Brevet FR2540575A1 — publié le 19840810

La présente invention concerne le raccordemant étanche d'un élément plongeur à une enceinte à haute pression et/ou haute température. De façon générale, l'invention s'applique au raccordement étanche et démontable d'un élément cylindrique ou tubulaire quelconque à une enceinte quelconque. Mais, dans tout ce qui suit, pour faciliter L'exposé, on visera plus particulièrement le domaine d'application spécifique de l'invention, qui est le montage des éléments chauffants sur les pressuriseurs des centrales nucléaires à eau sus pression, cela n'ayant rien de limitatif. On sait que la régularisation de pression du circuit primaire des centrales nucléaires à eau pressurisée est assurée en partie par des éléments plongeurs chauffants ("cannes chauffantes") situées en partie basse du pressuriseur. Celle-ci a le plus souvent la forme d'une cuve en acier dont le fond est traversé par des éléments chauffants verticaux. A cet effet, le fond porte une série de manchettes tubulaires verticales dans lesquelles peuvent s'engager les éléments chauffants. La difficulté technologique du problème tient au fait que l'enceinte du pressuriseur sur laquelle il s'agit de monter, par l'intermédiaire des manchettes, des éléments plongeurs chauffants, travaille à des pressions élevées (de l'ordre de 170 bars) et à des températures élevées (pouvant aller jusqu'à 350 oc. Pour les premières centrales nucléaires à eau pressurisée installées en France, les éléments plongeurs chauffants, métalliques, ont été assemblés parsoudage sur les manchettes, une telle solution étant satisfaisante sur le plan de l'étanchéité et de la durabilité. Mais, en exploitation, une telle solution présente des inconvénients évidents : la dépose d'un élément chauffant, pour le remplacer, est une operation longue et coûteuse puisqu'il faut détruire la soudure existante, ce qui peut endommager' la manchette, et effectuer une nouvelle soudure. On remarquera de plus que les temps d'intervention ne peuvent être indûment prolongés sans de graves inconvénients, puisque le pressuriseur est "chaud, et que le personnel d'intervention est par conséquent soumis à une irradia tion.De plus, une telle intervention (destruction puis nouvelle soudure) nécessite une nouvelle épreuve hydraulique (l'intégrité de l'enveloppe sous pression ayant té "modifiée" par la soudure; ceci compte-tenu de la regle- mentation en vigueur. Dans ces conditions, il est apparu infiniment souhaitable de pouvoir monter et démonter très rapidement les éléments plongeurs chauffants dans les manchettes, d'une façon amovible, sans compromettre l'é- tanchéité du montage, l'intégrité de la manchette res-tant assurée dans toutes les phases opératoires. De nombreux ensembles de raccordement démontables permettent en principe de résoudre le-problème. du montage étanche d'un tube dans un manchon. On connaît en particulier des raccords vissés dont le serrage entraîne la compression d'un joint. En l'espèce, les essais conduits par la Demanderesse avec des ensembles de raccordement de ce type se sont montrés inopérants. En effet, le serrage, compte tenu des pressions en jeu, suppose des couples de serrage très importants qui risquent dè provoquer la torsion de la manchette. La présente invention propose deux dispositions pour résoudre ce problème. Selon un premier aspect, l'invention pro pose un nouveau type de raccord. Ce raccord comporte une première bride de montage, associée à la manchette, une seconde bride de montage associée à l'élément plongeur, un joint métallique élastique intercalé entre les deux brides, deux demi-bagues susceptibles de prendre appui contre un épaulement de la première bride, et deux pièces tubulaires coopérant entre elles par vissage, à savoir une pièce mâle repoussant les demi-bagues, et une pièce femelle repoussant la seconde bride. Le joint a une section en T, la barre du T'sue raccordant au corps selon un angle compris entre 95 et 1200, les brides ayant chacune une portée de bout et une portée tronconique coopérant respectivement avec le corps et la barre, de telle sorte que, au serrage, l'étanchéité se trouve assurée aussi bien par le corps que par la barre du T. Selon un autre aspect de l'invention, avantageusement, mais non nécessairement, combiné avec le premier, le raccord vissé et son joint sont mis, avant vissage en un état de précompression à l'aide d'un vérin spécial adapté à l'implantation de la manchette et de l'élément plongeur chauffant, cette misg en compression permettant le vissage des deux pièces tubulaires de vissage l'une sur l'autre, sans qu'un couple de torsion soit transmis à la manchette, et par conséquent sans détérioration de celle-ci. Le vérin, susceptible de coopérer avec tout raccord vissé du type précité, dans lequel un joint d'étanchéité est serré entre deux brides, comporte essentiellement une embase munie d'une ouverture centrale susceptible de permettre le passage de l'élément plongeur, perpendiculairement à la direction générale de l'embase, une.contreplaque de poussée munie aussi d'une ouverture centrale et susceptible de venir en prise à un bout du raccord, des cylindres hydrauliques ou pneumatiques de poussée disposés entre l'embase et la-contreplaque, des leviers pivotants d'accrochage montés sur l'embase et susceptibles de venir en prise à l'autre bout du raccord. De préférence, il y a trois cylindres;de poussée régulièrement répartis autour de l'axe central du vérin qui, en service, coïncide avec l'axe de l'élément plongeur. Les cylindres sont de préférence alimentés en fluide, par exemple de l'huile,-sous une pression telle que la force du vérin est de plusieurs milliers de daN. Selon un mode de réalisation avantageux, l'embase et la. contreplaque sont munies de fentes latérales reliant les ouvertures centrales respectives à la périphérie de l'embase et de la contreplaque pour permettre l'introduction latérale du vérin sur l'élément plongeur et porter ce dernier dans l'axe des ouvertures. I1 est alors prévu de préférence un élément de fermeture monté pivotant sur le verin pour libérer ou obturer lesdites fentes, et susceptible d'être verrouillé, tel que par goupillage, sur le vérin afin de refermer rigidement au moins l'embase autour d plongeur après introduction du vérin sur celui-ci. La description qui va suivre et les dessins annexés auxquels elle se réfère, feront mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée, les caractéristiques figurant dans la description ou apparaissant sur les dessins faisant bien entendu partie intégrante de la présente invention. Sur les dessins annexés - la figure 1 représente en coupe verticale l'implantation d'une pluralité d'éléments chauffants sur un pressuriseur; - la figure 2 représente en demi-vue de côté et en demi-coupe axiale un dispositif de raccordement selon l'invention - la figure 2a représente le joint du dispositif de raccordement de la figure 2, en coupe axiale transversale, - la figure 3 représente selon les demi-plans de coupe référencés III-III sur la figure 3b le montage du dispositif de raccordement de la figure 2, à l'aide d'un vérin spécial ; - la figure 3a représente une vue de dessus selon les flèches A de la figure 3 - la figure 3b représente une vue en coupe selon la ligne de coupe B-B de la figure 3. La figure 1 montre la cuve en acier C d'un pressuriseur. Une telle enceinte est remplie d'eau à une pression de service de 170 bars et des températures dépassant 3000C. Le fond F de la cuve du pressuriseur est muni de manchettes tubulaireS-metalliques M soudées à la cuve. En général, comme représente les manchettes M sont disposées en groupes, par exemple en groupes de 7 manchettes voisines. De ce fait, l'espace de travail autour de chacune des manchettes est mesuré. Les éléments plongeurs chauffants P sont introduits dans les manchettes M et débouchent dans la cuve C du pressuriseur. Dans la technique antérieure, de tels éléments chauffants sont soudés par leur chemisage externe métallique sur les manchettes M, elles-mêmes métalliques. I1 apparaît que la pose et la dépose d'un tel élément soudé est une opération délicate et relativement longue, alors même que le personnel chargé de ces opérations est soumis à des radiations non négligeables. I1 est donc extrêmement souhaitable en pratique de disposer d'un système de raccordement amovible pour remplacer les soudures. Ce système doit être d'une mise en oeuvre simple et rapide, aussi bien au montage qu'au démontage I1 doit être réutilisable. Enfin et surtout, il doit rester parfaitement étanche malgré les pressions et températures élevées indiquées cidessus. La Demanderesse s'est livrée à de nombreuses études pour finalement mettre au point d'une part une structure de raccord vissé particulièrement avantageuse, et,d'autre part, un mode de montage et démontage spécifique pour raccords vissés de tous types. La figure 2 montre l'ensemble de raccordement particulier selon la présente invention. Cet ensemble lGO, de revoler tion autour de l'axe central A-A de la manchette et du plongeur qu'il doit réunir comporte essentiellement une bride 110 solidaire de la manchette M, une bride 120 solidarisée, de façon étanche, par exemple par soudage, à l'élément plongeur P, un joint d'étanchéité 130 interposé entre les deux brides, deux demi-bagues de poussée, 140;; coopérant avec la bride 110 par son épaulement lîla un élément mâle de vissage, 150, prenant appui par un épaulement 151 contre les demi-bagues de poussée 140, un élément femelle de vissage ou écrou, 160a coopérant avec le premier tout en prenant appui par son épaulement 161 sur un épaulement 121 de la manchette 120 Dans le détail, on voit que les deux brides 110 et 120 comportent une portée de bout, perpendiculaire a l'axe -A-A (112, 122) prolongée par une portée tronconique (113, 123) légèrement inclinée, par exemple d'une quinzaine de degrés sur l'axe A-A. Le joint 130 (figure 2a) a une section générale en forme de T, avec un corps central 131 et deux ailes latérales 132. Le corps central- 131 est pris entre les deux portées de bout 112 et 122. Les deux ailes 132 coopèrent avec les portées tronconiques 113 et 123 des deux brides 110 et 120. Lorsque les deux brides sont serrées dans le sens de l'axe A-A, l'étant chéité se trouve assurée à la fois par l'effet de serrage axial des portées de bout 112 et 122 sur le corps principal 131 et par l'effet de lèvres d'étanchéité des ailes 132 sur les portées 113 et 123 (serrage radial) On remarquera que la forme des brides 110 et 120 du côté de leur extrémité en contact avec le joint crée une chambre 170 formant cuvette de faible profondeur et dans laquelle est montée la partie débordante du joint 130 (ailes 132 formant barre du T). Toutes les pièces de l'ensemble de raccordement selon l'invention, y compris le joint 130, sont métalliques (acier de préférence) et de révolution autour de l'axe central A-A de la manchette M et du plongeur P qui y pénètre. La pièce filetée mâle 150 et l'écrou ou pièce femelle 160 coopèrent par l'intermédiaire d'un filetage 180. La pièce filetée 150 possède un rebord d'accrochage et de poussée, 155 à un bout du raccord, alors que, à l'autre bout, la bride 120 possède un épaulement de poussée 125. Le fonctionnement d'un tel ensemble est facile à comprendre : le vissage de l'écrou 160 sur la pièce filetée 155 provoque le rapprochement des deux pièces, entraînant d'un côté la bride 120, de l'autre côté les deux demi-bagues 140 et la bride 110, de telle sorte que les deux brides 110 et 120 se rapprochent en enserrant le joint 130, ce qui assure l'étanchéi- té comme on l'a indiqué par un mouvement axial gui induit un serrage radial. On remarquera que la particularité principale de 1 'in- vention réside dans la forme particulière du joint 130 et des surfaces de celui-ci coopérant avec les portées de bout (112, 122) et tronconiques (113, 123). La Demanderesse a essayé de nombreux types de joints, et seul le joint précité, dans la disposition précitée, a donné satisfaction, tant pour ce qui est de l'étanchéité, réalisée par des portées de bout et tronconiques, que de la restitution élastique importante des lèvres d'étanchéité, et ce pour un effort axial de serrage peu élevé. On donnera ci-dessous-trois séries d'essais montrant le comportement d'un tel système. Première série d'essais. - Vérification de la restitution élastique 10 cycles sont effectués sur presse, les résultats sont satisfaisants. - Vérification de la tenue mécanique raccord/joint 24 montages et démontages complets du même joint. - Vérification de l'étanchéité Au cours des 24 tests ci-dessus, l'étanchéité est vé rifiée après chaque remontage. Aucune fuite n'est decelée. - Vérification en cyclages thermiques 20 chocs thermiques sont effectués sur l'ensemble raccord/joint avec un AO de 2300C en 3 minutes pour les derniers essais. - Vérification de l'étanchéité Au cours des essais en chocs thermiques aucune fuite n'est constatée. - Démontage final. L'ensemble des pièces est en parfait état. Deuxième série d'essais. Les essais sont effectués cette fois sur un raccord dont les portées coniques d'étanchéité sont réalisées quasiment aux tolérances maximum admises par le constructeur, cela pour vérifier le comportement d'un ensemble raccord/joint conforme, mais à la limite des valeurs acceptables. - Vérification du comportement mécanique froid au montage avec joint neuf. - Vérification en cyclages thermiques 22 cycles thermiques sont effectués avec un QE de 175 à- 2000C/heure. - Vérification en cyclages de pression Associés aux cyclages thermiques, des variations rapides de pression d'une amplitude de 140 bar - Vérification de l'étanchéité Au poème cycle avant démontage et après remontage du même ensemble : étanchéité satisfaisante. Après le 22ème cycle : étanchéité satisfaisante - Démontage final Comportement satisfaisant de l'ensemble des pièces du raccord. Aucune trace de fuite n'est relevée. Troisième série d'essais. Cet essai a pour but de- déterminer la marge de sécurité (pression à laquelle il y a perte d'étanchéité). L'ensemble raccord/joint est placé dans une étuve à une température de 3200C pendant 100 heures. Pendant cette période, on soumet le raccord à des va riations de pression (de la pression nominale de 156 bar â 310 bar, soit deux fois la pression de service) avec un passage d 330 bar et une température de 3320C. A l'issu de cette série d'essais, on peut conclure que le raccord testé a une marge de sécurité;22 à 100 % de la pression de fonctionnement pour une température de 3200C. Un problème rencontré avec les raccords vissés du type précité, dans lequel un joint élastique d'étanchéité est compri mé entre deux brides (et ce, indépendamment même de la structure précise d'un tel joint et des surfaces coopérantes) eSt que, lors du vissage de l'écrou 160 sur la pièce mâle homologue, 150, un couple de torsion peut être transmis à la manchette M, d'autant plus élevé que la compression du joint élastique, qui s'oppose au couple de vissage, est importante. Selon l'invention, on résout ce problème par une précompression du dispositif de raccordement lors du montage. En d'autres termes, on réalise, avant l'opération de vissage ou de dévissage, le rapprochement des deux brides 110 et 120 et la compression du joint 130, ce qui permet une opération de vissage ou dévissage avec un couple très faible, de telle sorte qu'aucune torsion sensible ne se trouve transmise de la manchette M; Compte tenu du peu d'espace disponible, comme on 1'a signalé autour de chaque manchette, il est nécessaire de prévoir un système mécanique spécial dûment adapté, faisant partie de l'invention. I1 s'agit pour l'essentiel d'un vérin 200, qui est représenté aux figures 3, 3a, 3b. Le vérin 200 comporte essentiellement une embase 210, munie de leviers pivotants 220 permettant un accrochage sur le raccord, une contreplaque de poussée 230, des ensembles de poussée 240 (c'est-à-dire des ensembles pistons cylindres) étant interposés entre l'embase 210 et la contreplaque de poussée 230, des tiges de guidage 250 pour guider le mouvement relatif de la contreplaque de poussée 230 et de l'embase 210. On va décrire plus complètement ces divers éléments.- Comme on le voit plus particulièrement à la figure 3b, l'embase 210 possède en coupe une section sensiblement triangulaire à trois coins 210a, 210b, 210c, régulièrement répartis autour de l'axe central A-A (qui est également l'axe central de l'ensemble de raccordement et de l'élément plongeur sur lesquels le vérin est destiné à intervenir).En son centre, l'embase est munie d'une ouverture traversante circulaire 211 accessible latéralement, à l'opposé du coin 210b, par lSlnter- médiaire d'une fente axiale 212 Au droit des trois coins 210a, 210b, 210c, sont disposés trois ensembles de poussine 240 constitués chacun d'un cylindre 241 contenant un piston 242. L'alimentation des ensembles de poussée 240 se fait à l'aide d'un circuit hydraulique 214, sur lesquels les cylindres 241 sont montes en parallèle, une source de fluide, par exemple de l'huile sous pression (non représentée) pouvant être branchée sur le circuit d'alimentation 214.La contreplaque 230, que l'on voit mieux sur la figure-3a, possède, comme l'embase 210, une ouverture centrale 231 dDaxe A-A et une fente d'accès 232. La contreplaque de poussée 230 se déplace par rapport à lEem- base 210 sur des tirants verticaux 250 (voir figure 3 et figure 3a) de telle sorte que le mouvement relatif d'écartement pu de rapprochement (parallèlement à l'axe A-A) soit bien guidé. Les fentes d'accès 212 et 232, précitées, prévues respectivement sur l'embase 210 et sur la contreplaque de poussée 230 permettent l'introduction latérale du vérin sur un système de raccordement 100. Cependant, afin de renforcer le vérin, tout en évitant d'allourdîr celui-ci, on peut prévoir un élément de fermeture 260 monté pivotant sur le vérin et plus précisément sur l'embase au voisinage desdites fentes d'accès 212 et 232, autour d'un axe 261 perpendiculaire à l'embase et à la contreplaque, l'élément de fermeture 260 étant susceptible d'être "verrouillE" sur l'embase 210, en position de fermeture des fentes d'accès grâce, par exemple, à une goupille 262 amovible traversant l'embase 210, perpendiculairement, et traversant également l'élément de fermeture 260. Sur la figure 3b, l'élément de fermeture est représenté en traits interrompus, en position ouverte, et en trait plein, en position fermée. Un tel élément de fermeture 260 et sa goupille 262 associée ont pour but de refermer l'embase 210 autour du système de raccordement pour éviter tout risque de déformation intempestive par ouverture de celle-ci lors du travail du vérin. Une telle disposition permet bien entendu d'élever la force de précontrainte appliquée sur le système de raccordement. On comprend facilement que lorsque les cylindres 241 sont alimentés en fluide, par exemple huile sous pression, les pistons 242 tendent à écarter la plaque de.poussée 230 loin de l'embase 210, le rapprochement se faisant en relachement de la pression sous l'effet de ressorts non représentés. Latéralement, l'embase 210 supporte à sa partie'supé- rieure trois leviers pivotants 220a, 220b, 220c, montés pivotants autour d'axes221a, 221b, 221c, en correspondance avec les côtés de l'embase (figures 3a et 3b). Les trois leviers pivotants ont une structure identique. On décrira celle du levier 220c repré- senté à la figure 3. Ce levier comporte une partie centrale 222e articulée sensiblement en son milieu sur le pivot 221c. A son extrémité inférieure, la partie centrale 222c est prolongée par une poignée de manoeuvre 223c. Un ressort 224c, en partie logé dans l'embase 210 tend toujours à faire pivoter le levier 220c dans le sens de la flèche 227c. D'autre part, une butée fin de course 225c coopère avec l'embase pour limiter le déplacement du levier 220, contre l'action du ressort, sous l'effet d'une commande manuelle pressant la poignée 223c vers l'axe A-A. Enfin, à sa partie supérieure, le levier 220c est muni d'une griffe d'accrochage 226c. La mise en oeuvre d'un tel vérin 200 se fait de la façon suivante. I1 s'agit de venir précontraindre un système de raccordement 100, monté sur un élément plongeur vertical P, dans un environnement du type représenté à la figure 1 (forêt d'éléments verticaux les uns à côté des autres). Pour simplifier l'exposé, on supposera que les raccords 100 sont du type de ceux représentés à la figure 2, mais qu'il doit être entendu que', pour ce qui est de la précontrainte à l'aide d'un vérin, l'invention s'applique à tout système de raccord possédant un joint élastique compressible (du type du joint 130), un rebord d'accrochage (du type référencé 155 sur la figure 2) et un épaulement de poussée (du type référencé 125 à la figure 2). Dans un tel contexte, la mise en oeuvre du vérin 200 comporte d'abord l'introduction latérale du vérin (par l'intermédiaire des fentes 212-232), pour que son axe vienne coïncider avec l'axe A-A de l'ensemble de raccordement 100. Cette position axiale atteinte, l'opérateur referme l'élément 260 et le verrouille grâce à la goupille 262 lorsque ceux-ci sont prévus, puis remonte le vérin 200 le long de l'axe A-A, tout en maintenant serrées les trois poignées 223a, 223b, 223c, contre l'action de leur ressort d'armement (224a, 224b, 224c). Le vérin 200 n'est pas alimenté en fluide sous pression. Le mouvement de remontée se poursuit, l'orifice 231 de la contreplaque venant épouser la bride 120 et venir en butée avec son épaulement 125.La contreplaque 230 est rapprochée le plus possible de l'embase 210, et les griffes d'accrochage 226a, 226b, 226c, viennent à un niveau très légèrement supérieur à celui du rebord 155. On relâche les poignées 223a,223b, 223c, de telle sorte que les griffes 226a, 226b, 226c, viennent après pivotement des leviers 220a, 220b, 220c, au-dessus du rebord 155, qui est à'l'aplomb de la paroi de l'écrou 100. Lorsqu'on met sous pression les ensembles de poussée 240, ils tendent à écarter la contreplaque 230 et l'embase 210. Comme la contreplaque est appliquée contre l'épaulement 125-de la bride 120, et que les leviers 220a, 220b, 220c, coopèrent par leurs griffes d'accrochage avec le rebord 155 de l'élément fileté mâle 150, ce mouvement d'écartement tend à comprimer le joint 130 qui se trouve pris entre la bride 120, d'une part, et d'autre part, la bride 110, elle-même repoussée par les deux demi-bagues 140 sous l'effet de l'entraînement de la pièce 150. On voit que l'actionnement du vérin 200 se traduit par une pré compression (ou précontrainte) du joint, que l'on maintient, bien entendu à la valeur convenable (la force axiale transmise au raccord doit être de quelques milliers de daN). Dans cet état de précompression, il est facile de visser l'écrou 160 sur la pièce 150, jusqu'à sa position finale, sans avoir à fournir de couple important, et par conséquent sans transmettre aucun couple à la manchette M. Une telle opération est très rapide, précisément parce qu'un léger effort manuel suffit. En pratique, la mise en oeuvre de joints conforme a la figure 2, à l'aide dsun vérin hydraulique a donné, pour le raccordement d'éléments chauffants sur des manchettes de pressuriseur, des résultats remarquables pour ce qui est de la fiabilité et de la rapidité de l'opération. Bien entendu, on utilise avantageusement aussi le vérin pour le démontage des raccords. Dans tous les cas la mise en précompression du joint précède la manoeuvre de l'écrou. REVENDICATIONS 1. Dispositif de raccordement d'un élé- ment plongeur cylindrique ou tubulaire (P) à une manchette tubulaire (M), notamment d'un élément plongeur chauffant à la manchette d'une cuve de pressuriseur (C), comportant une première bride (110) associée à la manchette, une seconde bride (120) associée à l'élément plongeur, un joint métallique élastique (130) intercalé entre les deux brides, deux pièces tubulaires filetées, l'une mâle 2; Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce filetée mâle (150) coopère avec les deux demi-bagues (140) par un épaulement(l51). 3. Un dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la seconde bride (120) comporte un épaulement (121) coopérant avec un épaulement (161) homologue de la pièce filetée femelle (160). 4. Un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde bride (120) comporte un épaulement de poussée (125) à une extrémité du dispositif de raccordement, et en ce que l'élément fileté mâle (150) comporte un rebord de poussée (155) à l'autre extrémité du joint, de telle sorte que, par une action de serrage et de rapprochement de ces deux éléments, on puisse réaliser la précompression du joint. 5. Un dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rebord (155) de-la pièce tubulaire mâle (150) se situe à l'aplomb de la paroi externe de la pièce filetée femelle (160). 6. Un dispositif selon l'une des revendications 1 à- 5, caractérisé en ce que les deux brides (110, 120) enserrant ie joint définissent tout autour de l'élément plongeur (P) une cuvette de faible profondeur (170). 7. Un procédé de montage ou de démontage d'un dispositif de raccordement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par une mise en précontrainte de serrage du dispositif par l'intermédiaire d'une part de la bride (120), d'autre part de la pièce filetée mâle (150), des deux demi-bagues (140) et de la bride de manchette, cette précontrainte amenant ou maintenant toutes ces pièces dans leur position normale de service, et en ce que l'on manoeuvre l'élément fileté femelle (160) alors que les autres pièces sont maintenues en précontrainte, de telle sorte que le montage ou le démontage se fait sans transmission de couple à la manchette.