Brevet FR2617570A1 — publié le 19890106

DISPOSITIF ANTI-STRATIFICATION THERMIQUE POUR TUYAU D'ALIMENTATION DE GENERATEUR DE VAPEUR DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif anti- stratification thermique pour tuyaux d'alimentation de générateurs de vapeur, et plus particulièrement de générateurs de vapeur à eau pressurisée utilisés dans les centrales nucléaires. Les générateurs de vapeur de telles centrales comportent fréquemment un distributeur en forme d'anneau, dont la forme se rapproche d'un tore à axe vertical ou avec des lobes, alimenté par une conduite sensiblement horizontale. Lors du fonctionnement normal du réacteur, la surface libre de l'eau dans l'enceinte est située au-dessus de la conduite et du distributeur et la vitesse de l'eau dans la conduite est relativement élevée. Le fonctionnement est alors satisfaisant. Mais il peut au contraire être perturbé dans diverses conditions temporaires exceptionnelles. Un problème est constitué par la stratification thermique de l'eau d'alimentation lors du fonctionnement à très faible charge. Ce phénomène est décrit notamment dans l'article "Loading conditions in horizontal feed water pipes of LWRs influenced by thermal shock and thermal stratification effects", par M. MIKSCH et autres, NUCLEAR ENGINEERING AND DESIGN, 84 (1985), 179-187. Ce phénomène est aggravé sur les générateurs de vapeur équipés, d'une seule alimentation en eau utilisée à charge normale d'une part, en situation accidentelle et à très faible charge d'autre part. Dans cette dernière situation, un faible débit d'eau alimentaire froide est injecté dans la conduite pleine d'eau à la température de fonctionnement du générateur de vapeur. La vitesse d'écoulement étant faible, l'eau froide ne se mélange pas à l'eau chaude, mais forme une couche distincte au fond de la conduite. Cette stratification maintient un gradient de température élevé entre la partie inférieure et la partie 2617 5 7 0 supérieure de la paroi de la conduite, ce qui engendre des contraintes thermiques de nature à provoquer une fissuration, y compris dans la soudure de raccordement de la conduite à l'enceinte. Ce phénomène est encore aggravé par la fatigue induite par les oscillations de l'interface entre les couches. Les tuyaux recourbés censés favoriser l'accumulation d'eau froide dans une partie amont à plus faible altitude o se trouvent les zones à protéger ne réduisent pas de façon appréciable ce phénomène de stratification, ce qui semble indiquer qu'il est entretenu en particulier par l'échange thermique dû à la convection naturelle entre l'eau chaude occupant le ballon et l'intérieur de la conduite. On a entrepris diverses tentatives pour éliminer cette stratification. L'une consiste à introduire l'eau alimentaire dans la conduite par l'intermédiaire d'un déversoir annulaire débouchant dans une boîte à eau o se produit un certain mélange. On a également proposé de prévoir, sur la face interne d'un coude de la conduite, une saillie de faible hauteur, annulaire ou en spirale, pour augmenter la turbulence de l'écoulement. Un tel dispositif n'a qu'une efficacité très faible: en effet, lorsque le débit est faible, c'est-à-dire lorsqu'on recherche un mélange, le filet d'eau froide d'alimentation se contente de contourner l'obstacle ainsi constitué. L'invention vise à fournir des moyens permettant de supprimer ce problème de stratification dans les tuyaux d'alimentation des générateurs de vapeur, et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, n'imposant qu'une faible perte de charge à l'écoulement, et purement statiques. Elle se caractérise par la combinaison d'un décrochement ascendant constitué par un double coude- du tuyau d'alimentation, et d'une hélice qui joue à la fois un rôle de blocage partiel de l'eau froide pour lui faire emplir toute la partie du tuyau o l'on cherche à éviter la stratification avant de la laisser s'écouler dans le générateur, et de barrage à la circulation inverse d'eau chaude. Plus précisément, l'invention concerne, logée en aval d'un décrochement ascendant du tuyau d'alimentation lui-même en aval d'une zone du tuyau d'alimentation o il convient d'éviter une stratification thermique, une hélice fixe constituée d'un moyeu central et de pales joignant le moyeu au tuyau d'alimentation, les pales faisant au moins un demi-tour autour du moyeu et délimitant des canaux torsadés agencés de telle sorte que l'eau d'alimentation ne s'écoule en aval de l'hélice, coulant par gravité dans les canaux, qu'après avoir empli entièrement le tuyau d'alimentation en amont du décrochement. Le décrochement se compose avantageusement de deux parties horizontales du tuyau d'alimentation reliées par une partie médiane, oblique d'environ trente degrés, dudit tuyau d'alimentation. On va maintenant procéder à une description plus détaillée à l'aide des figures annexées dont l'énumération suit, et qui sont données à titre illustratif et non limitatif: - la figure 1 schématise le phénomène que l'invention se propose de contrecarrer; - la figure 2 représente une réalisation de l'invention par une coupe longitudinale d'un tuyau d'alimentation; et - la figure 3 représente une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. - On a représenté figure 1 un tuyau d'alimentation d'eau conventionnel 1 pénétrant à travers l'enveloppe 2 du générateur de vapeur, à laquelle il est uni par les soudures 9, jusque dans l'intérieur 3 de celui-ci pour déboucher dans un tore d'alimentation non représenté. Le tuyau d'alimentation I peut être relié à deux alimentations distinctes. Une alimentation d'eau chaude 4 est utilisée en service normal, et le débit est alors assez important pour emplir entièrement le tuyau d'alimentation 1. Par contre, quand on utilise une seconde alimentation d'eau froide 5 pour refroidir l'intérieur 3 du générateur de vapeur, c'est généralement avec un débit faible, si bien que l'eau froide circule selon la flèche F sous forme d'une 2617570. couche 6 dans une partie basse du tuyau d'alimentation 1 tout en étant surmontée par une couche résiduelle d'eau chaude 7, de densité plus faible, qui se maintient dans le tuyau d'alimentation 1. Les deux couches 6 et 7 ne se mélangent pas et on n'observe pas d'égalisation de leurs températures, du fait d'un renouvellement permanent d'eau chaude dans le tuyau d'alimentation 1: la circulation de l'eau chaude s'effectue selon les flèches C1, vers l'amont de celui-ci par le sommet de la couche résiduelle 7 avant d'être entraînée vers l'aval, selon les flèches C2, sous l'action de l'écoulement de la couche 6 d'eau froide. Il en résulte un gradient élevé de température à l'interface 8 entre les couches 6 et 7 d'eau froide et d'eau chaude, qui se traduit par-des brusques variations de dilatation du tuyau d'alimentation 1 à cette hauteur et donc par des contraintes de cisaillement élevées, surtout près des soudures 9 o les possibilités de déformation sont plus réduites. Des ruptures en fatigue ont été constatées à cet endroit à cause de ce phénomène de stratification thermique contre lequel il convient donc de le protéger. C'est ce que représente la figure 2. Le tuyau d'alimentation d'après l'invention est composé de trois parties: une partie amont 11il traversant l'enveloppe 2, une partie aval à l'intérieur de l'enveloppe 2 qui débouche sur le tore d'alimentation et un tronçon médian 12 reliant les deux parties précédentes. Les parties amont 11 et aval 13 sont horizontales, la partie aval étant située à une altitude quelque peu supérieure, si bien qu'elles constituent un décrochement vertical ascendant et que le tronçon médian 12 est oblique et fait un angle A par rapport à l'horizontale, angle choisi essentiellement pour ne pas créer une perte de charge excessive et qui peut avoisiner trente degrés. Une hélice fixe 14 est logée dans la partie aval 13. Elle se compose d'un moyeu cylindrique long 15 d'axe parallèle à celui de la partie aval 13 et de pales 16, ici au nombre de quatre comme on le voit mieux sur la figure 3, joignant le moyeu au tuyau de la partie aval 13. Les pales 16 s'étendent sur la longueur du moyeu 15 et sont vrillées de façon à parcourir trois quarts de tour dans le tuyau. Elles peuvent être, de manière plausible, identiques et angulairement réparties à intervalles égaux. Deux pales 16 voisines, le moyeu 15 et le tuyau de la partie aval 13 délimitent des canaux 17 dont la section est un secteur angulaire de couronne; les canaux 17 sont torsadés en raison de la forme vrillée des pales 16. Dans la réalisation décrite ici, l'extrémité 18 des pales 16 la plus proche du tronçon médian 12 (ou extrémité amont) est orientée à quarantecinq degrés de l'horizontale: on peut donc distinguer sur la figure 3 un canal supérieur 17s au-dessus du moyeu 15 à cet endroit, un canal inférieur 17f qui lui est opposé par rapport au moyeu 15, et deux canaux latéraux gauche et droit 17g et 17d pareillement opposés. L'eau circulant vers l'aval, c'est-à-dire vers la droite sur la figure 2, passe par l'hélice 14 et à l'intérieur des canaux 17. Avec l'hélice 14 actuellement décrite, chaque canal 17 présente une section au-dessus du moyeu 15: le canal supérieur 17s à l'entrée de l'hélice 14, le canal latéral droit 17d au tiers de sa longueur, le canal inférieur 17f aux deux tiers et le canal latéral gauche 17g à la sortie (abscisses l/3, 21/3 et l respectivement). L'ensemble du dispositif protecteur fonctionne de la façon que l'on va maintenant exposer. Quand une alimentation en eau froide est décidée, celle-ci pénètre d'abord, comme d'après la figure 1, dans la partie basse de la tuyauterie jusqu'à atteindre l'hélice 14; elle pénètre progressivement dans les canaux inférieurs, puis latéraux 17f, 17g et 17d mais ne peut les franchir car ceux-ci présentent tous une section à une altitude plus élevée que leur section d'entrée, si bien que l'eau froide s'accumule en amont de 2617 5 7 0 l'hélice 14 et que son niveau s'élève progressivement; cette situation dure jusqu'à ce que L'eau froide atteigne La hauteur h, correspondant au point le plus bas du canal 17s dont la section a une altitude s'abaissant constamment depuis la section d'entrée, le reste de la tuyauterie étant toujours rempli d'eau chaude. L'eau froide commence alors à passer par le canal supérieur 17s qui est en pente descendante et lui permet donc de couler librement au-delà de L'hélice 14. On garantit donc la formation d'une hauteur minimale d'eau froide, aussi faible que soit son débit d'alimentation, en amont de l'hélice 14; cette hauteur peut éventuellement être dépassée en régime permanent si le débit est suffisant. La protection de la partie amont 11l de la tuyauterie contre les gradients thermiques est obtenue si celle-ci est située entièrement au-dessous de la hauteur h, car l'eau chaude en est progressivement refoulée. L'hélice permet simultanément de bloquer les courants de convection d'eau chaude vers l'amont. Une réalisation correcte de l'invention dépend donc de la compatibilité de l'hélice 14 et du décrochement créé à l'aide du tronçon médian 12. Généralement, chaque canal 17 délimité par les pales 16 de l'hélice 14 doit présenter une section qui soit entièrement au-dessus de la partie amont 11 du tuyau d'alimentation à protéger. Au moins un trou 30 est ménagé en partie supérieure d'une pale 16 permettant ainsi la mise en équipression de l'ensemble des canaux. A partir de là, de nombreuses réalisations équivalentes du dispositif peuvent être proposées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, il est possible de modifier le nombre de pales 16, et leur enroulement autour du moyeu 15. Toutefois, un enroulement inférieur à un demi-tour serait peu réaliste. Plusieurs dispositions peuvent être prises pour limiter les pertes de charge au travers de l'hélice 14. On peut tout 7 2617 5 70 d'abord pourvoir-le moyeu 15 d'extrémités effilées 19, fuselées ou arrondies, qui permettent à l'eau de le contourner plus facilement, aussi bien à l'amont qu'à l'aval. L'extrémité amont 18 des pales 16 peut par ailleurs être complétée par une arête d'attaque 20 longitudinale qui sépare plus aisément les filets fluides de part et d'autre, et favorise leur entrée dans les canaux 17. En ce qui concerne la réalisation concrète, l'hélice 14 peut tout d'abord être soudée à la partie aval 13 par une entretoise 21 à l'extrémité du moyeu 15, après quoi on comble le jeu entre les pales 16 et la partie aval 13 par soudage ou brasage par exemple. On est donc en présence d'un dispositif tout à fait fiable et de construction simple pour résoudre ce problème de stratification thermique. Il se distingue aussi bien des tuyaux recourbés employés isolément auparavant afin d'éloigner les parties à protéger du point chaud constitué par le ballon de vapeur au sommet de l'intérieur 3 de l'enveloppe 2 et de limiter la profondeur de pénétration vers l'amont des courants de convection d'eau chaude que des dispositifs mélangeurs censés brasser les courants chaud et froid -avec un succès réduit dans tous les cas. 2617 5 7 0 REVENDICATIONS 1. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation (11, 12, 13) de générateur de vapeur, caractérisé en ce qu'il comprend, logée en aval d'un décrochement ascendant du tuyau d'alimentation lui-même en aval d'une zone du tuyau d'alimentation (11) o il convient d'éviter une stratification thermique, une hélice fixe (14) constituée d'un moyeu central (15) et de pales (16) joignant le moyeu (15) au tuyau d'alimentation (13), les pales (16) faisant au moins un demi-tour autour du moyeu (15) et délimitant des canaux torsadés (17) agencés de telle sorte que l'eau d'alimentation ne s'écoule -en aval de l'hélice (14), coulant par gravité dans les canaux, qu'après avoir empli entièrement le tuyau d'alimentation (11) en amont du décrochement. 2. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation de générateur de vapeur selon la revendication 1, dans lequel le générateur de vapeur comprend une enveloppe (2) que le tuyau d'alimentation traverse, caractérisé en ce que le décrochement (12) et l'hélice (14) se trouvent dans l'enveloppe. 3. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation de générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le décrochement (12) se compose de deux parties horizontales (11, 13) du tuyau d'alimentation reliées par une partie médiane (12), oblique d'environ trente degrés, dudit tuyau d'alimentation. 4. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation de générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pales (16) comprennent une partie extrême (20) située vers le décrochement et disposée longitudinalement par rapport au tuyau. 5. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation de générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyeu (15) comprend des extrémités effilées (19). 6. Dispositif anti-stratification thermique pour tuyau d'alimentation de générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que au moins une pale (16) possède en partie supérieure un trou (30).