Brevet FR2559250A1 — publié le 19850809

I Echangeur de chaleur pourvu de plaques de support de tubes comportant destrous de conception nouvelle et perfectionnée. La présente invention concerne d'une façon générale les échangeurs de chaleur et, plus particulièrement, une concep- tion ou configuration nouvelle et perfectionnée d'ouvertures, de trous ou d'alésages traversants devant être formés dans chaque plaque de support de tubes d'un échangeur de chaleur d'un générateur de vapeur d'eau de réacteur nucléaire surrégénérateur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide pour qu'elle puisse supporter chacun des tubes échangeur de chaleur du géné- rateur de vapeur d'eau par rapport à chacune des plaques de support de tubesde telle manière que les effets d'usure nui- sibles sur chacun des tubes échangeurs de chaleur, par suite d'un déplacement relatif entre chacun des tubes échangeurs de chaleur et l'une des plaques de support de tube, soient minimi- sés. Dans le type précité de système d'échangeur de cha- leur, il existe un défaut de fonctionnement dû àl'usure exagé- rée qui se traduit par une rupture prématurée des tubes du gé- nérateur de vapeur d'eau. Il en est ainsi en raison du fait que, pendant le fonctionnement normal du réacteur, il se produit un déplacement considérable des tubes du générateur de vapeur d'eau par rapport aux plaques de support de tubes ainsi qu'un déplacement considérable des plaques de support de tubes par rapport aux tubes de générateur de vapeur d'eau. Par exemple, lors du démarrage ou dans des conditions de fonctionnement transitoires, les tubes de générateur de vapeur d'eau peuvent être soumis à des vibrations importantes qui peuvent entraîner un déplacement de ces tubes par rapport aux plaques de support de tubes. Les renvois de courant de sodium liquide s'écoulant à travers l'échangeur de chaleur peuvent, de même, entralner. un déplace- ment transversal des tubes de générateur de vapeur d'eau ou l'application de chargesde flambage à ces tubes, ce qui provo- que de la même façon un déplacement de ces tubes par rapport aux plaquesde support. Ce déplacement transversal des tubes de générateur de vapeur d'eau par rapport aux plaques de sup- port de tubes entraîne une usure par abrasion entre les tubes et les parois latérales des ouvertures des plaques de support de tubes à traverslesquelles passent les tubes de générateur de vapeur d'eau. Il est également possible que, pendant la période de démarrage de l'installation de la centrale, les plaques de support de tubes ainsi que leur barres d'entretoi- sement soient relativement froides et se trouvent à la même température que les tubes de générateur d'eau. Toutefois, à mesure que la centrale ou l'installation fonctionne, les pla- ques de support de tubes et leurs barres d'entretoisement deviennent très chaudes en raison du fait que le sodium liquide chauffé est en contact direct aveccelles-ci d'un côté à l'autre de l'échangeur de chaleur. Par contre, les tubes de générateur de vapeur d'eau ne sont pas soumis à une élévation similaire de niveau de température du fait que de l'eau froide y circule initialement et que le changement d'état de cette eau devenant de la vapeur absorbe une quantité importante de l'énergie calori- fique par le truchement du processus d'échange de chaleur. Par conséquent, les plaques de support de tubes et, particulièrement leurs barres d'entretoisement qui les supportent, sont soumises à une forte augmentation de température,ce qui fait que les pla- ques de support effectuent un déplacement considérable par rap- port aux tubes du générateur de vapeur d'eau. D'une manière similaire, des conditions de fonctionnement transitoires peuvent également se traduire par des conditions thermiques variables régnant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, ce qui fait qu'une dilatation ou une contraction des plaques de support de tubes et de leurs barres d'entretoisement peuvent ici encore se manifester. Par exemple, si une panne de pompe se produit dans le système de circulation de la boucle dans laquelle le sddium liquide réfrigérant s'écoule, le sodium liquide chauffé stagne dans la boucle et dans l'échangeur de chaleur pendant que de l'eau relativement plus froide continue de traverser les tubes du générateur de vapeur d'eau. Une augmentation relative du niveaude température du sodium a donc lieu vis-à-vis des tubes du géné- rateur de vapeur d'eau et, par conséquent, les plaques-de sup- port et les barres d'entretoisement subissent de même une élé- vation de leur température.Après la réparation de la pompe de circulation, unfonctionnement stable règne de nouveau, ce qui fait que le niveau de température du sodium liquide diminue quelque peu de sorte que les plaques de support de tubes et les barres d'entretoisement subissent une certaine contraction thermique par rapport aux tubes du générateur de vapeur d'eau. Tous ces mouvements relatifs se traduisent par une usure exces- sive inaceptable des tubes du générateur de vapeur d'eau, ce qui faitqu'ilsdoivent être remplacés plus fréquemment que ce à quoi on pourrait s'attendre ou souhaiter normalement. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus, on a tenté de trouver de nouvelles conceptions de parois latérales des ou- vertures des plaques de support de tubes à travers lesquelles passent les tubes du générateur de vapeur d'eau de manière à réduire à un minimum les problèmes d'usure exagérés mentionnés ci-dessus. Au lieu de conserver les trous ou alésages traver- sants rectilignes classiques formes dans les plaques de support de tubes qui font que,lorsque les tubes-de générateur de va- peur d'eau prennent une orientation inclinée par rapport aux plaques de support de tubes en raison des déplacements relatifs précités,soit des tubessoit des plaques de support,les uns par rapport aux autres ousimplement lorsque les tubes sont en contact avec les parois latérales des ouvertures des plaques de support de tubes par suite d'un alignement excentré entre ces dernières, il se produit une usure exagérée des tubes due à l'abrasion ayant lieu entre les tubes et les bords annulaires supérieur ou inférieur des ouvertures formées dans les pla- ques de support, on a cherché à munir ces bords annulaires supérieurs et inférieurs des ouvertures de surfaces arrondies ou chanfreinées. Dans une autre tentative antérieure 4 2559250 pour résoudre les problèmes d'abrasion mentionnés précédemment, on a pourvu en réalité les régions supérieure et inférieure des trous ou alésages traversants de surfaces inclinées à configu- ratiom coniques se rejoignant dans la partie centrale intacte ou région de portée. Toutefois, comme on peut s'en douter, malgré ces deux tentatives pour résoudre le problème, celui- ci demeure compte tenu du fait que les tubes doivent néanmoins se déplacer sur la région de portée centrale c'est-à-dire tra- verser-cette régiqn qui, en soi, constitue une partie formant un bord notable autour duquel les tubes se courbent et s'usent. Un troisième type de tentative auquel on a encore eu recours pour résoudre le problème mentionné ci-dessus a consisté. à munir les parties intérieures de la paroi latérale des ouvertu- res des plaques de support de tubes de saillies bombées s'éten- dant radialement vers l'intérieur et sur lesquelles les tubes peuvent être supportés soit au moyen de surfaces de contact ponctuelles ou linéaires. Néanmoins, cette solution tentée pour résoudre le problème a également échouée car, ici encore, il existe des surfaces à bords aigus qui exercent encore une abra- sion considérable sur les parois latérales extérieures des tubes de générateur de vapeur d'eau. - C'est pourquoi, l'objectif principal de la présente invention est de réaliser une configuration nouvelle de plaques de support de tubes destinées à un échangeur de chaleur et comportant des trous pour la réception des tubes d'échange de chaleur, l'usure exagérée inacceptable des tubes de générateur de vapeur d'eau due au déplacement relatif entre les tubes de générateur de vapeur d'eau et la plaque de support de tubes étant éliminée-ou réduite à un minimum efficacement. Compte tenu de cet objectif, la présente invention réside dans un échangeur de chaleur comprenant un tube d'échange de chaleur à travers lequel un fluide est acheminé en liaison avec une opération d'échange de chaleur ayant lieu dans ledit échangeur de chaleur, et une plaque de support de tubescompor- tant un trou ou.alésage traversant s'étendant à travers cette 259250 plaque et recevant ledit tube d'échange de chaleur en vue de limiter le déplacement latéral de ce tube dans ledit échangeur de chaleur, le trou ou alésage traversant précité ayant une configuration en..forme de sablier définie entre les surfaces opposées de la plaque de support de tubes de manière à réduire sensiblement l'usure dudit tube due au déplacements relatifs entre le tube d'échange-de chaleur et la plaque de support de tubes. En raison de la configuration en forme de sablier définie pour chaque trou ou alésage traversant destiné à rece- voir un tube de générateur de vapeur d'eau, configuration dans laquelle la paroi latérale annulaire intérieure de la plaque de support de tubes est arrondie de façon régulière et continue de la surface supérieure de cette plaque jusqu'à la surface intérieure de cette dernière, il n'existe aucun bord ou surfa- ce de portée aigus autour dequels les tubes de générateur de vapeur d'eau peuvent se courber, ou le long desquels les tubes peuvent être déplacés en subissant une abrasion. Par conséquent, on peut facilement comprendre qu'une usure exagérée inacceptable des tubes de générateur de vapeur d'eau, usure qui est due à l'abrasion résultant du déplacement des tubes par rapport aux plaques de support de tubes, ou vice versa, peut en fait être sensiblement éliminée, ce qui fait que les tubes de géné- rateur de.vapeur d'eau peuvent avoir des durées de vie utiles plus grandes dans l'échangeur de chaleur. Il convient de remar- quer particulièrement que dans certaines conditions de fonc- tionnement, si les tubes de générateur de vapeur d'eau se dé- placent par rapport aux plaques de support de tubes ou, suivant une autre possibilité, si les plaques de support de tubes se- déplacent par rapport aux tubes de générateur de vapeur d'eau, les tubes peuvent en fait être amenés de force à pivoter ou à s'incliner de façon régulière par rapport aux plans des pla- ques de support de tubes en tournant autour de la région plano-convexe la plus centrale définie dans chacune des plaques de support de tubes o la valeur du diamètre intérieur de l'ou- 6 2559250 verture, du trou ou alésage traversant ou analogue est la plus petite. On va maintenant décrire la présente invention en se référant à la figure unique du dessin annexé qui est une vue en perspective d'une plaque de support de tubes etd'untube de générateur de vapeur d'eau passant à travers cette plaque. Comme on peut le voir sur cette figure,une configuration ou conception d'. uverture, de trou ou d'alésage traversant est définie dans une plaque 14 de support de tubes d'un échangeur de chaleur de générateur de vapeur d'eau de réacteur nucléaire, par exemple, et, à travers cette ouverture, un tube de générateur de vapeur d'eau passeennesubissant qu' une quan- tité minimale d'usure par abrasion pendant sa durée de vie utile. Les tubes 12 de générateur de vapeur d'eau, dont un seul a été représenté, s'étendent verticalement entre les pla- ques tubulaires supérieure et inférieure (non représentées) d'un échangeur de chaleur, les extrémités des tubes 12 du générateur de vapeur d'eau y étant assujetties de façon fixe et étant en communication fluidique avec une source d'eau et des collecteurs de décharge appropriés, également non repré- sentés. Entre les plaques tubulaires supérieure et inférieure se trouve une pluralité' de plaques 14 de support de tubes disposées horizontalement, dont une seule a été représentée et qui sont supportées de façon suspendue dans un mode pendant depuis la plaque tubulaire supérieure au moyen de barres d'entre- toisement, non représentées, de telle sorte que les plaques de support de tubes, en fait, sont suspendues librement à la plaque tubulaire supérieure et ne sont pas reliées à la plaque tubu- laire inférieure ou plaque tubulaire du fond. Chacune des pla- ques 14 de support de tubes est pourvue d'une multiplicité d'ouvertures, d'alésages traversants, de trous, ou analogues, 16, dont un s.eul a été représenté et à travers lesquels les tubes 12 du générateur de vapeur d'eau passent. De plus, les plaques 14 de support de tubes sont pourvues d'ouvertures ou alésages traversants supplémentaires qui permettent au sodium 7 2559250 liquide réfrigérant de les traverser afin de circuler à travers l'échangeur de chaleur quand il.effectue son opération dYéchan- ge de chaleur. Il convient de remarquer, à ce stade, que le rayon R1 de chacun des tubes 12 de générateur de vapeur d'eau est sensiblement plus petit que le rayon des ouvertures ou alésages traversants 16 des plaques de support de tubesc'est-à- dire, dans le cas de la présente invention, sensiblement plus petit que le rayon minimal R2 de l'ouverture ou alésage traver- sant 16 et, de cette manière, le sodium liquide réfrigérant peut de même traverser les ouvertures ou alésages traversants 16 de la plaque de support de tubes en concordance avec son mode d'écoulement de recirculation à travers l'échangeur de chaleur. Pour éviterqu'il nese produise,par suite de l'abrasion, une usure exagérée inacceptable des tubes 12 de générateur de vapeur d'eau de l'échangeur de chaleur quise trouvent en-faitlogés étroitement dans les ouvertures ou alésages traversants 16 des plaques 14 de support de tubes d'échangeur de chaleur dans les conditions de fonctionnement dans lesquelles les tubes 12 de générateur de vapeur d'eau peuvent se déplacer transver- salement, c'est-à-dire pivoter, par rapport aux plaques 14 de support de tubes ou les plaques 14 de support de tubes peuvent se déplacer par rapport aux tubes 12 de générateur de vapeur d'eau, comme on!la déjà décrit précédemment, on fait en sorte, selon la présente invention, que la partie de paroi annulaire intérieure 18 de chaque plaque de support de tubes délimitant chaque ouverture ou alésage traversant 16 de tube de générateur de vapeur d'eau présente une courbure à rayon régulier qui est définie à l'aide d'un rayon extérieur R3 et qui s'étend de façon continue de la surface plane supérieure 20 de la plaque 14 de support de tubes jusqu'à la surface plane inférieure 22 de la plaque 14 de support de tubes. De cette manière, en d'autres termes, l'alésage traversant ou ouverture 16 a une configuration en sablier avec son rayon minimal R2 disposé dans le plan axial le plus central de l'alésage 8 2559250 traversant ou ouverture 16 ou de la plaque 14 de support de tubes, tandis que son rayon maximal R4 se trouve dans les sur- faces supérieure et inférieure 20 et 22 de la plaque 14 de support de tubes. Par suite de la configuration en sablier précitée de chaque alésage traversant ou ouverture du tube de généra- teur de vapeur d'eau formé dans chaque plaque de support de tubes d'échangeur de chaleur,- on peut facilement comprendre que chaque plaque 14 de support de tubes ne présete à chaque tube 12 de générateur de vapeur d'eau aucun bord, surface ou zone de portée aigus autour duquel oude laquelle les tubes 12 se courberaient ou se déplaceraient en subissant une abrasion dans diverses conditions de fonctionnement de l'échangeur de chaleur. En d'autres termes, à divers moments, c'est-à- dire sous diverses conditions, pendant les modes de fonctionnement du réacteur nucléaire et de l'échangeur de chaleur en particu- lier, les tubes d'un générateur de vapeur d'eau classique seraient soumis à un contact linéaire abrasif avec diverses parties des structures de parois latérales des alésages de trous traversants de la plaque de support de tubes,mais confor- mément à la présente invention et grâce à la paroi latérale annulaire intérieure 18 arrondie ou courbée de façon uniforme que comporte chaque ouverture 16 des plaques de support de tubes, seul un contact de surface à courbure régulière est établi ou formé entre les tubes 12 de générateur de vapeur d'eau et chaque plaque 14 de support de tubes. Par conséquent, on peut en outre comprendre facilement que l'on a éliminé efficacement ou notablement minimisé l'usure exagérée inacceptable des tubes 12 de générateur de vapeur d'eauprovenant de l'abrasion due à leur déplacement par rapport aux plaques 14 de support de tur bes ou bien au déplacement des plaques 14 de support de tubes par rapport à ces tubes 12,ce qui fait que la durée de vie utile des tubes 12 de générateur de vapeur d'eau se trouve prolongée. Cette suppression ou réduction maximale de l'usure exagérée des tubes 12 de générateur de vapeur d'eau est le résultat direct de la configuration arrondie ou courbée 18 des alésages traversants ou ouvertures 16 car on peut voir que lorsqu'il s'établit entre les tubes 12 et la plaque 14 de support de tubes un déplacement relatif autre qu'un déplacement coaxial réel entre ces tubes et cette plaque, les tubes 12 ont tendance à tourner ou à pivoter sur la surface arrondie prolon- gée 18 de l'ouverture ou alésage traversant 16 par suite de la partie centralement convexe ou courbée de ce dernier. Ce mouve- ment de pivotement ou de rotation est également permis grâce aux parties supérieure et inférieure de l'alésage traversant ou ouverture 16 telles qu'elles sont définies par les régions supérieure et inférieure radialement agrandies de cet alésage ou ouverture 16 qui présentent des valeurs de dimension d'éten- due radiale prédéterminée appropriée R4 et qui, conjointement avec la région la plus centrale de l'alésage ou ouverture 16, telle qu'elle est définie par l'étendue radiale R2, ainsi qu'avec toutes les régions infinies restantes disposées dans des plans s'étendant transversalement et espacées axialement le long de l'axe d'alésage ou ouverture 16, forment des surfaces inclinées de façon régulière ou divergent radialement à mesure que l'on s'éloigne du plan le plus central de chaque plaque de support 14 vers les surfaces supérieure et inférieure, 20 et 22, de ces dernières, respectivement. On peut donc comprendre que l'on peut obtenir de bonnes caractéristiques d'usure et une longue durée de vie utile des tubes 12 de générateur de vapeur d'eau grâce aux plaques 14 de support de tubes de la présente invention comportant les alésages traversants ou ouvertures 16 qui ont une configuration particulière et qui y sont formés de telle manière qu'ils présentent des étendues radiales inté- rieures variant de façon continue en étant déterminées par une courbure extérieure R3 à rayon constant 2559250 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comprenant un tube (12) d'échange thermique à travers lequel un fluide est acheminé lors d'une opération d'échange de chaleur ayant lieu dans ledit échangeur de chaleur, et une plaque (14) de support de tubescomportant un alésage ou trou traversant (16) s'étendant à travers cette plaque et recevant le tube (12) d'échange de chaleur en vue de limiter le déplacement latéral de ce dernier dans l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que l'alésage ou trou traversant (16) a une configuration en forme de sablier définie entre les surfaces opposées de la plaque (14) de sup- port de tubes de manière à réduire sensiblement l'usure du tube (12) d'échange de chaleur qui provient du mouvement relatif entre ce tube (12) d'échange de chaleur et cette plaque (14) de support de tubes. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alésage ou trou traversant (16) en forme de sablier est défini par des dimensions radiales qui varient de façon constante à mesure que l'on se déplace le long de l'axe de cet alésage ou trou traversant. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alésage ou trou traversant (16) en forme de sablier comprend une paroi latérale annulaire in- térieure (18) qui comporte une partie convexe intérieurement dans le sens radial, cette partie étant définie entre lesdites surfaces opposées (20, 22) de la plaque (14) de support de tubes. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quel-conque des revendications 1, 2 ou 3, comportant un grand nombre de tubes d'échange de chaleur parallèles (12), caractérisé en ce qu'une pluralitéde plaques (14) de support de tubes sont disposées en étant espacées les unes des autres le long des tubes (12) de telle manière que les alésages ou trous traversants (16) se trouvent en alignement axial avec les tubes (12) s'éten- dant à travers les alésages ou trous traversants alignés axia- lement.