Brevet FR2345243A1 — publié le 19771021

L'invention concerne un procédé et un appareil de fixation d'un manchon tubulaire coaxialement dans un conduit de fluide. Il existe divers types de réalisations dans lesquels des conduits de fluide sont eux-m#mes entourés de fluide. Tel est le cas, par exemple, d'un échangeur de chaleur à tubes et enveloppe, dans lequel un conduit contient un premier fluide et est entouré d'un second fluide, de manière qu'un échange de chaleur se produise entre ces deux fluides. De tels conduits peuvent présenter de temps à autre des fuites dues à une rupture de leur paroi et résulter d'imperfections initiales ou de détérioration causées au conduit pendant son fonctionnement. Une telle fuite permet la mise en contact-des deux fluides, ce qui n'est pas toujours tolérable. Tel est notamment le cas de deux fluides qui réagissent violemment l'un avec l'autre ou d'un premier fluide communiquant une propriété indésirable au second fluide lorsqu'il est mis en contact avec lui.Un exemple de ce dernier problème concerne les échangeurs de chaleur produisant de la vapeur d'eau et associés,au circuit d'alimentation en eau sous pression des réacteurs nucléaires, dans lesquels les fluides sont soumis à des pressions sensiblement différentes et/ou, de plus, l'un des fluides est radioactif, alors que autre ne l'est pas. Pour ces raisons, il est nécessaire d'éviter des communications importantes et continues entre les deux fluides par la fuite d'un tube. Lorsqutil est possible d'accéder aisément aux conduits, diverses techniques peuvent être mises en oeuvre pour réparer directement le conduit rompu ou pour mettre en place un manchon ou un obturateur dans le conduit, afin dtarreter la fuite ou d'isoler totalement le conduit dSune source de fluide. Cependant, dans certaines installations telles qu'un échangeur de chaleur pour centrale nucléaire, il peut etre difficile, pour des raisons de manque d'accessibilité ou de danger biologique, d'effectuer de telles réparations. Dans ces cas, des techniques ont été mises au point pour obturer les conduits à distance et, par conséquent, pour les retirer totalement du service. La fixation d'obturateurs dans les extrémités des tubes peut s'effectuer par roulage, explosion, expansion et/ou soudage.Le roulage et le soudage sont des techniques relativement difficiles lorsqu'elles sont mises en oeuvre à distance, alors que l'expansion par explosion est apparue comme le moyen le plus sûr d'obturer des tubes à distance. Un inconvénient grave résultant de l'obturation des deux extrémités des tubes d'échangeur de chaleur est que le nombre de tubes obturés augmente progressivement et que, par conséquent, la capacité du générateur de vapeur diminue peu à peu. L'obturation provoque la mise hors service de la totalité d'un tube alors que la fuite ne se produit que dans une petite zone localisée de ce tube. Des essais ont porté sur la mise en place d'un manchon dans le tube afin d'isoler le tronçon touché de ce dernier et d'arrêter ainsi la fuite. Des travaux antérieurs portant sur l'installation d'un tel manchon ont concerné principalement l'obtention d'un joint absolument étanche par brasage, soudage à l'arc, soudage par explosion, ou par tout autre moyen.Toutes ces techniques de liaison métallurgique soulèvent des problèmes ne pouvant étre résolus immédiatement, sauf dans des conditions de laboratoire contrtlées très étroitement, en raison de la nécessité de respecter des critères de propreté, d'ajustements étroits, d'application de chaleur et de contrôle d'atmosphère. L'invention concerne un procédé de fixation à distance d'un manchon tubulaire, coaxialement dans un conduit à l'aide d'un appareil relativement simple. Contrairement aux procédés connus, le procédé selon ltinvention permet d'obtenir un joint mécanique, c'est-à-dire un joint réalisant un blocage positif. Le manchon tubulaire est d'abord introduit dans une extrémité ouverte du conduit et amené à la position souhaitée à l'intérieur de ce conduit. Une force orientée radialement vers 12 extérieur est ensuite appliquée à 1 intérieur du manchon, sur un tronçon axial choisi de ce dernier.L'amplitude de cette force est suffisante pour provoquer une expansion du tronçon du manchon auquel elle est appliquée et son entrée en contact avec la paroi interne du conduit. Cette expansion est prolongée de manière prédéterminée afin de se transmettre au conduit entourant le manchon et de réaliser ainsi le joint mécanique souhaité. Un avantage important du procédé selon l'invention est qu'il permet la réparation d'un tube métallique dont un tronçon de paroi est détérioré. Un manchon métallique est choisi de manière que sa longueur soit supérieure à la dimension axiale du tronçon de paroi détérioré. Ce manchon est introduit dans le tube de manière qu'il dépasse de chaque cEté du tronçon détérioré. Un joint mécanique est ensuite réalisé à chaque extrémité du manchon et des parties du tube encadrant le tronçon détérioré. Le manchon isole ainsi ce dernier de l'écoulement se produisant dans le tube et il augmente sensiblement la résistance axiale dudit tube dans cette partie. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel la figure î est une coupe axiale d'un manchon tubulaire fixé dans un conduit de fluide par la mise en oeuvre du procédé et de Appareil selon l'invention la figure 2 est une coupe axiale partielle et schématique d'un appareil hydraulique selon l'invention, destiné à appliquer une force orientée radialement vers l'extérieur sur un tronçon de la paroi interne du manchon et d'un tube ; et la figure 3 est une coupe axiale partielle d'une variante mécanique de l'appareil selon l'invention, destinée à exécuter la même fonction que l'appareil représenté sur la figure 2 en appliquant une force de compression sur une pièce en élastomère. La figure 1 représente un manchon 10 introduit dans un conduit 12 de-fluide, dont la paroi extérieure présente une zone 14 de dégradation. Cette figure montre le manchon tubulaire selon l'invention, dont le joint représenté sur le c#té droit est à un stade intermédiaire de réalisation, alors que le joint représenté sur le ctté gauche est fixé dans le tube par application d'une pression radiale sur la paroi interne du manchon. Jes figures 2 et 3 représentent deux formes de réalisation de ltappa- reil selon l'invention permettant l'application à distance au manchon de la pression interne nécessaire pour provoquer une dilatation de ce manchon et du tube vers l'extérieur et pour former ainsi un joint mécanique. Le#procédé de fixation du manchon 10 de réparation dans le tube 12 sera décrit plus en détail en regard de la fi gure 1. Le diamètre extérieur du manchon de réparation est sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tube à réparer, de manière que ce manchon puisse être aisément introduit dans ce tube et déplacé axialement le long de ce dernier vers une position souhaitée, dans laquelle les extrémités dudit manchon sont situées de part et d'autre de la zone dégradée qu'il est souhaité d'isoler du fluide stécoylant dans le conduit.Comme mentionné précédemment, une observation attentive de la figure 1 montre que le joint 16 de l'extrémité de droite est à une phase intermédiaire de la fixation du manchon dans le tube, correspondant à l'arrivée en contact dudit manchon par dilatation avec la paroi interne du tube, cette paroi interne n'étant cependant pas elle-meme dilatée pour former le joint mécanique 18 représenté à l'extrémité de gauche sur la figure 1. Après que le manchon a été placé dans la position souhaitée à l'intérieur du tube, un dispositif convenable est mis en oeuvre pour appliquer à l'intérieur du manchon tubulaire une force orientée radialement vers ltextérieur, d'abord à une extrémité du manchon, puis à son autre extrémité. Cette force provoque une dilatation radiale amenant d'abord le manchon en contact avec la paroi interne du tube, puis se transmettant ellemême à ce tube pour réaliser un embottement mécanique. Le manchon et le tube présentant des constantes d'élasticité à peu près équivalentes et, par conséquent, le tube extérieur subissant la m#me déformation que le manchon, un léger jeu peut apparattre entre ce dernier et le tube à. l'emplacement du joint.Par conséquent, ce joint ne réalise pas l'étanchéité absolue, mais il limite la fuite à un très faible débit estimé à moins de 100 cm3 par minute. Le manchon présente une grande résistance mécanique dans la direction axiale, s'opposant à toute rupture du tube dans la zone dégradée dans le cas où la paroi de ce tube se détériore totalement. Dans une application pratique, un tube en alliage du type "Inconel 600", d'un diamètre extérieur de 19 mm et d'une épaisseur de par#oi de 1,22 mm, communément utilisé dans les générateurs de vapeur d'eau de centrale nucléaire, reçoit un manchon de 16 mm de diamètre extérieur et de 0,8 mm d'épaisseur de paroi, également réalisé en alliage du type "Inconel 600". La longueur de ce manchon est choisie de manière qu'il dépasse de part et d'autre de la zone détériorée, sur une distance demandée pour compenser tout manque de précision dans le positionnement axial. Une pression interne est ensuite appliquée sur un tronçon limité d'une extrémité dyianchon, de manière à dilater ce dernier et le tube pour former le joint mécanique souhaité. Des pressions manométriques internes de 980 à 1050 bars sont nécessaires pour obtenir la dilatation souhaitée du tube et du manchon décrits ci-dessus et comme indiqué plus en détail ci-après avec la description de l'appareil permettant l'application de la pression radiale nécessaire. La figure 2 représente l'appareil hydraulique 20 selon l'invention, destiné à appliquer la force orientée radialement vers l'extérieur et nécessaire à la réalisation du joint par dilatation. L'appareil est représenté dans une position proche d'une extrémité d'un manchon 10 qui a été introduit dans la position axiale souhaitée à l'intérieur du tube 12. Cet appareil comprend un mandrin central 22 qui comporte une butée fixe 24 et une butée mobile 26. La butée fixe 24 constitue un tronçon élargi radialement du mandrin et dimensionné pour s'embotter étroitement à l'intérieur du manchon 10. La butée mobile 26 comprend un anneau dont le diamètre extérieur est égal à celui de la butée fixe et dont le diamètre intérieur permet au mandrin de coulisser étroitement dans cet anneau.L'extrémitédu mandrin pénétrant dans le manchon porte un écrou 28 qui est vissé sur un filetage 30 du mandrin et qui permet de régler, dans certaines limites, la position axiale de la butée mobile 26 par rapport au mandrin 22. La butée fixe, la butée mobile, le tronçon 32 du mandrin compris entre ces butées; et la paroi interne 34 du manchon 10 délimitent une chambre annulaire 36 qui communique avec l'intérieur du manchon.Deux joints opposés 38 à gorge,en forme de "U", entourent le mandrin à l'intérieur de la chambre 36 et portent par leur surface annulaire plate 40 contre la butée fixe et la butée mobile, alors que leur face présentant une selon tion droite en U est orientée vers la chambre annulaire.Ces joints 38 constituent les organes principaux d'étanchéité au fluide hydraulique et leur efficacité augmente avec la pression, c'est-à-dire que l'augmentation de la pression interne provoque un accroissement de l'effet d'étanchéité. Le mandrin présente un canal axial central 40 destiné au passage dtuQtluide hydraulique et aboutissant, à l'intérieur dudit mandrin, à proximité de la chambre annulaire 36. Un second canal 42 relie à peu près perpendiculairement ltextrémité du premier canal à la chambre annulaire 36 en traversant la paroi du mandrin et en faisant ainsi communiquer le premier canal hydraulique avec cette chambre.Un raccord hydraulique convenable 44, situé à lSextrémité du mandrin, est relié à un tube 46 par lequel un fluide hydraulique convenable est transporté d'une source S vers le mandrin par une pompe volumétrique 48. Un dispositif 50 de commande règle l'introduction d'un volume fixe et prédéterminé de fluide hydraulique après l'application d'une pression initiale de réglage, de#maniè- re à déterminer le diamètre maximal de dilatation du joint. A titre d'exemple, dans le cas du tube de 19 mm de diamètre extérieur et du manchon de 16 mm de diamètre extérieur décrits cidessus, la pression nécessaire à une dilatation plastique du manchon pour l'amener en contact avec la paroi interne du tube du générateur de vapeur d'eau est de 420 à 490 bars, en valeur manométrique.Pendant l'application du volume fixe de fluide hydraulique, la pression est ensuite augmentée et portée à une valeur manométrique de pointe de 980 à 1050 bars, afin de dilater le manchon et le tube pour leur donner la forme finale. Dans l'exemple mentionné ci-dessus, lorsque la zone de dilatation a une longueur de 25 mm, l'apport d'un volume final de 1 cm3 permet d'obtenir une dilatation à un diamètre final du tube extérieur de 0,635 + 0,125 mm. Pour obtenir une bonne étanchéité à la surface extérieure 52 des joints à gorge, la paroi intérieur 34 du manchon 10 présente une surface lisse, dont la rugosité statistique moyenne est généralement de 0,4 micromètre ou plus, cette valeur suffisant à l'obtention d'une bonne étanchéité sous l'application de la pression hydraulique. Il est également apparu que pour empêcher toute détérioration des joints pendant l'assemblage, il est souhaitable d'introduire du plomb dans les chambres et un lu brifiant étanche pour faciliter l'assemblage. La figure 3 représente une variante de appareil selon l'invention, à savoir un appareil 54 à dilatation mécanique qui comporte un tampon annulaire 56 en élastomère, monté de manière à pouvoir s'expanser à ltintérieur du manchon 10 pour dilater ce dernier et le tube et former ainsi entre eux le joint mécanique souhaité. Cet appareil comprend un mandrin allongé 58 qui présente une extrémité filetée 60 sur laquelle est monté un écrou 62 de réglage de la position axiale d'une butée mobile 64. Cette dernière comprend un anneau dont le diamètre interne et le diamètre externe sont'très proches, respectivement, du diamètre extérieur du mandrin 58 et du diamètre de la paroi interne 34 du manchon 10.Une butée fixe 66 analogue à la butée mobile, est montée sur le mandrin 58, à une certaine distance axiale de la butée mobile 64, de manière à délimiter une chambre annulaire logeant le tampon annulaire 56 en élastomère. La butée fixe 66 est maintenue dans la position souhaitée à ltin- térieur du manchon 10 par un tube allongé 68 de réaction qui lui-même est maintenu en position fixe par un dispositif monté à l'extérieur du tube et non représenté. Le tube de-rection présente une lumière centrale 70 dans laquelle le mandrin peut passer.Lorsque l'ensemble du mandrin est introduit dans lten- semble à manchon et tube et placé dans la position souhaitée, comme représenté sur la figure 3, un vérin hydraulique ou tout autre dispositif mécanique (non représenté), mais dont l'action est représentée par la flèche 72, est mis en oeuvre pour exercer une traction sur le mandrin et déplacer à force la butée mobile ou le piston 64 et le mandrin vers la butée fixe ou le piston 66. Ce mouvement axial provoque une augmentation de la pression exercée sur le tampon 56 en élastomère qui, ainsi comprimé, présente un comportement analogue à celui d'un fluide en exer çant une pression uniforme, orientée vers L'extérieur, sur le manchon et le tube. Le mouvement axial possible du mandrin et, par conséquent, la dilatation totale du tampon 56 en élastomère sont limités à une valeur prédéterminée par une butée mécanique comprenant un tronçon 74 de diamètre agrandi du mandrin. Ce tronçon délimite un épaulement annulaire qui porte contre une butée rigide 76 constituée par un second épaulement annulaire présenté par le tube fixe 68 de réaction. Dans le cas du tube de 19 mm de diamètre extérieur et du manchon de 16 mm de diamètre extérieur décrits précédemment, un mandrin 58 ayant un diamètre de 7,95 mm a été mis en oeuvre avec un tampon d'uréthanne d'un diamètre intérieur de 7,95 mm et d'un diamètre extérieur de 14,3 mm de manière à stemboUter dans le manchon.Une matière con- venant au tampon est un uréthanne moulé, par exemple du type produit par la firme Acushnet Co., sous la marque "Elastocast Urethane" Lorsqu'unie telle matière est utilisée, des forces axiales, indiquées par la flèche 72, -d'environ 13 350 N sont nécessaires pour obtenir sur le tampon d'élastomère une pression de déformation de 1050 bars. Les jeux diamétraux entre les butées ou pistons 64 et 66 et la paroi interne 34 du manchon et le mandrin sont de l'ordre de 0,025 mm de manière à empocher toute extrusion de l'élastomèré sous les hautes pressions obtenues. Il est évident que deux ou plusieurs chambres hydrauliques ou organes de dilatation en élastomère peuvent etre mis en oeuvre sur un même mandrin, de manière à pouvoir réaliser plus d'un joint par dilatation en une seule opération. Bien que de telles formes de réalisation ne soient pas représentées ni décrites en détail, il est évident qu'elles entrent dans le cadre de l'invention. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent étre apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS f. Procédé de fixation d'un manchon tubulaire coaxial dans un conduit de fluide, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le manchon dans une extrémité ouverte du conduit et à le-placer dans une position axiale souhaitée par rapport au conduit, et à appliquer de l'intérieur du manchon une force orientée radialement vers l'extérieur, sur un tronçon axial choisi de ce manchon et sous une amplitude suffisante pour provoquer une dilatation dudit tronçon du manchon et son entrée en contact avecla paroi interne du conduit, cette dilatation étant prolongée de manière à atteindre une amplitude prédéterminée et à se transmettre au conduit afin de réaliser un joint mécanique par emboftement ou un joint à blocage positif entre le manchon et le conduit. 2. Procédé selon la revendication 1, destiné notamment à la réparation d'un tube métallique dont un tronçon de paroi est détérioré, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un manchon métallique tubulaire ouvert à ses extrémités et ayant une longueur supérieure à la dimension axiale du tronçon de paroi détérioré, à placer ce manchon dans un emplacement tel que ses extrémités s'étendent axialement au-delà dudit tronçon détérioré, et à provoquer la dilatation du manchon à proximité desdites extrémités, cette dilatation étant appliquée simultanément aux deux extrémités ou à l'une ies extrémités puis à l'autre. 3. Appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (24, 26, 38; 64, 66) qui réalise l'étant chéité axiale du tronçon axial prédéterminé (34, 10) du manchon, un élément de transmission (56) pouvant etre dilaté radialement et monté dans une chambre (36) délimitée par ledit dispositif, et un autre dispositif (42, 40, 44, 46, 48, 50 ; 68, 70, 72, 74, 76) destiné à appliquer, d'un emplacement situé à l'extérieur du manchon, un epression déterminée sur ledit élément afin de le dilater radialement. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de transmission est un fluide hydraulique, le dispositif d'étanchéité comprenant des butées fixes (24, 26) et des organes d'étanchéité (38) disposés dans ladite chambre (36), le dispositif d'application de pression comprenant un mandrin tubulaire (22) qui présente un canal (40) par lequel un volume prédéterminé de fluide hydraulique peut etre introduit dans la chambre (36). 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mandrin s'étend sur la totalité du tronçon axial prédéterminé et supporte les deux butées, les organes d'étant chéité étant identiques et comportant des lèvres que la pression du fluide applique sur le mandrin et sur la paroi interne (52) du manchon, 6.Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de transmission est un tampon (56) en élastomère, le dispositif d'étanchéité comprenant une butée fixe (66) et une. butée (64) mobile axialement et entre lesquelles le tampon est comprimé, le dispositif d'application de pression comprenant un tube fixe de réaction (68) contre lequel la butée fixe porte, et un mandrin (58) qui passe dans le tube à réaction et dans la butée fixe et qui est relié à la butée mobile, ce mandrin pouvant exercer une traction sur ladite butée mobile afin qu'elle exécute une course prédéterminée par rapport à la butée fixe. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que des organes mécaniques d'écartement (74, 76) limitent à une longueur prédéterminée ladite course de la butée mobile, ces organes d'écartement étant solidaires du tube de réaction et du mandrin. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3, 4 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de réglage (28, 30 ; 60, 62) qui détermine la longueur du tronçon axial du manchon.