Brevet FR2542062A1 — publié le 19840907

Cette invention concerne les récipien S construits pour servir sous de hautespressionset utilisant plusieurs couches de métal Elle concerne plus particulièrement les récipients multi- couches sous haute pression o une matière conductrice de la chaleur est disposée dans les interstices (dont la faible largeur s'étend radialement) entre les différentes couches métalliques voisines pour améliorer la conduction thermique et la distribution des contraintes dans la paroi du récipient. Les grands récipients sous haute pression, tels que les réacteurs utilisés dans l'industrie chimique et dans le raffinage du pétrole, possèdent des parois épaisses et sont souvent construits de multiples couches de métal pour faciliter la fabrication et réduire les cofts Cependant, ces récipients multicouches, surtout s'ils sont utilisés comme des récipients du type "à paroi froide" isolés intérieurement, présentent un inconvénient comparativement aux constructions à paroi massive ou monobloc (les récipients à paroi froide sont des récipients sous pression dans lesquels une couche de matériau réfractaire thermiquement isolant est fixée à la surface interne, ce qui réduit la température de la paroi métal- lique et augmente les contraintes admissibles à la conception) En effet, dans ces récipients multicouches existent des espaces étroits ou interstices entre les couches métalliques voisines; ces interstices sont une particularité inhérente à la construction multicouche, à l'exception, peut-être, des enveloppes usinées qui sont superposées et assemblées par frettage, lesquelles sont très coûteuses et très difficiles à construire sous de grandes dimensions Les interstices entre les différentes couches d'un tel récipient agissent comme des isolateurs thermiques et peuvent occasionner une différence de température notable entre le c 6 té intérieur et le côté extérieur de la paroi multicouche, aussi bien en conditions statiques qu'en conditions transitoires Cette différence de température peut entraîner une mauvaise distribution dans la paroi du récipient des contraintes dues à la pression, en ce sens que les couches métalliques internes plus chaudes subissent une dilatation par rapport aux couches externes plus froides, ce qui peut soumettre ces dernières à des contraintes supplémentaires et parfois excessives, susceptibles d'endommager le récipient sérieusement. Les récipients sous pression à plusieurs couches sont bien connus Ils sont décrits, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Ameérique no 3 140 006 et N O 3-431 949; il s'agit ici de récipients qui sont agencés pour l'évacuation à l'extérieur d'hydrogène qui a diffusé au travers de la couche interne du réci- pient, ceci afin d'éviter l'attaque et/ou la fragilisation des couches externes du récipient par l'hydrogène Cependant, l'art antérieur n'a pas reconnu, apparemment, le problème de la mauvaise distribution des contraintes dues aux différences de température susceptibles d'exister dans les récipients multicouches Il faudrait donc une solution pratique et économique à ce problème, afin de permettre la construction économique et avec plus de sécurité de grands récipients sous pression, en particulier de ceux travaillant sous des pressions intérieures supérieures à environ 70 bars et à des températures intérieures élevées, de l'ordre de 250 à 5500 C, pendant que la surface externe est voisine de la température ambiante. L'invention apporte un procédé perfectionné pour la construction et l'utilisation de récipients sous pression à plusieurs couches, comme ceux travaillant à des pressions intérieures supé- rieures à environ 70 bars, habituellement à des pressions de l'ordre de 100 à 1000 bars Selon l'invention, la construction d'un récipient multicouche comprend la superposition d'un certain nombre de couches de métal et l'assemblage de ces couches par soudage, de manière à former une enceinte susceptible d'être mise sous pression et o des interstices étroits existent entre les différentes couches. Ces interstices sont remplis ensuite avec une matière conductrice ther- mique qui est fluide ou fluidifiable (susceptible d'être rendue fluide) et dont la conductivité thermique est nettement plus élevée que celle du gaz que cette matière remplace, de manière à augmenter la conduction thermique transversalement à travers la paroi du récipient et à réduire ou éliminer ainsi la mauvaise distribution des contraintes dans la paroi métallique d'un tel récipient sous pression Dans le cas des récipients contenant de l'hydrogène, l'interstice entre les deux couches métalliques situées le plus à l'intérieur de la paroi multicouche est mis en communication avec l'extérieur afin de réduire ou d'empêcher l'attaque par l'hydrogène des couches métalliques externes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de mise en oeuvre non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une coupe d'une partie de paroi d'un récipient multicouche selon l'invention, la figure 2 est une coupe d'une partie, de paroi d'un récipient multicouche selon une variante de mise en oeuvre de l'invention; et la figure 3 est une coupe axiale d'un récipient multicouche construit et utilisé selon l'invention. L'invention apporte un procédé perfectionné pour construire et utiliser un récipient sous pression à plusieurs couches, selon lequel la conduction thermique dans la direction transversale à travers la paroi métallique multicouche du récipient est accrue. Un système est prévu pour remplir à peu près complètement les faibles interstices entre les couches voisines de la paroi latérale et des fonds du récipient avec une matière conductrice thermique fluidi- fiable Cette matière est choisie pour améliorer la transmission de chaleur entre les différentes couches, par rapport à la transmission généralement assurée par l'air seul, et d'augmenter de cette manière la conduction thermique transversalement à travers la paroi du récipient, afin d'empocher ainsi le développement de contraintes excessives dans le métal des couches externes de la paroi. Le remplissage des interstices entre les couches s'effectue de préférence à des points séparés afin d'assurer que les interstices soient remplis au moins à peu près complètement par la matière conductrice thermique fluidifiable Ce dernier mot signifie ici que la matière est susceptible d'être rendue fluide à un niveau de température qui existe dans la paroi pendant une phase quelconque de construction du récipient, Pour faciliter le remplis- sage des interstices> il peut être préférable d'en évacuer l'air jusqu'à une pression inférieure à environ 345 Pa (pression absolue) avant le remplissage avec la matière conductrice. La mise sous vide et le remplissage des interstices s'effectuent de préférence-à un ou plusieurs points communs, au moyen d'un dispositif combiné de mise sous vide et de remplissage. En cas d'application del'invention à la construction et à l'utilisation de récipients sous pression à plusieurs couches contenant de l'hydrogène chaud, le premier interstice entre les couches, c'est-à-dire l'interstice situé le plus à l'intérieur, est isolé des autres interstices, situés plus à l'extérieur, et cet interstice intérieur est utilisé pour collecter tout hydrogène passant à travers la couche interne du récipient et pour l'évacuer à l'extérieur Une telle évacuation de l'hydrogène à l'extérieur du récipient réduit ou élimine à peu près complètement tous les problèmes d'attaque et/ou de fragilisation par l'hydrogène du métal des couches externes du récipient, généralement faitesd'acier au carbone Les autres interstices sont raccordés entre eux et sont remplis d'une matière thermiquement conductrice, ce qui augmente la transmission de la chaleur entre les couches par rapport à la transmission produite par des interstices remplis de gaz. La matière devant remplir les interstices doit être fluide ou fluidifiable à la température ordinaire ou à toute autre tempé- rature plus élevée utilisée pendant la construction du récipient et cette matière doit également avoir une conductivité thermique supé- rieure à environ 0,052 W/m K et comprise de préférence entre environ 0, 104 et environ 121,1 W/m K Les matières thermiquement conductrices utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention comprennent notamment des liquides et des graisses hydrocarbonés, des composés liquides ou en forme de graisses à silicone, des métaux ou des alliages à bas point de fusion du groupe comprenant le plomb, l'étain, le zinc et leurs mélanges, de même que des liquides, des graisses ou des métaux contenant de fines particules métalliques dont le diamètre est plus petit que la largeur des interstices entre les couches et dont le diamètre de particule est notamment compris entre environ 0,05 et 0,4 mm En cas d'utilisation de ces fines particules métal- liques dans une boue ou une graisse, la combinaison du liquide et du métal utilisés ne doit pas être corrosive à l'égard de la paroi du récipient Des exemples de matières conductrices thermiques utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention sont indiqués ci-après. Huiles et graisses Conductivité thermique, Température W/m K d'ébullition _____ _____ _____ ____normale, O C huiles de pétrole 0,138 0,173 > 120 graisses de pétrole 0,138 0,173 > 150 composés diélectriques 0,242 0,744 > 205 à silicone Métaux ou alliages Point de fusion, C plomb 31,1 34,6 327 étain 57 62,3 233 zinc 93,4 112,5 421 Poudres métalliques laiton 86,5 121,1 1038 cuivre 353 390 1080 fer 60,5 69,2 1315 plomb 31,1 34,6 327 acier 36, 3 45 1371 étain 57 62,3 233 zinc 93,4 112,5 400 Pour les récipients construits a la température ordi- naire et qui ne sont pas portés à une température plus élevée pendant ou après la construction, on utilisera généralement une matière conductrice fluide à la température ordinaire pour remplir les interstices entre les couches, par exemple un composé à silicone en forme de liquide ou de graisse, ou une boue ou une graisse contenant de fines particules métalliques. Pour les récipients qui ne sont pas soumis à un recuit ou à un autre traitement d'élimination des tensions à température élevée après soudage mais qui sont chauffés pendant la construction entre environ 200 et 4250 C (par exemple pour sécher et faire durcir un revêtement réfractaire), on pourrait utiliser une matière conductrice devenant fluide à une telle température et que l'on pourrait faire couler dans les interstices lorsque la paroi du récipient présente la température adéquate. Pour les récipients qui sont recuits après soudage entre environ 425 et 7500 C par exemple, on pourrait utiliser, comme matière conductrice thermique, par exemple, un métal ou un alliage métallique dont le point de fusion est inférieur à la température de recuit Le métal ou l'alliage serait chauffé au- dessus de son point de fusion et on le ferait couler dans les interstices entre les couches métalliques de la paroi du récipient pendant que celui-ci est maintenu à la température de recuit. Lorsque la matière conductrice de la chaleur est un liquide ou une graisse, sa source communique de préférence en continu avec les interstices, de sorte que la matière conductrice pénètre dans les interstices et en ressort alternativement lorsque, à la décompression respectivement à la pressurisation du récipient, les interstices s'ouvrent ou se referment légèrement. L'invention est applicable de façon avantageuse aux récipients multicouches de toute forme dont le diamètre dépasse environ 0,9 m et elle est applicable de façon particulièrement avantageuse aux grands récipients dont le diamètre est compris entre environ 1,5 et 9 m, pour lesquels l'invention est utilisée de préférence De tels récipients peuvent avoir n'importe quelle forme mais ils sont habituellement cylindriques,-avec une longueur totale d'au moins 6 m environ mais ne dépassant généralement pas m environ La température à l'intérieur du récipient sera habi- tuellement comprise entre la température ordinaire et 5500 C; elle est de oréférence supérieure à 950 C ou, mieux encore, comprise entre environ 150 et environ 4800 C La pression interne, notamment dans le cas de l'hydrogène, peut être comprise entre environ 105 et environ 210 bar, tandis que la température interne peut varier entre environ 205 et environ 8150 C O L'invention peut être appliquée avec avantage aux récipients sous pression possédant au moins trois couches de tôle métallique et dont le nombre de couchesne dépasse généralement pas 50. L'épaisseur de chaque couche peut varier entre environ 5 et 13 mm dans le cas des récipients du type à couches concentriques L'inven- tion est également utile pour les récipients sous pression dont les couches sont enroulées en hélice ou en spirale, dont l'épaisseur de couche sera généralement comprise entre environ 3 et 6,5 mm. La largeur, dans le sens radial, des interstices entre les couches métalliques voisines varie habituellement entre environ 0,05 et environ 5 mm. Un récipient selon l'invention est typiquement un réacteur avec une épaisseur de paroi totale de l'ordre de 15 à 75 cm et une couche intérieure thermiquement isolante contigud à la couche métallique située le plus à l'intérieur et faite, par exemple, de matériau réfractaire massif coulé. La figure 1 représente une partie typique de la paroi d'un récipient selon l'invention Elle comporte deux couches métal- liques internes 10 et 12 qui sont étanches a la pression et un certain nombre de couches externes 14, 16 et 18 Dans le cas des récipients contenant de l'hydrogène et pour lesquels l'attaque et/ou la fragilisation du métal par l'hydrogène risquent de devenir un problème, la couche interne 10 est faite d'un alliage résistant à l'hydrogène, d'acier au chrome-molybdène par exemple, ou peut être en acier au chrome-molybdène avec un revêtement 10 a en acier inoxy- dable sur sa face interne L'interstice 11 entre la couche 10 située le plus à l'intérieur et la couche 12 communique avec l'atmosphère par plusieurs orifices 20 qui traversent les couches externes de la paroi et qui ont un diamètre d'au moins 5 mm environ Il n'est pas nécessaire que les orifices 20 dans les différentes couches soient mutuellement alignés; ils peuvent être décales dans une certaine mesure d'une couche à l'autre Les interstices 13, 15, 17 entre les couches externes restantes sont remplis, par l'introduction sous pression à travers un orifice 22, d'une matière conductrice fluide ou fluidifiable, telle qu'un compose liquide à silicone ayant une conductivité thermique d'environ 0,52 à 0,86 W/m K, afin d'augmenter la conduction thermique dans le sens transversal à travers la paroi multicouche composite Les faces appliquées l'une contre l'autre des couches métalliques seront habituellement rendues rugueuses dans une certaine mesure, par sablage par exemple, ou peuvent porter de la calamine provenant d'un laminage à chaud, ce qui facilite l'écoulement de la matière conductrice dans les inters- tices Les orifices de remplissage et d'évacuation tels que les 2542062- orifices 22 et 20 sont prévus à des intervalles de l'ordre de 1 à 3 m sur la paroi du récipient De plus, dans le cas des récipients du type à paroi froide, une couche 9 de matériau réfractaire isolant est disposée contiguë à la couche métallique interne 10 afin de réduire la température de la paroi métallique multicouche Lorsque les couches de la paroi sont concentriques et présentent des soudures de liaison, ces soudures sont décalées par rapport à celles de la couche voisine. Dans le but de faciliter l'écoulement de la matière thermiquement conductrice dans les étroits interstices entre les couches, il peut être préférable d'y faire d'abord le vide, jusqu'à une pression absolue inférieure à environ 35 k Pa par exemple, de préférence à une pression absolue comprise entre 345 k Pa et 35 k Pa, avant de les remplir avec la matière conductrice de la chaleur La figure 2 représente une partie de paroi avec un dispositif de raccor- dement qui sert à la fois a faire le vide dans les interstices des couches, à remplir ensuite ces couches avec une matière thermiquement conductrice et à évacuer l'hydrogène de l'interstice situé le plus à l'intérieur Une conduite 30 soudée à la paroi communique avec l'interstice ll entre les couches internes 10 et 12, elle traverse une ouverture 32 dans les couches externes de la paroi du récipient et elle se termine à l'extérieur de cette paroi La conduite 30 sert à évacuer à l'extérieur l'hydrogène ayant pu passer au travers de la couche interne 10 Une telle communication avec l'extérieur doit être prévue pour chaque compartiment formé entre la première couche interne 10 et la première couche de recouvrement 12 (il est possible aussi de prévoir une couche de remplissage non soudée sous forme d'une membrane poreuse) Comme représenté, la conduite 30 est fixée par un chapeau 33 étanche à la pression à la couche 34 la plus externe; cette dernière couche est étanche a la pression, ce qui signifie qu'elle ne présente aucun orifice ou autre passage d'évacua- tion La partie inférieure de la figure 2 montre des orifices 20 mutuellement décalés dans les différentes couches, à l'exception des couches les plus internes 10, 11 et 12 et des couches les plus externes, pour faire communiquer entre eux tous les interstices inter- médiaires, Sur le chapeau 33 est branchée une conduite 36 qui commu- nique avec l'ouverture 32 Avant le remplissage des interstices, on y fait d'abord le vide au moyen d'un système de pompage (non représenté) branché sur la conduite 36 Ensuite, on branche sur la même conduite 36 une source de matière thermiquement conductrice et fluidifiable, laquelle est introduite sous l'effet de la dif- férence de pression dans pratiquement tout le volume des inters- tices entre les différentes couches de la paroi. La figure 3 représente l'ensemble d'un récipient cylindrique multicouche typique 40 construit et utilisé selon l'invention La paroi latérale cylindrique 41 de ce récipient est composée de plusieurs tronçons longitudinaux V qui constituent le corps du récipient Les tronçons ou viroles V sont reliés entre eux par des soudures S et chacun-d'eux se compose d'un certain nombre de couches métalliques superposées Un fond massif 42 est soudé sur l'extrémité inférieure du corps du récipient, tandis qu'un fond multicouche 43 est formé dans le prolongement de l'extrémité supérieure de la paroi latérale cylindrique 41 L'air dans les interstices entre les couches externes est évacué au moyen d'une pompe 45 à travers une conduite de raccordement 44 et la même conduite est utilisée ensuite pour remplir les interstices avec une matière thermiquement conductrice fluidifiable à partir d'un réservoir 46 Cette matière est de préférence un composé didlec- trique à silicone avec une conductivité thermique d'au moins 0,17 W/m K environ et de préférence d'environ 0,52 à environ 0,78 W/m K L'interstice entre les deux couches les plus internes communique avec l'extérieur à travers un conduit d'évacuation 48, lequel peut être formé simplement par un trou percé dans la paroi du récipient jusqu'à l'interstice situé le plus à l'intérieur. Comme représenté, les fonds du récipient peuvent être formés d'une seule épaisseur, ou être constitués par une pièce forgée soudée sur la paroi latérale du récipient, mais ils peuvent être faits aussi d'un certain nombre de couches superposées Les tubulures de raccordement nécessaires pour la fonction proprement dite du récipient sont habituellement soudées dans les fonds mais il est possible aussi, si désiré, de les souder dans la paroi laté- rale multicouche du récipient, en utilisant des plaques de renfor- 2542062. cement adéquates pour satisfaire aux prescriptions s'appliquant au récipient sous pression. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. RE V E ND I CA T I O N S 1 Procédé pour construire un récipient sous pression à plusieurs couches, dont la paroi assure une conduction améliorée de la chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la superposition de couches de métal ( 10, 12, 14, 16, 18) et leur assemblage par soudage pour former une enceinte susceptible d'être mise sous pression, avec formation d'interstices ( 11, 13, 15, 17) entre les couches de métal;et (b) l'introduction dans au moins certains des inters- tices ( 13, 15, 17) d'une matière conductrice de la chaleur qui est fluide ou fluidifiable (susceptible d'être rendue fluide) de manière à remplir ces interstices au moins à peu près complètement et à augmenter ainsi la conduction de la chaleur transversalement a travers la paroi multicouche. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière conductrice possède une conductivité thermique supé- rieure à environ 0,052 W/m K. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière conductrice est une matière hydrocarbonde dont la température d'ébullition normale est supérieure à environ 120 C, notamment un produit pétrolier liquide ou en forme de graisse, un compose diélectrique à silicone, un métal ou un alliage métallique dont le point de fusion est inférieur à environ 425 C ou une boue, un liquide hydrocarboné ou une graisse contenant des particules métalliques d'un diamètre inférieur à environ 0,4 mm. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en plus le chauffage de l'enceinte susceptible d'être mise sous pression, pendant la construction, a une température supérieure a la temperature ambiante, avant l-'intro- duction de la matière conductrice, à l'état fluide, dans les inters- tices ( 13, 15, 17). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière conductrice est un métal ou un alliage métallique à bas point de fusion du groupe comprenant le plomb, l'étain, le zinc et les combinaisons de ceux-ci, et en ce que l'on chauffe le récipient à une température supérieure au point de fusion du métal ou de l'alliage avant d'introduire la matière conductrice dans les interstices ( 13, 15, 17). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on fait le vide dans les interstices ( 13, 15, 17) à remplir de matière conductrice, jusqu'à une pression absolue inférieure à environ 35 k Pa, avant d'y introduire ladite matière conductrice. 7 Récipient sous pression à plusieurs couches construit par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que sa paroi est constituée d'au moins trois couches métalliques contiguës ( 10, 12, 14, 16, 18) et qu'au moins certains des interstices étroits ( 11, 13, 15, 17) entre les couches sont remplis d'une matière conductrice de la chaleur dont la conduc- tivité thermique est supérieure à environ 0,052 W/m K. 8 Récipient selon la revendication 7, caractérisé en ce que la largeur des interstices varie entre environ 0,05 et environ 0,5 mm. 9 Récipient selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la matière conductrice est un produit hydrocarboné dont la température d'ébullition normale est supérieure à environ 1200 C. Récipient selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la matière conductrice est un métal ou un alliage à bas point de fusion du groupe comprenant le plomb, l'étain, le zinc et les combinaisons de ceux-ci. 11 Récipient selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la matière conductrice est un liquide ou une graisse contenant de fines particules métalliques. 12 Récipient selon l'une quelconque des revendications 7 a 11, caractérisé en ce que la matière conductrice est disposée dans tous les interstices entre les couches métalliques de la paroi du récipient sauf dans l'interstice ( 11) situé le plus à l'intérieur, entre la couche métallique ( 10) la plus interne du récipient et la couche métallique ( 12) contiguë, et en ce que des moyens ( 20, 33, 48) sont prévus pour évacuer du gaz de cet interstice intérieur ( 11). 13 Récipient selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que les couches de métal ( 10, 12, 14, 16, 18) sont concentriques et en ce que des soudures longitudinales de liaison dans chaque couche sont décalées par rapport aux joints de soudure de la couche voisine. 14 Récipient selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que le nombre des couches est de 5 à 50 et l'épaisseur de chaque couche est comprise entre environ 6,5 et environ 13 mm. 15 Récipient selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce qu'il possède une forme cylindrique, les couches sont enroulées en hélice ou en spirale et l'épaisseur de chaque couche est comprise entre environ 3 et environ 6,5 mm. 16 Récipient selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, caractérisé en ce qu'une couche isolante ( 9) de matériau réfractaire est disposée contiguë a la couche métallique interne ( 10) de la paroi multicouche du récipient. 17 Utilisation d'un récipient selon l'une quelconque des revendications 12 A 16, dont l'interstice intérieur ( 11) n'est pas rempli de matière conductrice et est combiné avec des moyens pour évacuer du gaz de cet interstice a l'extérieur, afin de réduire l'attaque et/ou la fragilisation des couches métalliques situées plus à l'extérieur par un gaz diffusé au travers de la couche métallique ( 10) la plus interne de la paroi du récipient, caractérisée en ce que le récipient sert a contenir de l'hydrogène A une pression d'au moins 70 bar environ et une température dépassant 950 C environ et en ce que l'hydrogène passant A travers la première couche métallique interne ( 10) de la paroi est collecté dans l'interstice intérieur ( 11) et est évacué à l'extérieur du récipient. 18 Utilisation selon la revendication 17, caractérisée en ce que la pression interne du récipient est comprise entre 105 et 210 bar et la température interne est comprise entre 205 et 815 'C.