Brevet FR2431884A1 — publié le 19800222

L'invention concerne les techniques d'assemblage de pièces et a notamment pour objet un procédé et une machine pour le dudgeonnage, ou assemblage par mandrinage, de tubes dans des plaques tubulaires. Les ensembles ainsi obt#enus par dudgeonnage sont utilisés notamment dans les échangeurs de chaleur et les générateurs de vapeur employés dans l'industrie pétrolière, l'industrie chimique, la production de gaz, d'énergie, dans l'industrie métallurgique et dans la constructis des navires, y compris les installations énergétiques atomiques marines, les centrales nucléaires et industries connexes. Il est plus avantageux d'appliquer la présente invention pour la fabrication des échangeurs de chaleur et des générateurs de vapeur fonctionnantsous grandes pressions et à hautes températures, surtout dans les cas où l'étanchéité des assemblages mandrinés doit satisfaire à des exigences sévères concernant les dangers d'explosion et la toxicité de la matière utilisée. En même temps, l'emploi de la présente invention pour le mandrinage des tubes des échangeurs ordinaires permet d'augmenter considérablement la durée de fonctionnement sans pannes de ces appareils. Oh connait un procédé de mandrinage de tubes dans une plaque tubulaire, selon lequel on fait agir sur ceux-ci un outil à galets en contrôlant un paramètre prédéterminé de l'effort de mandrinage, par exemple le couple moteur transmis à l'outil (certificat d'auteur URSS n0 428.234,cl. G01 1 3/00). L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait que ledit paramètre de la force de mandrinage est choisi au préalable et est constant pour tous les tubes de l'échangeur de chaleur considéré ou d'un groupe d'échangeurs de chaleur dans lesquels les dimensions-types des tubes et des plaques tubulaires sont identiques, sans tenir compte des caractéristiques individuelles de chaque assemblage mandriné, qui peuvent varier dans de larges limites. De ce fait, pour éviter un dudgeonnage excessif, ledit paramètre de force doit etre choisi suivant les tubes présentan la dispersion la plus défaborable de propriétés mécaniques et de dimensions (limite d'élasticité minimale, épaisseur minimale de la paroi du tube, etc. On contact des machines de dudgeonnage permettant de mettre en oeuvre ledit procédé, par exemple une machine de dudgeonnage fabriquée par la firme "Ferrometall" de RFA qui comporte un outil à galets avec un mécanisme d'-entratnement et avec un dispositif pour la mesure du couple moteur, transmis à l'outil, d'après l'intensité du courant consommé par le moteur électrique dudit mécanisme d'entratnement, ainsi qu'une unité de commande dudit mécanisme d'entra#nement, assurant l'interruption du processus de dudgeonnage au moment où le couple moteur (intensité du courant) atteint une valeur préétablie. Quand on applique ce procédé de mandrinage, il n'est possible d'obtenir une solidité et une étanchéité maximales de l'assemblage dudgeonné que pour un nombre insignifiant de tubes (1 à 2%). Quant aux autres tubes, leur capacité portante ndest pas utilisée totalement, ce qui aboutit à une fiabilité insuffisante des assemblages dudgeonnés, entraîne des pertes importantes de produits par suite des temps morts pour les réparations des échangeurs de chaleur, et provoque, dans certains cas, des incendies, des explosions, un dégagement de substances toxiques. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de dudgeonnage de tubes dans une plaque tubulaire et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, qui permettraient d'utiliser au maximum la capacité portante des éléments de l'assemblage dudgeonné, en augmentant ainsi considérablement sa solidité et son étanchéité, et par conséquent, la durée de fonctionnement sans pannes des échangeurs de chaleur et des générateurs de vapeur. il est évident que pour attëindre cet objectif, il faut renoncer au contrôle "rigide" du dudgeonnage d'après un paramètre de force préétabli, identique pour tous les tubes de l'échangeur de chaleur, et passer à un contrôle "individuel" du dudgeonnage, assurant une optimisation du paramètre de force ou du paramètre linéaire du dudgeonnage en fonction des caractéristiques de chaque assemblage dudgeonné. Autrement dit, durant un cycle de mandrinage (5 à 10 s) il faut obtenir une information sur les dimensions et sur les propriétés mécaniques de la matière du tube et de la plaque tubulaire, traiter cette information en calculant une valeur optimale du paramètre de force ou du paramètre linéaire du dudgeonnage de l'assemblage considéré, et arrêter le processus de dudgeonnage lorsque ledit paramètre de force ou paramètre linéaire atteint cette valeur. Ce problème est résolu du fait que le procédé de mandrinage de tubes dans une plaque tubulaire, consistant à faire agir sur le tube un outil à galets et à contrôler le processus de dudgeonnage d'après un paramètre de la force transmise à l'outil est caractérisé, suivant l'invention, en ce que la mesure du paramètre de force est effectuée, simultanément avec la mesure du paramètre linéaire du dudgeonnage, successivement sur trois secteurs (ou zones) : le secteur de déformation élastique du tube, le secteur de déformation plastique du tube jusqu'au contact de la surface extérieure du tube avec la surface du trou de la plaque, et le secteur de déformation iastique de la plaque tubulaire, ce qui permet d'optimiser le contrôle du processus de dudgeonnage d'après le paramètre de force ou d'après le paramètre linéaire, en fonction des dimensions géométriques et des propriétés mécaniques des matériaux du tube et de la plaque tubulaire. La machine de dudgeonnage pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte un outil à galets avec un mécanisme d'entraînement et avec un dispositif pour la mesure du paramètre de force, par exemple du couple moteur transmis à l'outil, ainsi qu'une unité de commande dudit mécanisme d'entratnement et est caracterisée, suivant l'invention, en ce qu'un dispositi: pour la mesure d'un paramètre linéaire du dudgeonnage est monté entre l'uutil et le mécanisme d'entrainement, par exemple pour la mesure du déplacement axial du mandrin conique de l'outil à galets, et lesdits dispositifs pour la mesure des paramètres de force et linéaires sont liés fonctionnellement à l'entrée d'un calculateur dont la sortie est reliée par l'intermédidiede l'unité de commande au mécanisme dtentraSnemen1 pour son arrêt et son inversion de marche lorsque le paramètre de force ou le paramètre linéaire atteint une valeur optimale déterminée par le calculateur par un traitement approprié des résultats de la mesure des paramètres de force et linéaires au cours du dudgeonnage. Le procédé proposé et le dispositif pour sa mise en oeuvre permettent, au cours du dudgeonnage de chaque assemblage d'établir un paramètre de force maximal ou un paramètre linéaire maximal qui tienne compte des dimensions et des propriétés mécaniques des matériaux des éléments de cet assemblage, en utilisant au maximum leur capacité portante. La solidité et l'étanchéité de chaque assemblage dudgeonné sont ainsi notablement accrues, ce qui assure une augmentation de la durée de fonctionnement sans pannes des échangeurs de chaleur et des générateurs de vapeur. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on décrit ci-après des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs avec références aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre schématiquement le processus de mandrinage d'un tube dans la plaque tubulaire, en coordonées "déplacement axial du mandrin - couple moteur", ainsi que les positions relatives de l'outil de dudgeonnage, du tube et de la plaque tubulaire en des points caractéristiques du processus ; ; - la figure 2 est le schéma synoptique d'une machine de dudgeonnage pour la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention - la figure 3 montre les courbes de répartition de l'étanchéité des assemblages dudgeonnés obtenus par le procédé -connu et par le procédé conforme à l'invention (exemple 1 décrit plus loin) - la figure 4 est une courbe similaire à celle de la figure 3, illustrant l'exemple 2 décrit plus loin. Sur la figure 1 ( partie supérieure) sont montrées les positions relatives successives des éléments de l'assemblage dudgeonné : de la plaque tubulaire 1, du tube 2, ainsi que des éléments de l'outil de dudgeonnage : galet 3 et broche conique 4, au cours du mandrinage. La positon i est la position initiale, lorsqutil y a un certain jeu entre le tube 2 et la plaque tubulaire 1 au moment où la broche 4 est engagée avec les galets 3 dans le tube 2, jusqutà leur mise en contact avec sa surfac#e intérieure. La position Il correspond au moment de ltentrée en contact du tube 2 avec la plaque I, résultant du déplacement correspondant de la broche 4 dans le sens axial.La position III correspondant à la déformation simultanée du tube 2 et de la plaque tubulaire 1. Dangia partie inférieure de la Augure 1 est représenté le schéma du-processus de dudgeonnage en coordonnées "déplacement axial de la broche" (axe des abscisses) -"couple moteur transmis à l'outil" (axe des ordonnées). Le secteur OA correspond à la flexion élastique des galets (dans les cas où les galets sont tournés sous un angle par rapport à l'axe longitudinal de la broche). Le secteur AB correspond à la déformation élastique, et le secteur BC, à la déformation plastique du tube 2.Le point C correspond à l-"entrée en contact du tube 2 avec la plaque tubulaire 1, après quoi il se produit (sur le secteur CD) une déformation simultanée du tube 2 et de la plaque tubulaire 1. Un traitement mathématique approprié des résultats des mesures du paramètre linéaire et du paramètre de force (déplacement axial du mandrin et couple moteur), effectuées successivement sur les secteurs précités, permet d'établir, pour l'assemblage dudgeonnage considéré, une valeur optimale (c'est-à-dire assurant une solidité et une étanchéité maximales), du paramètre de force Mcm (cm = couple moteur) ou du paramètre linéaire Hax (ax = déplacement axial) déterminant la position du point D (figure 1). Une fois atteint le point D, le processus de dudgeonnage cesse et l'outil (dudgeon) est retiré du tube, par exemple en inversant la marche du mécanisme d'entrainement. Dans la machine de dudgeonnage conçue pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on a prévu un calculateur 5 (figure 2) effectuant la réception et le traitement des données, ainsi que la délivrance de signaux de commande au bloc 6 de commande du mécanisme d'entrainement. Le calculateur 5 fonctionne selon un programme enregistré dans une mémoire permanente 7, dans laquelle sont en outre stockées toutes les constantes nécessaires au fonctionnement du programme. Les données opérationnelles et les résultats des calculs intermédiaires sont stockées dans une mémoire opératrice 8.Les données sur le processus de dudgeonnage arrivent à partir des dispositifs 9 et 10 pour, respectivement, la mesure du paramètre de force et la mesure du paramètre linéaire à une unité analogique à deux canaux - convertisseur numérique 11, qui mettent les signaux analogiques des dispositifs 9 et 10 sous forme numérique et les transmet au calculateur 5. La liaison de 11 opérateur avec le calculateur 5 se fait à l'aide des boutons : "arrêt" 12, "marche" 13 et "inversion de marche" 14. Avant de procéder au dudgeonnage des tubes de 11 échangeur de chaleur, l'opérateur introduit les données initiales nécessaires dans le calculateur 5, à l'aide d'un bloc 15 d'introduction des données initiales, comportant un clavier numérique et un clavier fonctionnel. Le fait que le calculateur 5 soit prêt au travail avec l'opérateur est signalé par éclairage d'une lampe-témoin 16. Tous les ensembles de la machine de dudgeonnage sont alimentés à partir d'une source d'alimentation 17. On met en marche la machine de dudgeonnage en appuyant sur le bouton "marche"13. Le calculateur 5 envoie un signal à l'unité 6 de commande du mécanisme d'entrainement, qui met en action le mécanisme d'entra#nement 18 avec outil de dudgeonnage 19. L'opérateur introduit l'outil 19 dans i tube 2, et le dudgeonnage du tube commence. Au cours du dudgeonnage, les données concernant la variation du paramètre de force et du paramètre linéaire sur les secteurs AB, BC et CD (figure 1) sont transmises par les dispositifs 9 et 10 au calculateur 5 qui, après avoir traité ces données, détermine la position du point D (figure 1) c'est-à-dire la valeur optimale du paramètre de force MCm ou du paramètre linéaire Eax pour l'assemblage dudgeonné considéré.A la réception, à partir des dispositifs 9 et 10, d'un signal égal ou supérieur à la valeur optimale, ainsi établie, c'est-à-dire lorsque le point D est atteint, le calculateur 5 envoie à l'unité 6 de commande du mécanisme d'entratnement un signal d'inversion de la marche. L'outil de dudgeonnage 19 est retiré du tube 2 et est introduit dans le tube suivant. le cycle recommence. Les boutons "arrêt" 12 et inversion de marche" 14 commandent l'arrêt et l'inversion de la marche du mécanisme d'entraînement 18 en cas d'accident, par exemple en cas de casse de l'outil, et se mettent en action indépendamment de l'état du calculateur ou processeur 5. Exemple 1. Des tubes d'acier de 25 x 2,5 sont dudgeonnés dans une plaque tubulaire en acier. La limite d'élasticité de la matière des tubes varie de 20 à 30 kgf/cm2, le diamètre extérieur des tubes, de 24,55 à 25,45 mm, et l'épaisseur des parois des tubes, de 2,875 à 2,125 mm. La limite d'élasticité de la matière de la plaque tubulaire est de 24 kgf/mm2. Le pas de disposition des trous dans la plaque tubulaire varie dans des limites de 31,5 å, 5 mm le diamètre des trous de 25,50 à 25,64 mu. La pression des essais hydrauliques des assemblages mandrinés de l'échangeur de chaleur est de 140 kgf/cm . On effectue le mandrinage par le procédé décrit plus haut, en déterminant, pour chaque assemblage mandriné, sur la base des mesures du paramètre linéaire et du paramètre de force sur les secteurs AB, BC, et CD, la position du point D (figure 1) et en cessant le dudgeonnage quand ce-point est atteint. La valeur optimale du paramètre de force MCm, déterminant la position du point D, varie dans les limites de 3,69 à 4,60 kgf, en s'adaptant automatiquement aux variations des dimensions et des propriétés mécaniques de la matière des tubes Il convient de noter, à titre de comparaison, qu'au cours du mandrinage de ces tubes par un procédé connu, la valeur est estconstante pour tous les tubes et s'élève à 3,69 kgf, ce qui conduit à une utilisation incomplète de la capacité portante de la plupart des assemblages. Pour illustrer l'effet positif assuré par l'invention, on a montré sur la figure 3 les courbes de répartition de l'étanchéité des assemblages mandrinés (figure 3), caractérisée par la valeur de la pression hydraulique P provoquant un défaut d'étanchéité de l'assemblage lors d'une mise en charge statique unique. Sur l'axe des abscisses est portée la 2 valeur de la pression P en kgf/cm , et sur l'axe des ordonnées, la fréquence relative "a" (en pourcentages) avec laquelle on rencontre la valeur P. La courbe "b" montre la répartition des pressions P dans les assemblages dudgeonnés réalisés par le procédé connu, et la courbe "c", dans ceux obtenus par le procédé de l'invention. Comme le montrent les courbes représentées sur la figure 3, le dudgeonnage des tubes considérés dans cet exemple, avec emploi du procèdé-connu (courbe "b"), n'assure pas l'étanchéité voulue (correspondant à 140 kgf/cm2) pour approximativement 0,8% des assemblages mandrinés (zone hachurée). L'emploi du procédé proposé (courbe "c") assure, dans le cas considéré, une augmentation de l'étanchéité moyenne des assemblages mandrinés correspondant à une augmentatinn de la pression P de 260 à 380 kgf/cm2, ctest-à-dire de 46%, l'augmentation de l'étanchéité minimale correspondant à une augmentation de 110 à 245 kgf/cm2, c'est-à-dire de plus de 2,2 fois. Le champ de dispersion de la valeur exprimant l'étanchéité diminue de 10%. Exemple 2. Des tubes de 25 x 2,5 en acier, avec une limite d'élasticité de leur matériau de 42 à 63 kgf/mm2, sont dudgeonnés dans des plaques tubulaires en acier, avec une limite d'élasticité de leur matériau de 40 kgf/mm2. Les autres données sont les mêmes que dans l'exemple 1. La valeur optimale du paramètre de force MCm varie dans les limites de 6,48 à 8,38 kgf (en cas de dudgeonnage des tubes par le procédé connu on obtient Mcm =6,48 kgf pour tous les tubes). Comme il ressort de l'examen des courbes de répartition représentées sur la figure 4 et analogues aux courbes montrées sur la figure 3, dans l'exemple considéré, en cas d'emploi du procédé connu de dudgeonnage (courbe "d"), une porportion allant jusqu'à 30% des assemblages dudgeonnés (zone hachurée) ne supportent pas la pression d'essai de 140 kgf/cm2, et dans une série de cas constituant 2,5% du nombre total de tubes dudgeonnés, il est même impossible de réaliser l'assemblage (domaine hachuré, à gauche de l'axe des ordonnées). L'emploi du procédé proposé assure, dans les conditions de l'exemple 2 (courbe "e'9une augmentation de l'étanchéité moyenne des assemblages dudgeonnés de 200 à 490 kgf/cm2, c"est-à-dire de 145%, l'étanchéité minimale correspondant alors à 250 kgf/cm2. Le champ de dispersion de la valeur exprimant l'étanchéité diminue de 27%. 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. REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation par mandrinage ou dudgeonnage de tubes dans une plaque tubulaire, du type consistant à faire agir sur le tube un outil à galets et à contrôler le processus de dudgeonnage d'après un paramètre de la force de dudgeonnage transmise à l'outil, caractérisé en ce que la mesure dudit paramètre de force est effectuée, simultanément avec la mesure d'un paramètre linéaire du dudgeonnage, successivement sur trois secteurs : le secteur de déformation élastique du tube, le secteur de déformation plastique du tube, jusqu'à l'entrée en contact de la surface extérieure du tube avec la surface du trou correspondant de la plaque tubulaire, et le secteur de déformation élastique de la plaque tubulaire, ce qui permet d'après le paramètre de force et le paramètre linéaire, d'optimaliser le contrôle du processus de dudgeonnage en fonction des dimensions géométriques et des propriétés mécaniques du tube et de la plaque tubulaire. 2. Machine de dudgeonnage pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, du type comportant un outil à galets avec un mécanisme d'entraSnement et avec un dispositif pour la mesure d'un paramètre de force transmis à l'outil, ainsi qu'un bloc de commande dudit mécanisme d'entrainement, caractérisée en ce qu'un dispositif pour la mesure d'un paramètre linéaire du dudgeonnage-est monté entre l'outil et le mécanisme d'entratnement, et que lesdits dispositifs pour la mesure du paramètre de force et du paramètre linéaire sont fonctionnement reliés à l'entrée d'un calculateur dont la sortie est reliée par l'intermédiaire de ladite unité de commande audit mécanisme d'entrainement pour assurer l'arrêt et l'inversion de marche de ce dernier quand est atteinte la valeur optimale du paramètre de force, déterminée par ledit calculateur par un traitement approprié des résultats des mesures du parametre de force et du paramètre linéaire au cours du dudgeonnage. 3. Un assemblage tube-plaque tubulaire, caractérisé en ce qu'il est réalisé conformément au procédé faisant l'objet de la revendication 1. 4. Appareil et dispositif tel que, par exemple, un échangeur de chaleur ou un générateur de vapeur, caractérisé en ce qu'il comporte application d'un ensemble constitué par des tubes dudgeonnés dans une plaque tubulaire et obtenu conformément au procédé faisant l'objet de la revendication 1