Brevet FR2600392A1 — publié le 19871224

1i 2600392 1 La présente invention concerne des coques métalliques cylindriques circulaires, en particulier pour des utilisations à pression élevée, comme pour des récipients à pression élevée et des conducteurs de flux, tels que des canaux de dérivation et des tubes d'air. Les coques métalliques cylindriques circulaires sont largement utilisées dans des projets importants de génie civil, comme, par exemple, des canaux de dérivation dans des projets de barrage, des tubes d'air et dans la fabrication 10 de structures à pression élevée, comportant des récipients. Un type de récipient à pression élevée qui est utilisé de façon appropriée dans de nombreux procédés industriels présente un corps de coque cylindrique circulaire, qui est généralement placé horizontalement ou verticalement, et des 15 fermetures d'extrémité qui peuvent être des coques semi-sphériques, elliptiques ou coniques, ou même être des extrémités plates. De nombreux récipients de pression de la forme décrite sont fabriqués à l'usine, puis transportés jusqu'au site d'érection. Cependant, la taille et le poids 20 importants de quelques uns des récipients à pression élevée de ce type empêchent leur fabrication en usine, de sorte qu'il est nécessaire de les fabriquer sur place. Que la structure à pression élevée, telle qu'un récipient, soit fabriquée en usine ou sur place, la coque cylindrique 25 est généralement réalisée à partir d'anneaux métalliques qui sont joints ensemble en ordre consécutif par des soudures qui relient des bords d'aboutement d'anneaux adjacents. Du fait que les anneaux métalliques sont souvent réalisés à partir de plaques métalliques d'environ 7,5 cm à 30 environ 30 cm ou plus d'épaisseur, et ont un diamètre d'environ 0,90 m à environ 9,0 m ou plus, les soudures utilisées pour relier les anneaux demandent beaucoup de temps et sont coûteuses à réaliser. En outre, des anneaux 2 2600392 1 d'environ 20 cm d'épaisseur représentent généralement une limite maximale pour laquelle on peut les relier ensemble lorsqu'ils sont fabriqués sur place. Alors que des récipients de plus de 20 cm d'épaisseur peuvent être érigés en site, la construction des récipients devient plus compliquée et, en conséquence, plus coûteuse pour des récipients dont l'épaisseur est supérieure à 20 cm. Certaines de ces complications sont indiquées ci-dessous: A - 20 cm représentent une limite pratique pour des sources 10 de radiation isotopique pour l'examen radiographique des soudures. En conséquence, quand les soudures ont une épaisseur supérieure à 20 cm, un accélérateur linéaire doit être utilisé pour la radiographie, ce qui nécessitera une protection étendue de la zone pendant la radiographie. Cela 15 compliquera la réalisation de ces soudures en augmentant les coûts et en nécessitant des délais plus longs. B - De l'acier SA-387, Qualité 22, Classe 2 est l'un des matériaux de récipient communément référencés utilisés dans l'industrie du raffinage du pétrole. Ce matériau nécessite 20 des durées de traitement thermique après soudure qui sont fonction de l'épaisseur de la soudure (Tableau AF- 402.1 de l'ASME, Section VIII, Division 2). Plus le matériau est épais, plus la durée du traitement thermique après soudure est grande, et il est plus difficile d'obtenir un matériau 25 qui peut supporter ces longues durées de traitement thermique après soudure et maintenir encore les propriétés de résistance spécifiées après ledit traitement. En conséquence, pour des récipients à parois très épaisses, les matériaux sont plus chers par unité de poids et sont également disponibles à partir de sources moins nombreuses. C - Pour de grands récipients à grosses parois érigés sur site, des sections cylindriques individuelles de la coque sont assemblées sur le sol ou dans des installations de 3 2600392 1 fabrication en usine, puis transportées jusqu'au site. Ces anneaux sont alors soulevés pour être mis en place et les joints périphériques sont soudés ensemble. Le temps nécessaire pour achever ces soudures des joints périphériques présente une influence directe sur les délais de construction pour des récipients à grosses parois. Le temps et la main d'oeuvre pour achever les soudures des joints périphériques augmentent comme une fonction quadratique de l'épaisseur de la soudure. Les délais et coûts totaux pour 10 construire des récipients à parois très épaisses ont un impact négatif sur les coûts de construction dans leur ensemble. La plupart de la discussion ci-dessus s'applique également à la fabrication de canaux de dérivation métalliques, de 15 tubes d'air et de structures de grande taille semblables ayant des coques métalliques qui sont ouvertes aux extrémités. A partir de la discussion ci-dessus, il est clair qu'il existe un besoin pour des coques métalliques cylindriques 20 circulaires perfectionnées qui peuvent être utilisées dans des structures à pression élevée, par exemple des canaux de dérivation, des tubes d'air et des coques semblables ouvertes aux extrémités, ou qui font partie de récipients à pression élevée à parois épaisses, qui peuvent être fabri25 quées à l'usine et sur site à des coûts moindres et en un temps plus court que cela n'est possible jusqu'à présent. A cet effet, la coque métallique cylindrique circulaire à paroi pleine ayant des surfaces interne et externe et pouvant résister à une pression interne pour laquelle la coque est conçue, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'elle comprend une série d'anneaux métalliques consécutifs d'épaisseurs maximales sensiblement égales placés en 4 2600392 1 agencement axial, les extrémités d'aboutement d'anneaux adjacents étant jointes l'une à l'autre par une soudure, et la longueur axiale de la partie de coque cylindrique comprenant les parties d'extrémité d'aboutement d'anneaux 5 adjacents et la soudure joignant les extrémités d'aboutement ensemble, ayant une épaisseur réduite qui n'est pas supérieure à environ 0,90 fois l'épaisseur maximale des anneaux. Ainsi, la présente invention fournit une coque métallique cylindrique circulaire réalisée à partir d'anneaux métalliques joints ensemble par des soudures et qui ont des zones périphériques d'épaisseur de coque réduite à l'endroit des soudures, ce qui permet une réduction de la quantité de métal de soudure déposée, tout en maintenant une résistance périphérique à la contrainte 15 suffisante. La coque cylindrique circulaire décrite peut être ouverte ou fermée à l'une de ses extrémités ou aux deux. Elle peut être utilisée comme conducteur de flux, par exemple comme canal de dérivation, tube d'air, ou pour des utilisations 20 semblables. Seule la surface interne, ou seule la surface externe, de la coque cylindrique peut être une surface cylindrique sensiblement lisse aux extrémités d'aboutement de jonction de soudure d'anneaux adjacents. Cependant, la zone d'épaisseur réduite de-la longueur axiale de la coque cylindrique peut être située radialement vers l'intérieur à partir de la surface externe de la coque et radialement vers l'extérieur à partir de la surface interne de la coque. Ainsi, la zone d'épaisseur réduite à la soudure peut 30 être située intérieurement à partir d'à la fois les surfaces interne et externe des anneaux et de la coque. En outre, une coque peut être fabriquée en ayant certains des joints lisses sur la surface interne ez certains des joints lisses sur la surface externe. Ainsi, certaines des zones 1 d'épaisseur réduite aux soudures peuvent être seulement à l'intérieur, et certaines seulement à l'extérieur, de la coque. Que la coque soit utilisée comme partie d'un récipient à pression élevée, ou d'un conducteur de flux, tel qu'un canal de dérivation, un tube d'air ou pour quelques autres applications, l'épaisseur réduite aux joints, en général, ne doit pas être inférieure à 0,50, et de préférence 0,67, de l'épaisseur maximale des anneaux. -10 La zone d'épaisseur réduite peut définir une rainure périphérique s'étendant autour de l'extérieur de la coque, la rainure ayant une largeur maximale axialement à la coque appropriée pour déposer au moins une partie de la soudure à partir de l'extérieur de la coque. Cependant, la zone 15 d'épaisseur réduite peut également définir une rainure périphérique s'étendant autour de l'intérieur de la coque, la rainure ayant une largeur maximale axialement à la coque appropriée pour déposer au moins une partie de la soudure à partir de l'intérieur de la coque. De plus, la zone d'épaisseur réduite peut être définie par des rainures périphériques sur les deux côtés de celle-ci, de sorte qu'une rainure est sur l'extérieur, et une autre rainure est sur l'intérieur, de la coque. La forme de la rainure périphérique peut varier et elle peut être symétrique ou asymétrique. Elle peut présenter un fond plat ou incurvé quand elle est vue en coupe parallèlement à l'axe longitudinal de la coque et, de plus, les côtés de la rainure quand ils sont vus de façon semblable peuvent être inclinés de façon incurvée ou présenter des 30 surfaces effilées. Indépendamment de la forme particulière de la rainure, la partie d'extrémité de chaque paroi d'anneau de sa partie la plus épaisse à sa partie la plus fine à la soudure doit 1 être capable de supporter la force circonférentielle maximale prévue pour laquelle la coque doit être utilisée. En réalisant une coque cylindrique à partir d'anneaux métalliques joints ensemble par des soudures comme cela a 5 été décrit, on peut obtenir des économies très significatives dans les coûts de fabrication sans sacrifier la résistance de la structure. Comme l'épaisseur radiale de chaque soudure est réduite d'environ 0,1 à 0,50 de l'épaisseur de coque maximale, moins de matière de soudure 10 est nécessaire et cela réduit les coût et durée de fabrication de façon sensible. De plus, l'examen de la qualité de la soudure est plus facilement réalisé, en particulier sur site, à cause de l'épaisseur radiale réduite de la soudure. L'épaisseur des anneaux sera généralement comprise-entre environ 2,5 cm et environ 50 cm, et, habituellement, sera au moins d'environ 7,5 cm, et de préférence 12,5 cm, pour une meilleure utilisation des avantages de l'invention. En utilisant l'invention, il est possible de plus facile20 ment fabriquer des coques pour des récipients de pression, des canaux de dérivation, des tubes d'air et analogues, à la fois en usine et sur site. A titre d'exemple, des anneaux de coque d'environ 30 cm d'épaisseur peuvent être joints ensemble de façon appropriée du fait que les 25 soudures n'ont besoin de présenter qu'une épaisseur d'environ 15 cm à environ 27 cm au niveau de la rainure périphérique pour chacune desdites soudures. L'utilisation de soudures de joints périphériques d'épaisseur réduite peut être comprise de la façon la plus simple 30 en considérant de façon simplifiée la charge de pression sur une coque cylindrique. L'épaisseur requise pour le 7 2600392 1 cylindre en direction circonférentielle peut être approximativement calculée par la formule: te = PR/S ou: P = la pression prévue R= le rayon du récipient S la contrainte prévue permise épaisseur requise en direction longitudinale peut être approximativement calculée par la formule t1 = PR/2S. En conséquence, l'épaisseur nominale pour une coque cylindri10 que est contrôlée par la contrainte en direction périphérique et est double de l'épaisseur requise en direction longitudinale. Prévoir une zone locale d'épaisseur réduite à 0,67, et même à juste au-dessus de 0,50, de l'épaisseur de coque maximale fournira encore de l'épaisseur en excès 15 pour la contrainte longitudinale. La zone d'épaisseur réduite au niveau de la rainure créera localement une contrainte plus élevée en direction circonférentielle. Cependant, comme la quantité totale de matière retirée est petite en comparaison de la matière restante, 20 la charge limite ne sera pas réduite de façon significative. Alors que la zone amincie à tendance à s'étirer du fait de la contrainte plus élevée, elle sera bloquée par la matière plus épaisse sur chaque côté de celle-ci. En conséquence, une partie de la charge de pression dans la 25 zone mince sera transmise à la matière plus épaisse. L'éclatement des matières ductiles n'aura pas lieu avant que toute la matière n'ait complètement cédé, ce qui se produit pour la charge limite sur la matière. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la 30 longueur axiale de chaque anneau est au moins 2,5 fois la racine carrée du rayon interne de la coque cylindrique que multiplie l'épaisseur maximale de la coque cylindrique. Ce 1 dimensionnement des anneaux garantit que les rainures ou zones d'épaisseur réduite ne sont pas situées trop près les unes des autres de façon à fournir la résistance mécanique souhaitée pour la coque. L'invention s'applique particulièrement à des récipients à pression élevée à parois pleines épaisses, comprenant une coque cylindrique circulaire ayant des surfaces interne et externe, telle que définie précédemment, et des parois d'extrémité, ledit récipient pouvant supporter une pression 10 interne pour laquelle il est conçu. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue en élévation d'un récipient de pression vertical ayant une coque fabriquée conformément à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe agrandie de la partie de joint dans le cercle sur la figure 1 avant que la soudure ne soit réalisée. La figure 3 est une vue en coupe de la coque de la figure 1 dont la zone de joint d'épaisseur réduite se trouve dans la surface externe de la coque. La figure 4 est une vue en coupe d'une coque ayant un joint dont la zone d'épaisseur réduite se trouve dans la surface 25 interne de la coque. La figure 5 est une vue en coupe d'une coque ayant un joint dont la zone d'épaisseur réduite est s:tuée radialement vers l'intérieur à partir des surfaces Lnterne et externe 9 2600392 1 de la coque. La figure 6 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une coque à extrémités ouvertes selon-l'invention appropriée pour être utilisée comme canal de dérivation, tube d'air ou analogue. En référence à la figure 1, le récipient vertical 20 à pression élevée à parois pleines présente une coque ou corps 22 vertical, une paroi de fond hémisphérique 24 et une paroi d'extrémité supérieure hémisphérique 26. Le 10 récipient est supporté par des montants 28. Le corps ou coque 22 du récipient est fabriqué à partir d'une série de dix anneaux métalliques consécutifs A à J d'épaisseurs maximale sensiblement égales placés en agencement axial, les extrémités d'aboutement d'anneaux adjacents 15 étant jointes ensemble par une soudure 30 (figure 3). Les bords d'aboutement adjacents des anneaux E et F, avant que la soudure 30 ne soit réalisée, sont montrés sur la figure 2. On doit comprendre que tous les bords adjacents d'aboutement de tous les anneaux A à J sont conformés de façon semblable avant la soudure. La largeur maximale de la zone d'épaisseur pleinement réduite 100 au joint est montrée sur la figure 2 par la référence W. La profondeur maximale de la zone d'épaisseur réduite 100 est montrée sur la figure 2 par la référence X. La soudure reliant ensemble les bords d'aboutement des anneaux E et F aura l'épaisseur Y. X plus Y est égale à l'épaisseur radiale Z des anneaux E et F. L'épaisseur Y, qui est égale à l'épaisseur de la soudure (figure 3), est une épaisseur réduite qui ne représente pas plus d'environ 30 0,90 de l'épaisseur Z de l'anneau. Cependant, Y n'est pas inférieure à 0,50 de Z. Il est souhaitable que les bords 2600392 1 des anneaux E,F soient coniques-ou incurvés vers l'extérieur à partir de la partie la plus mince Y de chaque anneau vers la partie la plus épaisse de chaque anneau Z. Ainsi, comme cela est montré sur les figures 2 et 3, chaque anneau E,F est conique vers l'extérieur en 50,52. Comme cela est montré sur la figure 2, les bords d'aboutement adjacents des anneaux E et F sont chanfreinés en 36,38,40, 42 pour fournir de l'espace pour déposer le métal de soudure sur toute l'épaisseur du joint. De telles surfaces 10 chanfreinées peuvent avoir toute forme appropriée. En revenant maintenant à la figure 2, l'épaisseur Z des anneaux utilisés pour fabriquer la coque 22 peut dépasser l'épaisseur V utilisée pour des anneaux dans lesquels les joints sont réalisés sur toute l'épaisseur des anneaux pour 15 renforcer la zone de joint entourant la zone d'épaisseur réduite. Ainsi, Z peut être égale à environ 1 à 1,2 fois l'épaisseur V. Le deuxième exemple de réalisation de l'invention illustré par la figure 4 est semblable à celui montré sur les figures 1 à 3. Les anneaux E1 et F1 sur la figure 4 sont comparables aux anneaux E et F sur les figures 1 à 3. L'exemple de réalisation de la figure 4, cependant, comme on peut le voir, présente la zone d'épaisseur réduite 100 sur l'intérieur de la coquille plutôt que sur l'extérieur, 25 comme cela est montré sur les figures 1 à 3. Le troisième exemple de réalisation de l'invention est illustré par la figure 5. Dans cet exemple de réalisation, une zone d'épaisseur réduite 102 est située radialement vers l'intérieur à partir de la surface externe, et une 30 zone d'épaisseur réduite 104 est située radialement vers l'extérieur à partir de la surface irnerne des anneaux E2, F2 de la coque 22. On comprendra que les anneaux E2,F2 sont 1 analogues aux anneaux E,F et E1,F1 à l'exception des parties d'épaisseur réduite des bords adjacents. La figure 6 représente la coque 22 fabriquée comme cela a été décrit en référence aux figures 1 à 3, mais comportant des extrémités ouvertes de sorte qu'elle peut être utilisée comme conducteur de flux, tel qu'un canal de dérivation, un tube d'air ou dans un but semblable. EXEMPLE Un récipient de pression est fabriqué comme cela est illustré par les figures 1 à 3 pour une pression prévue d'environ 125 bars et une température prévue d'environ 450 C, en utilisant de l'acier SA-387, Qualité 22, Classe 2. Le récipient est conçu pour remplir les exigences de l'ASME, section VIII, division 2, paragraphe A D-201. Pour 15 un rayon interne de 2,65 mètres, l'épaisseur V des anneaux A-J pour des soudures qui s'étendent sur toute l'épaisseur est de 23 cm. Cependant, en utilisant l'invention, l'épaisseur de joint Y peut être réduite à environ 15 cm ou moins, W étant égal à environ 11,5 cm. Pour fournir un certain renforcement des joints, on peut utiliser des anneaux pour lesquels Z est égale à plus d'environ 23 cm. Pour Z égale à 24,4 cm, l'épaisseur additionnelle à proximité du joint procure un remplacement de zone complet dans les limites de la racine carrée du produit du rayon et de l'épaisseur. Les dimensions finales de Z et de Y, ainsi que la pente'et l'emplacement des niveaux de réduction 36,38,40,42, doivent être déterminés par analyse de contrainte détaillée sur la base des critères de l'Annexe 4 de l'ASME, Section VIII, Division 2 ou à l'aide de procédures semblables. Un certain 30 nombre de conffurations acceptables peuvent être prévues. La configuration réelle utilisée sera déterminée par une analyse des coûts totaux des matériaux, de la main d'oeuvre en usine et sur site pour une structure particulière. REVENDICATIONS 1 1 - Coque métallique cylindrique circulaire à paroi pleine ayant des surfaces interne et externe et pouvant résister à une pression interne pour laquelle la coque est conçue, caractérisée en ce qu'elle comprend une série d'anneaux 5 (A à J) métalliques consécutifs d'épaisseurs maximales sensiblement égales en agencement axial, les extrémités d'aboutement d'anneaux adjacents étant jointes l'une à l'autre par une soudure (30), et la longueur axiale de la partie de coque cylindrique comprenant les parties d'extrémité d'aboutement d'anneaux adjacents (E,F) et la soudure (30) joignant les extrémités d'aboutement ensemble ayant une épaisseur réduite qui n'est pas supérieure à environ 0,90 fois l'épaisseur maximale des anneaux (E,F). 2 - Coque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface interne de la coque cylindrique (22) est une surface cylindrique sensiblement lisse aux extrémités d'aboutement de jonction de soudure d'anneaux adjacents. 3 - Coque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface externe de la coque cylindrique (22) est une surface cylindrique sensiblement lisse aux extrémités d'aboutement de jonction de soudure d'anneaux adjacents. 4 - Coque selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisée en ce que la zone d'épaisseur réduite de la longueur axiale de la coque cylindrique (22) comprenant les parties d'extrémité d'aboutement d'anr-eaux adjacents (E,F) est située radialement vers l'intérieur à partir de 1 la surface externe de la coque et radialement vers l'extérieur à partir de la surface interne de la coque. - Coque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur réduite n'est pas inférieure à 0,50 de l'épaisseur maximale des anneaux (A-J). 6 - Coque selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'épaisseur réduite n'est pas 10 inférieure à 0,67 de l'épaisseur maximale des anneaux (A-J). 7 - Coque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone d'épaisseur réduite définit 15 une rainure périphérique s'étendant autour de l'extérieur de la coque (22), la rainure ayant une largeur maximale axialement à la coque appropriée pour déposer au moins une partie de la soudure à partir de l'extérieur de la coque. 8 - Coque selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisée en ce que la zone d'épaisseur réduite définit une rainure périphérique s'étendant autour de l'intérieur de la coque (22), la rainure ayant une largeur maximale axialement à la coque appropriée pour déposer au moins une 25 partie de la soudure à partir de l'intérieur de la coque. 9 - Coque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur des anneaux est d'au moins environ 7,5 cm. - Coque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur des anneaux est d'au moins environ 12,5 cm. 11 - Coque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur axiale de chaque anneau (A-J) est au moins 2,5 lois la racine carrée du rayon interne de la coque cylindrique que multiplie l'épaisseur 10 maximale de la coque cylindrique. 12 - Récipient à pression élevée à parois pleines épaisses, caractérisé en ce qu'il comprend une coque cylindrique circulaire ayant des surfaces interne et externe selon l'une quelconque des revendications précédentes, et des parois d'extrémité, ledit récipient pouvant supporter une pression interne pour laquelle il est conçu.