Brevet FR2500102A1 — publié le 19820820

Dispositif d'étanchéité. La présente invention concerne un dispositif d'étan- chéité vis-à-vis des fluides pour un conduit d'acheminement de fluide raccordé à une cuve à double paroi. La présente invention a été réalisée ou conçue dans le déroulement et dans le cadre d'un contrat avec le Gouver- nement des Etats-Unis représenté par le Département de 1' Energie, ce contrat étant identifié par le n' EY-76-C-15-2395. Pour un grand nombre d'applications, il est nécessaire Io d'assurer une étanchéité totale ou quasi-totale parmi des fluides. Les exigences d'étanchéité deviennent plus compliquées lorsqu'un mouvement parmi les éléments constitutifs doit être envisagé, comme par exemple celui dû à une dilatation thermique différentielle et une secousse sismique, particulièrement lorsqu'une déformation des surfaces d'étanchéité ou un mouvement irrégulier dans plus d'une direction ou plus d'un plan est probable. Des problèmes d'étanchéité particulièrement complexes sont posés par l'interaction de la chemise ou bouclier thermique et l'ajutage de sortie d'une cuve de réacteur nucléaire refroidie par un liquide. Dans de tels systèmes, il existe un courant de dérivation du réfrigérant du réacteur qui s'écoule vers le haut de façon adjacente à la cuve primaire de réacteur puis autour d'une partie de l'ajutage de sortie entouré par une chemise d'ajutage. Le rôle principal de l'écoulement de dérivation est de protéger les parois de la cuve et de l'ajutage contre les transitions thermiques sévères et les températures exagérément élevées. Par conséquent, l'écoulement de dérivation plus frais doit être bien séparé du réfrigérant primaire plus chaud qui sort de la cuve à travers l'ajutage et la chemine d'ajutage. L'écoulement de dérivation passe autour de la circonférence de la chemise d'ajutage et l'écoulement primaire passe à travers la zone d'écoulement circulaire de l'ajutage et de sa chemise. La chemise thermique est espacée de la cuve et de l'ajutage de sortie de manière à former la région d'écoulement de dérivation. On a constaté que cette disposition entraînait parmi la chemise thermique, la cuve et la chemise d'ajutage des quantités importantes dé mouvements non-uniformes, de l'ordre de 19 mm dans plusieurs plans, ainsi qu'une déformation en configurationsnon planesdes surfaces d'étanchéité potentielle. L'étanchéité parmi les écoulements doit non seulement se prêter aux mouvements relatifs non-uniformes, mais doit également remplir son r6le de façon satisfaisante, sans entretien, sur la durée totale de vie utile du réacteur, c'est-à-dire environ 30 ans. L'étanchéité doit conserver sa résistance aux fuites tout en étant exposée à du sodium liquide se trouvant à une température élevée et ne doit pas être surchargée ou imposer des forces exagérées sur les éléments constitutifs avec lesquels eflea une interaction. Pendant de nombreuses années, on a proposé une mul- tiplicité de conceptions possibles pour le dispositif d'étan- chéité. Les concepts considérés comprenaient les joints soudés, les soufflets métalliques, les segments, les joints d'étanchéité en labyrinthe, et les patins sollicités par un ressort. Toutefois, chacune de ces conceptions présentait certaines caractéristiques indésirables pour le service demandé. Par exemple, les joints soudés ne permettent pas le mouvement relatif requis des éléments constitutifs sans des contraintes excessives et le risque d'une rupture. Les souf- flets métalliques ne peuvent pas supporter les mouvements dans les directions - et les amplitudes requises dans des limites de contrainte tolérables. Les segments de piston et les patins sollicités par un ressort sont sujets à un coincement et, sur toute la durée de vie utile requise exempte ( d'entretien, à une fuite exagérée éventuelle, ainsi qu'à une rupture possible du ressort. En ce qui concerne les joints d'étanchéité en labyrinthe, ceux-ci ont tendance à limiter les fuites plut8t que de les empêcher, particulièrement lorsque l'écoulement de fuites est réparti de façon irrégulière par suite des mouvements relatifs non-uniformes. C'est pourquoi l'objet principal de la présente invention est de procurer des dispositifs d'étanchéité qui assurent une étanchéité efficace parmi les fluides lorsque les éléments constitutifs définissant les trajets d'écoulement des fluides sont sujets à des mouvements relatifs notables dans des directions multiples. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans un dispositif assurant une étanchéité vis-à-vis des fluides et destiné à un conduit d'acheminement de fluide raccordé à une cuve à double paroi, caractérisé par le fait que ledit conduit est monté sur la paroi extérieure de la cuve et comporte une partie formant ajutage s'étendant à travers une ouverture de la paroi intérieure en étant espacée de cette dernière, les parois en regard dudit ajutage et de la section délimitant ladite ouverture comportant des rainures ouvertes situées en regard et formées dans ces parois, un disque d'étanchéité flexible annulaire étant disposé dans lesdites rainures ouvertes de manière à combler l'espace compris entre ledit ajutage et ladite paroi intérieure, les- dites rainures étant espacées axialement de manière à maintenir le disque d'étanchéité précité dans une forme conique fléchie. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une élévation _ coupe schématique d'une cuve de réacteur nucléaire et d'éléments constitutifs intérieurs choisis; la figure 2 est une vue en coupe de la région d'ajutage de sortie d'un réacteur nucléaire; la figure 3 est une vue en perspective, partiellement en coupe, de l'ajutage de sortie d'un réacteur nucléaire; la figure 4 est une vue de face d'un disque d'étanché- ité selon la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe d'un disque d'étan- chéité selon la présente invention à l'état monté; la figure 6 est une vue en coupe d'un disque d'étan- chéité à l'état monté dans une position de fonctionnement; la figure 7 est unevue en coupe d'un type de disque fabriqué selon la présente invention; et la figure 8 est une vue en coupe du disque de la figure OO 1 - 7 à l'état monté. En se référant maintenant à la figure 1, on voit que l'on y a représenté à titre d'exemple une cuve 10 de réacteur nucléaire, cuve à l'intérieur de laquelle est supporté un coeur constitué par une pluralité d'assemblages 12 contenant du combustible nucléaire. Un fluide réfrigérant, comme par exemple de l'hélium gazeux, de l'eau ou du sodium liquide, destiné à refroidir le réacteur, pénètre dans la cuve par un ajutage d'entrée 14, s'écoule vers le haut à travers les assemblages 12 en absorbant l'énergie thermique et est déchargé à travers une buse de sortie 16, de façon typique dans un échangeur de chaleur. Cet écoulement primaire, à la sortie du coeur, se trouve à une température élevée. Par exemple, dans les réacteurs nucléaires surrégénérateurs refroidis au sodium, l'écoulement primaire se trouve à une température de l'ordre de 5400C. Un circuit d'écoulement secondaire ou de dérivation est également prévu pour maintenir l'intérieur de la paroi de la cuve à une température basse de façon acceptable, de l'ordre de 450*C. Le réfrigérant de dérivation s'écoule à travers une pluralité d'orifices 18 puis vers le haut à travers un espace annulaire 22 d'écoulement de dérivation. L'espace annulaire 22 est délimité par la paroi intérieure de la cuve 10 et par une chemise ou blindage thermique 24. L'ajutage de sortie 16 comprend une chemise 17 d'ajutage représentée sur la figure 2. La chemise 17 d'ajutage et la chemise thermique 24 sont exposées à la fois au réfrigérant primaire et au réfrigérant de dérivation plus froid. L'écou- lement de dérivation se trouve, de façon caractéristique, à une pression supérieure d'environ 0,070 g/cm à celle de l'écoulement primaire à l'ajutage de sortie. On remarquera que l'écoulement primaire de réfrigérant frenicîMt, c'est-à-dire s'écoule à travers, le réfrigérant s'écoulant dans l'espace annulaire 22 d'écoulement de dérivation quand il traverse l'ajutage 16. Une fuite de réfrigérant entre l'espace annulaire 22 de dérivation et la zone d'écoulement du réfrigérant primaire doit être éliminée, ou sensiblement atténuée, pour éviter d'altérer le refroidissement de la cuve, particulièrement à l'endroit de la région de l'ajutage de sortie ou au-dessus de cette région et pour éviter un endommagement exagéré par suite de fatigue en raison du recyclage thermique à l'endroit des fuites. Un détail supplémentaire de la région d'ajutage de sortie est représenté sur les figures 2 et 3. Par suite des contraintes d'origine thermique ainsi que d'autres contraintes, il se produit un mouvement relatif notable, de l'ordre de 19 mmentre le rebord 26 de la chemise thermique 24 et le rebord 28 de la chemise 17 d'ajutage de sortie. Ce déplacement relatif se produit à la fois dans la direction axiale (le long de l'axe de l'ajutage de la gauche vers la droite pour la figure 2)et dans la direction radiale (perpendiculaire à l'axe de l'ajutage, de haut en bas sur la figure 2). De plus, par suite d'un gradient de température axiale le long de la chemise thermique 24, la forme cylindrique initiale du rebord 28 de la chemise peut s'incliner légèrement de sorte que l'axe de l'ouverture de la chemise thermique n'est plus parallèle à l'axe de l'ajutage de sortie 16. Des distorsions thermiques dans cette région peuvent entraîner une déviation, par rapport à un plan, des surfaces initialement plates du rebord 28 de chemise thermique. Un ou plusieurs disques d'étanchéité 30 sont donc utilisés pour assurer une étanchéité vis-à-vis des fluides entre l'écoulement de dérivation et l'écoulement du réfrigérant primaire. Les disques 30 sont flexibles et sont constitués par une matière choisie pour être compatible avec les fluides et les conditions d'environnement auxqueUl sont exposés ces disques. Selon l'application, des matières telles que des métaux ferreux et non-ferreux, ainsi que des matières plastiques et des élastomères sont des matières envisageables. Les disques sont disposés à l'intérieur d'un réceptacle intérieur 32 et d'un réceptable extérieur 34. Les réceptacles 32, 34 ont la forme d'une rainure, c'est-à-dire qu'ils forment une rainure annulaire comportant deux côtés 36, un arrière 38 et une section avant ouverte 40. Les réceptacles sont repré- sentés en coupe transversale comme étant rectangulaires dans leur ensemble, bien que d'autres configurations soient éga- lement possibles. Toutefois, les réceptacles doivent comprendre chacun au moins un côté 36 qui est plat ou comporte une partie plate, et l'arrière 38 d'un des réceptacles doit être disposé par rapport au disque 30 de manière qu'un contact avec ce dernier soit empêché. Comme on peut le voir, les surfaces plates sont les régions d'étanchéité principaleset permettent un mouvement relatif entre le disque et le réceptacle sans perte d'intégrité d'étanchéité et sans grippage. Le récep- tacle intérieur 32 est orienté vers l'extérieur en sens opposé à l'axe 42 d'ajutage et le réceptacle extérieur 34 est orienté vers l'intérieur en direction de l'axe 42 d'ajutage. Les réceptacles orientés de façon opposée ne sont pas alignés sauf pendant une brève période au cours de l'installation initiale du disque de manière qu'un degré de charge préalable soit maintenu en permanence. Comme on peut mieux le voir sur les figures 4 et 5, la périphérie intérieure 46 du disque d'étanchéité annulaire 30 est pourvue d'un bord agrandi 48 et la périphérie extérieure du disque d'étanchéité 30 est également pourvue d'un bord agrandi 52. Les bords agrandis 48, 52 font saillie vers l'ex- térieur depuis le corps 53 et les surfaces 54,56 du disque. Dans son mode de réalisation préféré, le bord intérieur agrandi 48 forme une section droite à profil en T dans son ensemble en coopération avec le corps 53 du disque. Le bord 48 est en contact avec le coté 36 du récepta le, mais est espacé de l'arrière du réceptacle. Le bord agrandi extérieur 52 a une configuration sphériqueou en forme de bulbe dans son ensemble, qui est en contact avec les c6tés du réceptacle et également, de préférence,avec l'arrière. De nombreuses autres formes de bords sont possibles bien que des périphéries courbes, contrairement aux angles vifs, !5zieht préférées pour atténuer la possibilité de grippage entre les bords agrandis ou les parois du réceptacle. On obtient l'étanchéité vis-à-vis des fluides dans l'exemple de système grâce à un contact métal-métal entre les bords 48,52 et les réceptacles. Les forces de contact sont engendrées par plusieurs effets. L'un de ceuxci est une charge préalable axiale résultant de la configuration conique"en place'du disque an- nulaire représenté sous une forme simplifiée sur la figure 8. La figure 7 montre la nature plate du disque tel que fabriqué et la figure 8 montre la configuration tronconique D'autres forces d'étanchéité sont engendrées par la différence de tempé- rature transversalement à l'épaisseur du corps 53 du disque, différence qui fait que le disque a tendance à se bomber de sorte que, tel qu'on le voit sur la figure 2, ce disque tend à devenir concave sur la surface plus froide (droite) 54 et convexe sur la surface plus chaude (gauche) 56. Du fait que le mouvement relatif ou axial libre des périphéries du disque est entravé par le contact avec les réceptacles, un contact d'étanchéité métal-métal apparaît sur le côté droit du disque à son bord extérieur 52 et sur le c8té gauche de ce disque à son bord intérieur 48. Cette relation est représentée, sous une forme exagérée, sur la figure 6. Les forces de contact d'étanchéité sont maintenues poêr toutes les conditions et pour toutes les configurations de fonctionnement du réacteur à l'état stable, y compris les mouvements relatifs entre le rebord 26 de chemise thermique et le rebord 28 de chemise d'ajutage de sortie. Un degré de charge préalable est maintenu tant que les réceptacles opposés ne sont pas alignés. Comme on peut le voir dans la partie inférieure de la figure 6, la surface d'étanchéité 29 est plate de manière que le bord 52 en forme de bulbe puisse tourner et qu'un contact d'étan- chéité puisse se maintenir. Les bords intérieurs et extérieurs du disque flexible suivent les mouvements relatifs respectifs ainsi que les déformations des éléments constitutifs. On remarquera sur la figure 6 qu'un déplacement exagéré pourrait se traduire par un contact des surfaces de disque 54, 56 avec les coins 60 des réceptacles, par exemple à l'endroit du coin référencé 60'. Les réceptacles et la périphérie du disque doivent donc être dimensionnés et configurés de manière qu'un tel contact ne puisse pas avoir lieu. Par exemple, il ne faut pas que les côtés soient excessivement longs. De plus, les coins 60 peuvent être arrondis ou chanfreinés comme représenté en 60". Comme on peut le voir sur la figure 2, les réceptacles peuvent être constitués par plusieurs éléments. Les éléments constitutifs représentés comprennent des bagues d'espacement 62, une bague de retenue intérieure 75, une bague de retenue extérieure 66, et des goupilles de blocage 70. Dans l'exemple de système de réacteur, le disque d'étanchéité 30 et les- bagues d'espacement 62 sont en alliage durci revêtu suivant les besoins avec des matières présentant des propriétés supérieures de frottement et d'usure, par exemple du carbure de chrome. Les autres éléments constitutifs comprenant l'aju- tage et la chemise thermique sont de préférence en acier inoxydable du type 304 ou 316. Pour réduire à un minimum la fuite qui contourne les disques d'étanchéité 30 par des trajets de fuite parallèles, il est nécessaire de maintenir un ajustement serré pendant le fonctionnement entre les bagues d'espacement 62 et les rebords 26, 28. On peut obtenir ce résultat, par exemple1par une contraction mutuelle des pièces pendant l'assemblage ou en tirant partie des différences de température de fonction- nement et/ou des coefficients de dilatation thermique des éléments constitutifs pour faire venir mutuellement en contact sans jeu ces éléments constitutifs. Pendant l'installation, on déforme les disques annu- laires 30 initialement plats de manière qu'ils prennent une forme conique peu profonde en appliquant une force axiale appropriée aux bagues-de retenue intérieure 64, en obtenant ainsi un contact et une étanchéité initiales entre les disques 30 et les bagues d'espacement 62. On bloque à la fois la bague de retenue intérieure 64 et la bague de retenue exté- rieure 66 sur le rebord 28 de chemise d'ajutage de sortie et sur le rebord 26 de chemise thermique, respectivement, à l'aide de goupilles de blocage 70 ou de tout autre moyen approprié. On choisit les disques 30 de manière que les contacts d'étanchéité voulus soient maintenus lors du mouvement axial escompté du rebord 26 de chemise thermique en direction de l'extérieur par rapportau rebord 28 de chemise d'ajustage de sortie. En outre, l'action d'étanchéité se trouve accrue pendant le fonctionnement en raison de la tendance du disque à fléchir sous l'effet du gradient de température existant sur l'épaisseur de son corps 53,avec une température plus élevée sur la surface 54 par rapport à la température régnant sur la surface 56. On voit que les disques flexibles 30 peuvent absorber des combinaisons complexes de mouvement relatif des éléments de confinement, y compris une ondulation inégale entre le rebord 26 de chemise thermique et le rebord 28 de chemise d'ajutage. Des modifications supplémentaires de l'agencement de disque annulaire sont également possibles pour l'exemple décrit ainsi que pour d'autres applications. Les disques peuvent être supportés et plus fortement retenus au bord intérieur tout en étant librezde coulisser au bord extérieur. Les disques et les réceptacles peuvent être constitués par diverses matières, ou revêtus de matières telles que le carbure de chrome, susceptible de réduire le frottement et l'usure aux surfaces de coulissement. On peut choisir l'épaisseur et les caractéristiques mécaniques du disque de manière à obtenir un taux d'élasticité, des forces de zéaction, des contraintes et une flexibilité voulus. Le disque peut prendre une configuration choisie sur le bord intérieur, et une configuration quelque peu différente sur le bord extérieur, selon la forme des éléments constitu- tifs de retenue. Il est important,toutefois, que le disque soit supporté entre des éléments constitutifs non alignés de manière que ce disque soit contraint de prendre une configuration conique dans son ensemble avec une tendance à bomber. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité Vis-à-vis des fluides pour un conduit d'acheminent de fluide raccordé à un récipient à double paroi, caractérisé par la fait que ledit conduit (16) est monté sur la paroi extérieure du récipient (10) et comporte un ajutage (17) s'étendant à travers une ouverture de la paroi intérieure (24) en tant espacé de cette dernière, les parois en regard dudit ajutage (17) et de la section délimitant ladite ouverture comportant des rainures ouvertes en regard formées dans ces parois, et qu'un disque d'étan- chéité flexible annulaire (30) est disposé dans lesdites rainures ouvertes de manière à combler l'espace entre ledit ajutage (17) et ladite paroi intérieure (24), lesdites rainures étant espacées axialement de manière à maintenir le disque d'étanchéité précité dans une forme conique fléchie. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les bords intérieuret extérieur du disque d'étanchéité précité (30) comportent des bords (48,52) en forme de bulbe,un desdits bords pouvant coulisser dans une direction radiale à l'intérieur de la rainure correspondante. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit bord (48) pouvant coulisser est plus large que l'autre bord (52). 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdites rainures sont formées par des réceptacles (32,34) comportant des côtés plats avec lesquels le bord correspondant (48) est en contact de glissement.