Brevet FR2606425A1 — publié le 19880513

La présente invention se rapporte à des serpentins de réchauffage à induction pour le traitement thermique de tubes métalliques, en particulier aux serpentins de réchauffage à induction qui sont capables de produire un effort résiduel de compression dans la surface externe des tubes métalliques qui sont traités thermiquement, pour améliorer ainsi la résistance à la corrosion desdits tubes métalliques. On sait que dans les matériaux métalliques, par exemple, les aciers inoxydables austénitiques qui sont très utilisés dans les centrales génératrices d'énergie nucléaire et usines chimiques, des fissures par corrosion sous l'effort peuvent se produire lorsqu'un effort de traction et une substance corrosive existent en même temps. Dans le cas o un pipeline est construit par connexion d'un certain nombre de tubes (que l'on appellera "tuyaux" ci-après), en particulier par soudage, les surfaces des tuyaux et leurs joints soudés peuvent être laissés à un état d'effort de traction du fait de l'influence thermique du soudage. Diverses techniques sont connues pour améliorer l'état d'effort à la surface interne d'un tuyau. L'une d'entre elles est une méthode dans laquelle un effort résiduel de compression est appliqué à la surface interne par réchauffage à induction du tuyau et en fournissant simultanément de l'eau de refroidissement à travers le tuyau, pour ainsi donner une différence de température à travers la paroi du tuyau. Pour améliorer l'état d'effort résiduel dans la surface externe de tels tuyaux, cependant, l'on n'a disposé d'aucune méthode pratique parce qu'il est difficile de porter de l'eau de refroidissement à la surface externe. Les principes de production d'un effort résiduel de compression dans la surface externe d'un tuyau sont connus: en chauffant lentement le tuyau à partir de sa surface externe et à la fin du chauffage, en refroidissant la surface, on produit l'effort résiduel de compression. Cependant, un point technique important est ici qu'à moins que le refroidissement soit entrepris uniformément sur la surface concernée, il y aura une distribution non uniforme de l'effort de compression. Ainsi, la présente invention a pour objectif un serpentin de réchauffage à induction qui est capable de chauffer lentement un tuyau de sa surface externe puis de refroidir rapidement et uniformément la même surface, amméliorant sa résistance à la corrosion. La présente invention a pour autre objectif un serpentin de réchauffage à induction qui est capable de laisser uniformément un effort résiduel de compression à la surface externe du tuyau métallique, indépendamment, que le tuyau soit une entité isolée ou une partie intégrale d'un pipeline existant, pour ainsi améliorer la résistance à la corrosion du tuyau traité. Ces objectifs sont atteints par un serpentin de réchauffage à induction pour le traitement thermique, comprenant: un certain nombre de conducteurs électriques (appelés "serpentins de réchauffage" ou "serpentins de réchauffage en éléments" ci-après) pour le réchauffage par induction du tube métallique à traiter thermiquement (appelé ci-après "le tuyau objet"), chaque serpentin de réchauffage en éléments étant libre de s'assembler pour former un anneau entourant le tuyau objet dans sa direction circonférentielle ou libre d'en être démonté de manière qu'un serpentin de réchauffage à induction puisse entourer, de manière espacée, le tuyau objet et puisse être disposé de manière espacée dans la direction longitudinale du tuyau objet; et un certain nombre de tubes d'eau de refroidissement, chaque tube d'eau de refroidissement étant libre d'être assemblé ou d'être démonté pour former un anneau le long d'un serpentin de réchauffage en éléments, et chacun ayant un grand nombre de tubulures, faisant face de manière oblique à la surface du tuyau objet, pour injecter des jets d'eau pour refroidir la surface du tuyau chauffé par induction. Ainsi, comme un serpentin de réchauffage à induction équipé d'un tube d'eau de refroidissement est formé qui entoure le tuyau objet, et comme les tubulures du tube d'eau de refroidissement injectent des jets d'eau de manière oblique relativement à la surface du tuyau, un film d'eau qui s'écoule dans une direction donnée est formé à la surface et est ainsi maintenu tant que l'eau de refroidissement est fournie par les tubulures. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue frontale partiellement en coupe d'un serpentin de réchauffage à induction selon l'invention, illustrant le premier mode de réalisation préféré; - la figure 2 est une vue en coupe transver- sale, faite suivant la ligne I-I de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe, faite suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe verticale d'un serpentin de réchauffage à induction selon l'invention, illustrant le second mode de réalisation préféré; - la figure 5 est une vue en coupe faite suivant la ligne IV-IV de la figure 4; et la figure 6 est une vue en coupe verticale du serpentin de réchauffage à induction de cette invention, illustrant un troisième mode de réalisation préféré. Le premier mode de réalisation préféré du serpention de réchauffage à induction pour le traitement thermique de tubes métalliques de la présente invention sera maintenant décrit en se référant aux dessins joints, et en particulier aux figures 1, 2 et 3. Sur la figure 1, un serpentin 15 de réchauffage à induction est prévu autour du tuyau 1 à traiter therm.iquement ou du tuyau objet afin de l'entourer sur la partie 16 à traiter thermiquement (appelée ci-après "la partie objet"). Ce serpentin de réchauffage à induction 15 se compose de tubes en forme d'anneau creux de serpentins chauffants ou conducteurs électriques 3, faits en un matériau électriquement conducteur tel que du cuivre ou analogue, et de tubes 4 d'eau de refroidis- sement en forme d'anneau creux faits, comme le serpentin de réchauffage 3, en un matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre ou analogue, et qui se trouvent le long du pourtour interne du serpentin 3. Par ailleurs, dans le premier mode de réalisation préféré montré à la figure 1, les tubes 4 d'eau de refroidissement, à l'exception de celui qui se trouve le plus haut, sont connectés à un serpentin de réchauffage 3 le long de leur pourtour afin de former un corps annulaire 2 en une pièce. Chaque corps 2 est indépendant des autres et, comme le montre la figure 2, il est constitué par la jonction de deux parties divisibles. Aux extrémités de division, des brides 17 et 18 sont prévues qui sont fixées l'une à l'autre par des boulons 31 et des écrous 32, permettant le libre assemblage des deux autour du tuyau 1. Dans ce mode de réalisation particulier, le nombre de division est de deux. Cependant, il peut être de 3 ou plus si nécessaire, selon la grandeur géométrique du tuyau 1. Le tube d'eau 4 le plus élevé de la figure 1 est divisible, construit de même comme un corps annulaire 2. Ainsi, on comprendra que la disposition du serpentin autour de la partie objet 16 du tuyau 1 est toujours possible, même lorsque le tuyau 1 fait partie intégrale d'un pipeline. En se référant maintenant de nouveau à la figure 1, un certain nombre de corps annulaires 2 sont disposés de manière espacée en direction longitudinale du tuyau 1, chacun étant parallèle à un autre et ayant un tube d'eau 4 au sommet. Chaque anneau 2 est indépendant des autres en terme du passage de l'eau, mais ils sont électriquement connectés les uns aux autres par un moyen connecteur électrique 33. Les tubes 4 d'eau de refroidissement servent de serpentins de réchauffage à induction lorsque le courant électrique est fourni car ils sont attachés aux serpentins de réchauffage 3. Dans les passages internes 6 et 5 respectivement du tube 4 d'eau de refroidissement et du serpentin de réchauffage 3, s'écoulent des courants d'eau derfodseetWe de refroidissement W2 et W1, indépendants l'un de l'autre, étant respectivement fournis par des sources d'eau 22 et 21 qui sont maintenues à une pression d'environ 4 bars. Le mode d'alimentation de l'eau de refroidissement est tel que, dans le passage 5 du serpentin de réchauffage 3, l'eau de refroidissement W est fournie tandis que le courant électrique pour le réchauffage par induction est mis en circuit pour empêcher une surchauffe du serpentin de réchauffage 3, tandis que, dans le passage 6 du tube 4 d'eau de refroidissement, l'eau de refroidissement W2 est fournie de façon à commencer le refroidissement du tuyau objet 1 une seconde au plus après accomplissement dudit réchauffage. Sur la paroi intérieure du tube 4 d'eau de refroidissement (c'est-à-dire le c8té interne le long du rayon du corps annulaire 2), sont prévues, du passage 6, un grand nombre de tubulures 7 qui débouchent, comme le montre la figure 3, en une rangée le long du pourtour interne du corps annulaire 2 afin d'injecter les jets d'eau de refroidissement vers le tuyau objet 1 dans une direction inclinée par rapport à sa direction longitudinale. Chaque tubulure 7 est elliptique en section transversale, et son axe majeur est aligné le long de la direction circonférentielle du corps annulaire 2, et son aire en section transversale se réduit progressivement dans la direction de l'écoulement du courant d'eau de refroidissement 30 (ou du film 30 d'eau de refroidissement) qui est formé à la surface externe du tuyau objet 1. Ainsi, le film 30 d'eau de refroidissement se forme uniformément à la surface concernée, par injection des jets d'eau de refroidissement W2 par ces tubulures 7. L'angle G que la tubulure 7 forme avec le tuyau objet 1 doit de préférence être de 30 à 60 degrés. De même, la température de la surface externe du tuyau objet 1 est mesurée par un capteur de température 23. Ayant construit un serpentin de réchauffage à induction 15 en disposant de manière espacée les corps annulaires 2 entourant le tuyau objet 1 et en connectant électriquement ces corps annulaires 2 au connecteur électrique 3, le chauffage de la partie objet 16 du tuyau objet 1 commence lorsque du courant à haute fréquence est fourni audit serpentin 15 de réchauffage à induction. Le réchauffage est terminé lorsque la surface externe du tuyau objet 1 a atteint 500 à 5500C, puis un refroidis- sement forcé de la surface externe du tuyau objet 1 doit débuter une seconde après accomplissement du réchauffage, en permettant aux tubulures 7 d'injecter les jets W2 d'eau de refroidissement. Le jet W2 d'eau de refroidissement fait impact sur la surface externe du tuyau objet 1 tandis qu'il s'étale et, comme les tubulures 7 sont inclinées de par rapport à la surface externe, un film d'eau 30 s'y forme lors de l'impact, dans une direction, c'est-à-dire celle de la direction longitudinale du tuyau objet 1. Dans ce cas, comme l'eau de refroidissement W2 est continuellement fournie par chaque tubulure 7, il se forme un film continu d'eau 30 (ou un écoulement d'eau ) sous la forme d'un cylindre. Comme la tubulure 7 présente une ouverture qui se réduit progressivement dans la direction de l'écoulement de l'eau 30, par ailleurs, le film d'eau 30 ainsi formé à la surface externe du tuyau objet 1 est uniforme. Ce film d'eau 30 est maintenu par éjection de l'eau de refroidissement W2 par les tubulures 7. En accomplissant le réchauffage puis le refroidissement pour le tuyau objet 1 comme décrit précédemment, une différence de température peut être produite à travers la paroi du tuyau objet 1 comme on le souhaite; et grâce à cette différence de température, un effort est produit au-delà de la limite élastique du tuyau objet 1, donnant lieu ainsi à un effort résiduel de compression dans la surface externe du tuyau objet 1, lors du refroidissement. Bien que la forme de la tubulure 7 ait été montrée comme étant elliptique dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, cette forme peut être circulaire ou autre. Le second mode de réalisation préféré de la présente invention est illustré aux figures 4 et 5, o on peut comprendre que, dans ce mode de réalisation, le serpentin de réchauffage 3 et le tube 4 d'eau de refroidissement sont disposés équidistants du tuyau objet 1, en soudant le tube 4 d'eau de refroidissement en-dessous du serpentin de réchauffage 3 en un corps annulaire unifié 2. Là, le corps annulaire 2 est divisé en deux parties ou plus le long de sa circonférence afin de pouvoir être librement assemblé à l'aide de brides (non représentées) en un corps annulaire intégral 2, ou bien être démonté comme dans le mode de réalisation qui précède, pour ainsi permettre la libre construction du corps annulaire 2 autour d'un tuyau objet 1, que ce soit une entité isolée ou une partie intégrale d'un pipeline existant. Dans le passage 6 du tube 4 d'eau de refroi- dissement et le passage 5 du serpentin de réchauffage 3, sont fournies individuellement des eaux de refroidis- sement W2 et W1, de sources respectives d'eau (non représentées). L'eau de refroidissement W1 fournie au passage 5 a pour but d'empêcher le serpentin de réchauffage 3 de se surchauffer, tandis que l'eau de refroidissement W2 fournie au passage 6 a pour but de refroidir la surface externe du tuyau objet 1. A la partie la plus basse du tube 4 d'eau de refroidissement est prévu, comme le montre la figure 5, un grand nombre de tubulures 8 en une rangée le long de la circonférence de ce tube 4. A la surface externe du tube 4 d'eau de refroidissement sont prévues des ailettes de guidage 9, ayant pour tache de diriger le jet d'eau W2, provenant de la tubulure 8, vers le tuyau objet 1 à un angle de 30 à 600 ainsi que de le disperser, donc l'ailette 9 de guidage correspond à la tubulure 7 du premier mode de réalisation, par son action. Les courants d'eau de refroidissement W2, qui en ont été déviés et dispersés, forment le film d'eau 30 (ou écoulement d'eau 30) de manière uniforme sur la surface externe du tuyau objet 1. On notera là que, en changeant la forme et l'angle d'attache des ailettes de guidages 9, l'effet de refroidissement peut être contr8lé. De même, bien que le tube 4 d'eau de refroidissement et le serpentin de réchauffage 3 aient été montrés comme formant un corps unifié en les reliant mutuellement dans le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus, ils peuvent être disposés séparément. La figure 6 représente une illustration schématique fragmentaire partiellement en coupe du serpentin 15 de réchauffage à induction du troisième mode de réalisation de l'invention. Chaque corps annulaire 2, qui est similaire à celui décrit au second mode de réalisation, est disposé autour du tuyau 1. Cependant, dans ce mode de réalisation, le tube 4 d'eau de refroidissement est placé vers l'intérieur relativement au serpentin de réchauffage 3, chaque tube 4 étant attaché au serpentin correspondant de réchauffage 3, et le tuyau 1 est horizontal. L'eau de refroidissement W2, qui est fournie par le tube 4 d'eau de refroidissement pour être déviée et dispersée par les ailettes de guidage 9, couvre le tuyau objet licréant le film d'eau 30 en direction longitudinale du tuyau 1. Ainsi, comme on l'a décrit précédemment, l'utilisation d'un serpentin de réchauffage à induction selon la présente invention pour le traitement thermique de tubes métalliques permet facilement un chauffage lent du tuyau objet 1, de l'extérieur, et la formation subséquente d'un film uniforme d'eau 30 à la surface externe du tuyau objet 1 pour son refroidissement rapide et uniforme, créant ainsi une grande différence de température à travers la paroi du tuyau et laissant un effort résiduel de compression à la surface externe et à sa proximité. En conséquence, le traitement thermique de la surface externe des tubes métalliques, qui était consi- déré comme étant difficile à accomplir, sera réalisé par le serpentin à induction 15 selon l'invention. De même, la construction divisible du serpentin 15 permet sa libre disposition autour d'un tuyau objet 1. En d'autres termes, le traitement thermique par le serpentin 15 est possible à la fois pour un tuyau isolé et une partie intégrale d'un pipeline existent. R E V E N D I C A T I O NS 1. Serpentin de réchauffage à induction pour le traitement thermique d'un tuyau métallique en laissant l'effort résiduel de compression dans la surface ex- terne dudit tuyau métallique, caractérisé en ce qu'il comprend: un certain nombre de conducteurs électriques (3) pour le chauffage par induction dudit tuyau métal- lique, chaque conducteur électrique étant construit en une forme annulaire ainsi que divisible en plusieurs segments le long de sa circonférence, permettant son libre assemblage pour former ledit anneau et étant disposé de manière espacée en entourant le tuyau métallique (1) dans sa direction longitudinale; et un certain nombre de tubes (4) d'eau de refroidissement pour refroidir la surface externe dudit tube métallique qui a été traité thermiquement par lesdits conducteurs électriques, chaque tube d'eau de refroidissement étant de forme annulaire ainsi que divisible le long de sa circonférence pour permettre le libre assemblage pour former ledit anneau, comme ledit conducteur électrique, étant prévu le long dudit con- ducteur électrique, et ayant, à sa surface externe, un grand nombre de tubulures (7) pour l'éjection de jets d'eau, afin de former ainsi un film d'eau (30), les tubulures étant inclinées relativement à la surface externe du tube métallique. 2. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (4) d'eau de refroidis- sement est disposé le long du pourtour interne du conducteur électrique (3). 3. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (4) d'eau de refroidis- sement est disposé entre les conducteurs électriques. 4. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que des ailettes de guidage (9) sont attachées au pourtour externe du tube d'eau de refroidis- sement afin de changer la direction des jets d'eau des tubulures ainsi que de les disperser. 5. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur électrique (3) et le tube (4) d'eau de refroidissement sont attachés l'un à l'autre pour former un corps intégral. 6. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur électrique (3) et le tube (4) d'eau de refroidissement sont faits du même matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre ou analogue. 7. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubulures (7) des jets d'eau sont disposées en étant inclinées de 30 à 600 par rapport à la direction longitudinale du tuyau objet (1). 8. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de la tubulure (7) est elliptique, son axe majeur étant aligné en direction circonférentielle du tube (4) d'eau de refroidissement. 9. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de la tubulure est circulaire. 10. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur géométrique de la tubulure (7) se réduit graduellement en direction longitudinale du film d'eau.