Brevet FR2329911A1 — publié le 19770527

La présente invention concerne les appareils à haute pression, notamment les procédés d'accroissement de la résistance des récipients à haute pression L'invention peut être appliquée avec une efficacité maximale pour la création des appareils à haute pression utilisés par exemple dans les industries chimique et pétrochimique, pour les processus de production des matériaux synthétiques, pour les investigations géologiques. On connut un procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression par augmentation de son épaisseur de paroi Toutefois, l'augmentation de l'épaisseur de paroi d'un récipient à haute pression entraîne l'augmentation de son poids, complique les opérations de fabrication et de transport du récipient. La résistance des récipients à haute pression est aussi augmentée en employant des matériaux plus réSiStant9. Toutefois, les procédés indiqués n'assurent pas l'augmentation de la résistance des récipients nécessaires pour une augmentation considérable des pressions de service (jusqu'à 5000-7000 kg/cm) et des températures (jusqu'à 500 600 C) ou de leur encombrement (diamètre de 4,0 à 5,0 m) par suite de la valeur limitée de la résistance des matériaux aux charges qui sont engendrées. La réalisation de récipients à haute pression susceptibles de satisfaire aux paramètres venant d'strie indiqués, est liée à de grandes complications technologiques et requiert la construction d'ateliers spéciaux, la création de puissants appareils de manutention, de dispositifs de montage coûteux. Le certificat d'auteur d'invention ne 280325 délivré en URSS a pour obJet un procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression par établissement dans sa paroi d'un courant électrique dont l'intensité est choisie en fonction de la pression produite par le fluide - à l'intérieur du récipient. Quand le courant électrique circule dans la paroi d'un récipient cylindrique à haute pression, il apparat autour du récipient un champ magnétique circulaire qui engendre des forces de compression dirigées vers l'intérieur du récipient et compensant l'action de la pression intérieure. L'application du procédé indiqué permet de réduire notablement l'épaisseur de paroi du récipient à haute pression, ainsi qued'abaisser les prescriptions relatives au matériau du récipient en ce qui concerne ses caractéristiques de résistance mécanique, comparativement aux autres procédés connus. On peut faire circuler dans la paroi du récipient un courant électrique impulsionnel, en augmentant ainsi la force de compression agissant sur la paroi du récipient. La paroi du récipient à haute pression peut être entourée d'une matière à haute permeabilitd magnétique. Gracie à cette mattere, quand le courant électrique circule dans la paroi du récipient, les forces de compression dirigées vers l'intérieur du récipient et compensant l'action de la pression intérieure, augmentent de quelques dizaines ou centaines de fois, selon les dimension-s du récipient et l'intensité du courant électrique. Toutefois, les forces de compression apparaissant lorsqu'un courant électrique circule dans la paroi cylindrique d'un récipient à haute pression, n'agissent elle dans la direction radiale. Or le récipient à haute pression est sollicité non seulement par des efforts radiaux, mais aussi par des efforts axiaux qui, dans le procédé connu, ne sont pas compensés. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est donc proposé de créer un procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression, quiprmettrait de compenser les efforts axiaux et radiaux apparaissant dans le récipient par suite de l'action de la pression intérieure, d'utiliser pour la fabrication du récipient des matériau n'ayant que des caractéristiques mécaniques peu enlevées et de réaliser le récipient avec une épaisseur de paroi bien plus petite que celle nécessaire dans le cas d'application des procédés connus analogues. La solution consiste en un procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression, ledit procédé étant caractérisé, d'après l'invention, en ce Q' On fait circuler un courant électrique dans le couvercle et le fond du récipient. La circulation dudit courant fait apparaStre autour du couvercle et du fond des champs magnétiques circulaires qui enserrent le couvercle et le fond de forme bombée et y engendrent des forces de compression axiales et radiales dirigées vers l1intérieur du récipient, ce qui permet de compenser entièrement la pression intérieure agissant dans le récipient. Le meme effet se produit aussi sur les couvercles et les fonds plats, car sous l'action de la pression intérieure du récipient à haute pression ils se déforment en prenant un faible bombé. Il est avantageux d'entourer tout le récipient à haute pression d'une matière à haute perméabilité magnétique. Ceci permet d'augr:enter considérablement le diamètre du récipient à haute pression sans augmentation de la consommation d'énergie électrique, ou bien de diminuer la consommation d'énergie électrique pour un diamètre donné du récipient, comparativement aux prou dés similaires connus d'accroissement de la résistance des récipients à haute pression. Il est souhaitable que le courant circule dans le couvercle et dans le fond du récipient à haute pression dans le meAme sens. Dans ce cas, du fait de l'attraction mutuelle des conducteurs (couvercle et fond) parcourus par des courants de même sens, on obtient un accroissement notable des forces de compression compensant l'action des efforts axiaux qui apparaissent dans le récipient à haute pression sous l'action de la pression intérieure. Il est avantageux que le courant cirevlant dans le récipient y soit partout impulsionnel. Ceci accroît l'effet de compensation des efforts axiaux apparaissant dans le récipient à haute pression sous l'action de la pression intérieure. Pour une meilleure comprarension de l'invention, des exemples non limitatifs de réalisation de celle-ci sont décrits dans ce qui suit avec référence au dessin unique annexé représentant schématiquement les directions des forces élFctromagnétiques. On fait circuler dans la paroi 1, le couvercle 2 et le -onå 3 d'un récipient à haute pression un courant électrique. La paroi 1 du récipient à haute pression, dans laquelle circule le courant électrique, peut être considérée comme un nombre infini de conducteurs parallèles parcourus par des courants. Quand deux conducteurs parallèles sont parcourus par des courants de même sens, ils sont attirés l'un vers l'autre, ce qui est le phénomène, bien connu en électrotechnique, d'interaction de deux conducteurs parallèles parcourus par des courants de même sens. De ce fait, il apparat dans la paroi 1 du récipient à haute pression des forces de compression dirigées vers l'intérieur du récipient. Les forces de compression apparaissant dans la paroi 1 du récipient lorsquVlle est parcourue par un courant électrique et agissant perpendiculairement à la direction du courant, s'opposent à l'extension de la paroi 1 sous l'action de la pression intérieure, c'est-à-dire que les forces de compression libèrent partiellement ou complètement la paroi 1 du récipient de l'action de la pression intérieure dans la direction radiale. Des raisonnements analogues peuvent être faits pour le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression. Quand un courant électrique circule dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression, des champs magnétiques engendrés par le courant apparaissent autour deux Par suite de l'interaction des courants électriques circulant dans le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression avec leurs champs magnétique s, en tous points du couvercle et du fond apparaissent des forces électro mamnetiques Q, représentées sur le dessin, qui sont perpendiculaires aux couvercle 2 et au fond 3 respectivement. Les directions et les sens des forces Q se déterminent d'après la règle des trois doigtsde la main gauche, bien connue en électrotechnique. La force Q est toujours dirigée vers l'intérieur du récipient perpendiculairement à la surface du couvercle 2 ou du fond 3 dans lesquels circule le courant électrique. Si l'on décompose la force Q en deux composantes: une composante axiale qh et une composante radiale qr, les valeurs des forces qh et qr en chaque point dépendent de la forme du couvercle 2 et du fond 3 du récipient à haute pression. Les forces qh du couvercle 2 et du fond 3 sont des forces de compression qui s'opposent à l'extension du récipient à haute pression dans la direction axiale. Le courant électrique peut entre amené soit à partir d'une seule source d'énergie électrique soit à partir de plusieurs (batteries de condensateurs, dynamos, transformateurs avec redresseurs, etc.) par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs barres aboutissant à des frettes soudées sur le corps du récipient à haute pression. Pour les gros récipients, le courant électrique peut entre fourni par plusieurs sources de courant afin d' obtenir une distribution du courant plus uniforme dans toute la section de la paroi 1, du couvercle 2 et du fond 3 du récipient, ainsi qu'en vue de diminuer l'inductance de la ligne d'alimentation dans le cas où le courant électrique est impulsionnel.Pour assurer une exploitation permanente fiable des récipients, on peut prévoir une alimentation de secours, par exemple à partir d'accumulateurs ou par doublage de l'alimentation. Si-le courant électrique est impulsionnel, il faut que la ligne ait une inductance aussi faible que possible, ce qui permet de réduire la capacité des batteries de condensateurs. Le système d'enclenchement, dans le cas de circulation d'un courant électrique impulsionnel, est choisi de façon qu'il assure la décharge simultanée des condensateurs à travées la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient. Pour créer les forces de compression nécessaires à la compensation de la pression du fluide dans le récipient, il faut des courants de grande intensité. Par exemple, dans le cas d'exploitation d'un récipient à haute pression par le procédé proposé, si le diametre intérieur est de 4 m et la pression de 200 kg/cm2, il faut 150 sources d'énergie électrique susceptibles de créer chacune dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient une intensité de courant de 105A. Pour l'exploitation d'un récipient dont le diamètre intérieur est de 1,0 m et la pression de 10 000 kg/cm2, il suffit d'avoir 300 sources d'énergie-électrique créant chacune dans la paroi, le couvercle et le fond du récipient une intensité de courant de 105A. L'énergie thermique se dégageant lors du passage du courant dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression peut entre évacuée par un agent de refroidissement et récupérée ensuite. Afin de diminuer l'intensité de courant nécessaire pour obtenir les forces ds compression voulues, il convient d'entourer la paroi 1; le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression d'une matière à haute perméabilité magnétique, par exemple de fer recuit sous forme de plaques, de fils. Dans ce cas, l'intensité de courant nécessaire diminue de &num; fois, jA étant la perméabilité magnétique. Toutefois, il convient de tenir compte du fait que la perméabilité magnétique diminue quand l'intensité du champ magnétique croît auprès de la surfaee-extérieure de la paroi 1, du couvercle 2 et du fond 3 du récipient à haute pression. L'intensité du champ magnétique augmente quand l'intensité de courant augmente et elle diminue quand le diamètre du récipient augmente. En conséquence, la présence d'une matière à haute perméabilité magnétique autour du récipient à haute pression est d'une efficacité maximale pour les récipients de grand diamètre. Par exemple, pour des pressions de 100 à 200 kg/cm2, le plus avantageux est de construire des récipients de 50 à 00 m de diamètre Pour l'exploitation d'un récipient de 20,0 m de diamètre sous une pression de 20,0 kg/cm, il suffit d'avoir 100 sources énergie électrique, créant chacune dans la paroi I du récipient une intensité de courant de 105A. La consommation d'énergie électrique s'élèvera approximativeent, d--ns ce cas, à 3000-5000 kw. De tels récipients peuvent être utilisés pour stocker divers produits chimiques (ammoniac, etc...). Pour l'exploitation d'un récipient de 100 à 200 m e diamètre sous une pression de 20G kg/cm, il suffit d'avoir 100 sources d'énergie électrique, créant chacune dans la paroi 1 du récipient une intensité de courant de 105A. la consommation d'énergie électrique sera approximativement, dans ce cas, de 0.000 kW. De tels récipients peuvent être utilisés pour créer des complexes d'unités à haute pression destinés à la synthèse de l'ammoniac, au craquage hydraulique du pétrole, ainsi qu'à d'autres fabrications. L'énergie thermique qui se dégagé peut être utilisée a des fins technologiques. Dans le cas de création de récipients avec mise en oeuvre du procédé proposé, l'épaisseur de paroi est choisie en partant de considérations technologiques et constitue 5 à 10 mm ou plus. Dans le cas a utilisation de récipients de diamètre relativement réduit (moins de 10,0m) et pour des pressions supérieures à 100 kg/cm2, on n entoure pas le récipient d'une matière à forte perméabilité magnétique. Mais, pour engendrer de grandes forces de compression dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient, il faut alors y faire circuler des courants de très grande intensité, de l'ordre de i06 ampères. Ceci implique l'utilisation de puissantes sources de courant électrique avec un système de refroidissement compliqué et puissant,cequiet injustifié pour l'exploitation des petits récipients ; les intensités des courants mis en oeuvre sont limitées et, par conséquent, les valeurs des pressions intérieures admissibles sont elles aussi limlitees. Pour au;ienter l'intensité des courants circulant dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute pression, et par conséquent, obtenir une aurlentation des forces de compression engendrées dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient, ainsi que des pression intérieures admissibles, on fait circuler le courant électrique à travers le récipient par impulsions séparées. Les impulsions de courant électrique peuvent être obtenues, par exemple, en déchargeant dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient une batterie de condensateurs. La durée d'une impulsion est de l'ordre de 10-3 à 10-5 s. Dans ce cas, il apparaît dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient des forces de compression de courte durée, s'opposant à la pression du fluide dans le récipient. La pression admissible du fluide dans le récipient dépend de l'intensité du courant, laquelle dépend à son tour de la capacité de la batterie de condensateurs. En augmentant la capacité de la batterie de condensateurs on peut augelenter la pression admissible du fluide dans le récipient. La fréquence nécessaire des décharges est déterminée par la durée de la charge de la batterie de condensateurs, laquelle dépend de la puissance du dispositif chargeur. Avec mise en oeuvre d'un courant impulsionnel dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3, on peut réaliser des récipients pour diverses pressions et de différents diamètres. Pour un récipient à pression intérieure ae 5000 à 6000 kg/cm2 et de diamètre intérieur de 200 à 300 inai, il faut une batterie de condensateur: constituée par 120 condensateurs de 0,5J1F chacun, la tension sur chaque condensateur étant de 30 000 volts. Si les impulsions se suivent avec des intervalles de I minute, il faut une puissance proche de 30 kW ; si les impulsions se suivent à des intervalles de 1 seconde et de 1/10 de seconde, il faut approximativement une puissance de 2000 et de 20 000 km respectivement. De tels récipients peuvent être utilisés dans la fabrication du polyéthylène ainsi qu'à des fins de recherches en chimie, physique et géologie. Le courant peut aussi circuler par impulsions séparées dans la paroi, le couvercle et le fond du récipient à haute pression quand ce récipient est entouré d'un matériau à haute perméabilité magnétique. Ce matériau permet d'abaisser notablement la puissance de la source d'énergie électrique dans le cas où il est admissible d'engendrer dea efforts de compression dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient en impulsions répétées courtes, c'est-à-dire quand la haute pression intérieure agit en impulsions courtes. Par exemple, pour créer un récipient de 100 à 200 m de diamètre à impulsions de pression de 200 kgiom2, il faut une batterie de 100 à 150 condensateurs d'une capacité de 0,5 J4B, à tension de 3000 V, ou bien un nombre plus petit de condensataurs ayant chacun une capacité plus grande. Pour produire des impulsions avec des intervalles de 1 minute, il faut une puissance de 50 à 100 kw. le tels récipients peuvent être utilisés pour les essais de divers gros appareils sous des pressions extérieures (bathyscaphes et~autres). Dans toutes les variantes de réalisation de récipients avec mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'invention, le courant électrique circulant dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 des récipients à haute pression peut être en même temps utilisé pour chauffer la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient, ainsi que le fluide se trouvant dans le récipient. Si le courant électrique mis en oeuvre e-st impulsionnel et si la quantité d'énergie thermique dégagée est insuffivante, on peut faire simultanément circuler dans la paroi 1, le couvercle 2 et le fond 3 du récipient à haute-pression, pendant l'exploitation du récipient, un courant électrique continu qui assurera le chauffage nécessaire de tout le récipient et du fluide. Par exemple, un tel chauffage est nécesaaire pour un réacteur servant à la fabrication du polyéthylène. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.En particulier, elle comprend tous les moyens constituants-des équivalents techniques des moyens decrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient . haute pression à 'aile de camps magnétiques créés par circulation de courant électrique, caractérisé en ce que l'on fait circuler le courant électrique dans le couvercle et dans le fond du récipient. ^. procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient haute pression elon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on entoure le couvercle et le fond du récipient d'une matière à haute perméabilité magnétique. 3. Procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression selon l'une des revendications 1 et 2, cSractérise e ce te l1on fait circuler dans le couvercle et le fond du récipient des courants électriques de meqe sens. 4. Procédé d'accroissement de la résistance d'un récipient à haute pression selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'on fait circuler dans le couvercle et le fond du récipient un courant électrique impulsionnel. 5. Les récipients devant travailler sous des pressions très élevées, caractérisés en ce que leur résistance mécanique est accrue conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 4.