Brevet FR2484875A1 — publié le 19811224

La présente invention concerne un procédé pour réaliser la fixation, étanche à la pression, de tubes sur au moins une paroi, no- tamment dans le cas de la fabrication d'échangeurs de chaleur ou de col- lecteurs, et selon lequel lés extrémités des tubes sont insérées, tout en respectant une position axiale prédéterminée, dans des perçages mé- nagés dans la paroi plane ou cintrée et dont le diamètre est légère- ment supérieur au diamètre extérieur des tubes, et sont élargies par voie hydraulique et/ou subissent une expansion mécanique par laminage au moins sur une partie de leur zone située dans la paroi, en vue de leur application sans jeu contre cette dernière. Il est connu, notamment dans le domaine de la fabrication d'échangeurs de chaleur, d'insérer les extrémités des tubes de l'échan- geur de chaleur avec un certain jeu dans des perçages d'une plaque por- te-tubes et de réaliser une expansion mécanique par laminage ou un élar- gissement hydraulique de ces extrémités au niveau de cette;plaque porte- tubes en vue de leur application sans jeu. Afin que le tube devant être appliqué contre la paroi des perçages ne se déplace pas à l'intérieur de la plaque porte-tubes pendant l'opération d'expansion mécanique par laminage ou d'élargissement, on fixe le tube par son bord frontal sur la plaque porte-tubes au moyen d'un élargissement mécanique ou d'un soudage. la soudagedu bord frontal du tube sur la face extérieure de la plaque porte-tubes fournit en outre l'étanchéité requise. Afin de garantir, lors de la construction d'échangeurs de cha- leur de haute qualité, du type utilisé par exemple dans des centrales nucléaires, que l'application des extrémités des tubes contre les pa- rois des perçages de la plaque porte-tubes s'effectue sans l'applica- tion de contraintes excessives aux tubes et sans l'apparition de fentes annulaires entre le tube et la plaque porte-tubes, on conna t un procé- dé qui utilise une combinaison d'un élargissement hydraulique et d'une expansion mécanique par laminage dansla partie élargie par voie hydrau- lique. Le fait de raccourcir la partie de l'élargissement hydraulique à une longueur inférieure à l'épaisseur de la plaque porte-tubes garan- tit que le tube, qui doit être appliqué contre les parois du perçage, n'est pas soumis à une contrainte excessive au niveau de sa partie en saillie hors de la plaque porte-tubes. La fente annulaire, qui subsiste entre le tube et la plaque porte-tubes en raison de ce rétrécissement de la partie élargie, se trouve ensuite fermée par le fait que, sous l'effet d'une expansion mécanique par laminage ultérieure dans la par- tie élargie par voie hydraulique, le tube est repoussé, au moins sur la longueur manquante, vers l'extérieur de la plaque porte-tubes. Même dans le cas de ce procédé développé pour des échan- geurs de chaleur de haute qualité destinés à être utilisés dans des centrales nucléaires, il est nécessaire dans la pratique de souder le bord frontal du tube à la plaque porte-tubes afin d'une part de fixer les tubes dans leur position par rapport à la plaque porte-tubes avant l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage, et d'assurer d'autre part l'étanchéité requise. Ce sou- dage des tubes à la plaque porte-tubes a cependant non seulement pour conséquence une dépense élevée du point de vue travail, mais requiert également, tout comme la fixation également connue par formes compIé- mentaires des tubes au moyen de surfaces de butée agissant suivant une direction axiale, entre le tube et la plaque porte-tubes, de.ne pas mettre en oeuvre volontairement l'opération d'élargissement ou d'expan- sion mécanique par laminage dans -une zone se raccordant au bord frontal du tubes afin d'éviter des endommagements du cordon de soudure ou des surfaces de butée. Dans les procédés connus, il faut s'accommoder des fentes annulaires apparaissant alors obligatoirement entre le tube et la plaque porte-tubes. A partir de l'état de la technique décrit précédemment l'invention a pour but de fournir un procédé permettant la fixation, étanche à la pression, de tubes sur au moins une paroi et qui évite les inconvénients décrits précédemment et fournit, meme dans le cas de l'apparition de pressions élevées ou de différences de pression élevées et/ou de températures élevées, une fixation étanche à la pres- sion sans soudage, nécessitant un travail intense, des tubes sur la plaque porte-tubes et sans apparition de fentes sensibles à la corro- sion et difficilement décontaminables. Ta solution apportée par l'invention au problème posé est caractérisée par le fait qu'on installe un matériau d'étanchéité mé- tallique entre l'extrémité du tube et la surface intérieure du perçage sur au moins une partie de l'extrémité du tube située dans la paroi, et qu'on élargit ou on soumet à une expansion mécanique par laminage l'extré- mité du tube, tout en déformant simultanément le matériau d'étanchéité de telle manière que la pression, qui règne après l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage entre l'extrémité du tube et la pa- roi, maintienne le matériau d'étanchéité au-dessus de sa limite d'élas- ticité apparente. A l'aide du procédé conforme à l'invention,-on obtient non seu- lement une bonne étanchéité entre le tube et la paroi, qui agit sur l'en- semble de la durée de vie du dispositif et qui supporte également des pressions de l'ordre de 40 MPa ou des différences de pression de l'ordre de 30 MPa et peut affronter des températures élevées de l'ordre de 4000C ainsi que des fluides corrosifs, mais également, en raison de la présen- ce du matériau d'étanchéité métallique, un bon transfert de chaleur en- tre le tube et la paroi, qui est particulièrement important dans le cas d'appareils soumis à des contraintes élevées, tels que par exemple des échangeurs de chaleur et des collecteurs. L'étanchéité obtenue à l'aide du procédé conforme à l'invention correspond à une liaison par soudage, étant donné que le matériau d'étanchéité métallique est maintenu, dans tous les états de fonctionnement, au-dessus de sa limite d'élasticité apparente et au-dessous de.son point de fusion, ce qui fournit une ac- tion toujours optimale d'étanchéité. Simultanément, le matériau d'étan- chéité métallique empêche l'apparition d'une isolation thermique au ni- veau de la surface de contact entre le tube et la paroi du perçage, de sorte que le transfert thermique est amélioré par rapport aux procédés connus. Enfin, le matériau d'étanchéité métallique empêche qu'un essai ultrasonique de la paroi du perçage ne soit perturbé par la jonction en- tre la paroi du tube et la paroi du perçage. Selon une autre caractéristique de l'invention, avant l'in- sertion du tube dans le perçage de la paroi, l'extrémité du tube est munie d'un revêtement constitué par le matériau d'étanchéité métalli- que. Ce perfectionnement a pour effet que le matériau d'étanchéité dif!- fuse dans les couches limites du tube et de la paroi du perçage, de sor- te que l'action d'étanchéité et le transfert thermique s'en trouvent améliorés. Le dép8t du revêtement constitué par le matériau d'étanchéi- té métallique peut être réalisé de différentes manières, par exemple se- lon le procédé par immersion, par galvanisation ou bien par projection plasmatique. Dans tousles cas on est certain que, lors d'essais ultra- soniques, il n'apparaîtra aucune indication erronée due à des inclusions d'air. Selon un autre mode d'exécution possible du procédé confor- me à l'invention, il est proposé d'équiper le perçage cylindrique de la paroi, d'au moins un élargissement radial et d'introduire dans ce der- nier un matériau d'étanchéité annulaire avant d'insérer l'extrémité du tube dans le perçage, et d'élargir ou de soumettre à une expansion mé- canique par laminage l'extrémité du tube également sur l'ensemble de la zone de l'élargissement radial, moyennant une déformation simultanée du matériau d'étanchéité. Grâce à l'élargissement radial, situé dans les perçages cylindriques et qui est réalisé selon une autre caractéristique de 1' invention de préférence avec un contour continu en coupe axiale, on obtient, après l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage, une détermination axiale de la position du tube dans la paroi, sans qu'il soit nécessaire à cet effet d'utiliser des surfaces parti- culières de butée. le matériau d'étanchéité, qui est situé dans la zone de l'élargissement radial entre le tube et la plaque porte-tubes et qui est déformé lors de l'opération d'élargissement ou d'expansion méca- nique par laminage, fournit, entre le tube et la plaque porte-tubes, une bonne étanchéité active pendant toute la durée de vie de l'ensemble et qui supporte également des pressions de l'ordre de 40 4Pa ou des différences de pression de l'ordre de 30 MPa et peut résister à des températures élevées de l'ordre de 4000 C ainsi qu'à des fluides corrosifs. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schéma- tiquement aux dessins annexés deux exemples de mise en oeuvre du pro- cédé conforme à l'invention. Ia figure 1 représente une coupe d'un perçage cylindrique ménagé dans la paroi d'un collecteur; la figure 2 montre l'extrémité avaht, 'partiellement enc-oupe, d'un tube qui doit être fixé dans la paroi du collecteur de la figure 1; la figure 3 est en vue en coupe, correspondant aux figures 1 et 2 et sur laquelle l'extrémité du tube est représentée insérée dans le perçage de la paroi du collecteur; la figure 4 montre une coupe, correspondant à celle de la figure 3, après l'élargissement de l'extrémité du tube située dans la paroi du collecteur; la figure 5 montre unereprésentation, correspondant à celle de la figure 4, mais sur laquelle un élargissement radial est ménagé dans le perçage de la paroi du collecteur en vue de la fixation axiale du tube après ltélargissement; la figure 6 montre une coupe d'un perçage muni d'un élar- gissement radial et ménagé dans la plaque porte-tubes; la figure 7 montre une coupe correspondant à celle de la figure 6 et sur laquelle un matériau d'étanchéité annulaire a été inséré dans l'élargissement radial; la figure 8 représente une extrémité de tube insérée dans le perçage de la figure 7; la figure 9 montre une coupe longitudinale de l'extrémité de tube fixée d'une manière étanche à la pression et sans possibilité de déplacement axial dans la plaque porte-tubes; et la figure 10 représente une vue de dessus d'une bague dl étanchéité ouverte, dont les bords sont en superposition. Sur la figure 1, on a représenté une partie d'une paroi 1 par exemple d'un collecteur, dans laquelle est ménagé un perçage cylindrique 2. Dans ce dernier doit être fixé un tube 3, dont l'extré- mité avant porte un revêtement en un matériau d'étanchéité métallique 4. le diamètre extérieur du tube 3 revêtu du matériau d'étanchéité 4 est inférieur au diamètre du perçage 2, de sorte que le tube 3 peut être inséré, conformément à la figure 3, dans la paroi I du collec- teur. Grâce à un élargissement hydraulique ou à une expansion mécanique par laminage, on réalise alors un accroissement du diamètre de l'extrémité du tube 3 située dans la paroi 1, tout en déformant également simultanément le matériau d'étanchéité 4. La pression, qui règne après l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage entre l'extrémité du tube et la paroi 1, maintient le matériau d'étanchéité 4 au-dessus de sa limite d'élasticité apparente, de sorte que ce matériau réalise une bonne étanchéité, active sur toute la durée de l'ensemble, entre le tube 3 et la paroi 1 et assure simultanément un bon transfert thermique entre le tube 3 et la paroi 1. Dans la forme de réalisation modifiée de la figure 5, dont la représentation correspond à celle de la figure 4, il est prévu dans le perçage cylindrique 2 de la paroi 1, un élargissement radial 5 qui possède un contour continu en coupe axiale. Lors de l'élargissement ou de l'expansion mécanique par laminage, le tube 3 ainsi que le matériau d'étanchéité 4 s'applique contre la surface de la paroi de l'élargissement 5, ce qui réalise une fixation du tube 3 suivant la direction axiale. Sur les figures 6 à 9, on a représenté une petite paroi 1 d'une plaque porte-tubes d'un échangeur de chaleur qui possède également un perçage cylindrique 2. Ce perçage 2 est là encore équipé d'un élar- gissement radial 5 qui possède un contour continu en coupe axiale, de sorte qu'il n'existe aucun angle à arêtes vives, ni aucune discon- tinuité brusque suivant la direction longitudinale du perçage élargi 2. Dans le perçage cylindrique 2, équipé de l'élargissement radial 5 conformément à la figure 6, se trouve inséré un matériau d' étanchéité annulaire 4 de telle manière que ce dernier d'une part n' empêche pas l'insertion d'un tube 3 et d'autre part n'est pas refoulé hors de l'élargissement radial 5. Le diamètrb extérieur du tube 3 est légèrement inférieur au diamètre du perçage cylindrique 2, de sorte que le tube 3 de la figure 3 est situé avec un certain jeu à l'inté- rieur du perçage 2 de la paroi 1. la surface frontale 5a du tube 3 peut être soit alignée de niveau avec la surface extérieure la de la paroi 1, soit faire saillie légèrement de cette surface extérieure la, comme cela est visible sur la figure 8. Après l'insertion, représentée sur la figure 8, du tube 3 dans le perçage cylindrique 2 et la détermination de position alors effectuée, on soumet le tube 3 à un élargissement hydraulique et/ou une expansion mécanique par laminage, en vue de son application sans jeu contre la paroi 1. L'élargissement hydraulique et/ou l'expansion mécanique par laminage sont réalisés au moins dans une zone de la partie du tube 3 située dans la paroi 1. Il est possible en outre d' utiliser une combinaison des deux procédés. Dans tous les cas, on est certain que le tube 3 subit un élargissement ou une expansion mécanique par laminage également sur toute la zone de l'élargissement radial 5, de sorte que le matériau d'étanchéité 4 est simultanément déformé, comme cela est représenté sur la figure 9. la pression,qui règne après l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage entre le tube 3 et la paroi 1, est suffisamment supérieure à la limite d'élasticité apparente du matériau d'étanchéité métal- lique pour que l'action d'étanchéité de ce dernier soit garantie, dans l'état représenté sur la figure 9, dans tous les cas de fonc- tionnement. L'accroissement de diamètre du tube 5 dans la zone de 1' élargissement radial 5 garantit, à l'état définitif conformément à la figure 9, que le tube 3 est maintenu simultanément sans possibilité de déplacement axial dans la paroi 1, sans qu'il soit nécessaire dl utiliser pour ce faire une fixation particulière et supplémentaire, par exemple par soudage. Comme le montre la figure 10, l'anneau formé par le maté- riau d'étanchéité 4 est ouvert afin de faciliter son insertion dans I' élargissement 5 du psrçage 2. le diamètre d'un anneau ouvert peut être réduit lorsqu'on le repousse à travers le perçage cylindrique 2 dans l'élargissement 5. Ensuite, l'anneau exerce une action d'écartement élastique et prend la position représentée sur la figure 7. Afin que soit garantie une répartition uniforme du matériau d'étanchéité 4 après 1'opérationdtexpansion mécanique par laminage ou d'élargissement du tube 3, les bords de l'anneau constitué par le matériau d'étanchéité sont en recouvrement, comme cela est indiqué sur la figure 10. En ce qui concerne le coefficient de dilatation thermique du matériau d'étanchéité métallique, on peut se rapprocher, par alliage, des coefficients de dilatation thermique des matériaux dont sont constitués le tube et la paroi. Ceci garantit que même des variations importantes de température, par exemple dans la plage des hautes températures, pendant le fonctionnement, ne provoquent aucune so dilatation thermique d'intensité variable susceptible de provoquer des défauts d'étanchéité par suite de l'apparition de fentes annulaires. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser la fixation, étanche à la pres- sion, de tubes sur au moins une paroi (1), notamment dans le cas de la fabrication d'échangeurs de chaleur ou de collecteurs, et selon lequel les extrémités des tubes (3) sont insérées,tout en respectant une position axiale prédéterminée, dans des perçages (2) ménagés dans la paroi plane ou cintrée (1) et dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre extérieur des tubes (3), et sont élargies par voie hydrau- lique et/ou subissent une expansion mécanique par laminage au moins sur une partie de leur zone située dans la paroi; en vue de leur applica- tion sans jeu contre cette dernière, caractérisé en ce qu'on introduit un matériau d'étanchéité métallique (4) entre l'extrémité du tube (3) et la surface intérieure du perçage (2) sur au moins une partie de 1' extrémité du tube située dans la paroi, et on fait subir une opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage à l'extrémité du tube moyennant une déformation simultanée du matériau d'étanchéité (4), de telle manière que la pression, qui règne entre l'extrémité du tube (3) et la paroi (1) après l'opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage, maintienne le matériau d'étanchéité (4) au- dessus de sa limite d'élasticité apparente. 2. Procédé selon la revendication 1P caractérisé en ce qu' on pose un revêtement constitué par le matériau d'étanchéité métal- lique (4) sur l'extrémité du tube, avant son insertion dans le perçage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on aménage au moins un élargissement radial (5) dans le perçage cylindrique (2) de la paroi et on insère dans cet élargissement une bague d'étanchéité annulaire (4) avant d'insérer l'extrémité du tube (3) dans le perçage (2), et on fait subir une opération d'élargissement ou d'expansion mécanique par laminage à l'extrémité du tube (3) éga- lement sur l'ensemble de la zone de l'élargissement radial, moyennant une déformation simultanée du matériau d'étanchéité (4). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on réalise l'élargissement radial (5) avec un contour continu en coupe axiale. 5. Procédé selon les revendications 3 et 4 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les extrémités de l'anneau cons- titué par le matériau d'étanchéité métallique (4) sont superposées l'une à l'autre. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que, pour le coefficient de dilatation thermique du matériau d'étanchéité métallique (4), on se rapproche par alliage du coefficient de dilatation thermique du matériau constituant le tube (3) et la paroi (1).