Brevet FR2599791A1 — publié le 19871211

L'invention concerne un procedé de fixation résistante et étanche d'un élément cylindrique creux a l'intérieur d'un tube et un élément cylindrique creux permettant la mise en oeuvre de ce procedé. L'inven5 tion s'applique notamment mais non exclusivement au chemisage et au bouchage des tubes d'un générateur de vapeur. Les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires a eau sous pression comportent un faisceau 10 constitué d'un très grand nombre de tubes dont les extrémités sont serties dans une plaque tubulaire de forte épaisseur. Lors d'une utilisation de longue durée d'un tel genérateur de vapeur, des fissures génératrices de 15 fuite peuvent apparaître dans les parois de certains tubes du faisceau. Les parois des tubes réalisant la séparation entre le fluide primaire du réacteur et l'eau d'alimentation du générateur de vapeur, il est nécessaire de détecter ces fuites et d'y remédier par 20 une intervention dans le générateur de vapeur, au moment d'un arrêt du reacteur nucléaire. De telles interventions sont bien connues et font intervenir soit un bouchage de l'extrémité des tubes présentant une fuite, soit un chemisage de la 25 partie fissurée de ces tubes. Dans le cas du bouchage, on introduit dans l'extrémité du tube sertie dans la plaque tubulaire un élément cylindrique creux fermé a l'une de ses extrémités dont le diamètre extérieur est un peu inférieur 30 au diamètre intérieur du tube dans sa partie sertie. On réalise ensuite une expansion diamétrale de cet élément cylindrique dans une zone de jonction proche de la face d'entreé de la plaque tubulaire, jusqu'au moment o la surface externe de l'élément cylindrique est parfaitement en contact avec la surface intérieure du tube. La fixation de l'élément cylindrique qui constitue le bouchon est complétée par un sertissage de sa partie ayant subi l'expansion diamétrale a l'in5 térieur du tube et éventuellement par un soudage de son extrémité assurant une fermeture parfaitement étanche du tube. Dans le cas o l'on réalise un chemisage, un élément cylindrique ou manchon, d'un diamètre exté10 rieur inférieur au diamètre intérieur du tube et ouvert à ses deux extrémités, est introduit dans le tube à chemiser par la face d'entrée de la plaque tubulaire. La longueur du manchon est généralement supérieure a l'épaisseur de la plaque tubulaire et ce manchon est 15 introduit dans le tube jusqu'au moment o son extrémité affleure l'extrémité du tube. L'autre extrémité du manchon est alors saillante par rapport à la face de sortie de la plaque tubulaire. Dans le cas d'un procédé de chemisage récemment développé et de préférence 20 applicable aux tubes périphériques du générateur de vapeur, on utilise un manchon court d'une longueur sensiblement inférieure a l'épaisseur de la plaque tubulaire. Le manchon est introduit dans le tube de façon à étre saillant d'un côté par rapport a la face 25 de sortie de la plaque tubulaire. L'autre extrémité du manchon est alors située à l'intérieur de la partie du tube sertie dans la plaque tubulaire et dans une zone sensiblement éloignée de la face d'entrée. Dans les deux cas, on effectue la fixation 30 du manchon dans le tube par expansion diamétrale puis par sertissage de ce manchon dans deux zones voisines de ses extrémités. L'une de ces zones se trouve à l'intérieur de la plaque tubulaire et l'autre zone, au-delà de la face de sortie de cette plaque, dans une partie non sertie du tube. Le sertissage dans cette zone située a l'extérieur de la plaque tubulaire est réalisé de façon que le manchon subisse une déformation plastique et le tube une déformation élastique uniquement. Le sertis5 sage est donc assuré par les contraintes radiales d'origine élastique qui s'exercent dans le tube. Aussi bien dans le cas du bouchage des tubes que dans le cas du chemisage, il est nécessaire d'effectuer un nettoyage poussé de la surface intérieure 10 du tube et de la surface extérieure de l'élément cylindrique, dans les zones de jonction, pour obtenir une certaine étanchéité de ces jonctions. Le nettoyage de la surface interne du tube est une opération délicate et difficile a réaliser, surtout dans le cas d'un 15 générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire dont les tubes sont difficilement accessibles et qui présente une certaine radio-activité. D'autre part, malgre un nettoyage poussé de cette surface interne, la jonction réalisee ultérieu20 rement n'est pas toujours parfaitement étanche et il est souvent nécessaire de compléter l'intervention par une opération de soudage de l'extrémité du bouchon ou du manchon sur le tube. Une telle opération de soudage peut entrai25 ner des déformations ou des modifications structurales non souhaitables du tube. On a également proposé des bouchons ou des manchons comportant des gorges ou rainures sur leur surface externe. De tels usinages n'ont cependant 30 qu'un effet trés limité sur l'étanchéité de la jonction obtenue par sertissage du bouchon ou du manchon dans le tube, les parties saillantes du manchon dont la dureté est voisine de celle du tube venant s'écraser contre la surface interne du tube, lors du sertissage. Enfin, on a également proposé de réaliser le chemisage par soudage ou brasage du manchon a l'intérieur du tube. Une telle opération est extrêmement complexe et allonge considérablement le temps d'inter5 vention dans le générateur de vapeur. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de fixation résistante et étanche d'un élément cylindrique creux à l'intérieur d'un tube, par expansion diamétrale et sertissage de l'élément cylin10 drique dans le tube, par des opérations simples et rapides ne comportant pas de soudage de l'élément cylindrique sur le tube. Dans ce but, on dépose sur la surface externe de l'1élément cylindrique dont le diamètre extérieur 15 initial est inférieur au diamètre intérieur du tube, dans au moins deux zones de forme annulaire, un matériau d'une dureté supérieure a la dureté du tube et a celle de l'élément cylindrique, sur une épaisseur inférieure a la différence entre le rayon intérieur du 20 tube et le rayon extérieur initial de l' élément cylindrique, - on introduit, a l'intérieur du tube, l'élément cylindrique sur lequel le dépôt de matériau a été réalisé, de façon que les zones annulaires revêtues de ma25 tériau soient placées dans au moins une partie du tube dans laquelle on réalise la fixation de l'élément cy-lindrique, - et on réalise l'expansion puis le sertissage de l'élément cylindrique, au moins dans sa partie comportant 30 les zones annulaires revêtues, de façon a incruster le matériau de revêtement de ces zones annulaires, à la fois dans l'élément cylindrique et le tube. L'invention concerne également un élément cylindrique creux comportant un matériau de revêtement dur disposé dans des zones annulaires. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, i titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation du procédé suivant l'invention, dans le cas du manchonnage et dans 5 le cas du bouchage d'un tube d'un générateur de vapeur. La figure 1 est une vue en coupe de l'extrémité d'un élément cylindrique comportant un revêtement de matériau dur dans plusieurs zones annulaires. La figure 2 est une vue en coupe de l'extrémité d'un tube de générateur de vapeur dans laquelle l'extrémité inférieure d'un manchon de chemisage a été fixée par le procédé suivant l'invention. La figure 3 est une vue en coupe d'une par15 tie d'un tube de générateur de vapeur, à l'extérieur de la plaque tubulaire, dans laquelle l'extrémité supérieure d'un manchon a été fixées par le procédé suivant l'invention. La figure 4 est une vue en coupe de l'extré20 mité inférieure d'un tube de générateur de vapeur dans laquelle un bouchon a été fixé par le procédé suivant 1'invention. Sur la figure 1, on voit l'extrémité d'un manchon 1 permettant le chemisage d'un tube de généra25 teur de vapeur. Ce manchon 1 comporte un diamètre extérieur un peu inférieur au diamètre intérieur du tube à chemiser. Pour un tube de générateur d'un réacteur nucléaire a eau sous pression dont le diamètre intérieur est un peu inférieur a 20 mm, on utilise un man30 chon 1 pour son chemisage, dont le jeu radial dans le tube est de l'ordre de 0,2 mm. Préalablement à l'introduction du manchon 1 dans le tube a chemiser, on dépose sur la surface extérieure de ce tube 1, dans trois zones annulaires successives voisines de l'extrémité du manchon, une couche de chrome 2 d'une épaisseur comprise entre 0,10 et 0,15 mm. Les dépôts de chrome 2 constituent ainsi trois anneaux entourant le manchon 1 au voisinage de 5 son extrémité. Les anneaux de chrome 2 ont une largeur voisine de 4 mm et sont espacés les uns des autres par une distance du même ordre. Le dépôt peut être effectué par un procédé électrolytique ou chimique bien connu pour réaliser 10 des couches de chrome dur. Les anneaux 2 ont une dureté supérieure a la dureté du manchon 1 qui est constitué par un alliage de nickel de la même nuance que celle du tube à réparer. Trois anneaux de chrome analogues aux anneaux 2 sont également déposés au voisinage de l'autre extrémité du manchon 1 qui n'est pas visible sur la figure 1. Sur la figure 2, on voit l'extrémité infé20 rieure d'un tube 3 de générateur de vapeur sertie suivant toute la longueur d'un trou traversant la plaque tubulaire 4 du générateur, sur toute son épaisseur. Le tube 3 comportant une fissure dans sa paroi a été chemisé grice à un manchon I tel que le manchon représen25 té sur la figure 1. Ce manchon 1 comporte trois anneaux de chrome 2 dans sa partie inférieure 6 correspondant a la partie du manchon 1 visible sur la figure 1 et par l'intermédiaire de laquelle est réalisée la fixation du manchon 1 dans le tube 3. Cette partie inférieure 6 qui est légèrement pré-expansée par rapport à la partie courante du manchon 1 est introduite dans le tube 3 par la face d'entrée 4a de la plaque tubulaire. Cette introduction reste possible malgré la présence des anneaux de chro- me, puisque l'épaisseur de ces anneaux est légèrement inférieure au jeu radial existant entre le manchon 1 et le tube 3, au moment de l'introduction du manchon. La pré-expansion de l'extrémité inférieure du manchon 5 permet de compenser uniquement la diminution d'épaisseur du tube 3 due à son sertissage dans la plaque tubulaire 4. Après introduction du manchon 1 dans le tube 3. dans sa position représentée sur la figure 2, on 10 réalise une expansion diamétrale du manchon 1 dans sa partie inférieure 6. jusqu'au moment o les anneaux de. chrome 2 viennent en prise avec la surface interne du tube 3. En se reportant a la figure 3. on voit une 15 partie du tube 3 située audessus de la face de sortie 4b de la plaque tubulaire 4, c'est-à-dire à l'extérieur de cette plaque tubulaire. La partie supérieure du manchon 1 qui se trouve placée dans cette partie du tube, a l'extérieur de la plaque tubulaire, comporte 20 trois anneaux de chrome 2' identiques aux anneaux 2 de la partie inférieure du manchon. La zone supérieure 7 du manchon 1 subit une expansion diamétrale a l'intérieur du tube jusqu'au moment o les anneaux de chrome 2' viennent en prise 25 avec la surface intérieure du tube 3. Le manchon 1 est alors maintenu à l'intérieur du tube 3 aussi bien par sa partie inférieure 6 que par sa partie supérieure 7 dont on a réalisé l'expansion diamétrale à l'intérieur du tube. Pour assurer la fixation complète du manchon 1 à l'intérieur du tube 3, on effectue ensuite un sertissage du manchon 1 a l'intérieur du tube 3, dans les zones 6 et 7 représentées sur les figures 2 et 3, respectivement. Pour cela, on introduit un dudgeon com- portant des galets entraînés par une tige conique dans le manchon, au niveau des zones 6 et 7 successivement. Comme il est visible sur les figures 2 et 3, au cours de l'opération de sertissage, les anneaux 2 5 et 2' viennent s'incruster a la fois dans la paroi du manchon 1 et dans la paroi du tube 3 qui sont en un alliage de nickel dont la dureté est inférieure a la dureté du chrome des anneaux 2 et 2'. Dans le cas du chemisage d'un tube de géné10 rateur de vapeur, les anneaux de chrome du manchon de chemisage pénètrent sur une profondeur égale au quart de leur épaisseur dans le tube 3 et sur une profondeur égale aux trois quarts de leur épaisseur dans le manchon 1. Le sertissage de la partie inférieure 6 du manchon 1 est réalisé par laminage de la paroi de ce manchon contre le tube 3 a l'intérieur de la plaque tubulaire, seul le manchon 1 subissant une déformation plastique. En revanche, le sertissage du manchon 1 dans sa zone 7 est réalisé par expansion diamétrale du manchon 1 et du tube 3, la déformation du tube 3 restant néanmoins dans le domaine élastique alors que le manchon 1 subit une déformation plastique notable. Sur la figure 4, on voit l'extrémité inférieure d'un tube 3 de générateur de vapeur sertie dans un trou traversant la plaque tubulaire 4 de ce générateur de vapeur. Un bouchon 10 a été fixé dans l'extrémité de ce tube, à l'intérieur de la plaque tubulaire 30 4, par le procédé suivant l'invention. Pour cela, le bouchon 10 constitué par un élément cylindrique creux dont l'extrémité supérieure 10a est fermée est intioduit à l'intérieur du tube 3 par la face d'entrée 4& de la plaque tubulaire, après qu'on ait déposé trois anneaux 12 de chrome sur sa partie inférieure 16 légèrement pré-expansée. Comme précédemment, les anneaux de chrome 12 ont une épaisseur comprise entre 0,10 et 0,15 mm légèrement infé5 rieure au jeu radial entre la partie 16 pré-expansée du bouchon et la surface intérieure du tube 3 sertie à l'intérieur de la plaque tubulaire 4. Chacun des anneaux de chrome a une largeur voisine de 4 mm et les anneaux sont séparés par un espace d'une longueur voi10 sine de 4 mm. On réalise ensuite l'expansion diamétrale de la partie 16 du bouchon 10 jusqu'au moment o les anneaux 12 viennent en prise avec la surface intérieure du tube 3. On termine la fixation du bouchon à l'intérieur du tube 3 en réalisant un dudgeonnage de la zone 16 à l'intérieur du tube 3 et de la plaque tubulaire 4. Les anneaux de chrome 12 pénètrent, lors de l'opération -de dudgeonnage, à la fois dans le tube 3 et 20 dans le manchon 10, pour réaliser un ancrage extrêmement résistant du bouchon dans le tube 3. Aussi bien dans le cas de la manchette représentée aux figures 2 et 3 que dans le cas du bouchon représenté sur la figure 4, les zones de jonction 25 avec le tube assurent une parfaite étanchéité, si bien qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer une soudure complémentaire d'étanchéité à l'extrémité du manchon ou à l'extrémité du bouchon. Cette étanchéité résulte de l'incrustation 30 des anneaux 2, 2' et 12 dans les parois dont on assure la jonction qui sont venues en contact l'une avec l'autre à la fin du oudgeonnage, les anneaux incrustés dans le métal conduisant à un effet de chicane pour les fluides situés de part et d'autre de la zone de jonction. D'autre part, la liaison entre le tube et le manchon ou le bouchon est extrêmement résistante grâce l'effet d'ancrage des anneaux. C'est ainsi que des manchons de chemisage 5 fixés à l'intérieur de tubes de générateur de vapeur par le procédé suivant l'invention ont pu supporter. lors d'essais de traction, une, charge de 3500 kg sans qu'il y ait d'arrachement. Le procédé suivant l'invention est donc ex10 trémement efficace et facile à mettre en oeuvre et procure une très bonne étanchéité sans qu'il soit nécessaire d'effectuer un soudage de l'élément cylindrique rapporté sur le tube. L'invention ne se limite pas aux modes de 15 réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut utiliser divers procédés pour réaliser le dépôt de matériau dur sur l'élément cylindrique. De façon préférentielle cependant, on réa20 lise un dépôt continu de chrome par voie électrolytique sur l'extrémité de l'élément cylindrique puis, lorsque l'épaisseur de ce dépôt correspond à l'épaisseur voulue pour les anneaux, on arrête l'électrolyse et l'on usine les anneaux successifs par meulage de la 25 couche de chrome dans les zones annulaires de séparation entre les anneaux. On pourrait également réaliser le dépôt de chrome dans des zones discontinues successives, par exemple en plaçant des caches sur les parties intermé3.0 diaires de séparation entre les zones annulaires à revêtir. On peut réaliser le dépôt de chrome autrement que par électrolyse et par exemple par dépôt chimique. Au lieu de chrome on peut déposer sur l'élément cylindrique un autre métal dur tel que le tungstène. On pourrait également déposer des alliages 5 durs tels que ceux qui sous vendus sous le nom de Stellite. Ces alliages doivent cependant être déposés i chaud, par exemple au chalumeau et cette technique présente des inconvénients par rapport i un dépôt i froid tel qu'une électrolyse. On pourrait également utiliser un métal dur tel que le carbure de tungstène dans une matrice de cobalt. Bien que l'utilisation de trois anneaux successifs, comme dans les exemples de réalisation qui ont été décrits, soit particulièrement satisfaisante, 15 on peut utiliser un nombre d'anneaux de matériau dur supérieur a trois ou uniquement deux anneaux dans chacune des zones de jonction, suivant l'étanchéité et la résistance qu'on veut obtenir pour la jonction. L'épaisseur des anneaux est généralement dé20 terminée par le jeu initial entre le tube et l'élément cylindrique qu'on fixe dans ce tube, cette épaisseur devant permettre une introduction et une mise en place sans difficulté de l'élément cylindrique dans le tube. La largeur des anneaux est déterminée, en 25 fonction du nombre d'anneaux, par la résistance et l'étanchéité recherchée. Le procédé de fixation s'applique aussi bien dans le cas du chemisage de tubes de générateur de vapeur avec un manchon d'une longueur supérieure à 1 'é30 paisseur de la plaque tubulaire que dans le cas du chemisage avec un manchon court applicable de préférence aux tubes périphériques; le sertissage de la zone inférieure du manchon avec incrustation des anneaux de matériau dur a lieu dans une zone située à l'intérieur de la plaque tubulaire et éloignée de la face d'entrée de cette plaque, dans le cas du manchonnage court. Enfin, le procédé de fixation suivant l'in- vention s'applique non seulement au bouchage au chemisage de tubes de générateur de vapeur mais encore à toute fixation de pièces cylindriques creuses a l'intérieur d'un tube, lorsqu'on recherche une très grande résistance et une très bonne étanchéité des zones de 10 jonction. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fixation résistante et étanche d'un élément cylindrique (1, 10) creux à l'intérieur d'un tube (3) par expansion diamétrale et ser5 tissage de l'élément cylindrique (1, 10) dans le tube (3), caractérisé par le fait qu'on dépose sur la surface externe de l'élément cylindrique (1, 10) dont le diamètre extérieur initial est inférieur au diamètre intérieur du tube, dans, au moins deux zones de forme 10 annulaire, un matériau d'une.dureté supérieure à la dureté du tube (3) et à celle de l'élément cylindrique (1), sur une épaisseur inférieure à la différence entre le rayon intérieur du tube (3) et le rayon extérieur initial de l'élément cylindrique (1, 10), - qu'on introduit à l'intérieur du tube (3) l'élément cylindrique (-1, 10) sur lequel le dépôt de matériau a été réalisé, de façon que les zones annulaires (2, 2', 12) revêtues de matériau soient placées dans au moins une partie du tube (3) dans laquelle on réalise la 20 fixation de l'élément cylindrique, - et qu'on réalise l'expansion puis le sertissage de l'élément cylindrique (1, 10), au moins dans sa partie comportant les zones annulaires revêtues (2, 2', 12), de façon à incruster le matériau de revêtement de ces 25 zones annulaires (2, 2', 12), à la fois dans l'élément cylindrique (1, 10) et le tube (3). 2.- Procédé de fixation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau de revêtement des zones annulaires (2, 2', 12) est cons30 titué par du chrome. 3.- Procédé de fixation suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on dépose le matériau de revêtement dans une zone continue de la surface externe de l'élément cy- lindrique (1, 10) puis qu'on usine cette couche continue de matériau de revêtement, suivant plusieurs zones annulaires de séparation, pour constituer des anneaux successifs (2, 2', 12) de matériau de reviête5 ment sur la surface externe de l'élément cylindrique (1, 10). 4.- Procédé de fixation suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le dépôt de matériau de revêtement est réalisé par électrolyse. 5.- Procédé de fixation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le matériau de revêtement est déposé dans trois zones annulaires successives, pour constituer trois anneaux (2, 2', 12) dans chacune des zones de 15 jonction entre l'élément cylindrique (1, 10) et le tube (3). 6.- Procédé de fixation suivant la revendication 1. dans le cas o le tube (3) est un tube de générateur de vapeur et l'élément cylindrique (1) un 20 manchon de chemisage de ce tube, caractérisé par le fait que du matériau de revêtement sous forme d'au moins deux anneaux successifs (2, 2') est déposé à chacune des extrémités du manchon (1) avant qu'il ne soit introduit dans le tube (3) du générateur de va25 peur, de façon qu'une des parties d'extrémité (6) du manchon (1) soit à l'intérieur du tube (3) dans sa partie sertie dans la plaque tubulaire (4) et l'autre partie d'extrémité (7) du manchon à l'intérieur du tube (3) dans sa partie extérieure à la plaque tubu30 laire (4). 7.- Procédé de fixation suivant la revendication 1, dans le cas o le tube (3) est un tube de générateur de vapeur et l'élément, cylindrique (1) un bouchon pour la fermeture étanche de ce tube (3). ca- 2599 91 ractérisé par le fait que le matériau de revêtement est déposé, pour constituer au moins deux anneaux successifs (12), sur une partie d'extrémité (16) du bouchon (10), cette partie (16) du bouchon (10) étant 5 introduite dans la partie du tube (3) sertie à l'intérieur de la plaque tubulaire (4) du générateur de vapeur. 8.- Procédé de fixation suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le 10 fait que les anneaux (2, 2', 12) de matériau de revêtement ont une épaisseur comprise entre 0,10 et 0,15 mm. 9.- Elément cylindrique creux destiné à être fixé à l'intérieur d'un tube, caractérisé par le fait 15 qu'il comporte, sur sa surface externe, dans au moins deux zones de forme annulaire, un matériau de revêtement d'une dureté supérieure à la dureté de l'élément cylindrique (1, 10), constituant au moins deux anneaux (2, 2', 12) saillant par rapport à la surface exté20 rieure de l'élément cylindrique (1, 10). 10.- Elément cylindrique suivant la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il constitue un manchon tubulaire ouvert à ses deux extrémités, comportant, sur sa surface externe, dans ses deux zones 25 d'extrémité, au moins deux anneaux successifs (2, 2') de matériau de revêtement. 11.- Elément cylindrique suivant la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il constitue un bouchon creux (10) fermé à l'une de ses extrémités 30 (10a) et comportant, sur sa surface externe, dans sa zone d'extrémité (16) opposée à son extrémité fermée, au moins deux anneaux de revêtement (12).