Brevet FR2621843A1 — publié le 19890421

L'invention concerne un procédé de fixation par soudage d'une tubulure sur un élément de paroi de forte épaisseur et en particulier mais non exclusive- ment un procédé de fixation de tubulures sur une viro- le porte-tubulures d'une cuve de réacteur nucléaire à eau légère. Les réacteurs nucléaires à eau légère et en particulier les réacteurs nucléaires'à eau sous pres- sion comportent une cuve de forme générale cylindrique fermée par des fonds bombés. La partie cylindrique est constituée par des viroles forgées qui sont soudées bout à bout au moment de l'assemblage de la cuve. L'une de ces viroles, appelée virole porte-tubulures, comporte des ouvertures traversant sa paroi au niveau desquelles on réalise la fixation de tubulures desti- nées à être raccordées aux canalisations constituant les branches chaudes et les branches froides des bou- cles du circuit primaire. Le procédé le plus utilisé jusqu'ici pour réaliser la fixation des tubulures sur la virole por- te-tubulures consiste à prévoir des ouvertures traver- sant la virole d'un diamètre supérieur au diamètre ex- térieur de la tubulure qui est engagée dans l'ouvertu- re sur toute l'épaisseur de la paroi de la virole. Des parties usinées de manière correspondante sur la tubu- lure et dans I'ouverture de la virole permettent de ménager un ou plusieurs chanfreins de soudage qui sont ensuite remplis de métal d'apport depuis l'extérieur et/ou l'intérieur de la virole. Cette opération est réalisée en utilisant le procédé de soudage automati- que à l'arc submergé. Dans le cas de réacteurs nucléaires dont la cuve présente *un diamètre de l'ordre de 4,50 mètres, l'épaisseur de la virole porte-tubulures est un peu inférieure à 300 mm, cette épaisseur étant sensible- ment constante dans toutes les parties de la virole. On a également proposé un procédé différent de fixation des tubulures d'une virole porte-tubulu- res. Ce procédé consiste à prévoir dans la virole porte-tubulures des ouvertures dont le diamètre cor- respond sensiblement au diamètre intérieur de la tu- bulure qui est soudée sur toute son épaisseur dans le prolongement de l'ouverture, du càté extérieur de la paroi de la virole. Ce mode de fixation de la tubulure o celle- ci est rapportée, c'est-à-dire "posée" sur la surface extérieure de la virole est désigné par le terme anglais "set-on", par oppositon au mode de fixation décrit plus haut o la tubulure pénètre dans l'ouver- turé traversant la virole, ce mode de fixation étant désigné par le terme anglais "set-in". La configuration "set-on" résultant du se- cond mode de fixation présente théoriquement des avan- tages sur la configuration "set-in", puisqu'un défaut de la soudure entraînant une rupture constituerait un type d'accident prévu dans les dossiers de s reté des centrales nucléaires, cet accident étant équivalent à la rupture d'une branche du circuit primaire se tra- duisant par une perte d'agent de refroidissement à très grand débit. Dans le cas de la configuration "set-in", un défaut de la soudure d'une tubulure entraînant une rupture constitue un accident équivalant à une rupture de cuve. Cependant, la conception "set-on" nécessite l'utilisation d'une virole porte-tubulures d'une épaisseur accrue et la présence de parties en saillie vers l'extérieur sur cette virole sur lesquelles sont 262 1843 rapportées les tubulures. En effet, il n'est pas possible de réaliser le soudage automatique à l'arc submergé de la tubulure dans une zone affleurant la surface extérieure de la virole, à cause de l'encom- brement de la tête de soudage. Il est donc nécessaire, dans le cas d'une cuve de réacteur d'un diamètre voisin de 4,50 m, de prévoir une virole porte-tubulures dont l'épaisseur est de l'ordre de 400 mm dans sa partie courante et qui peut atteindre 450 mm au niveau des saillies sur lesquelles sont rapportées les tubulures. Le forgeage de telles viroles nécessite l'utilisation de lingots de départ d'une masse très importante. de l'ordre de 350 tonnes. D'autre part, la réalisation du soudage au- tomafique à l'arc submergé des tubulures est une opé- ration délicate qui nécessite de nombreux contr6les. De manière plus générale, dans le cas de ré- acteurs ou de récipients d'un type quelconque compor- tant une paroi de forte épaisseur, par exemple supé- rieure à 100 mm, on ne connaissait pas de procédé de fixation de tubulures par soudage, d'une mise en oeu- vre simple et d'une durée d'exécution réduite qui permette d'assurer une très bonne qualité de la sou- dure. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fixation par soudage d'une tubulure sur un élément de paroi de forte épaisseur comportant au moins une ouverture traversante dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur de la tubulu- re, la tubulure étant soudée sur toute son épaisseur dans le prolongement de l'ouverture sur un des côtés de la paroi, ce procédé permettant de simplifier la réalisation de la soudure et d'en diminuer le temps 2 6 2 1 8 43 d'exécution tout en permettant l'obtention d'une sou- dure de très bonne qualité et l'utilisation d'une pa- roi d'épaisseur limitée. Dans ce but, on réalise sur une partie d'ex- trémité de la tubulure une surface de raccordement de forme tronconique dont l'axe est confondu avec l'axe de la tubulure ayant un demi-angle au sommet compris entre 30 et 60' et une section de dimension transver- sale décroissante vers l'extrémité de la tubulure, on réalise sur l'élément de paroi, sur une partie seule- ment de son épaisseur, au niveau de l'ouverture et coaxialement à cette ouverture, une surface de rac- cordement de forme tronconique correspondant à la forme de la surface de raccordement de la tubulure débouchant sur le côté extérieur de la paroi et évasée en direction de ce côté de la paroi, - on place les surfaces de raccordement de la tubulure et de la paroi en coincidence, - et on soude par faisceau d'électrons en un seul pas- sage et sans métal d'apport la tubulure et l'élément de paroi suivant leurs surfaces de raccordement, de- puis le côté extérieur de la paroi. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limi- tatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du procédé suivant l'invention dans le cas d'une virole portetubulures d'une cuve de réacteur nucléaire à eau sous pression. La figure 1 est une demi-vue en coupe trans- versale au niveau des tubulures, d'une virole porte- tubulures ayant une configuration "set-in". - La figure 2 est une vue en coupe analogue à la vue de la figure 1 d'une virole porte-tubulures ayant une configuration "set-on" suivant l'art anté- rieur. 262 1845 La figure 3 est une demi-vue en coupe ana- logue aux figures 1 et 2 d'une virole porte-tubulures ayant une configuration "set-on" et réalisée suivant le procédé de l'invention. Les figures 4A et 4B sont des vues en coupe axiale telle que 4-4 de la figure 1, d'une virole por- te-tubulures ayant une configuration "set-in", avant et après soudage d'une tubulure. Les figures 5A et 5B sont des vues en coupe axiale telle que la coupe 5-5 de la figure 2 d'une vi- role porte-tubulures ayant une configuration "set-on" suivant l'art antérieur, avant et après soudage d'une tubulure. Les figures 6A et 6B sont des vues en coupe axiale telle que la vue suivant 6-6 de la figure 3, d'une virole porte-tubulure réalisée suivant le procé- dé de l'invention, avant et après soudage d'une tubu- lure. La figure 7 est une vue à plus grande échel- le en coupe axiale montrant une tubulure fixée suivant le procédé de l'invention sur une virole et revêtue intérieurement d'acier inoxydable. La figure 8 est une vue en coupe verticale d'une installation de soudage par faisceau électro- nique permettant la mise en oeuvre du procédé de fixa- tion suivant l'invention. Sur les figures 1, 4A et 4B, on voit une vi- role de cuve 1 sur laquelle ont été usinées des ouver- tures 2 dont le diamètre est supérieur au diamètre ex- térieur des tubulures 3 qui doivent être fixées sur la virole 1. L'ensemble de la virole porte-tubulure qui est destiné à un réacteur nucléaire à quatre boucles comporte huit ouvertures destinées à recevoir chacune 262 1843 une tubulure 3. Les tubulures 3 sont de deux types suivant qu'elles sont destinées à être raccordées à une branche chaude ou à une branche froide d'une bou- cle du circuit primaire. Les tubulures des deux types se distinguent par le fait que leur alésage est soit de forme cylindrique soit de forme sensiblement tron- conique. La tubulure 3 et l'ouverture 2 sont usinées de façon à constituer des rebords annulaires dans des positions correspondantes permettant de délimiter deux chanfreins de soudage, lorsque la tubulure 3 est mise en position à l'intérieur de l'ouverture 2. L'un des chanfreins de soudage débouche vers l'extérieur de la virole porte-tubulures et l'autre chanfrein de soudage vers l'intérieur. L'ensemble des deux chanfreins 5 est rempli de métal d'apport par soudage automatique à l'arc submergé. Il est visible sur les figures 1 et 4B que le métal d'apport de la soudure 5 constitue une partie de la barrière séparant l'eau sous pression à l'inté- rieur de la cuve, du milieu extérieur. Sur les figures 2, 5A et 5B, on a représenté une seconde configuration d'une virole porte-tubulures d'un réacteur nucléaire à eau sous pression et son mo- de de réalisation. La virole porte-tubulures 10 com- porte des ouvertures traversantes 12 dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre intérieur de la tubulure 13. Les tubulures 13 sont rapportées sur la surface extérieure de la virole porte-tubulures 10, de façon que leur alésage intérieur se trouve dans le prolongement exact de l'ouverture 12 traversant la vi- role 10. Les tubulures 13 sont fixées sur la paroi ex- térieure de la virole 10, au niveau de parties annu- laires en saillie 14 entourant chacune une ouverture 12. 262 1 843 Chacune des tubulures 13 est fixée par sou- dage sur toute son épaisseur sur la partie en saillie 14 correspondante. Le métal d'apport 15 peut être dé- posé par soudage automatique à l'arc submergé, dans un seul chanfrein, depuis l'extérieur de la tubulure 13. Des rebords correspondants sur la tubulure et la par- tie en saillie 14 permettent de délimiter et de fermer le chanfrein vers l'intérieur. Comme il est visible sur les figures 2 et 5B, le métal d'apport de soudage 15 constitue dans cette configuraton "set-on" une zone de liaison entre la cuve et la branche correspondante du circuit pri- maire. Une rupture au niveau de la zone de jonction 15 est donc équivalente à une rupture d'une branche du circuit primaire et non à une rupture de cuve. Aussi bien dans le cas de la configuration "set-in" représentée sur les figures 1, 4A et 4B que dans le cas de la configuration "set-on" représentée sur les figures 2, 5A et 5B, l'opération de soudage pour constituer les joints soudés de métal d'apport 5- et 15 doit être effectuée avec le plus grand soin et surveillée en permanence, pour assurer une qualité parfaite du joint soudé. De plus, les rebords délimi- tant les chanfreins doivent être éliminés par usinage après remplissage partiel du ou des chanfreins. Toutes ces opérations qui doivent être ef- fectuées depuis l'extérieur ou l'intérieur de la vi- role porte-tubulures sont extrêmement longues et dé- licates. Dans le cas d'une virole porte-tubulures dont le diamètre est voisin de 4,50 m, l'épaisseur de la virole porte-tubulures 1, dans le cas de la confi- guration "set-in" est un peu inférieure à 300 mm. L'épaisseur des tubulures est de 300 mm. Dans le cas de la configuration "set-on" représentée sur les figures 2, 5A et 5B, pour un même diamètre de cuve voisin de 4,50 m, l'épaisseur de la partie courante de la virole 10 est voisine de 400 mm et l'épaisseur de la virole 10, autour des ouvertures 12, de l'ordre de 450 mm, l'épaisseur de la virole 10 étant accrue par la présence dans ces zones des par- ties en saillie 14. L'épaisseur des tubulures, suivant laquelle est effectué le joint de soudure 15, est de l'ordre de 150 mm. Il apparait donc que la configuration "set- on' représentée sur les figures 2, 5A et 5B nécessite. l'utilisation d'une virole 10 d'une épaisseur très largement accrue par rapport au cas de la configura- tion "set-in". La présence des parties en saillie 14 est nécessaire pour pouvoir réaliser le soudage dans une zone suffisamment éloignée de la surface extérieure de la virole 10 pour permettre le passage de la tête de soudage. Sur les figures 3 et 6B, on a représenté une virole porte-tubulures 20 sur laquelle on a fixé des tubulures 23 par le procédé suivant l'invention. La tubulure 20 comporte huit ouvertures traversantes 22 dont le diamètre intérieur correspond au diamètre in- térieur des tubulures 23. Comme il est visible sur la figure 6A repré- sentant la virole porte-tubulures 20 et la tubulure 23 avant leur assemblage, la partie d'extrémité de la tu- bulure 23 destinée à venir en contact d'assemblage avec la virole 20 est usinée pour constituer une sur- face de raccordement de forme tronconique 24. La virole 20 est usinée, suivant une partie de son épaisseur, au niveau de l'ouverture 22, pour constituer une surface de raccordement tronconique 25 dont la forme correspond parfaitement à la forme de la surface tronconique de raccordement 24 de la tubulure 23. La surface 24 a une section dont la dimension transversale est décroissante vers l'extrémité de la tubulure et la surface 25 de l'ouverture 22 est évasée vers l'extérieur de la virole 20. Le demi-angle au sommet des surfaces tronconiques 24 et 25 est sensi- blement égal à 45'. La surface 25 débouche par sa par- tie évasée sur la surface extérieure de la virole 20. On peut donc facilement réaliser l'engagement de l'ex- trémité de raccordement de la tubulure 23 à l'inté- rieur de la partie tronconique évasée 25 de l'ouvertu- re 22. Les deux surfaces tronconiques correspondantes 24 et 25 ont pour axes, l'axe de la tubulure et l'axe de -l'ouverture 22 respectivement. Ces deux axes coin- cident, lorsque les tubulures sont mises en place comme représenté sur les figures 3 et 68. Comme il est visible sur les figures 3 et 7, la virole porte-tubulures 20 ne comporte pas de suré- paisseur au niveau de l'ouverture traversante 22 sur laquelle on vient rapporter la tubulure 23. La virole 20 comporte uniquement une gorge torique 28 au niveau de laquelle débouche la zone de raccordement 27 entre la tubulure 23 et l'ouverture évasée de la virole 20. La gorge 28 permet de réaliser un dégagement assurant un meilleur accès à l'extrémité extérieure de la zone de jonction entre la tubulure 23 et l'ouvertu- re évasée de la virole 20. Comme il est visible sur la figure 8, le soudage des tubulures 23 sur la virole 20 est réalisé à l'intérieur d'une enceinte 30 de grandes dimensions dont l'atmosphère peut être évacuée par un système de pompage susceptible d'établir un vide poussé de l'or- -5 dre de 10 mm de mercure. L'enceinte 30 renferme un canon à électrons 31 monté mobile dans la direction verticale sur des colonnes 34 et qui peut être orienté vers le bas, dans une direction faisant un angle sensiblement égal à 45 avec la verticale. La virole porte-tubulures 20 repose sur un plateau 37 lui-meme monté rotatif autour d'un axe vertical sur un chariot 36 qui peut être déplacé en translation à l'intérieur de l'enceinte 30. La vi- role 20 repose sur le plateau 37 par l'intermédiaire de galets à axe horizontal d'un vireur 40. Pendant le soudage par faisceau d'électrons de la tubulure 23 sur la virole 20, le canon à élec- trons 31 est fixé en position verticale et en incli- naison, le chariot 36 est en position fixe dans l'en- ceinte et la virole 20 est en position fixe sur le vireur 40. La position de la virole 20 et de la tubu- lure 23 est telle que le faisceau du canon à électrons 31 soit parfaitement dirigé suivant une génératrice de la surface de jonction tronconique entre la tubulure et la virole. L'axe de la tubulure 23 dont on réalise le soudage est confondu avec l'axe de rotation du pla- teau 37. Le plateau 37 est mis en rotation à vitesse lente, de façon que le faisceau d'électrons parcoure l'ensemble de la zone de jonction tronconique entre la tubulure et la virole, à une vitesse de 10 à 40 cm/mn. On utilise un canon à électrons d'une puis- sance de 200 KW susceptible de réaliser le soudage de la tubulure sur la virole en un seul passage sans mé- tal d'apport. La virole porte-tubulures 20 et les tubulu- res 23 ont été réalisées par forgeage d'un acier ren- fermant principalement 2 à 2,5 % de chrome, 0,9 à 1 1 1,10 X de molybdène et une teneur en carbone au plus égale à 0,15 %. Les teneurs en chrome et en molybdène visées pour cet acier sont de 2,25 Z et 1 Z respecti- vement. Un tel acier connu et utilisé pour la fabri- cation de composants destinés à l'industrie pétrochi- mique présente des propriétés de trempabilité parfai- tement adaptées au soudage par faisceau d'électrons, pour des pièces d'une épaisseur supérieure à 100 mm. Dans le cas du soudage d'une tubulure 23, l'épaisseur du joint soudé est comprise entre 150 et mm ce qui reste parfaitement compatible avec les performances de l'installation de soudage par faisceau d'électrons dont les possibilités s'étendent jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 300 mm. La qualité du joint soudé s'est avérée par- faitement satisfaisante. Pour effectuer le soudage successif des huit tubulures sur la virole porte-tubulures 20, on oriente cette virole autour de son axe, gràce au vireur 40, de façon à amener la tubulure à souder en position haute avec son axe vertical. La présence de la gorge torique 28 sur la virole 20 autour de la partie évasée débouchante de 2, l'ouverture 22 permet un meilleur accès du faisceau d'électrons à la zone de jonction. Dans le cas d'une cuve d'un réacteur à eau sous pression dont la virole porte-tubulures 20 a un diamètre voisin de 4,50 m, on limite l'épaisseur de cette virole porte-tubulures à une valeur inférieure à 350 mm, en utilisant le procédé de jonction des tubu- lures suivant l'invention. Ce procédé permet en effet * d'éviter la présence de parties en saillie vers l'ex- térieur de la virole 20 et donc de surépaisseurs lo- 2 6 2 1 8 43 cales au voisinage des ouvertures traversantes 22. Le faisceau d'électrons incliné à 45' peut en effet facilement atteindre la zone de jonction, le canon à électrons étant lui-même situé à une certaine distance de la tubulure comme représenté sur la figure 8. Le procédé selon l'invention, permet de réa- liser la fixation de tubulures suivant- une disposition "set-on" sur une virole porte-tubulures dont l'épais- seur est sensiblement inférieure à celle requise pour les configurations "set-on" suivant l'art antérieur. Sur la figure 7, on voit une tubulure 23 qui a été fixée sur une virole porte-tubulures 20 par le procédé suivant l'invention, avec réalisation d'un joint soudé 27 par faisceau d électrons et sans métal d'apport. L'alésage intérieur de la tubulure 23 est revêtu d'une couche d'acier inoxydable 41 interrompue au voisinage de l'extrémité de la tubulure qui a été réalisée à l'intérieur de la tubulure pendant sa fa- brication et préalablement à son soudage sur la virole 20. De même, la virole 20 est revêtue intérieu- rement par une couche d'acier inoxydable 42 qui est interrompue au voisinage des ouvertures 22. Après soudage de la tubulure 23 sur la viro- le 20 par faisceau d'électrons formant une zone de jonction 27, le revêtement inoxydable à l'intérieur de la tubulure et de la virole portetubulures doit être complété par dépôt d'une couche d'acier inoxydable 43 joignant la couche 41 et la couche 42 et recouvrant la zone de jonction 27. Les surfaces de raccordement des tubulure 23 et de la virole 20, respectivement 24 et 25, de forme tronconique peuvent être effectuées par usinage de 2 6 2 1843 chacune des tubulures 23 et de la virole 20 au niveau de ses ouvertures 22 correspondantes, juste avant leur assemblage. Les tubulures 23 peuvent comporter une ex- trémité préformée destinée à constituer la surface tronconique de raccordement 24. Le procédé suivant l'invention a pour avan- tages principaux de permettre une fixation rapide et sans utilisation de métal d'apport des tubulures sur la virole porte-tubulures. L'épaisseur de cette virole peut être limitée aussi bien dans sa partie courante que dans sa partie-de jonction avec les tubulures. Dans tous les cas, le demi-angle au sommet des surfaces tronconiques devra être compris entre 30 et 60', pour obtenir à la fois une accessibilité suf- fisante à la zone de jonction depuis l'extérieur de la tubulure et de la virole et une fixation satisfaisante de la tubulure. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut appliquer l'invention à des pièces différentes de viroles et de.tubulures raccordées à ces viroles. L'invention peut être appli- quée par exemple à la fixation de tubulures sur une calotte sphérique, de préférence au niveau d'une ou- verture centrée sur l'axe de révolution de la calotte sphérique. De tels montages de tubulures sont fré- quents dans le cas des réacteurs chimiques ou pétro- chimiques. On peut envisager l'utilisation d'aciers différents de celui qui a été décrit pour la réalisa- tion de la virole et des tubulures. L'acier utilisé doit cependant présenter des caractéristiques de trem- pabilité suffisantes pour permettre d'obtenir un joint soudé de bonne qualité. 2 6 2 1 8 4 3 La tubulure et l'élément de paroi sur lequel est fixée cette tubulure devront dans tous les cas présenter une zone de recouvrement s'étendant sur une partie seulement de l'épaisseur de la paroi. Avanta- geusement, cette zone de recouvrement s'étendra au plus sur un tiers de l'épaisseur de la paroi. Dans le cas o la zone de recouvrement s'étend sur une partie substantielle ou sur la totalité de l'épaisseur de la paroi, on retrouve les inconvénients de la fixation suivant la configuration "set-in" des tubulures. L'invention s'applique non seulement dans le domaine des réacteurs nucléaires mais encore dans le domaine des réacteurs chimiques ou pétrochimiques et des récipients sous pression en général. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fixation par soudage d'une tubulure (23) sur un élément de paroi (20) de forte épaisseur comportant au moins une ouverture (22) tra- versante dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur de la tubulure (23), la tubulure (23) étant soudée sur toute son épaisseur, dans le prolongement de l'ouverture (22) sur un des côtés ou côté extérieur de la paroi (20), caractérisé par le fait qu'on réalise sur une partie d'extrémité de la tubulure (23) une surface de raccordement (24) de for- me tronconique dont l'axe est confondu avec l'axe de la tubulure (23) ayant un demi-angle au sommet compris entre 30 et 60- et une section de dimension transver- sale décroissante vers l'extrémité de la tubulure (23), qu'on réalise sur l'élément de paroi (20), sur une partie seulement de son épaisseur, au niveau de l'ouverture (22) et coaxialement à cette ouverture, une surface de raccordement (25) de forme tronconique correspondant à la forme de la surface de raccordement (24) de la tubulure (23) débouchant sur le côté exté- rieur de la paroi (20) et évasée en direction de ce côté de la paroi (20), - qu on place les surfaces de raccordement de la tubu- lure (23) et de la paroi (20) en coincidence, - et qu'on soude par faisceau d'électrons en un seul passage et sans métal d'apport la tubulure (23) et l'élément de paroi (20) suivant leurs surfaces de rac- cordement (24, 25), depuis le côté extérieur de la pa- roi.- 2.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que le demi-angle au sommet des surfaces de raccordement (24, 25) est sensiblement égal à 45'. 3.- Procédé de fixation suivant l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément de paroi (20) comporte, autour de l'ouverture (22), à l'endroit o débouche la partie évasée de la surface de raccordement (25), une gorge de forme torique (28). 4.- Procédé de fixation suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'élément de paroi (20) et la tubulure (23) sont constitués par un acier contenant principalement 2 à 2,50 Z de chrome et 0,90 à 1,10 Z de molybdène ainsi qu une teneur en carbone au plus égale à 0,15 Z. 5.- Procédé de fixation suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, dans le cas o l'élé- ment de paroi (20) est une virole porte-tubulures d'une cuve de réacteur nucléaire à eau sous pression, caractérisé par le fait que la virole porte-tubulures a un diamètre voisin de 4,50 m et une épaisseur infé- rieure à 350 mm.