Brevet FR2524967A1 — publié le 19831014

i La présente invention se rapporte à des tubes à dou- ble paroi de conception perfectionnée pour un générateur de vapeur utilisé dans un réacteur surrégénérateur à refroidissement par métal liquide. L'une des conceptions en cours de développement pour les générateurs de vapeur utilisés dans les réacteurs surrégé- nérateurs à refroidissement par métal liquide, fait appel aux tubes à double paroi pour constituer l'interface d'échange de chaleur entre le sodium et l'eau Le tube intérieur peut conte- nir l'eau tandis que l'enveloppe du générateur de vapeur contient le sodium liquide L'échange de chaleur se fait du sodium liqui- de vers l'eau qui se trouve à l'intérieur des tubes Un espace interne formé entre les deux parois de tube contient un gaz Si la paroi extérieure du tube est percée par le sodium ou si l'eau perce la paroi intérieure du tube, une fuite de l'un ou de l'autre de ces éléments pourra être détectée avant que ne se produise une réaction entre le sodium et l'eau L'espace in- terne est rempli d'hélium circulant à des pressions intermé- diaires entre celle de l'eau ou de la vapeur circulant à l'in- térieur du tube à double paroi, et celle du sodium contenu dans l'enveloppe du générateur de vapeur A l'interface des deux tubes, sont formées quatre rainures longitudinales qui se pro- longent sur toute la longueur des tubes et qui communiquent avec un réservoir de gaz isolé Ce réservoir est formé au mo- yen des assemblages des tubes à double paroi et de la plaque tubulaire Ce réservoir est relié, à son tour, à des instru- ments de détection des fuites d'eau afin de surveiller les per- cées de la paroi intérieure La région du générateur de vapeur contenant le sodium est reliée à des instruments de détection de l'hélium afin de surveiller les percées de la paroi exté- rieure du tube. Cette conception de tubes à double paroi témoigne de beaucoup de prudence en ce qui concerne les réactions entre le sodium et l'eau mais elle comporte un danger possible d'usure à l'interface des parois des tubes Ces parois sont en contact à certains endroits, même s'il existe un intervalle théorique entre elles Dans le générateur de vapeur, les tubes sont sou- mis à des gradients de température à la fois longitudinaux et radiaux Un des résultats nets est un glissement longitudinal à l'interface des parois des tubes Ces conditions conduisent à la possibilité d'une usure périodique à l'interface lorsque les températures des tubes varient au démarrage, pendant les montées et les descentes en puissance et au cours d'autres états thermiques transitoires Du fait de la forme géométrique du tube à double paroi, le métal d'usure formé à l'interface reste emprisonné dans l'intervalle, ce qui peut augmenter da- vantage la contrainte de charge aux endroits locaux d'usure Le fait que cette usure peut se produire, a été démontré par des résultats d'essais Une solution possible à ce phénomène de glissement et d'usure entre le tube formant la paroi intérieure et le tube formant la parci extérieure, consiste à prêcontrain- dre les tubes au cours de leur fabrication L'objet de cette précontrainte est d'empêcher le mouvement de glissement à l'in- terface On peut également s'attendre à un meilleur rendement de l'échange de chaleur, du fait de la précontrainte Actuel- lement, un certain doute subsiste concernant l'efficacité avec laquelle la précontrainte peut éliminer le phénomène de glis- sement à l'interface On ignore dans quelle mesure les tubes précontraints seront relaxés au cours de leur durée de vie u- tile. L'objet principal de la présente inventionrest donc de fournir un tube dont la conception nouvelle permet d'élimi- ner complètement le phénomène d'usure à l'interface sans renon- cer aux propriétés d'échange de chaleur ou à la détection des fuites La présente invention a également pour objet un procé- dé de fabrication de ce tube. Pour réaliser cet objet, la présente invention réside en un générateur de vapeur pour réacteur surrégénérateur à re- froidissement par métal liquide, du type à tubes à double pa- roi, caractérisé en ce que l'interface entre les doubles parois de tube est bloquée par un moyen mécanique prévu pour empêcher le glissement du tube formant la paroi intérieure par rapport au tube formant la paroi extérieure. La présente invention réside également en un procédé de blocage mécanique entre la face extérieure d'un tube formant la paroi intérieure et placé dans un tube extérieur, et la fa- ce intérieure de ce tube extérieur, ce procédé étant caracté- risé en ce qu'il comprend les stades suivants: formation d'u- ne surface non lisse sur la face extérieure du tube intérieur; introduction de ce tube intérieur dans le tube extérieur, ce dernier présentant une face intérieure lisse; et jumelage des tubes formant la paroi intérieure et la paroi extérieure de manière à provoquer la déformation de la face intérieure du tube extérieur par la face extérieure du tube intérieur afin de réaliser un blocage mécanique des deux tubes. La présente invention sera bien comprise à la lec- ture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un tube à double paroi suivant l'art antérieur, destiné à un gé- nérateur de vapeur; la figure 2 est une vue en coupe schématique, à plus grande échelle, de la zone délimitée à la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe schématique du tube à double paroi conçu suivant la présente invention. On se reportera maintenant à la figure 1 qui illustre la configuration fondamentale d'un tube à double paroi pour gé- nérateurs de vapeur. Un tube intérieur 2 introduit dans un tube extérieur 3 constitue un "tube à double paroi' avec uneinterface 5 L'eau (la vapeur) circule à l'intérieur 1 du tube tandis que le so- dium liquide entoure le tube Des rainures 4 remplies de gaz communiquent avec un réservoir de gaz (non représenté) Les flèches indiquées à la figure 1 illustrent le mouvement de glissement tel qu'il peut se produire au cours des variations de température Dans le cas d'un tube droit à double paroi uni- forme, la surface moyenne de cisaillement au cours de la dila- tation longitudinale due aux différences de température, est la surface cylindrique droite à l'interface 5 des parois Dans le tube précontraint de conception courante, l'interface 5 est e soumise à une compression qui empêche le glissement et l'usure résultante La résistance au glissement résulte du frottement superficiel et de la résistance au cisaillement des aspérités 6 formées a la surface du tube comme le représente la figure 2 La surface de contact représente probablement 5 % environ de la surface totale dans un tube vraiment précontraint et présentant un intervalle nominal de 0,0025 à 0,0063 mm à l'in- terface 5 Une variation très faible des dimensions et (ou) une perte de compression à l'interface 5 résultant d'une relaxa- tion des contraintes ou de gradients importants de température en service permettraient un glissement des tubes. La figure 3 illustre le concept de base de la pré- sente invention, c'est-à-dire le blocage mécanique des surfa- ces de paroi des tubes à l'interface 5 Dans cette conception, le glissement à l'interface 5 ne peut se produire sans le ci- saillement d'une quantité significative de métal de base au voisinage de l'interface Il suffit de donner à ce dispositif de blocage une configuration qui empêchera tout déplacement de cisaillement dans le sens longitudinal Il-n'est pas nécessai- re d'empêcher les gradients de température dans le sens radial, pourvu que les variations de dimensions de l'intervalle soient faibles comparativement à la longueur de la pénétration inté- rieure à l'interface Le blocage nécessaire peut être réalisé à l'échelle macroscopique ou microscopique et présenter une configuration simple telle que celle de l'interface ondulée il- lustrée à la figure 3. Il est facile de créer une configuration d'interface telle que celle qui est représentée & la figure-3 Les caracté- risations microstructurelles de divers tubes à double paroi ont montré expérimentalement que la configuration souhaitée d'in- terface pouvait être obtenue par un procédé appelé jumelage. Dans ce procédé, on dispose, au départ, d'un tube extérieur dont la face intérieure est relativement lisse et d'un tube intérieur dont la face extérieure a la configuration souhaitée On intro- duit les deux tubes l'un dans l'autre et on les:étire tous les deux dans le sens longitudinal L'étirage provoque la contrac- tion du tube extérieur sur le tube intérieur dont la face exté- rieure préformée déforme de manière permanente la face intérieu- re du tube extérieur On a observé que, en conséquence de l'éti- rage pratiqué pendant l'opération de jumelage qui fait partie des processus courants de fabrication, la face extérieure du tube intérieur pénètre de 0,0016 à 0,0019 mm dans l'espace constitué par les rainureslongitudinales qui sont préformées dans la face intérieure du tube extérieur Ceci indique que, même dans le présent procédé, le métal flue pendant le jumela- ge en quantité suffisante pour réaliser l'interface de blocage si la face extérieure du tube intérieur est correctement pré- formée. Pour produire des crêtes et des vallées circonféren- tielles sur la face extérieure du tube intérieur, la face in- térieure restant lisse, cylindrique et d'un diamètre correct, on peut effectuer un emboutissage planétaire ou simplement un meulage grossier de la face extérieure du tube intérieur avant de procéder au jumelage. Dans le cadre d'un programme de mise au point de tu- bes précontraints à double paroi, deux échantillons de tubes à double paroi et ayant un contact d'interface sur 20 mm, ont été soumis à des charges s'élevant jusqu'à 4300 kg et ont été chargés cycliquement à 4100 kg ou plus pendant au moins 95 cycles à 400 'C Un échantillon a été essayé à l'état brut de précontrainte et un autre après un traitement thermique de re- laxation des contraintes Les deux échantillons présentaient par ailleurs un blocage mécanique à l'échelle microscopique. Aucun échantillon n'a subi de glissement et aucune usure n'a été constatée Des échantillons similaires qui ne comportaient pas d'interface de contact, ont glissé sous des charges de 36,3 kg et une usure s'est produite à l'interface. L'adjonction d'un blocage mécanique aux tubes à dou- ble paroi permet de supprimer la précontrainte. Pour l'appréciation de certaines des valeurs de me- sure indiquées ci-dessus, on doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention a été conçue dans le cadre d'un contrat conclu avec le Gouvernement des Etats-Unis d'Améri- que sous le no DOE-AC 02-77 ET 37201. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui ap- paraltront à l'homme de l'art. REVENDl CATI ONS l Générateur de vapeur pour réacteur surr 6-neiateux à refroidissement par métal liquide du type à tubes à double paroi, caractérisé en ce que l'interface entre les doubles pa- rois de tube est bloquée par un moyen mécanique prévu pour (r - pcher le glissement du tube formant la paroi irnt-ri(ure par rapport au tube formant la paroi extérieure. 2 Procédé de blocage mécanique entre la face exté- rieure d'un tube formant la paroi intérieure et placé dans un tube extérieur, et la face intérieure de ce tube extérieur, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les stades de formation d'une surface non lisse sur la face extérieure du tube intérieur; introduction de ce tube Intérieur dans le tu- be extérieur, cedernierprésentant une face intérieure lisse; l 5 et jumelage des tubes formant la paroi intérieure et la paroi extérieure de manière à provoquer la déformation de la face intérieure du tube extérieur par la face extérieure du tube intérieur afin de réaliser un blocage mécanique des deux tubes. 3 Procédé suivant la revendication 2,1 caractérisé en ce que la face extérieure non lisse du tube intérieur pré- sente une configuration produite par un meulage grossier de cette face extérieure. 4 Générateur de vapeur suivant la xevendication 1, caractérisé en ce qu'une surface ondulée est formée par embou- tissage sur le tube intérieur en vue d'un contact de ce tube intérieur avec le tube extérieur.