Brevet FR2578021A1 — publié le 19860829

La présente invention concerne une portée d'étanchéité pour robinet à clapet, applicable plus particulièrement aux robinets destinés à fonctionner dans des conditions sévères de température et de pression, notamment dans les circuits de refroidissement à l'eau de centrales nucléaires. L'inven- tion couvre également les robinets à clapet munis de ladite portée d'étanchéité. Dans le domaine des centrales nucléaires en particu- lier, on sait que la sécurité et la fiabilité constituent des soucis majeurs permanents, et des efforts constants sont engagés pour améliorer les équipement et les procédures d'exploitation. En ce qui concerne les robinets, on en utilise des milliers dans divers circuits, notamment de refroidissement à l'eau> desdites centrales nucléaires et c'est pourquoi ils sont une contribution essentielle pour un fonctionnement sûr et fiable d'une centrale. Or, bien que l'étanchéité entre la tige et le corpsd'un robinet soit satisfaisante à l'heure actuelle, il existe toujours des difficultés à obtenir une fiabilité totale des portées d'étanchéité de la jonction siège-clapet. Les règles de conception spécifient que ces portées d'étanchéité soient revêtues d'un dépôt dur. En majorité, la robinetterie en service met en oeuvre des revêtements durs à base nickel ou cobalt, ce dernier étant largement utilisé pour les applications nucléaires. Les alliages de rechargement à base cobalt se compor- tent correctement mais avec certains inconvénients qui deman- dent à être éliminés si l'on veut accroltre la sécurité et la fiabilité: dureté superficielle non homogène quels que soient les caractéristiques physiques du matériau de base pour le rechargement et le procédé de revôtement: on obtient environ 50% de dispersion sur la dureté mesurée, ce qui conduit à des dépôts soit trop ductiles soit trop durs; - ce type de revêtement est très sensible à la fissuration sous les charges élevées du contact siège sur clapet. Ce Phénomène est encore plus marqué lorsque le matériau support est relativement mou, tel qu'un acier inoxydable austéni- tique souvent utilisé en nucléaire: la fissuration du dépôt conduit à de grosses fuites très au delà des limites accep- tables; - malgré leur faible taux de corrosion et les petites quanti- tés utilisées, les alliages à base cobalt peuvent entrer o10 pour une part significative du taux de Co60 dans le décompte total des isotopes radioactifs à longue durée de vie dans les produits de corrosion rencontrés dans les réacteurs refroidis à l'eau. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients ci-dessus, en fournissant une portée d'étan- chéité fiable et de réalisation aisée, amenant une économie substantielle aussi bien sur la matière que sur le temps et l'énergie nécessairesà sa fabrication ainsi qu'à celle des robinets qui en sont munis. Conformément à l'invention, le siège et le clapet du robinet sont réalisés sous la forme de pièces usinées massives en un alliage à base de nickel, sensiblement exempt de cobalt, rapportées respectivement sur le corps et la tige du robinet, le siège présentant une dureté au moins égale à celle du clapet. Une telle structure de l'ensemble siège-clapet, tout en éliminant les inconvénients dus au cobalt, permet de réaliser directement par usinage les pièces présentant leurs dimensions, leur géométrie et leur état de surface définitifs. Les duretés étant obtenues par traitement thermique séparé, après usinage des pièces et antérieure- ment à leur mise en place, aucune opération d'usinage complémentaire après montage, ni aucun apport thermique sur des pièces importantes ne sont nécessaires comme dans le cas de la technique par rechargement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique en coupe de la partie d'un robinet comportant un siège et un clapet; et la figure 2 représente une vue schématique partiellement en coupe, a échelle agrandie par rapport à la figure 1, illustrant le montage d'un ensemble siège- clapet selon l'invention. Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments. En ce qui concerne l'alliage applicable, on donne ci-après, à titre illustratif, la composition des alliages à base cobalt et à base nickel destinés à la technique de rechargement, ainsi que la composition essentielle et les propriétés intéressante d'un alliage à base nickel préféré selon l'in- vention. Ces compositions sont données en pourcentage en poids. I - Alliages de rechargement base Co base Ni chrome 29 16 carbone 1,4 0,7 silicium 1,4 4,2 molybdène 1 - fer > 3 4 nickel > 3 q.s.p. 100 cobalt q.s.p.100 tungstène 8 - Dureté Rockwell C (HRC) 41 54 iI - Alliage pour pièces massives nickel 50 à 55 chrome 17 à 21 columbium 4,75 à 5,50 molybdène 2,80 à 3,30 titane 0, 65 à 1,15 aluminium 0,20 à 0,80 cobalt 4 1,0 carbone, 0,08 Dureté Rockwell C (HRC) 20 à 40 * coefficient de dilatation linéaire (1 0-6/ C) 13,9 Module de Young E (103MPa) 210 111,2 à température Limite élastique à 0, 2% R 0,2(MPa) ambiante ,9 à 450 C (*) en fonction du temps de vieillissement. L'alliage II ci-dessus peut être par exemple choisi dans la gamme vendue dans le commerce sous l'appellation "Inconel", en particulier "Inconel 718". Un tel alliage présente notamment les propriétés avantageuses suivantes: matériau sans cobalt (moins de 1%), - dureté obtenue 20 à 40 HRC suivant le traitement thermique, - résistance à la corrosion équivalente ou supérieure à celles de revêtements base cobalt, - résistance aux températures élevées: modification de 2,7% seulement de la limite élastique à 450 C. En ce qui concerne le comportement thermique, on obtient sur le clapet, le siège et le corps des coefficients de dilatation voisins: - alliage base nickel: 14 x 10-6/ C - acier inoxydable (corps): 16 x 10-6/ C ?578021 Avec les valeurs ci-dessus, la différence de dilatation est de seulement 0,011 mm par 100 C d'élévation de température pour un robinet de 50 mm de diamètre de passage. En se référant aux figures 1 et 2, le corps 1 d'unrobinet comporte de façon connue en soi une voie d'entrée 2 et une voie de sortie 3 pouvant 9tre isolées par l'intermédiaire d'un siège 4 sur lequel prend appui un clapet 5 disposé à l'extrémité d'une tige de commande appropiée 6, ellemême rendue étanche par rapport au reste du corps de robinet au moyen par exemple d'un soufflet métallique (non représenté). Conformément à l'invention, le siège 4 est monté serré dans un logement 7 du corps 1 et solidarisé par soudure selon un cordon 8 par tout procédé approprié, de préférence sans apport de métal selon le procédé à électro- de de tungstène sous atmosphère inerte. Le clapet 5 est rapporté de la même façon dans un logement 10 de l'extrémité de la tige 6 selon un cordon 9. Du fait de la faible diffé- rence dans les coefficients de dilatation entre le siège et le clapet d'une part et le corps de robinet d'autre part, les cordons de soudure ne sont pas soumis à une contrainte excessive et peuvent supporter une température d'utilisa- tion de 450 C ainsi que les chocs thermiques sans fissura- tion ou autre dégradation. Comme mentionné plus haut, le siège 4 présente unedureté au moins égale à celle du clapet 5. Avantageusement, la dureté du siège est de 40 HRC et celle du clapet de 30 HRC, de préférence avec une tolérance de + 2 HRC dans des condi- tions de service impliquant une température maximale de 450 C et une pression nominale du fluide de 259 bars. La différence de dureté indiquée ci-dessus permet d'assurer un contact optimal, le clapet étant le plus ductile ce qui lui permet de se conformer aux mieux à la géométrie du siège. Pour l'obtention des duretés ci-dessus, on effectue un traitement thermique approprié sur les pièces usinées. A titre d'exemple, avec l'alliage "Inconel 718", ce traite- ment comprend un stade commun de "mise en solution", effectué sous vide entre 800 et 10000C pendant plusieurs heures, suivi d'un refroidissement lent au four. Un second stade consiste en un vieillissement effectué à 7180C sous vide, pendant vingt heures pour obtenir 40 HRC sur le siège et pendant deux heures pour obtenir 30 HRC sur le clapet. Le contrôle des pièces avant mise en place comprend des relevés de circularité, d'état de surface et d'angle des portées coniques suivant les critères suivants: - circularité: 0,02 mm - état de surface: Ra C 1,6 gm angle: + 0,2 Le cordon de soudure du siège est ensuite soumis à un essai d'étanchéité à l'hélium sous vide. Après mise en place du clapet et du siège, aucune opération d'usinage n'est nécessaire; on obtient ainsi un avantage essentiel par rapport aux revêtements o une longue suite d'opérations est nécessaire de par l'important apport thermique sur les pièces: usinage ébauche, dépôt, traitement thermique de détensionnement, usinage du dépôt pour contrôle par ressuage, usinage final, rodage, contrôle final. De plus, la mise en place du clapet et du siège se faisant sur pièces finies, les réparations des portées sont envisageables par simple remplacement de ces pièces rapportées. Les exemples suivants rendent compte d'essais effectués sur éprouvettes et sur robinet complet, et feront mieux saisir la portée et l'intérêt de l'invention. Exemple 1 - sur éprouvette: deux jeux d'échantillons ayant la confi- guration exacte des portées d'étanchéité ont été fabriqués et soumis à des essais de charge, d'étanchéité et de choc thermique. a) force de contact: la force minimum de contact (Fc) permettant de maintenir les portées en contact sous la pression de service de 259 bars est de 5500 daN. A l'aide d'un vérin hydraulique, des charges de 6400daN (1,16 x Fc) et 11000 daN (2 x Fc) ont été appli- quées cinq fois au clapet et siège. L'examen des pièces après essais indique une zone de contact uniforme de 1 mm environ de largeur et aucun signe de détérioration des surfaces (fissures, pénétrations, etc.). b) étanchéité: sous charge de 6400 daN au niveau des portées d'étanchéité, la pression nominale de service de 259 bars a été appliquée en dessous du clapet. Aucune fuite d'eau n'a été observée pendant 15 minutes. c)-choc thermique: un échantillon a été soumis pendant cinq cycles successifs à des chocs thermiques de la température ambiante à 500 C et retour à l'ambiante (15 minutes à 500 C, immersion dans l'eau froide). Après ces cycles thermiques, l'échantillon a été soumis à un - contrôle d'étanchéité à l'hélium sous vide et à une ins- pection visuelle avec grossissement. Aucun signe indiquant une fissuration n'a été relevé. Exemple 2 - sur robinet complet (clapet de diamètre nominal 50 mm): après assemblage final, les robinets ont été installés au banc d'essai et un couple de serrage appliqué au volant de manoeuvre jusqu'à-ce que l'étanchéité soit obtenue à la pression de service de 259 bars. Le couple nécessaire a été relevé à 15 m daN. L'essai a été reconduit cinq fois avec des résultats homogènes. L'examen des portées après essai n'a pas irdiqué de quelconque détérioration. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modification utile, notamment dans le domaine des équiva- lences techniques, sans sortir de son cadre. REVENII CATi ONSI 1. Portée d'étanchéité pour robinet du type clapet portant sur un siège et destiné à fonctionner dans des conditions sévères de température et de pression, caractérisée par le fait que le siège (4) et le clapet (5) sont réalisés sous la forme de pièces usinées massives en un alliage à base de nickel et sensiblement exempt de cobalt, rapportées respec- tivement sur le corps (1) et la tige (6) du robinet, le siège présentant une dureté au moins égale à celle du clapet. 2. Portée d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le siège et le clapet sont rapportés dans des logements respectifs (7, 10) du corps et de la tige et solidarisés par des cordons de soudure (8, 9) sans apport de métal. 3. Portée d'étanchéité selon l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisée par le fait que le siège et le clapet sont réalisés dans le même alliage et que leur dureté respective résulte d'un traitement de vieillissement après usinage. 4. Portée d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la dureté du siège est de 40 Rockwell C et celle du clapet de Rockwell C, avec une tolérance de plus ou moins 2 Rockwell C. 5. Robinet à clapet comportant une portée d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.