Brevet FR2580762A1 — publié le 19861024

Dispositif et procédé pour assurer l'étanchéité entre deux pièces au contact l'une de l'autre par des surfaces dressées. L'invention se rapporte aux dispositifs de procédés pour assurer l'étanchéité entre deux pièces au contact l'une de l'autre par des surfaces dressées. On connaît déjà, notamment pour un échangeur de chaleur, un dispositif destiné à assurer l'étanchéité entre deux pièces au contact l'une de l'autre par des surfaces dressées, par exemple entre la bride et le fond et entre le fond et la plaque tubulaire. Un logement est ménagé dans la face de l'une des faces des pièces associées alors qu'un joint d'étanchéité annulaire, logé dans ce logement, y est écrasé au montage d'une quantité prédéterminée par l'utilisateur, à l'aide d'une nervure circulaire correspondante portée par la seconde pièce de manière à former un assemblage par embrèvement.Des moyens maintiennent les pièces associées fortement appliquées l'une contre l'autre, à l'aide d'une tige filetée dont une extrémité est vissée dans l'une des pièces, par exemple dans le fond, et passe par un perçage correspondant de l'autre pièce qui est la bride qui est munie d'une portée annulaire contre laquelle est serré un boulon d'assemblage, ou à l'aide d'une tige filetée qui traverse les deux pièces ~associées, par exemple le fond et la plaque tubulaire, le serrage étant assuré par deux boulons vissés sur les extrémités de la tige et portant, éventuellement par l'intermédiaire de rondelles, contre des portées annulaires ménagées sur ces deux pièces. Mais alors que l'étanchéité du joint annu laire, par exemple en graphite, est assuré par son écrasement d'une valeur très précise au montage, l'étanchéité au niveau des faces dressées par serrage des boulons laisse à désirer à l'occasion de conditions thermiques transitoires et brutales. Car, dans de telles conditions, les pièces métalliques de l'échangeur, telles que brides, fonds et plaques tubulaires se dilatent en fonction des gradients de température qui s'établissent dans le temps, alors que les tiges filetées qui assurent l'as semblage entre elles des pièces associées, et qui ne sont pas en contact avec les fluides passant par l'échangeur, ont une température qui varie beaucoup plus lentement que lesdites pièces qui sont en contact direct avec lesdits fluides.C'est ainsi que lorsque le fluide chaud est admis dans l'échangeur , la plaque tubulaire, le fond, la bride se dilatent plus rapidement que les tiges filetées, ce qui se traduit par un serrage excessif et des contraintes dans celles-ci, qui peuvent être inadmissibles, alors qu'inversement, lorsque la circulation du fluide chaud admis est arrêtée brutalement, la plaque tubulaire qui est en contact direct avec le fluide froid qui se trouve à l'extérieur des tubes, se rétracte plus rapidement que les tiges filetées, en sorte qu'il peut en résulter un serrage insuffisant du joint et par sa nervure asso ciée, une fuite au niveau de ce joint. Pour conserver l'étanchéité et la précision du serrage entre les surfaces dressées des deux pièces adjacentes, on a proposé de réunir ces dernières à la périphérie de leur interface par un cordon de soudure. Mais l'expérience a montré, notamment dans le cas de pièces de grandes dimensions, et des pressions élevées de l'ordre de 100 bar qui règnent dans les échangeurs de la technique nucléaire, que des fissures se produisent à la longue dans la soudure. Il faut alors supprimer le cordon de soudure et démonter l'ensemble du dispositif et procéder à des travaux de réajustement. Ceux-ci sont très longs, notamment dans l'industrie nucléaire, et ne peuvent être exécutés qu'à des périodes déterminées, à moins de s'accommoder de fuites de vapeurs faiblement contaminées très gênantes, ce qui est loin d'être souhaitable. L'invention pallie ces inconvénients par un dispositif de compensation assurant l'étanchéité éntre deux pièces associées au contact l'une de l'autre par leurs faces dressées et permettant d'obtenir une précision excellente du serrage, sans cordon de soudure et sans entrainer les inconvénients qui peuvent en résulter, et cela quelles que soient les dilatations différentielles qui pourraient être dûes dans le système d'assemblage par tige filetée,-au développement des gradients thermiques dans le temps. Le dispositif de compensation suivant l'in- vention, pour deux pièces à assembler entre elles par une tige filetée et portant l'une contre l'autre par des surfaces dressées, est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte un boitier à jupe allongée axialement qui porte contre l'une des deux pièces à assembler et dont le fond est percé d'une ouverture pour son montage avec jeu sur une extrémité de la tige fi letée dont l'autre extrémité est solidarisée par vissage ou par boulon à la seconde des pièces à assembler, des moyens élastiques à déformation axiale, disposés dans la jupe, et un couvercle à ouverture centrale pour son montage sur la tige filetée ayant un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre extérieur de la jupe et maintenu, à l'aide d'un boulon engagé sur l'autre extrémité de la tige filetée, à une distance de la face frontale de la jupe, susceptible d'être ajustée à la valeur qui correspond à l'allongement ou au retrait que pourrait subir la tige filetée sous l'effet des variations thermiques brutales et transitoires des deux pièces assemblées. Avantageusement, les moyens élastiques montés dans la jupe sont constitués par une ou par plusieurs rondelles élastiques du type de rondelles Belleville engagées sur la tige filetée, de préférence avec interposition d'une douille de centrage, qui peut s'étendre au delà de la jupe et s'engager dans une gorge annulaire ménagée dans la face du couvercle voisin de la jupe. Suivant une forme de réalisation préférée, les rondelles élastiques sont agencées en deux groupes à conicités inversées. De préférence, la boite et le couvercle sont en un matériau dur, en sorte qu'il n'y a pas de phénomène de marquage de l'écrou sur l'élément qu'il repousse ou de la rondelle sur la pièce avec laquelle elle serait en contact, avec pour résultat que la mesure de l'écartement entre le couvercle et la face frontale de la jupe est très précise et correspond très exactement à une application étanche entre les faces dressées des deux pièces assemblées. La figure unique du dessin annexé est une vue en coupe, avec arrachement partiel, de deux dis positifs suivant l'invention, appliqués à titre d'exemple à une partie d'un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur représenté à la figure comporte une plaque tubulaire 1 ayant une face dressée 2 dans laquelle est ménagé un logement annulaire 3 pour un joint d'étanchéité 4 en graphite. Par exemple la plaque tubulaire 1 est en contact par sa face dressée 2 avec la face dressée 5 du fond 6, face dressée 5 qui porte une nervure circulaire 4' qui, dans la position d'assemblage des deux pièces 1 et 6, écrase le joint 4 à son épaisseur normale pour laquelle l'interface 5-2 assure une étanchéité pour le fluide circulant dans l'échangeur et qui peut être de, par exemple, 100 bar et à une température de 2800 C, par exemple. Dans la face 7 du fond 6 est ménagé un logement annulaire 8 pour un joint d'étanchéité 9. La face 7 est au contact d'une face 10 d'une bride 11 dont une nervure annulaire 12 pénètre dans le logement 8 en écrasant le joint 9 dans des conditions similaires à celles du joint 4, en vue d'assurer dans les conditions d'assemblage, une bonne étanchéité au niveau de l'interface 7-10. La bride 11 définit une tubulure 13 d'entrée d'un fluide chaud dans les tubes 14 engagés dans la plaque annulaire 1. Autour des tubes 14, circule du liquide froid. Pour assurer et maintenir l'étanchéité au niveau de l'interface 2-5 entre les pièces 1 et 6 assemblées par une tige filetée 19, d'une part, et de l'interface 7-10 entre les pièces 6 et 11 assemblées par une tige filetée 30, dans toutes les conditions thermiques, pour lesquelles ces tiges filetées peuvent subir un allongement ou un retrait axial, on associe à chacune de celles-ci respectivement un dispositif de compensation Ci et C2 dont on décrira ci-après la constitution. La tige filetée 19 passe par un perçage 19' ménagé dans la pièce 1 au delà de laquelle elle se projette, vers la droite dans le dessin, par son extrémité filetée 20' sur laquelle est vissé le boulon, une rondelle 15', en un acier dur traité! étant prévue entre le boulon 20 et une face dressée 17 de la pièce 1 qui représente la pièce tubulaire. Ce même boulon traverse, vers la gauche dans le dessin, un per çage 6' ménagé dans la pièce 6 qui représente le fond avec son extrémité filetée 21' s'étendant au delà du boulon 21 engagé sur celle-ci, avec le dispositif de compensation Ci situé entre le boulon 21 et une face dressée 18 de la pièce 6. Le dispositif de compensation Ci est constitué par un boitier qui comporte un fond 22 auquel est reliée ou avec lequel est venue d'une pièce une jupe axiale 23, ledit boitier étant engagé en position centrée sur la tige filetée 19 par un per çage 22' ménagé dans le fond et ayant un diamètre légèrement supérieur à celui de la tige filetée 19 en sorte que ledit boitier est capable de se déplacer axialement sur cette dernière, sous l'effet de contraintes axiales auxquelles il po#urrait être soumis. Dans le boitier sont enfilés sur la tige, avec interposition d'une douille 24, deux groupes 29, 29' de quatre rondelles Belleville chacun, la conicité du groupe 29 de rondelles Belleville étant dirigée vers le boulon 21, et la conicité du groupe 29' de rondelles Belleville étant de sens opposé. En face de la paroi frontale 28 de la jupe 23, un couvercle 25 est monté, avec jeu, sur la tige 19, ledit couvercle 25 présentant dans sa face intérieure 27, située à une distance réglable à l'aide du boulon 21 par rapport à la face frontale 28 de la jupe, une gorge ouune dépression 26 dans laquelle pénètre par tiellement la douille 24, en vue d'assurer un bon centrage du dispositif de compensation C1 par rapport à la tige filetée 19. Enfin, il convient de noter que dans le fond 22 est placée une rondelle 16 en acier traité pour que les rondelles 29 et 29' ne marquent pas le fond quand elles sont sous pression. Le dispositif de compensation C1, monté sur la tige filetée 18 servant à l'assemblage des pièces 1 et 6, avec étanchéité au niveau de l'interface 2-5, fonctionne comme suit On supposera d'abord que le générateur de vapeur ou échangeur, tel que représenté, n'est pas sous charge, c'est à dire qu'il n'est pas alimenté en eau chaude #, par exemple, 2800 C, sous une pression de par exemple 100 bar. La plaque tubulaire 1, le fond 2 et la tige filetée 19 sont tous froid, c'est à dire à la température ambiante.En fonction des caractéristiques des matériaux utilisés pour réaliser ces trois éléments, et éventuellement leurs éléments associés, et en connaissant la pression de, par exemple, 22 tonnes avec laquelle les faces dressées 2 et 5 doivent s'appliquer l'une contre l'autre pour que l'interface 2-5 soit étanche lors de la charge des générateurs de vapeur à prévoir avec une pression intérieure de 100 bar, on peut calculer la pression que les groupes de rondelles Belleville 29, 29' doivent exercer, par l'intermédiaire du fond de la boite 22 sur la face dressée 18 du fond 6, et, par voie de conséquence la distance qu'il faut ajuster entre le couvercle 25 et la face frontale 28 de la jupe 23, par vissage du boulon 21. Ce réglage étant effectué, on peut mettre le générateur de vapeur en charge. Pendant le fonctionnement du générateur de vapeur toute tendance de fuite au niveau de l'interface 2-5, en raison des dilatations que peuvent subir les pièces 1, 6 et 19, sera interdite par la précontrainte qui a été préalablement imposée aux groupes de rondelles Belleville 29, 29', et les faces 2 et 5 restent toujours appliquées l'une contre l'autre avec la pression envisagée de 22 tonnes. A l'arrêt du générateur de vapeur ou échangeur, les pièces 1 et 6 ont tendance à subir un retrait qui est plus prononcé et, en tous cas, plus rapide que le retrait que subit la tige filetée 19, de sorte qu'à chaque instant la distance entre les faces dressées 17 et 18 des pièces 1 et 6 diminue progressivement d'une quantité moindre que le retrait axial de la tige filetée 19, mais les rondelles Belleville assurent le contact du fond 22 contre la face dressée 18 de la pièce 6 alors qu'en même temps le boulon 21 vissé sur le filetage 21' de la tige 19 déplace le couvercle 25 en direction de la face frontale 28 de la jupe 23, jusqu'à la distance de celleci qui a été ajustée avec l'appareil à froid, ce qui provoque la remise sous pression préalable des groupes de rondelles 29 - 29' et le maintien de la pression initiale de 22 tonnes au niveau de l'interface 2-5. Le dispositif de compensation C2 est de constitution identique à celle du dispositif de compensation C1, les mêmes éléments étant désignés par les mêmes références. Ce dispositif de compensation C2 ne comporte toutefois que deux rondelles Belleville 29, et il est monté sur la tige filetée 30, vissée dans la pièce 6 passant dans le perçage il' de la pièce 11, de manière que son fond 22 porte contre une surface dressée 22' de cette dernière pièce. Pour régler la distance ini tiale entre le couvercle 25 et la face frontale 28 de la jupe 23, et par voie de conséquence, la pression de serrage au niveau de l'interface 7-10 entre les pièces 6 et 11, assurant l'étanchéité. La référence 9 désigne un joint annulaire similaire au joint 4 et agencé de la même façon que celui-ci. Le mode de fonctionnement du dispositif C2 est identique à celui désigné par C1, en sorte qu'il est inutile de le décrire. il est bien entendu que le dispositif de compensation selon l'invention n'a été décrit qu'à titre d'exemple en application à un échangeur ou générateur de vapeur, et il va de soi qu'il peut aussi bien être mis en oeuvre toutes les fois qu'il s'agit d'assurer une étanchéité entre deux surfaces jointives d'un appareil opérant sous forte température et/ ou sous pression élevée, avec des gradients de température variant dans le temps et s'établissant au niveau de ses éléments constitutifs et d'assemblage. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de compensation pour assurer l'étanchéité entre deux pièces en contact l'une avec l'autre par des surfaces dressées, caractérisé par le fait qu'il comporte un boitier à jupe allongée axialement qui porte contre l'une des deux pièces à assembler et dont le fond est percée d'une ouverture pour son montage avec jeu sur une extrémité de la tige filetée dont l'autre extrémité est solidarisée par vissage ou par boulon à la seconde des pièces à assembler, des moyens élastiques à déformation axiale disposés dans la jupe et un couvercle à ouverture centrale pour son montage sur la tige filetée ayant un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre extérieur de la jupe et maintenu, à l'aide d'un boulon engagé sur l'autre extrémité de la tige filetée, à une distance de la face frontale de la jupe, susceptible d'être ajustée à la valeur qui correspond à l'allongement ou au retrait que pourrait subir la tige filetée sous l'effet des variations thermiques brutales et transitives des deux pièces assemblées. 2 - Dispositif de compensation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens élastiques montés dans la jupe sont constitués par une ou par plusieurs rondelles élastiques de type de rondelles Belleville engagées sur la tige filetée, de préférence avec interposition d'une douille de centrage qui peut s'étendre au delà de la jupe et s'engager dans une gorge annulaire ménagée dans la face du couverclevoisin de la jupe. 3 - Dispositif selon la revendication 1, pouvant comporter la douille de centrage selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les rondelles Belleville sont agencées par groupes ayant des conicités inversées. 4 - Procédé pour la mise en oeuvre du dispositif de compensation suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on visse le boulon prenant appui contre le couvercle pour que celui-ci se situe, lorsque l'assemblage est à l'état froid, à une distance de la face frontale de la jupe qui correspond à une valeur calculée en fonction du retrait, après mise à la température de fonctionnement d'un échangeur, par exemple, des éléments constitutifs de l'assemblage auquel est associé le dispositif de compensation.