Brevet FR2252630A1 — publié le 19750620

L'invention concerne une enveloppe d'un revêtement d'étanchéité métallique - en particulier des gaines chaudes des cuves sous pression en béton armé des réacteurs nucléaires - comportant un couvercle aménagé à l'intérieur de la cuve où la paroi, essentiellement cylindrique de la cuve sous pression et, le cas échéant, du couvercle , exposée à un fluide chaud, se compose - vu respectivement dans le sens de la chute de la température dans 11-élément concerné - de la gaine chaude, d'une isolation thermique et dtun deuxième revêtement métallique contigu la gaine extérieure - doté d'un système de refroidissement L'accroissement toujours plus rapide des puissances unitaires des centrales nucléaires laissent, de nos jours apparaltre clairement les limites de l1emploi des cuves sous pression en acier équipant par exemple les réacteurs à refroidissement à eau. Parallèlement aux sérieuses difficultés rencontrées dans les domaines de la fabrication et du transport des grandes cuves à pression en acier, il faut citer les exigences de sécurité supplémentaires nées avec l'évolution des cuves à pression en béton armé destinées aux réacteur s en question . Cette évolution apparait surtout aux réacteurs nucléaires fonctionnant d'après le principe de la vaporisation et qui , parmi les réacteurs refroidis à I'eau légère , présentent les dimensions les plus importantes de la cuve et en particulier les plus grandes dimensions intérieures Aux prototypes de telles cuves à pression en béton armé déjà connus, on tient compte de la sensibilité thermique du béton -déshydratation à des températures supérieures à I00 C, apparition de contraintes forcées dans la paroi- en mettant en place des systèmes spéciaux d'isolation thermique . Un de ces systèmes d'isolation thermique connu fonctionne d'après le principe dit " de la gaine chaude " , c'est à dire que la première gaine , formant un revêtement métallique étanche et non refroi di , est en contact avec le fluide se trouvant dans la cuvé sous pression du réacteur , La face de la gaine , opposée au fluide , est en contact avec une isolation thermique elle-même suivie par une deuxième gaine formant le coffrage et comportant des tubes de refroidissement sur sa face extérieu re ( demande de brevet allemand N" 1 992 634) Compte tenu de la temperature élevée du fluide du réacteur , des contraintes forcées se produisent dans la gaine chaude du fait que celle-ci - normalement de forme cylindrique - ne peut guère se dilater librement dans le sens radial Une extension libre de la gaine chaude dans le sens axial doit être évitée , étant donné que les contraintes ainsi subies par les éléments qui sly trouvent fixés - tuyauterie , entretoises , boulons de fixation - seraient trop importantes .D'autre part, les extensions de la gaine chaude dans le sens axial pourraient provoquer des avaries à l'isolation thermique , ce qui pourrait engendrer , le cas échéant, d'importantes déformations intolérables de la gaine chaude On connait à l'heure actuelle des cuves à pression en béton précontraint ( Demandes de brevets allemands N 1 759 374 et 1 784 625 ) où la dilatation de la paroi intérieure de la cuve , dans le sens axial doit être évitée par un rétrécissement aménagé en dessous de la surface d'appui du couvercle . Ainsi les forces axiales de la gaine sont transmises , par glissement , dans la masse du béton L'inconvénient de ce principe réside dans le fait que le diamètre utile de la cuve se trouve réduit .La cuve doit, de ce fait être plus grande pour pouvoir contenir certaines installations. Par ailleurs, la partie en biseau du rétrécissement provoque la diminution de la hauteur utile de la cuve . La demande de brevet allemand N 2 232 490 présente un autre principe de fixation axiale d'un revêtement métallique étanche non refroidi d'une cuve à pression d'un réacteur nucléaire L'enveloppe , côté couvercle , du revêtement étanche, y est réalisée par un corps de révolution se composant d'une console touchant le revêtement étanche , d'une couronne conique ajustée sur cette console et d'un collet extérieur adapté sur la partie supérieure de la couronne . La couronne , reliée au collet extérieur par des raidisseurs axiaux, est pressée contre le corps en béton de la cuve par les têtes des tendeurs longitudinaux. L'inconvénient de cette enveloppe connue de la gaine provient surtout de son encombrement important dans le sens axial tout comme d'ailleurs dans le sens radial . D'autre part, la console qui constitue l'élément de support et dont le diamètre est relativement important ne comporte pas d'isolation thermique sur son côté donnant vers l'intérieur de la cuve On risque ainsi-de voir des contraintes forcées , anormalement élevées se manifester à l'intérieur de la console, Il incombe à l'invention de créer une enveloppe pour gaine n'exigeant qu'un espace réduit tant dans le sens axial que dans le sens radial. L'enveloppe doit être en mesure de supporter le poids du couvercle et de répercuter les forces de la dilatation thermique entravée et en particulier de la gaine chaude, dans le corps en béton de la cuve à pression. D'autre part , l'enveloppe doit être-réalisée de manière à pouvoir absorber facilement les déformations - provoquées par exemple par la précontrainte de la charge spécifique du corps en béton - et à-etre protégée sérieusement contre l'établissement de contraintes forcées dans son corps propre D'après l'invention, le problème posé est résolu par le fait que la gaine chaude passe dans une couronne en acier doux-, posée de chant, dont la longueur de la zone extrême inférieure constituant le prolongemment de cette gaine chaude est un multiple important de l'épaisseur de la gaine chaude et dont le diamètre, au-dessus de la zone extrême , s 'accroît vers l'extérieur et que , par ailleurs , la couronne en acier doux est reliée, à la hauteur de sa plus grande section transversale , à la gaine extérieure au travers d'une tôle tronconique , alors que sa zone extrême supérieure - dont la section transversale est à nouveau inférieure à la section transversale dans le sècteur de la tôle tronconique - constitue, au moins en partie une paroi métallique cylindrique et que la couronne en acier doux comporte, sur sa face chaude intérieure et au-dessus de la zone extrême inférieure des gradins dépouillés, s'élevant graduellement dans le sens de la chute de la température sur chacun desquels se trouve fixée étanchement une tôle mince cylindrique , posée de chant. Dans le secteur " non perturbé " de la cuve sous pression , les contraintes à la gaine , provoquées principalement par les effets de la chaleur , sont maîtrisées par le fait que sa dilatation dans le sens périphérique se trouve limitée par la forme cylindrique de la cuve et que le débosselage dans cette direction est rendu impossible par la présence des boulons. I1 importe en plus d'absorber , à l'extrémité supérieure de la gaine , les contraintes forcéesagissant dans le sens axial. Ces forces se situent, pour la gaine , dans l'ordre de grandeur de la limite d'allongement. Du fait que ces forces sont des forces spécifiques - à une température de la paroi supposée constante - l'épaisseur respective de la paroi est une donnée importante pour la définition de l'importance de ces contraintes forcées Ainsi, la couronne en acier doux , utilisée comme enveloppe remplit les fonctions d'une gaine . Les forces axiales sont ainsi dirigée s au travers de la tôle tronconique dans la gaine extérieure et dans Ie corps en béton. Par contre et compte tenu du dimensionnement visé, ces contraintes-dans le sens périphérique qui se manifestent à l'intérieur de la couronne en acier doux , ne peuvent guère , sans autre mesure . être réduites à des valeurs acceptables . Le débosselage en particulier ne pourrait pas , à l'instar de ce qui se fait dans les autres zones de la gaine , être évité par le seul effet des boulons étant donné que ceux-ci devraient avoir des dimensions beaucoup plus importantes , ce qui rendrait insuffisant l'espace necessaire à la transmission des forces dans le béton. L'invention part donc du principe que les forces qui se manifestent peuvent être réduites en réduisant leurs causes , c'zest à dire la température . La couronne en acier doux, formant le prolongement supérieur de la gaine chaude , comporte à cet effet , sur sa face exposée au fluide chaud, une isolation thermique composée de tôles minces disposées à faible distance l'une de l'autre Compte tenu de la plus grande résistance thermique de isolation on obtiendra ainsi par ce procédé une chute plus importante de la température entre la surface intérieure de l'isolation et la face , côté béton . de la couronne en acier doux s ce qui fait que la température moyenne de la couronne sera nettement inférieure à celle de la gaine chaude La relation définie ci-dessus , entre les contraintes forcées et l'épaisseur des parois des gaines . est respectée par le fait que la couronne en acier doux, vue de dessous . commençant par une épaisseur identique à celle de la gaine , ne s'épaissit que lentement ( de préférence sous un angle de 60 ) et ce en fonction de l'épaississement graduel de l'isolation Pour les besoins de la cause, la face extérieure de la couronne en acier doux , au-dessus de la tôle tronconique qui limite l'isolation thermique vers le haut , ainsi que la face extérieure de la paroi métallique contiguë sont dotées d'une installation de refroidissement. La couronne en acier donxlainsi que la paroi métalli- que, contige. à la partie supérieure , sont ainsi refroidies directement sur leur face côté béton Dans la conformation de I'objet défini par l'invention et pour supporter le poids du couvercle , la couronne en acier doux comporte, en dessous de la zone extrême supérieure , plusieurs bras en porte-à-faux, répartis sur son périmètre et saillant à l'intérieur de l'espace rempli de fluide. Coté cuve , ces bras en porte-à-faux , en forme de cames , par lesquels le poids du couvercle est posé dans la cuve à pression, peuvent aussi être remplacées par un anneau En vue de la protection thermique de la zone extrême supérieure de la couronne en acier doux et de la paroi métallique contigue les bras en porte-à-faux maintiennent un anneau d'appui qui s'adosse latéralement à cette zone extrême supérieure de la couronne en acier doux et qui est étanchement fixé aux parois frontales inférieures des tôles minces cylindriques posées de chant Dans un mode d'exécution avantageux de l'objet de l'invention, , le raccordement côté cuve entre la tôle tronconique et la gaine extérieure est réalisé par un anneau d'appui qui est relié au corps en béton de la cuve sous pression à l'aide de tourillons fixés sur sa paroi extérieure. De préférence la tôle tronconique est disposée de manière à ce qu'elle évolue sous un angle dtapproximativement 90 par rapport à l'arête extérieure de la couronne en acier doux , qui au dessus de la zone extrême inférieure s'accrolt vers I'extérieur L'objet de lllnvention sera commenté plus amplement ci-après en référence à exemple d'exécution représente dans le dessin . Sur ce dessin: La figure 1 est une coupe longitudinale d'une cuve à pression en béton arme dans la zone du couvercle mobile et la figure 2 montre une coupe longitudinale d'une cuve à pression en béton armé dans la zone de ltenveloppe de la gaine et ce aussi bien l'enveloppe côté cuve que 1 'enveloppe côté couvercle de cette gaine La paroi intérieure Z d'une cuve à pression 1 en béton armé et cylindrique dans ses grandes lignes se compose dans la zone proche du couvercle 3, d'un revêtement métallique étanche 4, appelé gaine chaude d'une deuxième paroi métallique 5, appelée gaine froide et d'une isolation thermique 6 aménagée. entre les deux gaines Un système de refroidissement 7 est fixé sur la gaine extérieure 5 .La gaine chaude 4 et la gaine extérieure 5 sont reliées entre elles à l'aide de boulons cylindriques ( non représentés Le couvercle mobile 3 est également doté latéralement d'une gaine chaude 8 s'adossant à une isolation thermique 9 . La paroi 10 du corps du couvercle , indiquée schématiquement , constitue dans la zone de la gaine chaude 8 et de l'isolation thermique 9, en même temps la gaine extérieure Les forces d'expansion intérieures agissant sur le couvercle 3 sont transmises par la paroi oblique circulaire 11 sur une couche intermédiaire 12 résistant à la pression et maintenant des plaques d'appui 13 pour les piliers pendulaires 14 disposés sur deux i ignes circulaires évoluant l'une en dessous de l'autre . Le mouvement dans le sens axial de ces piliers est dirigé par un carter pivotant 15 . En position déployée chacun des éléments 14 s'appuie contre un palier de butée 1o à surface portante concave - A cet effet , les paliers de butée sont fixés au corps en béton de la cuve à pression 1 au travers de plaques d'appui 17 L'étanchéité de l'interstice entre la cuve à pression 1 et le couvercle 3 crest à dire entre les deux gaines chaudes 4 et 8 est réalisée à l'aide d'un tore I8 en matériau élastique, Côté couvercle ce tore est soudé sur le prolongement supérieur de la gaine chaude 8 .La face extérieure du tore 18 comporte- une bride 19 qui s'appuie à la contreface 20 formée par le prolongement de la gaine chaude 4 La force d'appui nécessaire pour presser les surfaces coniques. 19 et 20 l'une contre l'autre est fournie par plusieurs presses hydrauliques 21 dont le piston 22 s'appuie contre la bride 19. Les presses hydrauliques 21 sont fixées , au travers de leur carter , à la paroi~latérale 23 de la couche intermédiaire 12 résistant à la pression Comme on peut le voir dans la figure 2, la gaine chaude 4 se transforme en une couronne en acier doux 24 poséede chant dont Ia longueur de la partie extrême inférieure 24 formant le prolongement de cette gaine chaude 4 est un multiple de l'eaisseur de cette même gaine chaude 4- La longueur de la section 24' est fonction du rapport entre i pais- seur maximale de la couronne en acier douxc24et.l'épaisseur de la gaine chaude 4. Elle est appelée à réduire les tensions provoquées par le saut de la rigidité des sections transversales successives. La section transversale de la couronne en acier doux 24 s'élargit sur la face extérieure au dessus de la zone extrême inférieure 24' sous un angle déterminé , ce qui provoque la paroi oblique 24". L'angle formé par la paroi extérieure de la section 24' et la paroi 24" est fonction de la valeur des forces qui agissent dans le sens axial à l'intérieur de la gaine chaude 4 et qui, lors de l'échauffement ou du refroidissement du fluide entre les deux gaines 4 et 8 , réagissent sur la section transversale de la zone extrême inférieure 24' Dans la zone de sa plus grande section transversale la couronne en acier doux 24 est reliée à la gaine extérieure 5 par une tôle tronconique 25 et un anneau d'appui 26 . A cet effet, l'anneau d'appui 26 est fixé par des boulons cylindriques 27 dans le corps en béton de la cuve sous pression 1 . Au dessus du point de raccordement entre la couronne en acier doux 24 et l'anneau d'appui 26 la section transversale de l'élément 24' diminue à nouveau pour passer dans la zone extrême supérieure 241 Celle-ci est reliée à une paroi métallique cylindrique 28 qui forme le prolongement de la gaine chaude 4 . La paroi métallique cylindrique 28 est reliée de son côté à la contreface 20 La couronne en acier doux24 comporte sur sa face chaude intérieure , au dessus de la zone extrême inférieure 241 , des gradins dépouillés 29 s'élevant graduellement dans le sens de chute de la température . sur chacun desquels gradins se trouve fixée étanchement une tôle mince 30 cylindrique en matière non corrosive , posée de chant.L'arête extérieure du gradin inférieur ainsi que la tôle 30 correspondante se trouvent dans un alignement avec la paroi , côté fluide chaud, de la gaine chaude 4. Cette disposition, sans risque de rebondissement de l'isolation thermique de la couronne en acier doux 24 > facilite l'enclavage du couvercle mobile 3. En dessous de la zone extrême supérieure Z4"' la couronne en acier doux comporte des. cames 31 qui font saillie dans l'interstice entre les gaines 4 et 8 . Les cames 31 supportent le poids du couvercle 3 lui-meme fixé à des griffes 32 Au dessus des cames 31 se trouve un anneau porteur 33 relié étanchement aux parois frontales inférieures de tôles minces cylindriques 34 posées de chant.La partie la plus à l'intérieur des tôles 34 se trouve en alignement avec la tôle 30 correspondante Compte tenu de la plus haute résistance thermique obtenue par la transmission de la chaleur sur la première tôle 30 resperc- tivement 34 , puis par la transmission de la chaleur de la première tôle sur le fluide se trouvant entre cette première tôle et la tôle suivante etc. -. la température du fluide s'abaisse sensiblement avant d'atteindre la surface extérieure de la couronne en acier doux 24 , ce qui fait que la température voulue sera atteinte à l'intérieur de cette couronne Compte tenu de la faible température qui règne à la surface des tôles , ce fluide , par exemple de la vapeur à 286 C et 71 atm. abs . ( situé sur la courbe des points d'ébullition de l'eau ) se condense en eau en traversant les interstices qui se trouvent entre ces tôles 30 respectivement 34. 1l se forme ainsi entre les différentes tôles une couche d'eau verticale . Pour éviter que ces couches d'eau ne s'écoulent, les parois frontales inférieures des tôles 30 respectivement 34 sont reliées étanchement à leur élément de support. Le fait de doter la couronne en acier doux 24 de plusieurs boulons isolés 31 à la place d'un anneau porteur fermé , présente l'davantage de maintenir dans certaines limites, la chaleur complémentaire pénétrant dans cette couronne 24 D'autre part, les espaces subsistant entre les cames laissent le passage à certains éléments saillant au delà -du diamètre délimité par les griffes t comme par exemple le tourillon de guidage 36 du couvercle, appuyé sur un 3eu de ressort 35 et coulissant transversalement à l'axe longitudinal de ce couvercle La fixation des cames 31 sur la couronne 24 présente l'avantage d'avoir déterminé ainsi un empIacement qui de toute manière présente une structure favorable, en ltoccurrence un renforcement pour l'absorption des forces isolées , ce qui pour le " support du poids du couvercle" a évité la création éventuellement onéreuse d'un point de discontinuité spéci figue. La gaine extérieure 5 tout comme la couronne en acier doux 24 comportent une installation de refroidissement 37 aménagée sur leur face extérieure et au dessus du point de raccordement entre la tôle 25 et la paroi métallique 28 , qui s'y rattache vers le haut. En dessous de l'anneau d'appui 26, plusieurs entretoises 38 relient fixement la gaine chaude 4 et la gaine extérieure 5 entre elles . I1 incombe , comme on sait , à ces entretoises de transmettre dans le corps en béton de la cuve à pression 1, les forces en provenance de la gaine chaude 4 L'enveloppe supérieure de la gaine chaude 8 du cou vercle 3 correspond à l'enveloppe , décrite en détail , de la gaine chaude 4 côté cuve L'enveloppe de la gaine est réalisée également par une couronne en acier doux 39 qui s' appuie contre la gaine extérieure 10 au travers d'une tôle tronconique 40.La gaine extérieure 10 est dotée d'une installation de refroidissement 41 L'isolation thermique de la couronne en acier doux 39 est réalisée à l'aide de tôles anti-corrosives 42 disposées en gradins ainsi que par des tôles 44 fixées sur un anneau d'appui 43 au-dessus du bras en porte-à-faux 39' . A leur extrémité supérieure ces tôles 44 passent dans un anneau d'appui 45 qui s'appuie contre la bride 19 du tore 18 L'intervalle entre l'extrémité supérieure des tôles 34 et l'extrémité supérieure des tôles 44 est obturé par un anneau élastique 46 qui s'appuie sur une surface conique de l'anneau intérieur 34 Bien entendu , l'enveloppe axiale de la gaine telle qu'elle a été décrite peut également s'appliquer à d'autres endroits - auxquels aboutit la gaine chaude - par exemple aux raccordements des extrémités des tubes qui traversent le corps en béton de la cuve à pression 1 et qui aboutissent sur la gaine chaude côté cuve REVENDICATIONS 1 . Enveloppe d'un revêtement d'étanchéité métallique , en particulier de gaines chaudes des cuves sous pression en béton armé des réacteurs nu cléaires , comportant un couvercle aménagé à l'intérieur de la cuve, où Ia paroi essentiellement cylindrique de la cuve sous pression et, le cas échéant, du couvercle se compose , vu respectivement dans le sens de la chute de la température dans l'élément concerné, de la gaine chaude,drune isolation thermique, et d'un deuxième revêtement métallique contigu, c'est à dire la gaine extérieure , doté d'un système de refroidissement , caractérisée par le fait que la gaine chaude (4,8) passe dans une couronne en acier doux (24, 39) posée de chant, dont la longueur de la zone extrême inférieure constituant Ie prolongement de cette gaine chaude est un multiple important de ltépaisseur de la gaine chaude (4, 8 > et dont le diamètre, au dessus de la zone extrême s'accroît vers l'extérieur et que , par ailleurs, la couronne en acier doux (24, 39) est reliée , à la hauteur de sa plus grande section transversale , à la gaine extérieure (5, 10) au travers d'une tôle tronconique (25,40) alors que sa zone extrême supérieure, cLont Ia section transversale est å~nouveau inférieure à ra sectiortransversale dans le secteur de la tôle tronconique (25, 40) , constitue, au moins une partie d'une paroi métallique cylindrique et que la couronne en acier doux (24, 39) comporte sur sa face chaude intérieure et au dessus de la zone extrême inférieure , des gradins dépouilles s'élevant graduellement dans le sens de la chute de la température , sur chacun desquels se trouve fixée étanché ment , une tôle mince cylindrique (30, 42) posée de chant 2 . Enveloppe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la face extérieure de la couronne en acier doux (24, 39) - au dessus de la tôle tronconique (25, 40) qui limite l'isolation thermique (6, 9) vers le haut - ainsi que la face extérieure de la paroi métallique consigne (28) sont dotées d'une installation de refroidissement (37) . 3 . Enveloppe selon l'une des revendications I et 2, caractérisée par le fait que pour supportér le poids du couvercle, la couronne en acier doux (24, 39) comporte plusieurs bras en porte-à-faux (3I, 39') répartis sur son périmètre et saillant à l'intérieur de I'espace rempli de fluide 4 . Enveloppe selon la revendication 3 , caractérisée par le fait que les bras en porte-à-faux (31,39') maintiennent un anneau d'appui(33,43) qui s'adosse latéralement à la zone extreme supérieure de la couronne en acier doux (24, 39) et qui est étanchement fixé aux parois frontales inférieures des tôles minces cylindriques (34, 44) posées de chant 5 . Enveloppe selon l'une quelconque des revendications ci-dessus , caractérisée par le fait que le raccordement , côté cuve j entre la tôle tronconique (25) et la gaine extérieure (5) est réalisé par un anneau d'appui (26) qui est relié au coups en béton de la cuve sous pression 1 à l'aide de tourillons (27) fixés sur sa paroi extérieure 6 . Enveloppe selon l'une quelconque des revendications ci-dessus , caractérisée par le fait que la tôle tronconique (25,40) évolue sous un angle approximatif de 90 par rapport à l'arête extérieure de la couronne en acier doux ( 24, 39) qui, au dessus de la zone extrême inférieure , s'accrort vers irextérieur