Brevet FR2582071A1 — publié le 19861121

Enceinte haute pression La présente invention se rapporte aux enceintes haute pression destinées à résister à des pressions internes très élevées. I1 n'est pas rare, lors de la mise au point d'équipements industriels, et plus particulièrement dans le domaine des techniques de pointe, d'avoir à tester le comportement de matériaux sous des pressions très élevées de liquides ou de gaz parfois dangereux (H, He, SH2), avant leur utilisation. Cette exigence se rencontre par exemple dans le domaine des forages, où il est nécessaire de tester les sondes dans des conditions artificiellement recréées sous des pressions et températures très élevées, parfois très supérieures à 1 000 bars, des matériaux composites, d'autres industries, etc.. Les règlements de sécurité d'une part, les définitions de fiabilité d'autre part exigent que de telles enceintes satisfassent à des critères très sévères. Ces critères font que l'obtention de très hautes pressions est extremement difficile, voire impossible ; il est dans tous les cas nécessaire de concevoir des enceintes ayant des parois très épaisses réalisées en des matériaux très sophistiqués et donc extremement onéreuses. Pour comprendre les limites indiquées ci-dessus il convient de se rapporter au schéma n 1 figurant en annexe qui est une coupe transversale d'une enceinte tubulaire cylindrique d'axe x-x', d'épaisseur e, de diamètre interne a et de diamètre externe b et à l'intérieur de laquelle règne une pression pi nettement supérieure à la pression extérieure pe. Si l'on considère un fragment élémentaire de cette enceinte située à une distance r de son axe x-x' (telle que ar da # r . r-d# + #tdr d# - (#t + d#r) (r + dr) d En intégrant l'égalité ci-dessus sur la totalité de l'enceinte tubulaire, on obtient les formules suivantes a = api - bpe - (pi - pe) a b r - b2 - 2 2 2 2 #r (b - a r (b - a) #t = a2pi + (pi - pe) a2b2 b - a r (b - a) r (b - a ) On voit que la contrainte tangentielle at est 2 maximum lorsque r est minimum donc pour un élément unitaire situé sur la périphérie interne de l'enceinte (r2 = a2) On en déduit que pi (a2+b2) a t max = = b2 2 -a Pour qu'il n'y ait pas de risque de rupture, il est bien entendu nécessaire que la contrainte tangentielle maximum atmax reste nettement inférieure à la contrainte de rupture propre du matériau constitutif de l'enceinte. Pour ce, l'épaisseur e d'une enceinte tubulaire de rayon moyen r en un matériau dont la contrainte de ruptu re est égale à ot doit au moins être égale à Pour pouvoir résister en toute sécurité à une pression interne pi, k étant l'inverse d'un coefficient de sécurité exigé par les Autorités, qui est par exemple actuellement en France de 3 pour les gaz comprimés ou d'un coefficient découlant d'un calcul de fiabilité. La formule ei-dessus montre clairement que lorsque la pression pi régnant à l'intérieur de l'enceinte se rapproche de kat, l'épaisseur e exigée tend vers l'infini. Conformément à l'art antérieur, le problème posé ne comporte donc aucune solution permettant d'atteindre une pression pi kat ou P. > K.at Si l'on prend l'exemple d'un acier allié pour lequel a t = 130 daN/mm2, la pression interne de l'ensemble ne peut guère dépasser 3 000 à 3 400 bars pour satisfaire aux normes exigées. Dans ce cas, pour une enceinte tubulaire de rayon moyen égal à 300 mm, l'épaisseur minimale doit être égale à Il s'agit là d'une épaisseur extrêmement importante par rapport au rayon de l'enceinte, ce qui rend cette dernière extremement onéreuse, surtout si l'on tient compte du fait que celle-ci doit etre réalisée en une matière très sophistiquée telle que par exemple un acier inoxydable martensitique, pour pouvoir résister aux phénomènes de corrosion. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients des enceintes classiques décrites ci-dessus, en proposant une enceinte susceptible de résister à des pressions internes extrêmement élevées pouvant aller Jusqu'à ses caractéristiques de rupture, tout en ayant une résistance à la corrosion satisfaisante, et en étantd'une épaisseur et dtun prix de revient nettement diminué ; une telle enceinte doit bien entendu en outre respecter les règles de sécurité exigées par les Autorités. A cet effet, l'invention concerne une enceinte du type ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle se compose de plusieurs enceintes intermédiaires emboitées les unes dans les autres, et séparées par des intervalles remplis par des fluides ou solides intermédiaires créant des pressions intermédiaires comprises entre la pression interne et la pression extérieure, les -pressions intermédiaires allant en diminuant de l'intérieur vers l'extérieur de ltenceinte, le tube ex-térieur ou/et-les autres pouvant être autofrittés. I1 est préférable de ne pas autofritter l'enceinte interne pour ne pas créer des risques de criques ou microfissures par écrouissage et formation de contraintes interne. Le plus souvent, l'enceinte conforme à llinven- tion est, en fait, constituée par deux enceintes intermédiaires métalliques séparées par un intervalle minimum occupé par un fluide intermédiaire. On s'est aperçu, de manière surprenante, qu'il était ainsi possible de diminuer notablement l'épaisseur des enceintes, et même d'utiliser pour l'enceinte externe des matériaux moins sophistiqués que ceux habituels jusqu'à présent. Par exemple, et selon une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte interne est en un acier haute performance, notamment en un acier inoxydable martensitique, tandis que l'enceinte externe autofrittée ou non est en un matériau plus courant. Les avantages pouvant être obtenus grâce à l'enceinte décrite ci-dessus seront mis plus clairement en lumière grâce aux exemples suivants Exemple 1 Selon le schéma n 2 figurant en annexe, qui est une coupe transversale d'une enceinte tubulaire cylindrique constituée par deux enceintes intermédiaires A et B s'emboîtant l'une dans l'autre avec un jeu minimum et de rayons internes et externes respectifs a et b d'une part et b et c d'autre part, si l'on considère que la pression interne de l'enceinte A est égale à pi et la pression intermédiaire à pe, un calcul identique à celui effectué ci-dessus permet d'aboutir aux égalités Première enceinte A b2 2 pi + kat = a k#t - pi + 2 pe Deuxième enceinte B pé + k t c = b k#t - pe Si, comme précédemment a = 300 mm, pi = 3 400 bars et pe = 1 400 bars, on obtient, pour la première enceinte A pi + k#t 2 34 + 43,33 2 28 = a2 77,33 b = a k#t = pi a 2pe 43,33 - 34 + 28 = 37,33 k#t - pi + 2pe b = 1,44 a = 1,44 x 300 = 431,78.mm l'épaisseur minimum de la première enceinte est donc égale à 131,78. De même, pour la seconde enceinte B, on obtient C = b2 ko' + pe - (1,44a) 2 43,33 + 14 =(1,44 a)2 x C - pe 43,33 - 14 - c = 1,44 x 1,40 x a = 2,01 a = 603,97 mm. l'épaisseur minimale de l'ensemble des deux enceintes A et B est donc égale à 303,97 mm. Si l'on compare ce résultat à l'épaisseur minimale de 564 mm calculé précédemment pour une enceinte simple similaire, on voit que l'utilisation d'une enceinte double permet d'obtenir une économie de matériau de 51,13 %. En utilisant des tubes autofrittés, le gain sera encore plus substantiel. Le calcul ci-dessus étendu à une enceinte comportant un grand nombre d'enceintes intermédiaires emboitées les unes dans les autres donne pour le rayon d'indice n + 1 rn + 1 = r1 (k#t + #n)! (k#t - pn + 2n-1)! P et Pn-1 étant les pressions intermédiaires pour les tubes n n-i d'indices n et n-l. Dans ce cas général, pour obtenir une enceinte de masse minimale pour une pression interne donnée on doit avoir une épaisseur e constante pour un nombre n donné, ce qui correspond à des pressions intermédiaires en progression exponentielle. Exemple 2 Cet exemple a pour but de démontrer que dans les hypothèses considérées ci-dessus, il est possible, conformément à l'invention, de dépasser une pression interne de 43,33 daN/mm2, c'est-à-dire la limite de Kat dans le cas d'un acier allié pour lequel 130 daN/mm2. En effet, si l'on prend, par exemple, pi = 6 000 bars, dans le cas d'une enceinte simple, on aurait On voit immédiatement que ce problème n'a pas de solution en utilisant qu'une seule enceinte, étant donné que le dénominateur sous la racine carrée est négatif. Par contre, si l'on considère le même exemple pour une enceinte constituée par deux enceintes intermédiaires A et B emboîtées l'une dans l'autre avec un Jeu minimum, on a en reprenant les calculs ci-dessus Pour la première enceinte A b = a pi + k#t - a 60 + 43,33 a 103,33 k#t - pi + 2pe = a 43,33 - 60 + 49,42 = a 32,75 donc b = 1,78 a = 534 mm l'épaisseur minimale de la première enceinte est donc égale à 234 mm. Pour la deuxième enceinte B c2 b kat + pe = (1,78a)2 X 43,33 + 24,71 =(1,68a)2 X 68,04 kat = pe 43,33 - 24,71 - 18,62 donc c = 1,91 b = 1,91 x 1,78a = 1 020,78 mm. l'épaisseur minimale de la seconde enceinte est donc égale à 487 mm. On voit donc que, dans le cas d'une enceinte double, le problème a une solution correspondant à une épaisseur minimale de 720,78 mm pour l'ensemble des deux enceintes. Exemple 3 Cet exemple correspond à l'exemple ci-dessus, dans le cas d'une enceinte constituée par trois enceintes intermédiaires A, B, C embossées les unes dans les autres avec un Jeu minimum, telles que représentées sur le schéma n 3 joint en annexe, et séparées respectivement par des fluides sous des pressions pel = 3 530 bars et pe2 = 1 624 bars. Les rayons internes et externes de ces enceintes sont respectivement égaux à a, b, c et d. On se place toujours dans le cas précédent, 2 pour lequel k : 3,at = 130 daN/mm , a = 300, pi = 6 000 bars. Pour la première enceinte, les égalités mentionnées ci-dessus deviennent 2 2 pi + kat 2 60 + 43,33 2 103,33 k#t - pi + 2pe a 43,33 - 60 + 70,6 a 53,93 b= 1,38 a = 414 l'épaisseur minimale de la première enceinte est donc de 114 mm. Pour la deuxième enceinte : c2 = b2 pel + Kat + 2pe2 = b2 35,3 +43,33 + 43,33 = b2 78,63 t - 35,30 40,51 donc c = 1,39 b = 1,39 x 1,38a = 576 mm l'épaisseur minimale de la seconde enceinte est donc de 162 mm. Pour la troisième enceinte d2 2 pe2 + kat 2 16,24 + 43,33 2 o2 X = = c ka - pe2 - 43,33 t- pe2 43,33 16,24 27,09 donc, d = 1,48.- c = 576 x 1,48 = & 2,48 mm l'épaisseur minimale de la troisième enceinte est donc de 276 mm. Donc, dans ce cas l'épaisseur minimale totale de l'ensemble des trois enceintes est égale à 552,48 mm, donc inférieure au 720,78 mm trouvés dans le cas d'une enceinte constituée par deux enceintes secondaires embossées l'une dans l'autre. Les exemples ci-dessus montrent donc qu'il est, technologiquement possible de fabriquer des enceintes répondant aux normes de sécurité et susceptibles de supporter des pressions égales ou même supérieures à la résistance de rupture du matériau choisi. De plus, l'enceinte conforme à l'invention permet de réaliser une économie de masse du matériau utilisé, et simultanément une économie très nette à la fabrication, vu que si la première enceinte doit forcément être en un matériau très coûteux, les autres enceintes peuvent être en, des matériaux plus courants, et ce à toutes pressions De même, cette enceinte donne des résultats particulièrement satisfaisants du point de vue de la corrosion, la première enceinte pouvant être en un matériau inoxydable, par exemple, et les autres en un matériau courant avec un liquide de protection sous pression. De même, il convient de remarquer que, si la première enceinte interne doit obligatoirement être soumise aux règlements de sécurité, les autres n'ont pas forcément à y répondre, si elles sont remplies de liquide sans gaz ni vapeur saturante. Une telle enceinte peut aussi être définie pour des plus basses pressions afin de gagner du poids et d'en diminuer le prix de revient. SCHEMA 1 SCHEMA 2 SCHEMA 3 R E V E N D I C A T I O N S 10) Enceinte haute pression destinée à résister à des pressions internes élevées, caractérisée en ce qu'elle se compose de plusieurs enceintes intermédiaires emboitées les unes dans les autres et séparées par des intervalles remplis par des fluides intermédiaires soumis à des pressions intermédiaires comprises entre la pression interne et la pression extérieure, les pressions intermédiaires allant en diminuant de l'intérieur vers l'extérieur de l'enceinte. 20) Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle se compose de deux enceintes intermédia ires métalliques séparées par un faible intervalle occupé par un fluide intermédiaire. 30) Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'enceinte interne est en un acier haute performance, par exemple un acier inoxydable martensitique, tandis que l'enceinte externe est en un matériau plus courant. 40) Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la ou les enceinte(s) externe(s) sont autofrittée(s).