Brevet FR2375927A1 — publié le 19780728

La présente invention concerne les appareils à haute pression, et a notamment pour objet un procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour les récipients à haute pression, ainsi que leiproduits obtenus par ledit procédé. L'invention peut être appliquée pour la réalisation des appareils à haute pression utilisés, par exemple, dans les industries chimique et pétrochimique. Elle peut être utilisée avec une efficacité maximale pour la réalisation de récipients à haute pression de grandes dimensions, travaillant à des pressions internes supérieures à 100 kg/cm2. Les récipients à haute pression fabriqués initialement n' étaient multicouches qu'en partie : seule leur partie cylindrique était multicouches,tandis que ses éléments d'extrémité - le fond et le couvercle - étaient réalisés massifs, par exemple forgés. Les couvercles et les fonds forgés sont chers et nécessitent de grandes dépenses de main-d'oeuvre. Leur fabrication requiert des travaux d'usinage importants, entra#nant de grandes pertes de métal. La fabrication de couvercles et de fonds forgés implique l'emploi de matériels de métallurgie et-de forge compliqués. En outre, il est difficile d'obtenir des pièces forgées de grande épaisseur dont le métal présente de hautes caractéristiques mécaniques. Il en résulte une augmentation du prix des récipients à haute pression et un abaissement de leur fiabilité. Les fonds massifs sont de préférence réalisés par emboutissage à chaud d'une t#le épaisse sur des presses puissantes. Les couvercles passifs sont fabriqués à partir de pièces forgées. Pour les récipients de petit diamètre on utilise des couvercles plats, dont l'épaisseur, dépendant de la pression, peut atteindre des valeurs élevées. Mais pour les récipients de grand diamètre on emploie des couvercles bombés pourvus d'une bride. Un tel couvercle est d'ordinaire constitué de deux parties : une bride en forme d'anneau massif et une calotte hémisphérique monobloc soudéeyå cette bride. Les calottes hémisphériques sont réalisées par emboutissage à chaud d'une tale épaisse. On connait un procédé de fabrication de couvercles à bride à partir d'une seule tôle (d'un même flan). Dans ce cas on effectue l'emboutissage avec un serre-flan. Toutefois, la fabrication d'un fond massif à partir d'une tôle épaisse et d'un couvercle à partir d'une pièce forgée lourde entraîne de grandes dépenses de main-d'oeuvre et nécessite l'emploi d'un matériel compliqué. Pour cette raison, la fabrication des couvercles et des fonds à partir de pièces forgées massives est impossible quand les récipients à haute pression sont de grandes dimensions. Ceci a eu pour effet de poser le problème de la fabrication de couvercles à bride et de fonds multicouches pour les récipients à haute pression. On connatt un procédé de fabrication de fonds multicouches pour les récipients à haute pression, suivant lequel le fond est réalisé avec plusieurs tôles embouties. Selon ce procédé on emboutit à chaud, d'abord la couche intérieure du fond, puis, cette couche étant utilisée en tant que calotte sur le poinçon, on emboutit la seconde couche, puis la troisième, et ainsi de suite jusqu'à obtention de l'épaisseur voulue du fond. Au fur et à mesure du matriçage de chaque couche suivante, on change la matrice ou bien ses anneaux rapportés. Chaque anneau rapporté de la matrice doit avoir une dimension correspondant au diamètre de la couche à emboutir du fond. Ce procédé ne requiert pas un matériel de formage compliqué et permet de fabriquer les fonds avec des tôles minces. Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé pour la fabrication de fonds de grand diamètre et de forte épaisseur nécessite l'emploi de jeux de matrices ou d'anneaux interchangeables pour les matrices. En outre, au cours du chauffage et de l'emboutissage, chaque tôle se recouvre d'une couche de calamine qui reste entre les couches, ce qui entraîne une augmentation des espaces entre les couches et l'abaissement de la fiabilité-du fond. De plus, la méthode de fabrication des fonds est compliquée, car il est nécessaire d'exécuter de multiples opérations d'emboutissage successives. On connais un procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour les récipients à haute pression, suivant lequel le couvercle ou le fond est obtenu par emboutissage à froid d'un empilage de flans. L'empilage est réalisé en posant les uns sur les autres des flans de diamètre décroissant de façon à lui donner la forme dtun tronc de cône. Le diamètre du flan supérieur, le plus petit, est égal à la longueur du développement de la couche intérieure du fond ou du couvercle. L'empilage en forme de tronc de cône est posé sur une matrice et serré par le serre-flan. Au cours de l'emboutissage, l'empilage prend la forme du poinçon. Ce procédé permet d'obtenir un fond ou un couvercle de qualité plus élevée que celle des fonds et des couvercles obtenus par le procédé indiqué plus hau#t, de diminuer l'espace entre les couches et de diminuer les dépenses de main-d'oeuvre pour leur fabrication. Toutefois, du fait que l'emboutissage à froid est exécuté avec emploi d'un serre-flan, l'effort de la presse augmente de 50 % comparativement au procédé indiqué. Quand les fonds et les couvercles multicouches en acier de grand diamètre et de forte épaisseur sont fabriqués par ce procédé, ils doivent, après emboutissage, subir un traitement thermique pour éliminer les contraintes internes et conférer au métal les propriétés plastiques requises. Le traitement thermique provoque une augmentation des espaces entre les couches ,la pénétration d'air et la formation de calamine dans ces espaces, ce qui altère la qualité des produits obtenus. En outre, l'emboutissage à froid des couvercles et des fonds pour les récipients à haute pression de grand diamètre et de forte épaisseur requiert des presses puissantes, car la limite élastique du métal à l'état froid est bien plus haute que sa limite élastique à l'état chaud. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est proposé pour cela de créer un procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour les récipients à haute pression, qui permettrait d1 améliorer la qualité et la fiabilité des couvercles et des fonds obtenus, d'augmenter la rigidité des couvercles, de réduire les déchets de métal lors de la fabrication des couvercles et des fonds et de diminuer la puissance du matériel de formage, comparativement aux procédés analogues connus de fabrication de couvercles et de fonds pour les récipients à haute pression. La solution consiste en un procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour les récipients à haute pression, suivant lequel on constitue avec des flans ronds un empilage en forme de tronc de cône, le diamètre du flan supérieur, le plus petit, étant égal à la longueur du développement de la couche intérieure du couvercle ou du fond, on emboutit l'empilage obtenu, puis on procède à son usinage, procédé dans lequel, d'après l'invention, le diamètre de chaque flançaicces- sif est choisi de valeur telle que le tronc de cône ait à sa base un angle égal sensiblement à 40-650, les flans empilés sont soudés les uns aux autres suivant leur périmètre, puis l'empilage est embouti à une température comprise sensiblement entre 800 à 1100 C. La solution consiste également en ce que le couvercle fabriqué par le procédé faisant l'objet de l'invention a un bord rabattu qui est pourvu, sur chacun de ses côtés extérieur et intérieur, d'un anneau soudé à plat, une rainure d'étanchéité circulaire étant usinée dans l'anneau situé sur le côté intérieur du bord rabattu. Le couvercle ainsi réalisé, conformément à l'invention peut être utilisé pour les récipients à haute pression de grandes dimensions, travaillant avec des pressions internes dépassant 2 100 kg/cm2. Grâce au fait que, d'après l'invention, les flans empilés sont soudés les uns aux autres suivant leur périmètre, la formation de gaufrures pendant l'emboutissage et la formation de calamine pendant le chauffage sont exclues ; on obtient par conséquent une amélioration de la qualitéetSe la fiabilité des couver cles et des fonds pour les récipients à haute pression. Grace au fait que, d'après l'invention, le tronc de cône a un angle à la base qui est sensiblement de 40 à 650, les déchets de métal diminuent lors de la fabrication des couvercles et des fonds pour les récipients à haute pression. Etant donné que, d'après l'invention, l'emboutissage est exécuté à une température comprise sensiblement entre 800 et 11000C, la puissance du matériel de formage diminue. Il est avantageux de souder les flans ronds les uns aux autres suivant leur périmètre au moyen d'un cordon discontinu, les intervalles étant répartis uniformément suivant la circonférence du flan, et leur valeur dans chaque cordon étant comprise entre sensiblement 0,3 et 0,8 % de la longueur de la circonférence du flan. Au cours de l'emboutissage, l'air resté entre les flans sort par lesdits intervalles. La possibilité de sortie libre de l'air assure une haute qualité de l'emboutissage et contribue à une diminution maximale des espaces entre les couches du produit fini. Il est peut être souhaitable de souder les flans ronds de l'empilage les uns aux autres suivant leur périmètre au moyen d'un cordon continu, et de percer dans chacun des cordons de soudage des trous répartis régulièrement suivant toute la longueur de la circonférence du flan, la valeur totale de ces trous dans chaque cordon étant choisie dans une plage de, sensiblement, 0,3 à 0,8 % de la longueur de la circonférence du flan. Ceci est nécessaire en cas de soudage automatique. Il peut être avantageux de souder au moins encore un anneau à l'anneau situé sur le côté extérieur du bord rabattu. Ceci augmente la rigidité du bord rabattu du couvercle. Il est souhaitable qu'entre le bord rabattu et l'anneau pourvu de la rainure d'étanchéité soit placée au moins une pièce annulaire adaptée pour compenser les déformations du couvercle. Ceci diminue les concentrations de contraintes se produisant dans la zone de raccordement entre le bord rabattu et la partie hémisphérique du couvercle et apparaissant sous l'effet de la pression régnant dans le récipient à haute pression. L'application de l'invention permet d'améliorer la qualité et la fiabilité des couvercles et des fonds pour les récipients à haute pression, comparativement à ceux fabriqués par les procédés analogues connus. L'application de l'invention permet aussi de réduire les déchets de métal lors de la fabrication des couvercles et des fonds pour les récipients à haute pression, comparativement aux procédés analogues connus. En outre, grace à l'invention, la puissance du matériel de formage diminue comparativement à celle du matériel nécessaire pour les procédés analogues connus de fabrication de couvercles et de fonds pour récipients à haute pression. Pour expliquer l'invention, des exemples non limitatifs de réalisation de celle-ci sont décrits dans ce qui suit, avec références aux dessins annexés, dans lesquels - la figure I représente un empilage de flans ronds prêt à être emboutis; - la figure 2 représente le détail A de la figure 1, à plus grande échelle - la figure 3 représente une-partie d'un fond de récipient multicouchesconforme à l'invention, au cours de l'emboutissage (vue en coupe); - la figure 4 représente une partie d'un couvercle multicouches à bord rabattu, conforme à l'invention, au cours de I'em- boutissage (vue en coupe);; - la figure 5 représente une partie d'un couvercle pour un récipient à haute pression, comportant, d'après l'invention, un anneau sur le côté extérieur et un anneau sur le côté intérieur de son bord rabattu (vue en coupe) - la figure 6 représente une partie d'un couvercle pour un récipient à haute pression, dont le bord rabattu comporte, d' après l'invention, deux anneaux supplémentaires soudés à 1' anneau disposé sur son côté extérieur (vue en coupe) - la figure 7 représente une partie d'un couvercle pour un récipient à haute pression, dans lequel, d'après l'invention, entre son bord rabattu et l'anneau ayant une rainure d'étanchéité, est placée une pièce annulaire adaptée pour compenser les déformations du couvercle (vue en coupe);; - la figure 8 représente une partie d'un couvercle pour un récipient à haute pression, dans lequel, d'après l'invention, entre son bord rabattu et l'anneau ayant une rainure d'étanchéité, sont placées deux pièces annulaires adaptées pour compenser les déformations du couvercle (vue en coupe). Le procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour les récipients à haute pression est réalisé de la façon suivante. Avec des flans ronds 1, 2, 3 et 4 (figure 1) on constitue un empilage 5 en forme de tronc de cône, ayant à sa base un angle sensiblement égal à 40650. Le diamètre du flan supérieur 1, le plus petit, est égal à la longueur du développement de la couche intérieure du fond ou du couvercle. Ensuite, dans l'empilage 5 ainsi constitué, on soude les flans les uns aux autres suivant leur périmètre, au moyen de cordons de soudure continus 6, et l'on perce dans chaque cordon de soudure des trous 7 (figure 2) répartis uniformément suivant toute la circonférence de l'empilage, la valeur totale de ces trous dans chaque cordon étant choisie dans une plage de sensiblement 0,3 à 0,8 % de la longueur de la circonférence du flan correspondant. Dans l'exemple considéré, les flans sont donc soudés les uns aux autres par des cordons continus dans lesquels on perce des trous. Toutefois, suivant un autre mode de réalisation les flans peuvent être soudés par des cordons discontinus, comportant des intervalles répartis uniformément suivant toute la circonférence du flan correspondant et dont la valeur dans chaque cordon est choisie dans une plage de sensiblement, 0,3 à 0,8 ffi de la longueur de la circonférence du flan. Ensuite on chauffe l'empilage 5 (figure 1) jusqu'à une température comprise sensiblement entre~800 à 11000C et on le pose sur la matrice 8 (figures 3 et 4) d'un outillage d'emboutissage (non représenté sur les dessins). Ceci fait, à l'aide du poin çon 9, on emboutit le couvercle de manière à former un bord rabattu 10 ou un fond 11. Ensuite on usine les tranches du couvercle à bord rabattu 10 ou le fond 11. De tels couvercles à bord rabattu 10 sont utilisés pour les récipients à haute pression dans lesquels la pression interne peut aller jusqu'à 100 kg/cm2 Quand des couvercles 10 à bord rabattu (figure 5) doivent être utilisés sur des récipients à pression interne supérieure à 100 kg/cm2, leur bord rabattu est pourvu, sur son côté extérieur, d'un anneau 12 soudé à plat, tands que sur son côté intérieur est soudé un anneau 13 ayant une rainure d'étanchéité 14. A l'assemblage du récipient à haute pression (non représenté), on loge dans cette rainure 14 un anneau d'étanchéité pour la fermeture hermétique du récipient. La bride 15 constituée par le bord rabattu du couvercle 10 et par les anneaux 12 et 13 reçoit un rechargement ou soudure 16 pour augmenter sa rigidité. Dans l'exemple considéré, sur le côté extérieur du couvercle 10 est soudé un seul anneau 12 ; toutefois, pour augmenter la rigidité de la bride 15 (figure 6), on peut souder sur le côté extérieur du bord rabattu encore deux, trois, quatre ou plus de quatre anneaux 17. Pour diminuer les concentrations de contraintes appara#s- sant dans la zone de raccordement entre le bord rabattu et la partie hémisphérique du couvercle sous l'effet de la pression interne du récipient à haute pression, on peut prévoir, entre le bord rabattu du couvercle 10 (figures 7 et 8) et l'anneau 13 à rainure d#anchéité 14, une pièce annulaire 18 (figure 7) adaptée pour compenser les déformations du couvercle 10, ou bien deux pièces annulaires 19 (figure 8), adaptées elles aussi pour compenser les déformations du couvercle 10. Dans les exemples considérés, entre le bord rabattu du couvercle et l'anneau à rainure d'étanchéité sont placées une ou deux pièces annulaires. Toutefois, pour améliorer la compensation des déformations du couvercle, on peut prévoir entre ledit bord rabattu et ledit anneau, trois, quatre ou plus de quatre pièces annulaires adaptées pour compenser les déformations du couvercle. Exemple. Pour fabriquer un fond multicouches#d'une épaisseur de 260 mm pour un récipient à haute pression à diamètre intérieur de 2400 mm, on utilise quatre flans ronds avec lesquels on constitue un empilage en forme de tronc de cône. Le diamètre du flan supérieur, le plus petit, est choisi égal à 3700 mm, et les diamètres des flans suivants sont choisis de façon que le tronc de cône ait à sa base un angle de 500 On soude les flans ronds entre eux suivant leur périmètre au moyen de cordons de soudure discontinus. Lors du soudage, on laisse dans chaque cordon quatre intervalles de 12 à 15 mm chacun, situés à 900 l'un de l'autre suivant la circonférence du flan correspondant. On chauffe l'empilage multicouchesainsi obtenu jin#u'à 11000C. On pose l'empilage multicouches à l'état chaud sur la matrice d' un outillage approprié et on exécute I1 emboutissage. On obtient ainsi un fond elliptique aux dimensions voulues. On usine les tranches du fond en vue de son soudage à la partie cylindrique du récipient à haute pression. Un récipient à fond multicouches ainsi réalisé, soumis à des essais hydrauliques sous une pression bien plus élevée que la pression de travail théorique, a parfaitement supporté les essais. Le fond obtenu a des caractéristiques mécaniques qui sont meilleures que celles d'un fond monobloc, il est plus fiable et son cott de fabrication est de 15 à 20 % plus bas. 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 constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de couvercles à bord rabattu et de fonds bombés multicouches pour récipients à haute pression, du type dans lequel on constitue, à partir de flans ronds, un empilage en forme de tronc de cône dans lequel le diamètre du flan supérieur, c'est-à-dire du flan le plus petit, est égal à la longueur du développement de la couche intérieure du couvercle ou du fond, on emboutit l'empilage obtenu, puis on procède à son usinage, caractérisé en ce que le diamètre de chaque flan successif est choisi de telle manière que l'angle à la base du tronc de cône soit sensiblement de 40 à 65 , les flans empilés sont soudés les uns aux autres suivant leur périmètre, puis l'empilage est embouti à une température comprise sensiblement entre 800 à 11000C. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage des flans ronds bus uns aux autres suivant leur périmètre est réalisé au moyen de cordons de soudure discontinus, dans lesquels les intervalles sont répartis uniformément suivant la circonférence du flan correspondant, la valeur de ces intervalles dans chaque cordon étant -comprise sensiblement entre 0,3 et 0,8% de la longueur de la circonférence du flan. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractgrisé en ce que les flans ronds de l'empilage sont soudés les uns aux autres suivant leur périmètre par des cordons de soudure continus, puis, dans chacun des cordons de soudure, sont percés des trous répartis conformément suivant toute la longueur de la circonférence du flan correspondant, la valeur totale de ces trous dans chaque cordon étant choisie dans une plage de, sensiblement, 0,3 à 0,8% de la longueur de la circonférence du flan. 4.- Couvercles à bord rabattu et fonds bombés, notamment pour récipients à haute pression, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 3. 5.- Couvercle fabriqué par le procédé faisant l'objet de 1' une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sur chacun des côtés extérieur et intérieur de#on bord rabattu est soudé à plat un anneau, et en ce qu'une rainure d'étanchéité circulaire est usinée dans celui de ces anneaux qui est disposé sur le côté intérieur du bord rabattu. 6.- Couvercle selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur l'anneau disposé sur le côté extérieur du bord rabattu est soudé encore au moins un anneau. 7.- Couvercle selon la revendication 4, caractérisé en ce que, entre le bord rabattu et l'anneau pourvu de ladite rainure d'étanchéité, est placée au moins une pièce annulaire adaptée pour compenser les déformations du couvercle.