Brevet FR2547896A1 — publié le 19841228

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une virole en t 6 le pour un récipient de stockage d'un fluide cryogénique formé d'un réservoir logé dans ladite virole et séparé de cette dernière par une interparoi maintenue sous vide et d'au moins un serpentin de réchauffage placé dans ladite interparoi. Les recipients de stockage de fluide cryogénique sont en général constitués d'un réservoir interne et d'une enveloppe externe tous deux métalliques séparés par un volume scellé maintenu sous vide et appelé "interparoi". Les enveloppes externes de ces récipients sont formées généralement d'un corps cylindrique en tôle fermé à chacune de ses extrémités par un fond et doivent être prévus pour résister à la pression atmosphérique ainsi qu'aux contraintes mécaniques On y parvient soit en donnant à la t 8 le une épaisseur uniforme suffisante, 15 soit en munissant l'enveloppe de raidisseurs uniformément répartis. Pour certains récipients, le stockage se fait à l'état liquide, le fluide est maintenu en pression par l'intermédiaire d'un serpentin de réchauffage dit "de mise en pression" et est vaporisé, avant utilisation, par l'intermédiaire d'un serpentin de réchauffage 20 dit "d'utilisation", ces deux serpentins étant placés dans l'interparoi précitée Cette disposition a l'intérêt d'employer la surface externe du récipient comme élément d'échange thermique et permet donc de réaliser un ensemble très compact. Les récipients actuels, du fait qu'ils sont munis, pour 25 résister à la pression atmosphérique et aux efforts verticaux résultant du poids du réservoir interne, d'enveloppes à paroi épaisse ou renforcée par des raidisseurs, présentent l'inconvénient d'avoir un poids prohibitif On a proposé d'utiliser le ou les serpentins pour contribuer au raidissement de l'enveloppe, mais l'expérience a 30 montré que cette utilisation faite avec les procédés de montage actuellement connus n'apporte pas un gain substantiel. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients sus mentionnés et, par conséquent, de réaliser une virole capable de résister à des contraintes importantes, qu'elles 35 soient dues à la pression atmosphérique ou aux impératifs mécaniques, et nettement plus légère que celles obtenues par les techniques antérieures. 2 2547896 L'invention propose à cet effet un procédé qui consiste: à bobiner, sur un mandrin radialement extensible, un tube métallique au moins ayant, en section droite, une forme aplatie de façon à obtenir une hélice de pas p et de diamètre extérieur DH; à enfiler sur le mandrin et le tube un cylindre en tôle de section droite ciculaire ayant un diamètre interne D Ci = DH + suffisant pour permettre un coulissement à frottement doux sur le tube; à appliquer le tube contre la paroi du cylindre par extension du 10 mandrin; à injecter dans le tube aplati un fluide sous une pression P suffisante pour qu'il prenne, par expansion, la forme d'un serpentin de section droite circulaire et déforme localement la paroi du cylindre selon une empreinte hélicofdale; à fixer le serpentin sur le cylindre pour obtenir la virole. L'invention réalise la déformation, donc le raidissement du cylindre, au moyen du serpentin, puis y incorpore ce dernier, l'ensemble ainsi constitué formant la virole Ceci a l'avantage d'additionner les inerties du cylindre déformé et du serpentin tout 20 en profitant du raidissement apporté par l'écrouissage du métal Il en résulte que l'on peut utiliser une tôle moins épaisse que celles qui étaient utilisées jusqu'ici. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube et le cylindre sont munis, sur leur paroi externe et interne 25 respectivement, d'une couche d'un produit d'étamage et la fixation précitée est effectuée par brasage. On obtient ainsi une virole assurant les meilleures conditions de résistance au flambage. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, 30 l'expansion du cylindre et du serpentin est assurée par l'injection d'un fluide hydraulique dans ledit serpentin. Une telle injection permet de développer des forces suffisantes pour la déformation à la fois du métal du serpentin et de celui du cylindre. L'invention vise également une virole pour récipient de stockage de fluide cryogénique obtenue par le procédé précité. Selon l'invention, la paroi de cette virole présente une empreinte hélicoïdale faisant saillie vers l'extérieur et le serpentin est fixé à ladite paroi en coïncidence avec ladite empreinte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif: la figure 1 montre, de façon schématique, en coupe et avec 10 arrachement partiel, une virole en cours de fabrication selon le procédé de l'invention; la figure 2 est une vue identique de la figure 1 mais montrant une phase ultérieure de la fabrication; la figure 3 est une vue schématique d'une virole achevée selon un 15 premier mode de réalisation; -la figure 4 est une vue également schématique d'une virole selon un second mode de réalisation de l'invention en cours de fabrication; la figure 5 montre la virole de la figure 4 après achèvement. Le but de l'invention est d'obtenir un raidissement 20 important de la virole en utilisant uniquement le métal qui la constitue et en déformant ce métal pour lui conférer la fonction de raidissement recherchée, solution qui a l'avantage de supprimer l'adjonction de raidisseurs rapportés et de permettre l'utilisation d'une t 6 le plus fine que pour les viroles antérieurement connues De 25 plus, cette déformation entraîne un écrouissage du métal qui augmente sensiblement le raidissement. La déformation précitée est réalisée en utilisant le ou les serpentins de réchauffage et en les incorporant à la viroles ce qui permet d'additionner les inerties de la virole déformée et écrouie et 30 du ou des serpentins. On a représenté aux figures 1 et 2 deux des phases principales de fabrication de la virole selon l'invention qui est constituée essentiellement par le tube 1 et par le cylindre 2 Le tube 1 est fait en un matériau suffisamment malléable, généralement 35 du cuivre, et présente une section droite 51 de forme aplatie, c'est-à-dire que ses parois en regard sont presque jointives, ne ménageant entre elles qu'un très faible espace juste suffisant pour l'admission d'un fluide hydraulique sous haute pression Ce tube peut être obtenu à partir d'un tube ordinaire de section droite circulaire que l'on aplatit par étirage Un tel tube de section droite circulaire ayant une épaisseur de paroi e amène ainsi, après cu étirage, à un tube aplati ayant une épaisseur 2 e On procède Cu ensuite à l'étamage de la paroi externe du tube 1, alors qu'il est sous forme aplatie, en le faisant passer dans un bain approprié Le tube 1, ainsi recouvert d'une couche de produit d'étamage, est bobiné sur un mandrin extensible schématiquement indiqué en M, de façon à 3 constituer une hélice de pas p et de diamètre externe DH. On forme par ailleurs le cylindre 2 à partir d'une t 6 le d'épaisseur e T faite en un métal à haute résistance mécanique et haute tenue à la corrosion, généralement en acier inoxydable On dépose sur cette t 6 le, alors qu'elle est à plat, un produit d'étamage 15 disposé selon des bandes 3 correspondant au développé de l'hélice de pas p précitée On procède ensuite au roulage de la t 6 le ainsi préétamée pour obtenir un cylindre de section droite circulaire, dont les deux bords sont soudés selon une génératrice On a désigné par D Ci et DCE les diamètres respectivement interne et externe du cylindre 2 ainsi obtenu Le diamètre interne D Ci est très légèrement supérieur au diamètre DH de l'hélice formée par le tube aplati 1 (Dn = DH + E) On procède ensuite à l'enfilage du cylindre 2 sur le mandrin et l'hélice, cet enfilage se faisant sans difficulté en 25 raison de la légère différence de cote précitée On positionne le cylindre de façon que les bandes de produit d'étamage 3 de sa paroi interne coïncident avec le tube bobiné aplati 1. On met ensuite le mandrin M en extension radiale, ce qui a pour effet de plaquer le tube aplati 1 contre la paroi interne du 30 cylindre 2, de façon à supprimer tout jeu, donc empêcher tout mouvement relatif entre le tube et le cylindre au cours des opérations ultérieures. On raccorde ensuite les deux extrémités 1 et ib du tube 1 à un dispositif de mise en pression hydraulique (non représenté), délivrant une pression P capable de réaliser une expansion du tube 1 qui prend ou reprend une section droite circulaire S 2 de diamètre externe D et constitue un serpentin de diamètre externe DSH Cette expansion du tube entraîne celle du cylindre 2 qui prend alors la forme indiquée en 4, c'est-à-dire d'une virole dont la paroi 5 présente une empreinte hélicoïdale 6 de pas p, égal au pas du tube hélico 3 dal 1 avant ou après expansion. On sépare ensuite l'ensemble constitué par le tube et la virole 4 du mandrin M après les avoir rendus provisoirement solidaires l'un de l'autre (par exemple par brasage des deux extrémités 1 a et Ib à ladite virole 4) et on passe ledit ensemble au four à 220 C environ pour provoquer la fusion de l a matière d'étamage 10 et assurer ainsi le brasage On procède ensuite au rinçage de la virole ainsi obtenue. Un certain nombre d'essais ont été faits pour déterminer, dans le cas o la virole doit être obtenue à partir d'un tube de cuivre et d'une t 8 le en acier inoxydable, les valeurs les plus 15 appropriées pour l'épaisseur et le diamètre du tube et pour l'épaisseur de la t 8 le. En adoptant, pour le cylindre, un diamètre extérieur de 508 mm, valeur courante pour les récipients habituels de stockage de fluides cryogéniques, et une épaisseur de tôle comprise entre 1 et 20 1,5 mm capable de présenter une résistance suffisante au flambage ainsi qu'aux chocs ponctuels qui peuvent être imposés à ce type d'appareil, on a déterminé expérimentalement les relations suivantes: ( 1) e u = K e T D DCE avec K = 45 cette valeur de K étant imposée par les propriétés mécaniques des matériaux et ( 2) D = h h étant la hauteur de l'empreinte en saillie sur la paroi de la virole, c'est-à-dire la flèche que présente l'empreinte hélicoïdale 6 par rapport au diamètre extérieur initial DCE du cylindre 2. Les calculs de tenue au flambage de la virole ont donné: h = 6 mm d'autre part la résolutions des deux équations ( 1) et ( 2) a donné: e = 1,6 mm u D 2 m D = 12 mm. On a représenté aux figures 3 à 5, dans lesquelles les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes éléments que dans les figures 1 et 2, deux modes de réalisation différents d'une virole selon l'invention La virole de la figure 3, réalisée à partir d'un cylindre en acier inoxydable, comporte deux serpentins hélicoïdaux en cuivre 7 et 8 dont les deux extrémités sont désignées par 7 a' 7 b et 8 a, 8 b et constituent un élément d'utilisation et un élément de mise en pression respectivement Ces deux serpentins ont été obtenus à partir 10 de deux tubes séparés qui ont été bobinés sur le même mandrin, simultanément ou séparément, mais avec le même pas Dans la virole terminée, ils sont disposés à la suite l'un de l'autre et se trouvent logés dans l'interparoi 9 qui sépare la virole proprement dite du réservoir interne 10. La virole des figures 4 et 5 est réalisée à partir d'un tube en cuivre unique 12 dont les extrémités sont désignées par 12 a et 12 b qui, après brasage, est sectionné en deux points 51 et 52 de l'une de ses spires On raccorde ensuite aux deux points 51 et 52 deux éléments rectilignes 13 et 14 dont les extrémités sont désignées 20 par 13 a et 14 respectivement On obtient ainsi un serpentin 12 13 aa d'utilisation et un serpentin 12 14 de mise en pression Ce mode de réalisation a l'avantage de simplifier les diverses opérations de fabrication en particulier le bobinage Il convient de remarquer que le sectionnement de la spire aux points 51 et 52 est effectué de 25 préférence après l'opération d'expansion. A titre d'exemple, une virole selon l'invention a été réalisée de la façon suivante: Le cylindre est constitué par une t 8 le en acier inoxydable Z 5 CN 18 09 NFA 36209 d'épaisseur 1,5 mm Il est étamé intérieurement 30 selon le développé d'une hélice de pas de 80 mm sur une largeur de mm au moyen d'un mélange de plomb, d'étain, d'antimoine et de flux Il est ensuite roulé pour donner un cylindre de section droite circulaire de diamètre extérieur DCE = 508 mm. Le serpentin (ou les serpentins) est réalisé à partir d'un tube en cuivre Cu état O NFA SI 124 de section droite circulaire, ayant un diamètre extérieur D = 12 mm et d'épaisseur e = 1,6 mm Apres aplatissage, le tube est revêtu, sur sa paroi CU externe, d'une couche de produit d'étamage par passage dans un bain comportant un mélange de 60 % de plomb et de 40 % d'étain. On enroule le tube sur le mandrin selon une hélice au pas de mm qui correspond, bien entendu, à celui de l'étamage du cylindre. 5 Après extension du mandrin, on procède à l'expansion du tube en le raccordant à un dispositif de mise en pression hydraulique qui y fait pénétrer un liquide sous une pression de 500 bars Apres expansion, les deux extrémités du serpentins sont fixées à la t 6 le, de préférence par brasage à l'argent, et on enlève l'ensemble du 10 mandrin On peut alors, dans le cas o on désire obtenir une virole du type représenté à la figure 5, procéder au raccordement des éléments rectilignes nécessaires à cet effet On place ensuite la virole dans un four de brasage pour l'amener à une température de 220 C environ On procède enfin à un rinçage de la virole pour 15 éliminer les corps étrangers, résidus de brasage ou autres. Des essais de flambage effectués sur des viroles ainsi réalisées ont montré que la pression au flambage était supérieure à 3 b. A titre de comparaison, on a pu constater également qu'une 20 virole non renforcée ayant sensiblement les mêmes caractéristiques dimensionnelles, c'est-àdire le même diamètre ( 508 mm) et la même longueur (par exemple 1 m) doit, pour avoir une tenue équivalente au flambage et une résitance équivalente aux chocs, être réalisée à partir d'une tôle en acier inoxydable du même type que précitée mais 25 ayant une épaisseur de 2,5 mum De nombreuses variantes pourraient être apportées aux modes de réalisation décrits et représentés sans pour autant sortir du cadre de l'invention C'est ainsi, par exemple, que le matériau de brasage pourrait être déposé sur le cylindre et sur le tube après 30 l'opération d'expansion sous pression On pourrait utiliser également un mode de fixation autre que le brasage, par exemple le soudage. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une virole en t 6 le pour un récipient de stockage d'un fluide cryogénique formé d'un réservoir logé dans ladite virole et séparé de cette dernière par une interparoi maintenue sous vide et au moins un serpentin de réchauffage placé dans ladite interparoi, caractérisé en ce qu'il consiste: à bobiner, sur un mandrin radialement extensible, un tube métallique au moins ayant, en section droite, une forme aplatie de façon à obtenir une hélice de pas p et de diamètre extérieur DH; à enfiler sur le mandrin et le tube un cylindre en tale de section droite circulaire ayant un diamètre interne D Ci = DH + suffisant pour permettre un coulissement à frottement doux sur ledit tube; à appliquer le tube contre la paroi du cylindre par extension du 15 mandrin; à injecter dans le tube aplati précité, un fluide sous une pression P suffisante pour qu'il prenne, par expansion, la forme d'un serpentin de section droite circulaire et déforme localement la paroi du cylindre selon une empreinte hélicoïdale a fixer le serpentin le cylindre pour obtenir la virole. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube et le cylindre sont munis, sur leur paroi externe et interne respectivement, d'une couche d'un produit d'étamage et en ce que la fixation précitée est effectuée par brasage. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le produit d'étamage est déposé sur la tôle plane destinée à former, après roulage, le cylindre précité, selon le développé de l'hélice de pas p précitée. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 30 que le tube de section aplatie est obtenu par étirage d'un tube de section droite circulaire. Procédé selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que l'étamage du tube est effectué postérieurement à son étirage. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'expansion du cylindre et du tube est assurée par l'injection d'un fluide hydraulique dans ledit tube. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on bobine séparément sur le mandrin deux tubes de section droite aplatie de façon à obtenir, après mise en place du cylindre, 5 extension radiale du mandrin et expansion desdits tubes et dudit cylindre par mise sous pression, deux serpentins l'un de -mise en pression, l'autre d'utilisation. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin est sectionné après sa fixation sur le cylindre de 10 façon à former un élément de mise en pression et un élément d'utilisation. 9 Procédé selon l'une des revendications 1 a 8, caractérisé en ce que la virole étant constituée d'un cylindre en t 6 le d'acier inoxydable et d'un serpentin hélicoidal formé d'un tube 15 en cuivre ayant, après expansion, une section droite circulaire, on a les relations: ( 1) eu = K e T DI DCE ( 2) D = h dans lesquelles 2 e = épaisseur du tube de'cuivre cu D = diamètre externe du tube en cuivre e T = épaisseur de la t 8 le DCE = diamètre externe du cylindre 25 K = 45 (pour i mm h = Flèche de l'empreinte sur la paroi de la virole. Virole pour récipient de stockage d'un fluide cryogénique muni intérieurement d'au moins un serpentin de réchauffage et obtenue par le procédé selon l'une des revendications 30 1 à 9, caractérisée en ce que sa paroi ( 5) présente une empreinte hélicoïdale ( 6) faisant saillie vers l'extérieur et en ce que le serpentin ( 7, 8, 12) est fixé à ladite paroi en coïincidence avec ladite empreinte. 11 Virole selon la revendication 10, caractérisé en ce 35 qu'elle est en acier inoxydable et comporte deux serpentins ( 7, 8) en cuivre formés de deux éléments hélicoïdaux de même pas et disposés à la suite l'un de l'autre. 12 Virole selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est en acier inoxydable et comporte deux serpentins en cuivre (lz 13, 12 14) formes d'un même élément hêlicoidal ( 12) dont l'une des spires a été sectionnée.