Brevet FR2614094A1 — publié le 19881021

L'invention concerne une grille entretoise de maintien transversal des tubes du faisceau d un échangeur de chaleur. On connait des échangeurs de chaleur qui sont utilisés comme échangeurs de chaleur de secours pour le refroidissement du fluide primaire d'un réac- teur nucléaire. En particulier, dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides de type intégré qui sont refroidis par du sodium liquide, on prévoit des échan- geurs de chaleur de secours qui sont utilisés pour le refroidissement du réacteur après un arrêt consécutif à un incident, en particulier, dans le cas o le cir- cuit principal de refroidissement est défaillant. De tels échangeurs de secours sont plongés dans le sodium primaire remplissant la cuve du réacteur et comportent un faisceau de tubes à l'intérieur desquels circule du sodium secondaire assurant le refroidissement du so- dium primaire par échange thermique à travers la paroi des tubes. Le sodium secondaire est lui-même refroidi à l'extérieur de la cuve du réacteur, dans un échan- geur sodium-air. De tels échangeurs de secours doivent pou- voir fonctionner même si les sources d'énergie asso- ciées au réacteur nucléaire, en particulier les ali- mentations électriques, sont devenues indisponibles. Un tel échangeur de secours a été décrit dans la demande de brevet Français n 2.568.363 de la Société NOVATOME. L'échangeur comporte un faisceau de tubes qui est plongé, à la verticale, sur une partie de sa hauteur, dans le sodium liquide primaire rem- plissant la cuve du réacteur. Les tubes du faisceau ont chacun une extrémité d'entrée fixée à une première plaque tubulaire et une extrémité de sortie fixée à une seconde plaque tubulaire. Les deux plaques tubu- 26 1 4094 laires sont disposées dans un même plan et présentent un même axe vertical qui correspond à l'axe vertical du faisceau. L'une des plaques situées à la partie centrale du faisceau est circulaire et l'autre plaque, située à la partie périphérique, est annulaire. Les tubes sont constitués, sur la plus grande partie de leur longueur, par des branches rectilignes et paral- lèles qui sont disposées à la verticale, lorsque le faisceau est en place dans la cuve du réacteur nuclé- aire. Le faisceau est à section sensiblement circu- laire et comporte un axe parallèle aux branches rec- tilignes des tubes passant par le centre des sections droites successives du faisceau dans lesquels les tu- bes sont répartis suivant un réseau régulier. Pour assurer le maintien des tubes suivant ce réseau régulier dans les sections transversales du faisceau et pour absorber les forces transversales subies par les tubes dans le réacteur nucléaire en fonctionnement, on dispose des grilles entretoises de maintien transversal des tubes, ces grilles entretoi- ses étant réparties suivant la hauteur du faisceau. Ces grilles entretoises sont parallèles aux plaques tubulaires et reproduisent sensiblement le ré- seau constitué par les trous de passage des tubes dans les plaques tubulaires. Dans la demande de brevet Français 2.568.363 on a proposé des grilles entretoises permettant de maintenir les tubes dans un réseau formé de rangées circulaires coaxiales disposées successivement les unes à la suite des autres, dans les directions axia- les des sections droites du faisceau. De telles grilles entretoises sont consti- tuées par des cerces circulaires de hauteur constante et de rayon croissant vers l'extérieur disposées coa- xialement de façon que deux cerces successives délimi- tent une rangée annulaire de largeur sensiblement constante. Des dispositifs élastiques en tôle métalli- que sont disposés dans chacune des rangées annulaires et sont fixés, d'une part à la cerce intérieure et d'autre part à la cerce extérieure délimitant la ran- gée. Ces dispositifs élastiques assurent donc l'assemblage des cerces constituant la grille entre- toise. De plus, les dispositifs élastiques comportent des logements pour recevoir les tubes et assurer leur maintien transversal. Les dispositifs élastiques sont constitués par une bande métallique continue pliée de façon sinu- soidale et mise sous la forme d'une couronne ayant une section crénelée ménageant des logements successifs pour les tubes. La mise en forme par pliage de la cou- ronne crénelée définit a priori la disposition relati- ve des tubes dans la rangée annulaire correspondante. Il en résulte donc un manque de souplesse quant à la disposition des tubes dans les rangées, au moment de la mise en place du faisceau. Bien que les tubes soient réalisés et mis en forme de façon à présenter une géométrie parfaitement définie, leur mise en place dans les sections transversales peut présenter quel- ques difficultés ai leur disposition relative est dé- finie a priori. Il en est ainsi en particulier i cause de la très grande longueur des tubes du faisceau. D'autre part, chaque grille entretoise com- porte une partie interne destinées à recevoir les branches des tubes reliées i la plaque tubulaire cir- culaire centrale et une partie externe destinée à re- cevoir les branches des tubes reliées à la plaque tu- bulaire annulaire externe. Avant de commencer le mon- tage des tubes, on réalise l'assemblage de la partie interne des grilles entretoises, le montage de la partie externe étant effectué au moment du montage des tubes du faisceau qui viennent se placer successive- ment dans les rangées annulaires des grilles entretoi- ses. Ce montage de la partie externe des grilles en- tretoises à l'avancement nécessite de pouvoir adapter les dispositifs élastiques de maintien des tubes à la position exacte de ces tubes au moment du montage. La réalisation des dispositifs élastiques sous la forme d'une bande métallique ondulée et enroulée en couronne ne permet pas d'assurer facilement cette adaptation. En outre, les dispositifs élastiques réali- sés sous la forme de couronnes crénelées sont soumis à des efforts circonférentiels transmis par les tubes, si bien que chaque dispositif élastique doit être fixé sur la cerce intérieure et sur la cerce extérieure qui limitent la rangée correspondante par des soudures occupant la totalité ou la quasi totalité des surfaces de contact entre la couronne crénelée et les cerces. Il est très difficile de mettre au point un procédé de soudage approprié permettant de réaliser l'assemblage des cerces et des dispositifs élastiques constitués par des couronnes crénelées, en particulier pour le montage à l'avancement de la partie externe des grilles entretoises. Le but de l'invention est donc de proposer une grille entretoise de maintien transversal des tu- bes du faisceau d'un échangeur de chaleur qui sont disposés avec leurs axes parallèles et maintenus transversalement pour constituer un réseau régulier dans des plans perpendiculaires aux axes, par des grilles entretoises espacées suivant la direction axiale du faisceau et constituées chacune par un en- semble de cerces circulaires ayant un axe commun pa- rallèle aux tubes et par des dispositifs élastiques de maintien des tubes fixés chacun entre deux cerces suc- cessives intérieure et extérieure, respectivement, as- surant la liaison entre les cerces et le maintien des tubes dans une rangée annulaire entre les deux cerces successives, cette grille entretoise pouvant être adaptée à la position exacte des tubes du faisceau et pouvant être montée facilement, en particulier à l'a- vancement. Dans ce but, les dispositifs élastiques de maintien des tubes sont constitués chacun par un en- semble de cavaliers en forme de U disposés successive- ment suivant une rangée annulaire et comportant chacun deux branches ménageant entre elles un logement pour un tube et une partie commune de liaison, les branches étant soudées à leurs extrémités libres à la cerce ex- térieure et la partie commune à la cerce intérieure. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limita- tif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'une grille entretoise suivant l'invention. La figure 1 est une vue de dessus d'une par- tie en forme de secteur angulaire, d'une grille entre- toise selon l'invention. La figure la est une vue à plus grande échelle du détail A de la figure 1. La figure 2 est une vue en perspective d'une partie de la grille entretoise. Sur la figure 1, on voit une partie d'une grille entretoise destinée à un échangeur de chaleur 26 1 4094 de secours d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, par exemple tel que décrit dans la demande de brevet Français 2.568.363. Cette grille entretoise est constituée par des cerces circulaires de hauteur constante et de rayon croissant vers l'extérieur disposées de manière à avoir toutes pour axe l'axe du faisceau de l'échan- geur de chaleur, cet axe ayant pour trace le point 0 sur le plan de la figure 1. Les cerces de la grille entretoise consti- tuent un premier ensemble interne formé des six cerces la, lb, lc, id, le, lf et un second ensemble externe constitué par les quatre cerces 2a, 2b, 2c et 2d. Les cerces du premier ensemble délimitent des rangées annulaires 5 destinées i recevoir les branches des tubes 4 reliées à la plaque tubulaire centrale du faisceau de forme circulaire. Les cerces du second ensemble délimitent des rangées annulaires 5' destinées i recevoir les bran- ches des tubes 4 reliées à la plaque tubulaire externe de forme annulaire de l'échangeur de chaleur. La cerce externe 1f du premier ensemble et la cerce interne 2a du second ensemble sont reliées entre elles par l'intermédiaire de paires de pièces 6, 6' délimitant entre elles un espace de forme cylindri- que et soudées chacune d'une part à la cerce 1f et d'autre part à la cerce 2a Un fourreau 7 est fixé sur chacune des paires de pièces 6, 6', dans l'espace cy- lindrique ménagé entre ces pièces. Des tirants verti- caux peuvent &tre fixés i l'intérieur des fourreaux 7, pour assurer la suspension de la grille entretoise i la partie supérieure de l'échangeur de chaleur, comme il est décrit dans la demande de brevet 2.568.363. Chacun des tirants est engagé dans les fourreaux des 26 1 4 0 9 4 différentes grilles entretoises placées suivant la hauteur du faisceau. En se reportant à l'ensemble des figures, on voit que les cerces successives délimitant des rangées successives de forme annulaire 5 et 5' sont reliées entre elles par des cavaliers 8 en forme de U disposés successivement les uns à la suite des autres dans la direction périphérique de la grille entretoise, c'est- à-dire suivant les rangées annulaires 5 et 5'. Chacun des cavaliers 8 ayant la forme générale d'un U compor- te deux branches 8a et 8b et une partie commune 8c de liaison entre les branches 8a et 8b. Chacune des bran- ches 8a et 8b est pliée vers l'extérieur de façon à constituer un logement 10 de forme évasée pour un tube 4 du faisceau. L'espace intérieur du cavalier comporte ainsi une partie de faible largeur voisine de la par- tie commune de liaison 8c et une partie voisine de l'ouverture du U de plus forte largeur, cette partie étant reliée à la partie de faible largeur par deux parties inclinées des branches 8a et 8b réalisées par pliage. La largeur de l'ouverture du cavalier est su- périeure au diamètre extérieur des tubes 4 du faisceau alors que la partie intérieure à plus faible largeur du cavalier a une dimension inférieure au diamètre du tube 4. Les parties intermédiaires inclinées des bran- ches 8a et 8b assurent l'appui et le centrage du tube 4. Les branches 8a et 8b du cavalier 8 comportent à leur extrémité correspondant à l'ouverture du cava- lier, des pattes de soudage 9a et 9b pliées à 90' vers l'extérieur. Comme il est visible sur la figure 2, les cavaliers 8 sont soudés sur les cerces 1 ou 2 corres- pondantes, d'une part par l'intermédiaire de leur par- tie commune 8c et d'autre part par l'intermédiaire des pattes 9a et 9b. Les soudures sont réalisées sur chant, au niveau du bord inférieur et du bord supé- rieur des cerces correspondantes. Les zones de soudure ne s'étendent que sur une faible hauteur de la cerce, la partie restante de la zone de contact entre le ca- valier et les cerces ne comportant pas de liaison par soudure. L'inclinaison des pattes de soudage 9a et 9b des cerces 8 est adaptée au rayon de courbure de la cerce sur laquelle sont fixées ces pattes. Les cavaliers sont fixés par l'extrémité de leurs branches sur la surface intérieure de la cerce extérieure limitant la rangée o ils sont disposés et par leur partie commune sur la surface extérieure de la cerce intérieure limitant la rangée. On a réalisé les grilles entretoises pour un échangeur de chaleur de secours d'un réacteur nucléai- re à neutrons rapides refroidi par du sodium liquide. Les grilles entretoises sont constituées par des cerces en acier inoxydable dont la hauteur est de mm et l'épaisseur de 1 mm. Ces dimensions se comparent favorablement aux dimensions des plaques entretoises selon l'art an- térieur constitué par des cerces reliées par une bande métallique ondulée enroulée sous la forme d'une cou- ronne crénelée. Dans ce cas, la hauteur des cerces était de 50 mm et leur épaisseur de 1,5 mm. Le montage des grilles entretoises et des tubes du faisceau peut être réalisé selon le procédé décrit dans la demande de brevet 2.568.363. Les cerces la, lb, lc, id, le, if constituant la partie intérieu- re de la grille entretoise sont tout d'abord assem- blées en utilisant des cavaliers 8 disposés dans les g rangées, les uns à la suite des autres avec un espace- ment sensiblement constant. Cet espacement peut cepen- dant être réglé en fonction de la position exacte des branches des tubes reliées à la partie centrale de la plaque tubulaire. Les cavaliers 8 sont fixés sur les cerces 1, à l'intérieur des rangées annulaires 5, par des soudures TIG sur chant, au niveau du bord supé- rieur et au niveau du bord inférieur des cerces cor- respondantes, c'est-à-dire par le dessus et par le dessous de ces cerces (soudage à plat et au plafond). Cette opération de soudage sur chant peut être réaii- sée rapidement et sans difficultés particulières. Les cerces extérieures 2 constituant les rangées annulaires 5' sont mises ensuite en place, au moment du montage des tubes du faisceau. Les tubes 4 dont l'une des branches vient se placer dans une rangée 5' de la partie extérieure de la grille entretoise sont mis en place dans la partie interne des grilles et dans la partie centrale de la plaque tubulaire. La partie externe de la grille en- tretoise est ensuite réalisée à l'avancement. Les cerces 2a, 2b et 2c sont constituées à l'avance par soudage des cavaliers 8 sur leur parties communes 8c. Le.s cerces ainsi constituées sont placées avant enfi- lage de la rangée de tubes correspondante. Lorsque la rangée est remplie, la cerce suivante est posée par soudage des parties 9a et 9b des cavaliers de la cerce précédente. Les écarts de position des tubes sont re- pris avant soudage par pincement des cavaliers, pour assurer leur positionnement correct. Les cavaliers 8 sont mis en place de façon très précise et sans dif- ficulté. La réalisation des dispositifs de maintien élastiques des tubes sous forme de cavaliers indépen- dants a d'autre part l'avantage de réduire les efforts tangentiels exercés par le faisceau sur ces éléments élastiques, ces efforts étant transmis directement par les branches des cavaliers aux cerces correspondantes. Le montage de la grille entretoise peut donc être effectué rapidement et sans difficultés, la gril- le entretoise étant d'autre part parfaitement adaptée à la configuration du faisceau. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'utiliser des cavaliers d'une forme différente de celle qui a été décrite, à partir du moment o ces cavaliers com- portent deux branches qui peuvent être reliées à la cerce extérieure et une partie commune qui peut etre reliée à la cerce intérieure ainsi qu'un espace inter- ne réservant un logement pour un tube 4 dont le cava- lier 8 assure un maintien transversal empêchant tout déplacement ou toute vibration en service. Les cerces et les cavaliers peuvent être ré- alisés en tout matériau métallique compatible avec les conditions d'utilisation et les fluides utilisés dans l'échangeur de chaleur. - On peut imaginer un assemblage des cerces et des cavaliers par d'autres procédés de soudage que le procédé TIG sur chant. Enfin, une grille entretoise suivant l'in- vention peut être utilisée dans tout échangeur de cha- leur comportant un faisceau à tubes parallèles dispo- sés suivant des rangées annulaires coaxiales. 26 1 4094 1 1 REVENDICATIONS 1.- Grille entretoise de maintien transver- sal des tubes (4) du faisceau d'un échangeur de cha- leur qui sont disposés avec leurs axes parallèles et maintenus transversalement, pour constituer un réseau régulier dans des plans perpendiculaires aux axes, par des grilles entretoises espacées suivant la direction axiale du faisceau et constituées chacune par un en- semble de cerces circulaires (1, 2) ayant un axe com- mun O parallèle aux tubes (4) et par des dispositifs élastiques (8) de maintien des tubes fixés chacun entre deux cerces successives intérieure et extérieu- re, respectivement, assurant la liaison entre le- cerces {1, 2) et le maintien des tubes (4) dans une rangée annulaire (5, 5') entre les deux cerces succes- sives (1, 2). caractérisée par le fait que les dispo- sitifs élastiques de maintien des tubes (8) sont cons- titués chacun par un ensemble de cavaliers en forme de U disposés successivement suivant une rangée annulaire (5, 5') et comportant chacun deux branches (8a, 8b) ménageant entre elles un logement (10) pour un tube (4) et une partie commune (8c) de liaison, les bran- ches (8a, 8b) étant soudées à leurs extrémités libres (9a, Sb) à la cerce extérieure et la partie commune (8c) à la cerce intérieure. 2.- Grille entretoise suivant la revendica- tion 1, caractérisée par le fait que les cavaliers (8) sont soudés aux cerces (1, 2) correspondantes par sou- dage TIG sur chant, au niveau du bord supérieur et au niveau du bord inférieur de la cerce (1, 2). 3.- Grille entretoise suivant la revendica- tion 2, caractérisée par le fait que les zones de sou- dage (11, 12) des cavaliers (8) sur les cerces (1, 2) s'étendent sur une faible hauteur i partir des bords des cerces (1, 2). 26 1 4094 4.- Grille entretoise suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 3. caractérisée par le fait que les branches {Sa, 8b) des cavaliers (8) sont pliés vers l'extérieur sur une partie de leur longueur, de façon que l'espace intérieur du cavalier (8) comporte une partie voisine de l'ouverture entre ses branches (Sa, 8b) ayant une largeur supérieure au diamètre des tubes (4) et une partie voisine de sa partie fermée (8c) d'une largeur inférieure au diamètre des tubes (4)., le logement (10) des tubes comportant la partie de grande largeur des cavaliers et étant délimité par les parties pliées vers l'extérieur des branches (8a, 8b) constituant des surfaces d'appui des tubes (4). ,- Grille entretoise suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les branches (8a, 8b) des cavaliers (8) com- portent des pattes de soudage (9a, 9b) à leur extrémi- té, repliées vers l'extérieur. 6.- Procédé de montage d'une grille entre- toise suivant l'une quelconque des revendications 1 à , comportant un ensemble de cerces (la, lb, lc, Id, le, 1f) constituant la partie intérieure de la grille entretoise destinée à recevoir, dans les rangées annu- laires (5) correspondantes entre les cerces, une pre- mière branche de chacun des tubes (4) du faisceau et un second ensemble de cerces (2a, 2b, 2c, 2d) consti- tuant la partie extérieure de la grille entretoise destinée à recevoir dans les rangées annulaires (5') correspondantes entre les cerces, une seconde branche de chacun des tubes du faisceau, caractérisé par le fait: - qu'on réalise le pré-assemblage de la partie inté- rieure de la grille entretoise, en mettant en place les cerces 26 1 4094 disposés les uns à la suite des autres avec un écar- tement sensiblement constant dans les rangées (5) entre les cerces, - qu on met en place dans la partie interne pré-as- semblée de la grille entretoise les premières branches des tubes du faisceau dont les secondes branches vien- nent en position dans les rangées annulaires (5') de la partie externe de la grille, - qu'on met en place les cerces destinées à constituer les rangées (5') de la partie externe de la grille sur lesquelles sont fixés les cavaliers (8) par l'inter- médiaire de leur partie commune de liaison (8c), - qu'on introduit les secondes branches des tubes (4) entre les branches (8a, 8b) des cavaliers correspon- dants, - et qu'on réalise après mise en place d'une rangée complète de tubes (4), l'assemblage des cavaliers (8) et de la cerce suivante par soudage TIG sur chant des pattes de soudage (9a, 9b) sur la cerce suivante. 7.- Utilisation d'une grille entretoise sui- vant l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour le maintien transversal des tubes (4) du faisceau d'un échangeur de chaleur de secours d'un réacteur nucléai- re à neutrons rapides refroidi par du sodium liquide.