Brevet FR2531883A1 — publié le 19840224

i L'invention concerne d'une manière générale un procédé d'expansion d'un tube, et plus particulièrement la pré-expansion d'un tube d'échangeur de chaleur à l'aide d'un fluide sous pression. Pendant la fabrication d'échangeurs de chaleur à tubes et enveloppe, il est courant d'expanser un tronçon de tube afin qu'il s'ajuste dans un alésage d'une plaque tubulaire Divers outils d'étampage mécanique sont utili- sables à cet effet, la plupart comprenant un mandrin qui possède des galets pouvant être forcés radialement vers l'extérieur en même temps que le mandrin est tourné à l'intérieur de l'alésage du tube. Une force radiale pour amener, par déformation, le tube en contact avec l'alésage de la plaque tubulaire peut également être exer- cée par un fluide hydraulique Des exemples de ce procédé sont dé- crits dans les brevetsdes Etats-Unis d'Amérique N O 3 9798102 no 4 125 937, N O 4 159 564 et no 4 210 991 Dans le brevet 3 979 810 précité, un mandrin portant des joints toriques espacés est introduit dans le tube après sa pose dans une plaque tubulaire, et un fluide sous pression est introduit par des canaux ménagés dans le mandrin pour expanser le tube L'étampage au rouleau d'une partie du tronçon expansé élimine ensuite une partie des contraintes de fraction résultantes, et élimine également les crevas- ses annulaires situées au bord intérieur de l'alésage de la plaque tubulaire. Les trois autres brevets précités décrivent des mandrins d'expansion do tubes Le brevet N O 4 125 937 décrit l'utilisation d'une partie conique sur le mandrin et d'un ressort hélicoïdal coopérant avec cette partie conique pour faciliter l'introduction du mandrin dans-le tube et loger le joint torique, une fois que le mandrin est en position Dans le brevet N O 4 159 564 précité, une bobine à courants de Foucault est utilisée pour positionner le mandrin avant l'application du fluide sous pression. Une impulsion à très haute pression est appliquée à l'es- pace annulaire, déjà sous pression, formé entre un tube et un mandrin dont l'étanchéité est assurée par des joints toriques, dans le cas du brevet no 4 210 991 précité Ceci assure l'expansion complète du tube à l'intérieur de l'alésage d'une plaque tubulaire. Dans l'art antérieur, on ne s'est pas attaqué au problème posé par la mise en place d'un tube dans une plaque tubulaire et/ou un support après qu'un traitement destiné à améliorer la transmission de la chaleur a été appliqué à la surface extérieure du tube Il est bien con- nu que l'application de métal fritté ou d'un revêtement poreux projeté à chaud sur la surface extérieure d'un tube accrolt notablement sa capacité de transmission de chaleur en améliorant l'ébullition germinée. De tels revêtements sont relativement fragiles et risquent de se fissurer ou de se briser et d'être éli- minés si les tronçons adjacents du tube sont expansés dans une plaque tubulaire et/ou un support après l'application du revêtement Des particules de la matière de revêtement peuvent par la suite contaminer le fluide d'échange de chaleur et le dispositif raccordé. La surépaisseur constituée par le revêtement améliorant la transmission de la chaleur accroît le dia- mètre des alésages des supports de tube et des plaques tubulaires dans lesquels le tube est introduit lorsqu'il est posé Par conséquent, le tube doit être expansé à un plus grand diamètre pour se loger dans ces alésages S'il est étampé à la molette en une seule opération, sans re- cuit, le tube risque de se fissurer par écrouissage. L'expansion d'un tube au diamètre relativement plus grand demandé pour un tube revêtu par rapport à un tube qui ne l'est pas accroit notablement le risque d'apparition de telles fissures. L'invention a donc pour objet un procédé de pré- expansion d'un tube d'échangeur de chaleur avant sa mise en place dans une plaque tubulaire et/ou un support L'in- vention a également pour objet de réaliser une pré-expan- sion de tronçons choisis de tube avant l'application d'un revêtement de transmission de chaleur afin d'éviter la fissuration ou la rupture et l'élimination du revêtement après la mise en place du tube dans une plaque tubulaire. L'invention a également pour objet d'éviter la fissuration du tube lorsqu'il est installé dans une plaque tubulaire et/ou un support L'invention concerne donc un procédé de pré- expansion de tronçons choisis d'un tube d'échangeur de cha- leur avant sa mise en place dans une plaque tubulaire, ou dans un support de tube, de manière que les tronçons choi- sis soient expansés à un diamètre à peu près égal ou su- périeur au diamètre global prévu des tronçons de tube compris entre les tronçons expansés et sur lesquels doit être appliqué un traitement améliorant la-transmission de- chaleur par ébullition germinée Dans le procédé décrit, un mandrin, entouré concentriquement d'une vessie élas- tique allongée qui est scellée à chaque extrémité, est introduit dans l'alésage du tube Le mandrin et la vessie élastique sont placés à l'intérieur de l'un des tronçons choisis à expanser, et une matrice, ayant un évidement annulaire interne qui correspond à peu près aux dimensions du tube à l'état expansé, est placée de façon à entourer concentriquement le tronçon à expanser. Un fluide sous pression est refoulé dans un canal du mandrin afin de gonfler la vessie élastique pour qu'elle déforme vers l'extérieur le tube de l'échangeur de chaleur en le faisant pénétrer dans l'évidement annulai- re de la matrice Le traitement améliorant la transmission de chaleur par ébullition germinée est appliqué au tube, sur le tronçon qui n'est pas expansé, et le tronçon expansé est introduit dans une plaque tubulaire ou un support de tube. Le tronçon expansé est étampé mécaniquement, radialement vers l'extérieur, afin que le tube soit en contact intime avec la surface intérieure de la plaque tubulaire ou de l'alésage du support de tube. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupeilongitudinale d'un tronçon intermédiaire de tube à expanser, d'un mandrin et d'une matrice, ces éléments étant placés sur une section de tube avant son expansion conformément au procédé de l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un tronçon extrême d'un tube à expanser, d'un mandrin et d'une matrice, ces éléments étant placés à proximité de l'extrémité du tube avant son expansion; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1, après que le tube a été expansé; la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 2, après que le tube a été expansé; la figure 5 est une élévation partielle montrant l'application d'un revêtement poreux de surface favorisant l'ébullition, sur la surface extérieure d'un tube pr 6- expansé; - la figure 6 est une vue en bout de la matrice serrée en position sur un tube; la figure 7 est une élévation de la matrice en position sur un tube; et la figure 8 est une coupe longitudinale partiel- le du tube, montrant les tronçons pré-expansés étampés mécaniquement au rouleau après leur mise en place dans une plaque tubulaire et/ou un support. Les figures 1 à 4 et 6 et 7 représentent en détail un appareil destiné à expanser un tube par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention Comme montré sur la figure 1, une bride fendue 11 en acier est appliquée concentriquement sur la surface extérieure d'un tronçon intermédiaire de tube 10 La bride 11 est centrée sur l'axe longitudinal d'un mandrin 12 en acier qui est pla- cé à l'intérieur de l'alésage du tube 10, au point ou le tube doit être expansé, et elle sert de matrice, comme décrit ci-après. Le mandrin 12 comprend un cylindre de plusieurs centimètres de longueur, ayant un diamètre inférieur d'en- viron 2,5 mm au diamètre intérieur du tube 10 Le mandrin 12 est décolleté à un plus faible diamètre à chaque extré- mité, et des filets sont formés sur la surface extérieure du tronçon de diamètre réduit Des chapeaux 13 et 114 d'extrémité sont vissés sur les extrémités décolletées du mandrin 12 et sont suffisamment serrés pour brider en po- sition autour du mandrin 12 une vessie élastique 15, sur le chanfrein des extrémités décolletées Dans la forme préférée de réalisation, la vessie élastique 15 est cons- tituée d'une enveloppe de caoutchouc au néoprène dont l'épaisseur de la paroi, à l'état non déformé, est d'envi- ron 1,6 mm Les extrémités de la vessie élastique 15 sont bridées et scellées hermétiquement entre les tronçons chanfreinés complémentaires du mandrin 12 et des chapeaux d'extrémité 13 et 14 Des conduites 16 de fluide hydrau- lique sont vissées dans chacun des chapeaux d'extrémité 13 et 14 et s'étendent le long de l'alésage du tube 10 jusqu'à des ensembles analogues à mandrin et bride (non représentés), afin de réaliser une expansion simultanée de plusieurs tronçons espacés axialement le long du tube A une extrémité d'une série de tels ensembles, la conduite 16 est reliée à une pompe hydraulique convenable (non représentée) et, à l'autre extrémité de cette série d'ensembles, un obturateur convenable peut être vissé dans ltun des chapeaux d'extrémité 13 et 14 pour fermer hermé- tiquement le circuit Ainsi, une source unique de fluide hydraulique sous pression peut être utilisée pour expanser simultanément plusieurs tronçons espacés axialement le long du tube 10. Pendant l'opération d'expansion, un fluide hydraulique est appliqué sous pression par un canal 18 traversant le mandrin 12 suivant son axe longitudinal Le fluide hydraulique sous pression passe dans plusieurs canaux 17 qui partent de l'alésage 18 et qui aboutissent à la surface extérieure du mandrin, au milieu de sa lon- gueur Le fluide hydraulique refoulé par les canaux 17 déplace à force la vessie élastique 15 vers l'extérieur, ce qui a pour effet de déformer le tube 10 dans une cavité annulaire d'extension ou matrice 19 formée sur la surface intérieure des brides fendues 11 La cavité 19 est située sur la circonférence intérieure des brides fendues 11, possède un diamètre intérieur à peu près égal au-diamètre extérieur souhaité pour le tronçon expansé du tube, et présente un chanfrein d'environ 5 à chaque extrémité. Sur la figure 2, une bride fendue 20 est utilisée pour expanser un tronçon de tube 10 adjacent à une extrémité. La bride fendue 20 diffère de la bride fendue 11 par la forme de sa cavité d'expansion 21 Cette cavité 21 pré- sente un chanfrein de 5 à chaque extrémité, mais son au- tre extrémité n'est pas chanfreinée et s'étend à un dia- mètre constant bien au-delà de la partie chanfreinée du mandrin 12 Un chapeau d'extrémité 14 ' de plus grand dia- mètre est également utilisé avec la bride fendue 20 Bien que la figure 2 représente une conduite hydraulique 16 vis- sée dans le chapeau d'extrémité 14 ', un obturateur peut être vissé à la place de cette conduite dans le chapeau extrême 14 pour obturer le circuit, comme indiqué précé- demm-ent. Sur les figures 3 et 4, un fluide hydraulique sous pression est appliqué par l'intermédiaire de la con- duite hydraulique 16 pour expanser la vessie élastique 15 et déformer ainsi le tube 10 qui l'entoure Ces figures montrent les résultats obtenus avec des brides fendues in- termédiaires 11 et des brides fendues extrêmes 20, respec- tivement Le fluide hydraulique appliqué par l'interrmé- diaire des conduites hydrauliques 16, de l'alésage 18 et des orifices 17 provoque une expansion de la vessie élas- tique 15 qui entre en-contact étroit avec le tube 10 de l'échangeur de chaleur A une pression d'environ 21 M Pa, un tube 10 de cuivre à paroi mince commence à se déformer dans la cavité d'expansion 19 ou 21; et à une pression d'environ 28 M Pa, ce tube 10 est "fixé" dans sa forme préexpanség. Le chapeau d'extrémité 14 ' est d'un plus grand diamètre que le chapeau d'extrémité 14 pour empêcher la vessie élastique 15 de se déchirer sur l'extrémité chan- freinée relativement effilée du chapeau 14, lorsque la vessie est expansée au moyen d'un fluide hydraulique Les cavités d'expansion 19 et 21 doivent être relativement lis- ses et toutes les parties entrant en contact aveç la vessie élastique 15 doivent être exemptes de bords effilés pour éviter l'usure et la perforation Etant donné que la ves- sie élastique 15 est maintenue dans toutes les directions, elle n'est pas sujette aux ruptures, quand bien même le fluide hydraulique applique une pression suf fisante pour déformer le tube 10 au-delà de sa limite élastique et pour lui faire épouser la forme des cavités d'expansion 19 ou 21. Pour supporter cette pression, les brides 11 et 20 sont réalisées en acier relativement épais et sont formées de deux parties, comme montré sur les figures 6 et 7 Les parties supérieure et inférieure de la bride d'acier 11 ou 20 sont reliées entre elles par des rebords 22 qui font saillie vers l'extérieur le long de chaque côté Des boulons 23 et des écrous 24 sont utilisés pour fixer l'une à l'autre ces deux parties des brides 11 ou 20. Après que le tube 10 a été expansé, on élimine la pression des conduites hydrauliques 16, on retire les brides 11 et 20 du tube, et on retire les mandrins 12 de l'alésage du tube Le tube 10 peut alors être soumis à une opération de pulvérisation à chaud ou à toute autre opération destinée à appliquer un revêtement améliorant la transmission de la chaleur sur sa surface extérieure, entre les tronçons expansés Un exemple d'une telle ap- plication est montré sur la figure 5 o un bec 25 de pul- vérisation à chaud est utilisé pour appliquer une surface poreuse d'ébullition 26 sur le tube 10, entre les tronçons expansés 27 Dans la forme préférée de réalisation, la surface poreuse 26 d'ébullition forme un revêtement à structure cellulaire ouverte, constitué de particules mé- talliques oxydées qui adhèrent à la surface du tube 10 et qui forment un nombre important de cavités d'amorce d'é- bullition La surface poreuse 26 ' d'ébullition améliore donc la transmission de la chaleur radialement vers l'extérieur à travers le tube 10 pour faire bouillir un liquide, tel qu'un fluide de refroidissement entourant le tube 10, avec une plus grande efficacité Des détails du procédé d'application à chaud d'une surface poreuse 26 d'ébullition sont donnés dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 03 990 862. Il convient de noter que les tronçons pré-expan- sés 27 du tube 10 doivent être expansés à un diamètre à peu près égal ou supérieur à la somme du diamètre du tube 10 et du double de l'épaisseur de la surface poreuse 26 d'ébul- lition pour permettre au tube 10 d'être convenablement mis en place dans les alésages 28 d'une plaque tubulaire 29 et d'un support de tube 29 ', comme montré sur la figure 8 Si le diamètre extérieur du tube 10 et de la surface poreuse 26 d'ébullition dépasse le diamètre des alésages 28, une partie du revêtement poreux 26 d'ébullition est éliminée par abrasion lorsque le tube 10 est introduit dans l'alé- sage Après l'installation du tube 10 dans la plaque tu- bulaire 29 et dans le support-29 ' de tube, un outil 30 d'étampage mécanique est introduit dans l'alésage du tube , et les tronçons pré-expansés 27 sont étampés mécani- quement au rouleau afin d'être expansés radialement vers l'extérieur pour être amenés en contact étanche et intime avec la surface intérieure des alésages 28 L'opération d'étampage au rouleau est effectuée dans chaque tronçon expansé 27 du tube 10 Il apparaît qu'il suffit d'une expansion radiale supplémentaire minimale, réalisée par l'outil 30 d'étampage pour "fixer" le tube 10 dans les alésages 28 et que le revêtement poreux 26 d'ébullition n'est donc soumis qu'à une très faible contrainte au cours de cette opération La pré-expansion des tronçons 27 réduit donc le risque de séparation par écaillage du revêtement poreux 26 d'ébullition lorsque le tube 10 est mis en place dans les plaques tubulaires 29, et-elle réduit notablement le risque de contamination du circuit d'échange de chaleur dans lequel les tubes 10 sont installés, contamination due aux particules détachées du revêtement poreux 26. Un avantage peut-être plus important de la pré- expansion du tube est l'élimination du risque d'éclatement au niveau des tronçons 27 L'opération de pré-expansion hydraulique réduit notablement le travail du métal et la fatigue du métal qui en résulte et qui apparaîtrait si les tubes 10 étaient mis en place sans pré-expansion, mais par simple étampage au rouleau pour être logés en position. L'expérience a montré que des tubes de cuivre à paroi re- lativement fine sont très sujets aux défaillances dues à un éclatement ou une fissuration par écrouissage au moment o ils sont étampés au rouleau pour être expansés de 1 à 1,25 mm en une seule opération. Le tube 10 pourrait également être pré-expansé par étampage au rouleau, puis recuit avant d'être mis en place dans une plaque tubulaire 29 et un support 29 ' de tube. Ce procédé est moins préféré que que la pré-expansion hydraulique, car il implique une étape supplémentaire et un coût plus élevé. Le procédé selon l'invention convient également lorsque d'autres types de surfaces poreuses d'ébullition sont utilisés, par-exemple une surface en métal fritté tel- le que celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amé rique no 3 384 154 Même si aucun revêtement poreux d'ébul- lition 26 n'est appliqué sur la surface extérieure du tube 10, le procédé de l'invention est également utile pour mi- nimiser le travail mécanique des tronçons pré-expansés 27 après que le tube laire 29 et dans le support 29 ' de tube Il est également possible d'utiliser d'autres moyens que le dispositif 30 d'étampage à rouleau, montré sur la figure 8, pour amener par expansion les tronçons pré-expansés 27 en contact in- time avec la surface intérieure de l'alésage 28. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de pré-expansion d'un tronçon choisi ( 27)de tube( 10)d'échangeur de chaleur avant sa mise en pla- ce dans une plaque tubulaire ( 29) et/ou dans un support ( 29 ') de tube, caractérisé en ce qu'il consiste à intro- duire une vessie élastique allongée ( 15) dansl'alésage du tube et à la placer dans le tronçon à expanser, à mettre en place une matrice ( 11), présentant un évidement annulai- re intérieur ( 19) autour du tronçon ( 27) du tube à expan- ser, et à mettre sous pression la vessie élastique au moyen d'un fluide, à une pression suffisante pour expanser la vessie afin qu'elle déforme le tube d'échangeur de cha- leur vers l'extérieur en le faisant pénetrer dans l'évide- ment annulaire de la matrice. 2 Procédé de pré-expansion de tronçons choisis ( 27) d'un tube ( 10) d'échangeur de chaleur avant la mise en place de ce tube dans une plaque tubulaire ( 29) ou un support de tube ( 29 '), afin que les tronçons choisis soient expansés à un diamètre à peu près égal ou supérieur au dia- mètre extérieur prévu d'uns partie du tube disposée entre les tronçons choisis et sur laquelle un traitement par bul- lition, germinée, destiné à améliorer la transmission de la chaleur, doit être applique, ledit diamètre comprenant l'épaisseur du traitement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un mandrin ( 12) dans l'alésage du tube de l'échangeur de chaleur, ce mandrin étant entouré concentriquement d'une vessie élastique allongée ( 15) fermée hermétiquement à chaque extrémité, à placer le man- drin et la vessie élastique à l'intérieur de l'un des tron- çons choisis à expanser, à mettre en place une matrice ( 11), présentant un évidement annulaire interne ( 19) ayant ap- proximativement les dimensions souhaitées pour le tronçon de tube expansé, afin qu'elle renferme concentriquement le tronçon à expanser, et à refouler un fluide sous pression par un canal ( 18) ménagé dans le mandrin, afin d'expanser la vessie élastique pour qu'elle déforme le tube d'échan- geur de chaleur vers l'extérieur en le faisant pénétrer dans l'évidement annulaire de la matrice 3 Procédé d'expansion d'un tube ( 10) d'échangeur de chaleur, auquel doit être appliqué un traitement d' ébullition germinée destiné à améliorer la transmission de cha- leur, le tube étant ensuite logé dans L'alésage ( 28) d'une plaque tubulaire ( 29) ou d'un support ( 29 ') de tube, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à introdui- re un mandrin allongé ( 12) dans l'alésage du tube, ce mandrin étant entouré concentriquement d'une vessie élas- tique ( 15) qui est fermée hermétiquement à chaque extrémité, à placer le mandrin à l'intérieur d'un tronçon ( 27) du tube à expanser, à mettre en place une matrice ( 11) présentant un évidement annulaire interne ( 19) ayant un diamètre à peu près égal ou supérieur au diamètre prévu de la partie du tube sur laquelle doit être appliqué le traitement amé- liorant la transmission de chaleur, afin que l'évidement entoure concentriquement l'extérieur du tronçon du tube dans lequel le mandrin a été placé, à injecter un fluide sous-pression; par l'intermédiaire d'un canal ( 18) ménagé dans le mandrin, afin d'expanser la vessie élastique vers l'extérieur pour la faire porter contre la surface inté- rieure du tube, ce qui a pour effet de déformer ce dernier et de provoquer son expansion dans l'évidement annulaire. de la matrice, à réduire la pression et retirer la matrice et le mandrin du tube, à appliquer un traitement d'ébullition genrinée améliorant la transmission de la chaleur, sur une partie du tube qui n'est pas expansée# à-introduire le tronçon expansé du tube dans un alésage ( 28) de la plaque tubulaire ou du support de tube, et à étamper mécaniquement au rouleau le tronçon expansé, radialement vers l'extérieur, afin que le tube soit amené en contact intime avec la sur- face intérieure de l'alésage de la plaque tubulaire ou du support. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'un fluide hydraulique est utilisé pour expanser la vessie élastique. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la matrice est fen- due longitudinalement en deux parties et en ce que l'étape consistant à mettre en place la matrice comprend la mise en place des deux parties sur des côtés opposés du tube et le bridage du tube qui est comprimé entre les deux parties de la matrice. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé en de que le fluide est sou- mis à une pression d'au moins 24,5 M Pa. 7 Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le traitement améliorant la transmis- sion par ébullition germinée consiste à appliquer par pulvérisation à chaud, un revêtement superficiel poreux ( 26), les 'tubes d'échangeur de chaleur étant en cuivre ou en alliage de cuivre. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'évidement an- nulaire de la matrice est chanfreiné de façon à former un angle aigu avec son axe longitudinal, à chaque extrémité, et en ce que la matrice est utilisée pour expanser un tron- çon de tube compris entre les extrémités du tube. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'évidement an- nulaire de la matrice est chanfreiné de façon à former un angle aigu avec son axe longitudinal, à une seule extrémi- té, et en ce que la matrice est utilisée pour expanser un tronçon du tube adjacent à une extrémité du tube. 10 Procédé d'expansion d'un tube ( 10) d'échan- geur de chaleur dans l'alésage ( 28) d'une plaque tubulaire { 29) ou d'un support ( 29 ') de tube, afin de minimiser le risque d'éclatement du tube, caractérisé en ce qu'il con- siste à pré-expanser un tronçon choisi ( 27) du tube à un diamètre légèrement inférieur au diamètre de l'alésage de la plaque tubulaire ou du support de tube, à introduire le tronçon pré-expansé du tube dans l'alésage, et à expanser mécaniquement le tube à l'intérieur de l'alésage pour l'em- mancher en position. 11 Procédé selon la revendication 10, caractéri- se en ce qu'il consiste en outre à recuire le tronçon pré- expansé avant son introduction dans l'alésage. 12 Procédé selon la revendication 10,:caracté- risé en ce que le tube est soumis à une pré-expansion hy- draulique qui consiste à introduire une vessie élastique allongée ( 15) dans l'alésage du tube et à la placer dans le tronçon à expanser, à mettre en place une matrice ( 11), présentant un évidement annulaire interne ( 19), autour du tronçon du tube à expanser, et à mettre sous- pression la vessie élastique au moyen d'un fluide soumis à une pression suffisante pour expanser la vessie afin qu'elle déforme le tube de l'échangeur de chaleur vers l'extérieur en le faisant pénétrer dans l'évidement annulaire de la matrice.