Brevet FR2422227A1 — publié le 19791102

La présente invention concerne un dispositif de protection contre l'éclatement destiné aux récipients sous pression des réacteurs nucléaires, notamment aux cuves de pression de réacteur, le récipient sous pression présentant au moins un couvercle dont la bride est fixée par serrage, de façon étanche, sur la contre-bride de l'ouverture du récipient sous pression, à l'aide de boulons à allongement précontraints avec écrous et rondelles. Pour assurer l'étanchéité de l'assemblage par brides, on utilise notamment des joints toriques métalliques qui se déforment élastiquementet qui sont insérés, de façon concentrique les uns par rapport aux autres, dans des rainures correspondantes du couvercle ou du récipient, et qui délimitent entre eux la surface d'étanchéité annulaire proprement dite.On obtient la force qui assure l'étanchéité en mettant les boulons à allongement sous précontrainte à l'aide de vérins hydrauliques ou par voie thermique. Les boulons sont mis sous précontrainte, pendant que le récipient sous pression est à l'état froid, à environ 20ex. On choisit la précontrainte de façon telle que l'étanchéité de l'assemblage par brides soit assurée dans toutes les conditions de charge (par exemple, au démarrage, en fonctionnement normal, à l'arrêt), ainsi qu'en cas d'incident éventuel. Les assemblages par brides du type précédemment décrit sont utilisés à la fois dans les cuves des réacteurs à eau pressurisée et dans les cuves des réacteurs à eau bouillante.Dans le cas de ces cuves, il faut à tout prix éviter l'éclatement de la cuve du fait d'une pression intérieure excessive dans le circuit primaires Les propositions faites jusqu'à présent pour la protection contre l'éclatement tendaient à enfermer la cuve dans une enveloppe de protection contre l'éclatement, avec un couvercle et un fond (protection contre ltéclatement et/ou la fragmentation), ou, parfois, à établir un assemblage par le jeu des forces mécaniques entre cette enveloppe de protection contre ltéclatement et la cuve de réacteur et à mettre la première sous précontrainte dans le sens de l'axe ainsi que le sens périphérique à l'aide d'éléments de serrage, ceci de telle façon que les parois de la cuve se trouvent au moins partiellement dégagées de certains efforts de traction (sécurité contre l'éclatement). La présente invention traite également d'un dispositif de protection contre l'éclatement, dont l'action est passive et qui répond, par conséquent, lorsqu'un incident se produit, sans qu'interviennent des mesures de protection supplémentaires, de sorte que la sécurité contre l'éclatement inhérente à la cuve de réacteur se trouve améliorée. Ceci postule que les soupapes de surpression ou disques d'éclatement qui peuvent éventuellement etre raccordés à la cuve, par l'intermédiaire de tubulures ou de conduites, ne répondent pas.Il s'agit là, il est vrai, d'un incident improbable dans la pratique; cependant, la présente invention doit permettre d'ajouter au système actuel à barrières de sécurité multiples contre l'éclatement de la cuve de réacteur ou des tuyauteries et composants du circuit primaire qui y sont raccordés une barrière supplémentaire, de telle manière que la nécessité de prévoir une sécurité contre l'éclatement, qui était déjà contestée dans le passé, puisse être éliminée, et que soit suffisante la protection normale contre la fragmentation qui est constituée par le bouclier de protection biologique, y compris les murs de béton précontraint entourant la cuve de réacteur du côté fond et du côté sommet. La présente invention permet de résoudre le problème posé, avec un dispositif de protection contre l'éclatement du type mentionné au début de la présente description, par le fait que les rondelles sont réalisées sous forme de corps de déformation et dimensionnées, de façon correspondante aux boulons à allongement, de telle manière qu'en cas de dépassement d'une pression intérieure limite, elles cèdent aux forces du couvercle en se déformant plastiquement d'une longueur Elü dans le sens de la pression appliquée, et que la surpression se trouve réduite de p = PU - p1, grâce à l'entrebaillement axial correspondant AlU du joint d'étanchéité du couvercle, jusqu'à obtention de la valeur p1 à laquelle la force de précontrainte des boulons, qui restent dans le domaine élastique, suffit pour réassurer l'étanchéité du récipient sous pression. Les avantages que permet d'obtenir la présente invention sont surtout que le système de barrières de protection contre l'éclatement de la cuve de réacteur ou des composants du circuit primaire qui y sont raccordés se trouve augmenté d'une barrière supplémentaire. La présente invention peut, en principe, être également appliquée aux autres composants du circuit primaire, tels que les générateurs de vapeur ou les dispositifs de maintien de la pression, l'assemblage par brides du tampon du trou d'homme du générateur de vapeur ou du dispositif de maintien de la pression étant, par exemple, muni du dispositif de boulonnage selon la présente invention; la cuve de réacteur constitue cependant une application préférentielle de présente invention, car elle est ouverte, à intervalles réguliers, lors du changement des éléments combustibles, et les rondelles peuvent, à cette occasion, être examinées quant à leur déformation plastique. Grâce à la présente invention les boulons à allongement de l'assemblage par brides du couvercle du réacteur, qui sont fréquemment réalisés sous forme de goujons, ou les tiges de goujon filetées, c'est-àdire l'extrémité intérieure vissée dans le trou borgne taraudé ou encore la tige filetée portant l'écrou du couvercle, ne peuvent subir aucun allongement excessif et, de ce fait, aucune détérioration; en cas de sollicitation, la charge par à-coups est reprise ou absorbée par la déformation plastique des rondelles. A cet effet, les rondelles sont de préférence en un acier allié suffisamment tenace pour que la déformation plastique du lieu ou de la section de fluage de consigne ne se produise qu'en présence d'une surpression. Selon une caractéristique additionnelle de la présente invention, les rondelles sont maintenues centrées sur la circonférence intérieure des perçages du couvercle destinés au passage des boulons, au moyen d'un col annulaire ou des proéminences correspondantes en forme de talon. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif est muni d'une bague de glissement intercalée entre les rondelles et le couvercle et bloquée contre le déplacement latéral, cette bague de glissement étant en un acier plus dur que la rondelle. Selon une autre caractéristique du dispositif conforme à la présente invention et à ce qui précède, et présentant un réglage sphérique entre l'écrou et la rondelle, la rondelle repose, par une face inférieure plane, sur une surface de glissement, de planéité correspondante, de la bague de glissement, et ce de telle manière qu'en cas de déformation plastique, ladite rondelle se trouve élargie, la surface sphérique de l'écrou et la surface de glissement faisant fonction de contre-surfaces à la manière d'un coin. Selon une autre caractéristique de la présente invention la face inférieure de l'écrou ainsi que la face supérieure de la bague de glissement présentent des surfaces d'appui coplanaires pour la rondelle qui présente des contre-surfaces coplanaires correspondantes; il est de plus prévu que la rondelle soit réalisée en forme de rondelle bisphérique, avec une rondelle sphérique supérieure et une rondelle sphérique inférieure, qui sont en contact l'une avec l'autre par leurs surfaces sphériques, la rondelle sphérique inférieure étant élargie en cas de déformation plastique, tandis que la rondelle sphérique supérieure est alors écrasée vers l'intérieur dans le sens radial Selon une caractéristique additionnelle de la présente invention, le dispositif comporte des surfaces d'appui coplanaires entre la rondelle, d'une part, et l'écrou du boulon ainsi que le couvercle de la cuve du réacteur, d'autre part; il est en outre prévu que la rondelle présente un étranglement ou rétrécissement qui définit une section de fluage de consigne. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif comporte des surfaces d'appui coplanaires entre la rondelle, d'une part,et l'écrou du boulon ainsi que le couvercle de la cuve du réacteur, d'autre part; on prévoit en outre un joint d'assemblage de la rondelle, joint qui est perpendiculaire à l'axe, ainsi qu'un creux ménagé entre les deux moitiés de rondelle, un élément de fluage, qui définit la section de fluage de consigne, étant inséré dans ledit creux. L'élément de fluage présente, avantageusement en section transversale, la forme d'un tonneau couché. On peut également prévoir une hotte de captage qui entoure le joint d'assemblage du couvercle et qui est raccordée à un dispositif d'aspiration des fuites. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de quatre modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, qui donne des représentations schématiques où les pièces non indispensables à la compréhension de la présente invention ont été supprimées, et sur lequel - la figure i est une vueen élévation, partiellement en coupe, des zones du couvercle et de la partie inférieure situées à proximité immédiate du joint d'assemblage du couvercle d'une cuve de réacteur, le boulon du couvercle étant fixé par serrage, selon un premier exemple de réalisation ; - la figure 2 est une vue, à plus grande échelle, d'une section de la figure I comprenant le détail Y, c'est-à-dire en particulier la surface d'étanchéité du joint d'assemblage ;; - la figure 3 est une vue, à plus grande échelle, du premier exemple de réalisation selon la figure 1, avec la rondelle réalisée sous forme de rondelle sphérique et une bague de glissement supplémentaire (détail X) ; - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une rondelle biconique avec bague de glissement (deuxième exemple de réalisation) ; - la figure 5 est une vue en plan de la rondelle selon la figure 4 ; - la figure 6 est une vue d'une rondelle comportant un étranglement ou rétrécissement (troisième exemple de réalisation), et - la figure 7 est une vue d'une rondelle, divisée dans le sens transversal, et comportant un élément de fluage inséré dans un creux de la zone du joint d'assemblage (quatrième exemple de réalisation). La cuve de-réacteur 1, dont une section est représentée sur la figure 1, comporte une partie inférieure 2 avec une bride renforcée 2.1 et un couvercle bombé 3 avec une bride 3.1 renforcée de façon correspondante. Dans la zone de la surface d'étanchéité annulaire 5, le couvercle 3 est assemblé par serrage, de façon à assurer l'étanchéité, avec la contre-bride 2.1 de la partie inférieure 2, à l'aide de boulons à allongement précontraints 4 (dont un seul est représenté, alors qu'il en existe en réalité cinquante à soixante répartis sur le pourtour de la cuve 1). Le boulon 4 est réalisé sous forme de goujon et son extrémité filetée 4.1 est vissée dans le trou borgne taraudé 2.2 de la partie inférieure 2 de la cuve, l'écrou 4.2 du goujon étant serré, avec une rondelle Ul et une bague de glissement 7 intercalées, pendant que le goujon 4 est maintenu à l'état allongé par voie hydraulique ou par voie thermique, ce qui permet ensuite la suppression des forces d'allongement appliquées, par exemple, à l'aide d'un dispositif tendeur hydraulique pour boulons, de sorte que le boulon appuie, avec une précontrainte correspondante, les brides 3.1, 2.1, et de ce fait les surfaces d'étanchéité 5 l'une contre l'autre. Dans le cas d'une cuve de réacteur prévue, par exemple, pour une centrale nucléaire de 1 000 Miel, la force de précontrainte de chaque boulon est d'environ 7 000 KN. En présence de cette force, le boulon se trouve encore dans le domaine élastique. Ainsi que le montre le premier exemple de réalisation selon la figure 3, ccnjointement à la figure 1, la rondelle U1 est réalisée sous la forme d'un corps de déformation. Les flèches 4 désignent les forces d'appui qui agissent parallèlement à l'axe longitudinal s des boulons, forces qu'il faut imaginer produites par une décomposition vectorielle de la force ou réaction sur les appuis . du fait que la surface sphérique 6.1, à la face supérieure de la rondelle U1, est inclinée obliquement vers l'intérieur et vers le bas, la composante de force de cisaillement $ étant alors engendrée en plus de la composante t;;C, Cette composante tend à pousser la rondelle U1, dont la section est en forme de coin, vers l'extérieur, c'est-à-di re à l'élargir ou l'évaser, tandis que la composante 4 exerce une sollicitation de pression sur la rondelle UI, dans le sens de l'écrasement (des forces de réaction -a correspondantes agissent sur la face inférieure 6.2). La bague de glissement 7 précédemment-men- tionnée, qu'un col annulaire intérieur 7.1 maintient centrée sur la circonférence intérieure du perçage 4.0 destiné au passage du boulon, est insérée entre la face inférieure 6.2 de la rondelle et la bride 3.1 du couvercle. Ceci s'applique, de façon analogue, à tous les boulons 4 situés sur le cercle de perçage des trous, ainsi que cela est esquissé sur la partie droite de la figure 3.Par suite du faible écart d entre les rondelles voisines, la rondelle ne peut se déformer, en moyenne, que de d/2, à l'horizontale, lorsqu'elle est sollicitée, ainsi que cela est indiqué en traits discontinus en U1'. A cette longueur de déformation dans le sens horizontal correspond une longueur de déformation Alü dans le sens vertical de la pression d'appuiOt. En considérant conjointement les figures 1 à 3, on constate que (voir figure 2) la surface d'étanchéité 5 et la contre surface d'étanchéité correspondante, qui sont serrées l'une contre l'autre, s'ouvrent en formant une petite fente de fuite ElU et dégagent, de ce fait, pendant un court laps de temps, une section de fuite, ce qui permet l'éjection, selon les flèches e, de l'ex- cès de fluide réfrigérant primaire, et le captage de la vapeur produite dans une hotte collectrice ou de captage 8 (voir figure 1), la vapeur pouvant être envoyée dans un réservoir collecteur à l'aide d'un dispositif d'aspiration des fuites (non représenté), qui est raccordé à la hotte 8. Sur la figure 2, la référence numérique 9 désigne en outre des joints toriques d'étanchéité, qui sont des joints métalliques disposés concentriquement les uns par rapport aux autres dans des rainures 10 du couvercle. La fente de fuite, qui s'étend du joint d'étanchéité intérieur 9 jusqu'à l'intérieur 1.1 de la cuve t qui porte la référence li, est légèrement perméable, ainsi que la fente extérieure 1 même lorsque l'assemblage par brides du couvercle est solidement fermé. La bague de glissement 7, qui est représentée dans le premier exemple de réalisation de la figure 3, a pour rôle de protéger la face supérieure de la bride 3.1 du couvercle et de faciliter le mouvement de fluage de la rondelle U1 en cas de sol licitation. La limite d'élasticité 6 o 0,2 du materiau de cette bague de glissement 7 est au moins égale à celle de l'écrou 4.2 du couvercle 3. On constate que la surface d'appui sphérique 4.3 de l'écrou 4.2 et la contre-surface plane 7.3 de la bague de glissement 7 font fonction de contre-surfaces en forme de coin pour la rondelle Ul, lorsque celle-ci se déforme, pendant le processus de fluage, en occupant la position élargie U1' esquissée en traits discontinus. Dans le cas de l'exemple de réalisation selon les figures 4 et 5, la rondelle, dont l'ensemble porte la référence U2, se compose de deux rondelles sphériques u21 et u22, dont la supérieure présente à sa face inférieure, et l'inférieure à sa face supérieure, respectivement des surfaces sphériques 6.nib et 6.2a inclinées vers le bas en direction de l'intérieur, surfaces par lesquelles les rondelles sphériques sont en contact. Par contre, les surfaces extérieures 6.1a et 6.2b des rondelles sphériques u21 et u22 sont coplanaires l'une par rapport à l'autre et par rapport aux-surfaces limites 4.3 et 7.3, respectivement de lté- crou 4.2 et de la bague de glissement 7. En outre, la rondelle sphérique supérieure u21 comporte des évidements hémisphériques 11 qui améliorent son aptitude au fluage.Le maintien en position des bagues de glissement 7 est, dans ce cas, assuré par l'appui mutuel des surfaces contigues (bout-à-bout) 7.4 des bagues de glissement. Dans ce cas, la rondelle sphérique inférieure u22 entoure, par contre, par une came ou butée 12, la circon férence intérieure du perçage 4.0 destiné au passage du boulon, un comportement de fluage bien défini pouvant être conféré à la rondelle sphérique inférieure u22 par le mode de réalisation de cette came, ainsi que cela se fait par les évidements 11 de la rondelle sphérique supérieure u21.L'état de déformation plastique des rondelles sphériques u21, u22 est à nouveau esquissé en traits discontinus en U2', et l'on peut constater que la rondelle sphérique inférieure est élargie et la rondelle sphérique supérieure écrasée vers l'intérieur dans le sens radial. Dans le cas du troisieme exemple de réalisation selon la figure 6, des surfaces d'appui coplanaires sont également prévues entre la rondelle U3, d'une part, et l'écrou 4.2 ainsi que la bride 3.1 du couvercle, d'autre part, avec cette particularité que, dans ce cas, la rondelle U3 présente un étranglement ou rétrécissement qui définit une section de fluage de consigne 13. L'état de déformation plastique est à nouveau esquissé en traits discontinus en U3'. Dans le cas de cet exemple de réalisation, la rondelle comporte également des cames de centrage 12 ou, à la place de celles-ci, un col annulaire continu (non représenté), Dans le cas du quatrième exemple de réalisation selon la figure 7, dans lequel des surfaces d'appui coplanaires sont également prévues entre la rondelle U4 et l'écrou 4.2 ainsi que -la bride 3.1 du couvercle, la rondelle U4 est divisée par un joint 13 perpendiculaire à l'axe en deux moitiés u41, u42, qui délimitent entre elles un creux 14, dans lequel est inséré un élément de fluage 15 qui définit la section de fluage de consigne et qui présente, dans l'exemple de réalisation représenté, en section transversale, la forme d'un tonneau couché. En cas de sollicitation, les deux moitiés de rondelle u41 et u42, agissant comme des mâchoires, compriment l'élément de fluage 15 en lui conférant une forme plus plate du genre amande, jusqutà ce que les moitiés de rondelle se touchent, le processus de fluage étant ainsi, par définition, terminé. Un alliage du type A (voir plus loin) s'est, par exemple, avéré être un matériau avantageux pour la fabrication de la rondelle ou de l'élément de fluage 15, le matériau du couvercle 3 étant de l'acier ferritique usuel avec un placage intérieur et les matériaux suivants ayant été choisis pour le goujon 4, l'écrou 4.2 et les bagues de glissement 7 Goujon 4 ASME SA 540, nuance B24, - 0,2eff.,RT = 1005 N/mm2 Ecrou 4.2 ASME SA 540, nuance B24, 6-- 0,2eff.,RT = 850 N/mm2 Bague de glissement 7 ASME SA 540, nuance B24, 6-- 0,2eff.,RT - 972 N/mm ~ 0,2eff,RT étant la valeur effective de la limite élastique 0,2 à la température ambiante. Le type d'alliage A précédemment mentionné est également de l'acier SA 540, nuance B24, REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre l'éclatement destiné aux centrales nucléaires, notamment aux cuves de pression de réacteur, le récipient sous pression présentant au moins un couvercle dont la bride est fixée par serrage, de façon étanche, sur la contrebride de l'ouverture du récipient sous pression, à l'aide de boulons à allongement précontraints avec écrous et rondelles, caractérisé en ce que les rondelles sont réalisées sous forme de corps de déformation et dimensionnées, de façon correspondante aux boulons à allongement, de telle manière qu'en cas de dépassement d'une pression intérieure limite, elles cèdent aux forces du cou-vercle en se déformant plastiquement d'une longueur Elu dans le sens de la pression appliquée, et que la surpression se trouve réduite de p = pü - P1, grâce à l'entrebaillement axial correspondant Alü du joint d'étanchéité du couvercle, jusqu'à l'obtention de la valeur p1 à laquelle la force de précontrainte des boulons, qui restent dans le domaine élastique, suffit pour réassurer l'étanchéité du récipient sous pression. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rondelles sont maintenues centrées sur la circonférence intérieure des perçages du couvercle destinés au passage des boulons, au moyen d'un col annulaire ou de proéminences correspondantes en forme de talon. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est muni d'une bague de glissement intercalée entre les rondelles et le couvercle et bloquée contre le déplacement latéral, cette bague de glissement étant en un acier plus dur que la rondelle. 4.- Dispositif selon la revendication 3, présentant un réglage sphérique entre l'écrou et la rondelle, caractérisé en ce que la rondelle repose, par une face inférieure plane, sur une surface de glissement, de planéité correspondante, de la bague de glissement, et ce de telle manière qu'en cas de déformation plastique, ladite rondelle se trouve élargie, la surface sphérique de l'écrou et la surface de glissement faisant fonction de contresurfaces à la manière d'un coin. 5.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la face inférieure de l'écrou ainsi que la surface supérieure de la bague de glissement présentent des surfaces d'appui coplanaires pour la rondelle qui présente des contre-surfaces coplanaires correspondantes, caractérisé en ce que la rondelle est réalisée en forme de rondelle bisphérique, avec une rondelle sphérique supérieure et une rondelle sphérique inférieure, qui sont en contact l'une avec l'autre, par leurs surfaces sphériques, la rondelle sphérique inférieure étant élargie en cas de déformation plastique, tandis que la rondelle sphérique supérieure est alors écrasée vers l'intérieur dans le sens radial. 6.- Dispositif selon les revendications 1 ou 2, comportant des surfaces d'appui coplanaires entre la rondelle, d'une part, et l'écrou du boulon ainsiXque le couvercle de la cuve du réacteur,d'autre part, caractérisé en ce que la rondelle présente un étranglement ou rétrécissement qui définit une section de fluage de consigne. 7.- Dispositif selon les revendications 1 ou 2, comportant des surfaces d'appui coplanaires entre la rondelle, d'une part, et l'écrou du boulon ainsi que le couvercle de la cuve de réacteur, d'autre part, caractérisé en ce qu'on prévoit un joint d'assemblage de la rondelle, joint qui est perpendiculaire à l'axe, ainsi qu'un creux ménagé entre les deux moitiés de rondelle, un élément de fluage, qui définit la section de fluage de consigne, étant inséré dans ledit creux. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de fluage présente, en section transversale, la forme d'un tonneau couché. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on prévoit une hotte de captage qui entoure le joint d'assemblage du couvercle et qui est raccordée à un dispositif d'aspiration des fuites.