'épaisseur de 1,5. épaisseur : énergie absorbée (en (en Joules) 0,1 : 13 rapport = 0,15 : 33,7 2,6 - L'influence de la résistance mécanique se traduit par un rapport d'accroissement d'énergie de 1,3 pour un rapport d'accroisement de la résistance de 1,25 Résistance : Energie absorbée en kg/mm2 ; (en Joules) 110 25,7 Rapport = 140 : 33,7 1,3 - L'influence de l'accroissement du nombre de couches se traduit pour 5 couches par un rapport de 6,5 pour une épaisseur de la feuille ondulée e = i5/îoo mm et un rapport 8,7 pour i0/i00 mn. 'Nombre- de- couches Energie absorbée pour une épaisseur : ( en Juules) de 15/100 mm rapport = 6,5 1 : 33,7 rapport 5 . 217 d'efficaci é 6,5 =1,3 5 Nombre de couches / Energie absorbée pour une épaisseur en Joules) rapport = 8,7 de 10/100 mm Rapport 1 13 d'efficacité 5 / 113 8,7 = 1,7 5. Revenant à la forme de réalisation industrielle préférée de l'invention pour empêcher les grosses canalisations de vapeur de 80 cm de diamètre de fouetter, on peut démontrer qu'un manchon de longueur 100 cm et de diamètre moyen de 120 cm avec 30 couches de profil ondulé dtépaiseeur 30/100 mm suivant l'in- vention est capable d'absorber une énergie de fouettement de 500 tonnes sur 200 mm de course, soit 600 OOC Joules. En effet en première approximation chacune des 25 couches doit dissiper environ 6. 105 = 20,10 5 Joules 39 30 En développant la surface du manchon on trouve appro 2 ximativement au total 400 x 120 a 6 36 000 cm , dont on retient seulement une surface utile de 5500 cm2, d'où par cm2 : 20.10# cm2 5500 = 3,63 Joules par à dissiper. Si l'on se reporte à la courbe 23 de la figure 18 représentative de l'essai sur une éprouvette élémentaire à une seule ondulation de 24 cm2 on trouve précisément en regard du point A 87 Joules ffi 24 x 3,63 il n'est pas tenu compte de l'énergie absorbée par la déformation des feuilles cylindriques non ondulées qui est considérée comme un facteur de sécurité On peut airsi réduire Itencombrement du dispositif de l'invention de la figure 2 par rapport à celui antérieur de la figure 1 puisque, pour une même énergie absorbée, le rayon extérieur Ri du dispositif à sangle est de 115 cm alors que le rayon R2 du support 7 est seulement de 85 cm. Il va de soi que la présente invention a été décrite cidessus à titre d'exemple purement indicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra introduire toute équivalence dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 - Dispositif mécanique pour dissiper de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de couches alternées composées d'une feuille métallique ondulée et d'une feuille métallique intercalaire enveloppant l'enceinte où se manifeste l'énergie mécanique à absorber. 2 - Dispositif mécanique pour absorber l'énergie de fouettement a 'une canalisation de fluide sous pression caractérisé en ce qu'il comprend un manchon de plusieurs couches concentriques alternées d'un élément ondulé et d'un élément cylindrique, le diamètre intérieur du manchon étant supérieur au diamètre extérieur de la canalisation et le manchon étant fourré entre un support tubulaire extérieur et un support tubulaire intérieur. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les couches alternativement ondulées et planes sont enroulées en spirale. 4 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les rives de la couche ondulée sont libres. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les rives de la couche ondulée sont bloquées par rapport à la couche plane. 6 - Manchon antifouettement comprenant un dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur des ondulations est de 3,7 mm, le pas d'onde de 6 mm, l'angle de pliage de 600, l'épaisseur de la feuille de 0,3 mmy la nature du matériau l'acier inoxydable Z 10 ON 18/8 écroui tel que la résistance#àlarupture est de 140kg/nwi2 et que 1#8paisseur de l'élément plan en Scier est de 1 mm, des supports tubulaires en aoier d'dpaisseur 5 acil garnissant inté-" rieurement et extérieurement le manchon. 7 - Manchon suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend 39 couches alternées et est capable d'absorber par écrasement une énergie totale de 600 000 Joules. 8 - Dispositif mécanique d'absorpticn de chocs ou d'e'ner;le selon la revendication il caractérisé en ce qus l'em- pilement des éléments plans et ondulés présente une allure courbe ou tubulaire. 9 - Dispositif mécanique d'absorption de chocs ou d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module des ondulations des éléments ondulés est variable d'une couche à l'autre.