Brevet FR2292534A1 — publié le 19760625

L'invention se rapporte à un procédé de fixation étan- che à la pression de tubes rectilignes entre deux plaques d'assemblage, en particulier pour la réalisaticn d'échangeurs de chaleur, procédé suivant lequel les tubes sont introduits avev jeu dans des trous des plaques d'assemblage, puis leurs arêtes extrêmes sont fixées,en particulier soudées, à chaque plaque avant que leurs extrémités ne soit é'argles par un liquide SOU pression de manière à etre serrées contre les plaques. Un procédé connu de réalisation d'échangeurs de chaleur à l'aide de tubes rectilignes reliant deux plaques d'assemblage consiste à introduire les tubes avec jeu dans des trous des places, puis è élargir leurs extrémités par roulage au niveau des plaques en les appliquant contre la surface des trous afin qu'elles soient fixées de manière étanche à la pression. Ce procédé, connu depuis plusieurs décennies, de fixation de tubes pa roulage dans des plaques d'assemblage a l'inconvénient que ce roulage non seulement exige un temps relativement long, mais risque de détériorer le tube à sa zone de transition entre a partie fixée dans la plaque et sa partie libre.Toute- fois, dans la construction d'échangeurs de chaleur de très grande qualité tels qu'utilisés par exemple dans les centrales nucléaires, il faut que les tu'oe soient aussi plaqués de manière certaine sans jeu contre I plaque dTassemblage même dans la zone mentionnée de transition et sans surcharge de la matière des tubes. Un procédé conn@ destiné à éviter l'inconvénient mentionné du serrage de tubes dans des plaques d'assemblage par roulage consiste à élargir à l'aide d'un liquide sous pression les tubes introduits avec jeu dans les trous des plaques d'as assemblage, ce procédé comprenant l'introduction dans les exzrerrités des tube d'une sonde dont le diamètre extérieur est légèrement i-nférieur au diamètre intérieur du tube devant être élargi.Un liquide sou@ pression introduit dans la zone ainsi délimitée et dont les extrémités sont fermées par des garnitures d'étanchéité élargit le tube au niveall des plaques d'assemblage en le terrant contre la sunface intérieure des trous. L'arête extrême du tube devant être élargi est préalablement fixée à la plaque correspondante d'assemblage afin que ce tube ne se déplace pas dans cette dernière pendant le processus hydraulique d'élargissement. Cette fixation consiste de préférence en un soudage de la périphérie totale de l'arête extreme du tube sur la plaque d'assemblage, ce mode de fixation assurant accessoirement l'étanchéité. Alors que le serrage hydraulique des deux extrémités de tubes en étrier dans la même plaque d?assemblage ne soulève aucune difficulté, le processus hydraulique d'élargissement destiné à la fixation de tubes rectilignes entre deux plaques d'assemblage crée des efforts de traction sur la longueur totale des tubes, car ceux-ci subissent une traction dans le trou des plaques d'assemblage lors de l'élargissement.Ces tensions dues à la traction peuvent atteindre une valeur élevée inadmissible lors de la mise en service de l'échangeur de chaleur, car cette mise en service crée des efforts supplémentaires de traction dans les tubes par rapport à l'état dans lequel ceux-ci se trouvent lorsqu'ils ne sont pas sous charge, ces efforts supplémen- taires étant fonction des rapports de pression sous lesquels 11 échangeur de chaleur fonctionne. Les tubes des échangeurs de chaleurs doivent être le plus possible sous compression de manière à éviter la corrosion par criques dues à la traction. L' invention a pour objet un procédé de fixation de manière étanche à la pression de tubes rectilignes entre deux plaques d'assemblage, procédé suivant lequel les efforts de trac tien que l'élargissement hydraulique des extrémités crée dans les tubes peuvent etre éliminés au moins partiellel!,ent de manière réglée a3 in de permettre d'éviter avec sécurité les tensions inadmissibles da?ls les tubes et dans les plaques d'assemblage après mise en service. L'invention a donc pour objet nn procédé de fixation, ae mcnîère étanche a la pression,de tubes rectilignes entre deux plaques tubulaires, procédé de type connu suivant lequel les tubes sont introduits avec jeu dans des trous des plaques d'assemblage et l@ur arête extrême est fixée, en particulier soudée, à la plaque cerrespendant avant élargis@@ment hydraulique et serrage de leurs extrémités contre les plaques d'assemblage; selon une particularité essentielle du procédé de l'invention, chaque tube subit accessoirement un roulage dans sa zone élargie à l'intérieur d'au moins une plaque d'assemblage. Ce roulage complémentaire de chaque tube permet non seulement d'éliminer les tensions dues à la traction et créées lors de l'élargissement hydraulique, mais il permet de plus de prédéterminer les tensions régnant dans les tubes lorsque l'échangeur de chaleur est en service, car ce roulage complémentaire de chaque tube dans la zone élargie hydrauliquement crée dans ce tube des efforts de compression qui modifient les tensions dans la totalité du tube. lies tensions créées dans les tubes à la mise en service pouvant être calculées, l'adoption des tensions régnant avant la mise en service permet de prédéterminer les tensions qui règnent dans les tubes lors de la mise en service. A cet effet et selon une autre particularité avantageuse de l'invention, le tube peut ne subir le roulage que sur une partie de la longueur de la zone dans laquelle il a subi l'élargissement par voie hydraulique. lit importance des tensions dues à la compression et imposées au tube lors du processus complémentaire de roulage étant fonction non seulement de la longueur axiale du tronçon ayant subi accessoirement le roulage par rapport à la longueur totale du tronçon de tube ayant subi l'élargissement par voie hydraulique, mais aussi de l'intensité et du type du processus de roulage, ces facteurs sont adoptés conformément à l'invention en fonction des tensions régnant dans le tube ayant subi l'élar- gissement hydraulique et compte tenu des efforts que le tube subit en service. lie procédé selon l'invention de fixation de manière étanche à la pression de tubes rectilignes dans deux plaques d'assemblage permet non seulement de serrer simplement et sans risque les extrémités des tubes dans ces plaques, mais de plus de pyrédéterminer exactement les tensions régnant dans les tubes en service. Il est préférable de soustraire une partie du tube située dar le prolongement du joint de soudure à l'élargissement hydraulique et au roulage complémentaire de manière à éviter les conséquences que ces opérations pourraient avoir sur le joint de soudure des aretes extrêmes du tube. L'invention concerne par ailleurs un dispositif de fixation de tubes de métal dans les trous de plaques d'assemblage, en particulier pour la réalisation d'échangeurs de chaleur, ce dispositif comprenant une sonde cylindrique disposée concentriquement à l'intérieur du tube en laissant subsister un interstice annulaire pendant le processus de fixation, cette sonde comportant un canal débouchant dans cet interstice annulaire et permettant 11 arrivée du liquide sous pression dans ce dernier. Ce dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention doit permettre l'élargissement réglé des tubes à l'aide d'un liquide sous pression élevée de manière que ceuxci soient reliés de manière fiable et surtout étroite et uniforme à la surface concentrique des trous des plaques. Selon une particularité essentielle du dispositif de l'invention, la sonde comporte entre deux tronçons extremes cylindriques se logeant avec jeu dans le tube un tronçon central dont la longueur correspond approximativement à celle sur laquelle le tube doit être élargi, une bague d'étanchéité de matière élastique et à grande résistance est fixée à chaque extrémité du tronçon médian en étant arrêtée de manière à ne pas pouvoir se déplacer parallèlement à l'axe, le diamètre extérieur de chaque bague d'étanchéité étant légèrement supérieur au diamètre interne du tube, et le canal d'arrivée de la sonde est relié à une source de liquide sous pression, ce liquide destiné à élargir le tube étant dirigé dans l'interstice annulaire compris entre le tronçon médian de la sonde et la surface intérieure du tube. L'un des avantages essentiels du dispositif selon l'invention est que la sonde convenablement dimensionnée et dont les joints d'étanchéité sont convenablement positionnés permet de déterminer exactement la longueur de la zone d'élargissement du tube, par exemple en fonction de l'épaisseur de la plaque d'asseblae. Un autre avantage est que les joints d'étancitéité peuvent aussi être placés légèrement à l'extérieur des surfaces des plaques dtassemblage, de manière que l'élargissement du tube puisse se prolonger jusqu'à l'extrémité du trou de la plaque. Bien que, jusqu'à présent, les spécialistes aient estimé qu'il n'était pas possible d'utiliser un liquide sous pression en raison des pressions élevées que doiVent en principe subir les joints d'étanchéité délimitant l'espace renfermant le fluide sous pression, ltexpérience a montré de manière surprenante que malgré les pressions extrêmement élevées qui ont été utilisées, par exemple de 4500 bars dans l'exemple numérique décrit plus bas, les joints d'étanchéité n'ont laissé passer aucune fuite. La pression devant être appliquée est fonction du diamètre et de l'épaisseur du tube ainsi que de l'élargissement voulu. tes joints d'étanchéité sont de préférence en matière plastique usuelle, par exemple en polyéthylène. lie dispositif de l'invention a par ailleurs l'avant ge de permettre la fixation simultanée d'un grand nombre de tubes dans une plaque d'assemblage par la mise en oeuvre d'une tête à plusieurs sondes parallèles introduites simultanément dans un nombre correspondant d'extrémités de tubes et recevant le liquide sous pression d'une source Commune. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un tube dont chaque extrémité est introduite dans un trou d'une plaque tubulaire et dont les aretes extrêmes sont soudées à ces plaques la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1 et illustre l'élargissement des extrémités du tube par voie hydraulique la figure 3 est une coupe analogue illustrant le roulage complémentaire d'une partie de la longueur de la zone du tube élargie par voie hydrau ] .ique la figura 4 est une coupe longitudinale du tube dé fini-tivcrl rt fixé par le procédé de 1,1 invention dans les deux embige > ; la figure 5 est une coupe axiale schématique de la partie d'un tube devant être fixée dans un trou d'une plaque d'as- semblage et dans laquelle une sonde est introduite ; et la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 5 et en représente une variante de réalisation. La fixation de tubes rectilignes entre deux plaques d'assemblage sera décrite pour un urique tube 2. tes extrémités de ce dernier sont introduites dans les trous la de deux plaques d'assemblage 1. tes plaques 1 -sont placées à distance et sont parallèles. te diamètre extérieur du tube 2 est plus petit que le diamètre intérieur des trous la, de sorte que le tube peut être introduit sans difficulté dans les deux plaques 1. lies deux arêtes extremes du tube 2 sont fixées par un cordon de soudure 3 à chaque plaque tubulaire correspondante 1 de la manière représentée sur la figure 1. te cordon de soudure 3 non seulement fixe le tube 2 sur chaque plaque 1, mais assure également l'étanchéité. Une sonde 4 est ensuite introduite dans l'extrémité du tube 2 située à l'intérieur de la plaque d'assemblage 1, de la manière représentée sur la figure 2 te diamètre extérieur de la sonde 4 est plus petit que le diamètre intérieur du tube 2 non élargi. Il subsiste ainsi un interstice annulaire fermé par des joints d'étanchéité 5 et 6 disposés sur la sonde 4. Un liquide sous pression est introduit dans cet interstice annulaire par un canal d'arrivée 4a de la sonde 4. La montée en pression, qui peut atteindre plusieurs milliers de bars, dans l'interstice annulaire élargit le tube 2 par voie hydraulique en provoquant le serrage de sa surface extérieure contre la surface intérieure du trou la. lies deux plaques d'assemblage 1 étant à une distance prédéterminée, des tensions dues à une traction apparaissent dans la totalité du tube 2 lors de l1élargîssement de ses extroeItés, ces tensions se prolongeant sur la longueur totale du tube. Ces tensions s'expliquent par le fait que le tube subit un étirage lors de ?t élarg-sseaent dans les trous 1a des plaques lors de l'élargissement dans les trous la des plaques d'assembla d'assembla- g 1. Ce@ fforts de traction se prolongent donc sur la lonrueur tetaTo du tube. lies extrémités des tubes ne sont pas élargies jusqu'à proximité immédiate des cordons de soudure 3,afin d'éviter les effets néfastes que ces efforts peuvent avoir sur les zones ex tremes du tube 2 qui font suite à ces cordons de soudure 3, de la manière représentée sur la figure 2. Les extrémités du tube ainsi élargies par voie hydraulique subissent un roulage complémentaire au moyen d'un cylindre 7 à l'intérieur des plaques d'assemblage 1, cé roulage étant destiné à éliminer au moins partiellement les tensions de traction créées dans le tube 2 par cet élargissement hydraulique. Ce roulage,qui ne peut avoirlieu qu'à l'intérieur d'une plaque d'assemblage 1 et que sur une partie du tronçon extrême de tube élargi par voie hydraulique,crée dans la totalité de ce dernier des tensions orientées en sens inverse. Ces modifications de tension sont dues au refoulement de la matière du tube 2 hors de la plaque d'assemblage sous l'effet du roulage complémentaire. L'arête extrême du tube 2 étant fixée à la plaque t, les tensions sont réorientées de la manière voulue sur la longueur totale du tube. L'importance de cette tension est fonction du type et de l'intensité du roulage ainsi que de la longueur de la zone ayant subi accessoirement ce roulage. La zone ayant subi l'élargissement par voie hydraulique porte la référence 8 et la zone ayant subi le roulage complémentaire porte la référence 9 sur la figure 4. te choix convenable de la longueur de la zone 9 par rapport à celle de la zone 8 permet de régler à volonté les tensions régnant dans le tube 2 à la fin d'un roulage déterminé. Lorsque le tube 2 doit être le plus possible sous compression afin d'éviter la corrosion due aux criques provoquées par une traction, le roulage et le rapport des longueurs des zones 8 et 9 se règlent d'une part en fonction des tensions de traction créées par l'élargissement hydraulique dans le tube 2 et d'autre part, en fonction des contraintes apparaissant à la mise en service de l'échangeur de chaleur. Ces contraintes créées à la mise en service sont fonction du type de balayage de lXéchan- geur de c}Z.lleur et des différences de température.Ces conditions étant connues et les contraintes qui en résultent pour le tube étant calculables, le processus complémentaire de roulage du tube 2 peut créer des tensions qui peuvent avoir pour conséquence un état optimal de contrainte à l'intérieur du tube 2 après adjonction des contraintes apparaissant à la mise en service. lies figures 5 et 6 illustrent une sonde 16 en position de travail et un tube 13 ayant été élargi. L'élargissement du tube 13 est montré avec une certaine exagération de manière à bien en indiquer la déformation. La plaque d'assemblage 11 comporte un trou 12 par lequel le tube 13 qui doit lui être relié est inséré de manière telle qu'il-arrive à fleur de sa surface extérieur. La sonde 16 est introduite par le c8té extérieur de la plaque d'assemblage dans l'extrémité du tube 13 et placée de manière qu'un joint d'étanchéité intérieur 14 dépasse légèrement la surface intérieure de la plaque 11, de la manière représentée sur le dessin. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, un joint d'étanchéité extérieur 15 occupe alors à l'intérieur de la plaque 11 une position telle qutun tronçon extrême du tube 3 ne subisse pas l'élargissement. Cet élargissement du tube 13,qui ne se prolonge pas sur l'épaisseur totale de la plaque 11 dans cet exemple de réalisation, est calculé de manière à soustraire l'extrémité extérieure du tube aux tensions qui peuvent apparaître à la transition entre la partie élargie et la partie non élargie du tube afin d'éliminer les effets qui peuvent en résulter sur le soudage de L'arête extrOme du tube et de la plaque Il auquel il a été procédé avant l'élargissement. lie soudage du tube 13 à la plaque d'assemblage 11 est destiné non pas à contribuer à la fixation, mais a uniquement pour but d'assure une étanchéité complémentaI- re entre le tube et la plaque pour des raisons de sécurité qui se sont avérées nécessaires dans certaines applications des échangeurs de chaleur. La sonde 16 se compose essentiellement d'un tronçon cylindrique médian 17 et de deux tronçons extrêmes concentriques 1 8 également cylindrIques et par lesque ] s cette sonde peut péné trer avec jeu dans le tube 13. L'extrémité antérieure fermée de la sonde 16 forme une pointe tronconique 19 de guidage. Une gorge 20 située aux transitions du tronçon médian 17 aux tronçons extérieurs 18 est destinée au logement des joints élastiques d'étanchéité 14 et 15. Un canal axial 21 d'entrée par ] 1 extrémité extérieure dans la sonde 16 se prolonge jusque dans le tronçon médian 17 et se raccorde à un trou radial 22 de la cloison de ce tronçon. lie canal axial 21 est raccordé par un conduit 24 à une source 23 de liquide sous pression. le diamètre du tronçon médian 17 de la sonde 16 est de quelques dixièmes de millimètre inférieur au diamètre de ses tronçons extrêmes 18. Les joints d'étanchéité 14 et 15 en matière élastique usuelle, par exemple en polyéthylène, peuvent facilement être légèrement étirés pour etre placés sur la sonde et logés dans les gorges 20. Après introduction de la sonde 16 dans l'extrémité du tube et sa mise en place à la position axiale voulue, le li aide sous pression est introduit dans 17 interstice annulaire entourant le tronçon médian 17 de la sonde 16 et cette pression est élevée jusqu'à la valeur nécessaire. Lorsque la valeur maxi inhale prescrite a été atteinte, la pression est éliminée dans l'interstice annulaire et la sonde 16 est extraite du tube 13 Exomple numérique Diamètre extérieur du tube 22 mm Diamètre intérieur du tube 16,4 rem Matériau "Incoloy 800" Epaisseur de la plaque d'assemblage 300 mm Matière de la plaque dassemblagc 10 Cr o 910 Largeur de l'interstice annulaire 0,4 mm Pression d 'éloeigissemcnt 4500 bars. La figure 6 illustre une variarlte de réalisation de la fixation d'un tube 13a dans une plaque d'assemblage 11a. Dans cet exemple, c trcu dc la plaque comporte des élargissements 25 qui se succèdent dans la direction de l'axe. Lors de l'élargis pe@@ du tube 13a, sa par@@ pénètre dans les élargis@@@ents 25 et les remplit. Ainsi, la résistance à l?arrachement, c'est-àdire les force nécessaires à extraire un tube fixé de la plaque d'assemblage sont accrues. Il va de soi que le procédé et le dispositif décrits et représentés peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de 12 invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation étanche à la pression de tubes rectilignes entre deux plaques d'assemblage, en particulier pour la réalisation d'échangeurs de chaleur, procédé consistant à introduire les tubes avec jeu dans des trous de ces plaques et à fixer chacune de leurs arêtes extrêmes à la plaque correspondante, en particulier par soudage, avant de procéder à l'élargie sement des extrémités du tube et à leur serrage contre la plaque d'assemblage au moyen d'un liquide sous pression, ledit procédé dotant caractérisé en ce que chaque tube subit accessoirement un roulage dans sa zone élargie à l'intérieur d'au moins une plaque d'assemblage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube ne subit le roulage que sur une partie de la longueur de sa zone élargie par voie hydraulique. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 prises ensemble, caractérisé en ce que la longueur, dans le sens axial, de la zone ayant subi un roulage complémentaire et l'intensité de ce roulage sont adoptées en fonction des tensions régnant dans le tube élargi par voie hydraulique et compte tenu des tensions ou contraintes que ce tube doit subir en service. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce qu'une partie des extrémités du tube qui fait suite au joint de soudure est soustraite à ltélargisse- ment hydraulique etr, au roulage complémentaire. 5. Dispositif de fixation de tubes dans des trous de plaques d'assemblage au moyen d'une sonde cylindrique qui est disposée pendant la fixation concentriquement à l'intérieur du tube en laissant subsister un interstice annulaire et qui comporte un canal d'arrivée du liquide sous pression qui débouche dans cet interstice, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la sonde comprend,entre deux tronçons extrêmes cylindriques se logeant avec jeu dans le tube, un tronçon médian dont la longueur correspond approximativement à celle sur laquelle le tube doit titre élar joint d'étanchéité en matière élastique à grande résistance mécanique est disposé à chaque extrémité dudit tronçon médian et retenu de manière qu'il soit empêché de se déplacer axialement, le diamètre extérieur de ces joints d'étanchéité étant légèrement supérieur au diamètre intérieur du tube et le canal d'arrivée de la sonde est relié à une source de liquide sous pression de- tiné à élargir le tube et donc à être introduit dans 11 interstice annulaire compris entre le tronçon médian de cette sonde et la surface intérieure du tube. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sonde comporte à chaque extrémité de son tronçon médian une gorge de logement d'un joint d'étanchéité. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance séparant le bord interne des gorges de logement des joints -d'étanchéité est légèrement supérieure à ltépaisseur de la plaque d'assemblage. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lorsque la sonde est à la position à laquelle elle doit procéder à 11 élargissement, le joint d'étanchéité situé du c8té intérieur de la plaque d'assemblage est situé légèrement audelà de la surface de cette plaque, tandis que le joint d'étanchéité situé sur le c8té extérieur se trouve à 12 intérieur de la plaque d'assemblage. 9. Dispositif selon ltune quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le diamètre du tronçon médian de la sonde est plus petit que celui de ses tronçons extrêmes cylindriques. 10. Dispositif selon ltune quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la sonde comporte à lSextré- mité antérieure une pointe tronconique. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que les joints d'étanchéité sont toriques. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que les joints d'étanchéité sont en matière plastique, par exemple en polyéthylène ou en caoutchouc synthétique. 13. Dispositif don l'une quelconque des revendica tions 5 à 12, caractérisé en ce que la sonde comporte un canal axial dont l'orifice se trouve à l'extrémité extérieure et qui se prolonge jusque dans le tronçon médian, ce canal se raccordant à au moins un trou radial de la cloison de ce tronçon médian.