Brevet FR2632557A1 — publié le 19891215

L'invention concerne un procédé d'amélioration de la résistance à l'usure de la surface exté- rieure d un tube en acier inoxydable à paroi mince. Dans les réacteurs nucléaires refroidis par de liteau sous pression. on utilise des grappes de commande pour régler la puissance du réacteur, ces grappes étant constituées par des ensembles de crayons absorbants qui sont déplacés à l'intérieur des assemblages du coeur du réacteur. Les crayons absorbants sont constitués par une gaine tubulaire en acier inoxydable renfermant un matériau absorbant les feutrons Les gaines des crayons ont un diamètre extérieur de lordre de 10 mm et une épaisseur de paroi voisine d't mm ou d'un 1/2 mm. Ces crayons ont une longueur qui correspond sensiblement à la hauteur du coeur, c est-à-dire une longueur de l ordre de 4 m. Pour la conduite du réacteur. on utilise plusieurs grappes absorbantes constituées chacune par un faisceau de crayons parallèles reliés entre eux à une extrémité et susceptibles de se déplacer dans les tubes-guides d'un assemblage combustible pour faire varier l'insertion et donc l'effet d'absorption de la grappe. Sous l'effet du débit hydraulique et au cours des déplacements des crayons à l'intérieur des tubesguides, les surfaces externes des saines de ces crayons subissent des frottements tangentiels et longitudinaux et une certaine usure.La paroi'due la gaine des crayons étant mince cette usure peut provoquer assez rapidement des détériorations du crayon nécessitant son remplacement Pour limiter ou éviter l'usure du crayon. on peut déposer sur la surface extérieure de la gaine en acier inoxydable un revetement anti-usure ou réaliser le durcissement superficiel de la gaine par diffusion en phase gazeuse ou bains de sels. Cette protection par traitement de surface a cependant l'inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre de procédés et de dispositifs relativement complexes, en particulier du fait de la très grande longueur des tubes en acier inoxydable constituant les gaines des crayons absorbants. En outre, ces traitements risquent d'entrainer la précipitation intergranulaire d'éléments indésirables et une certaine déformation des tubes. principalement lorsqu'ils sont effectués à haute température. On connait également des procédés de durcissement de type mécanique qui peuvent être effectués sur des pièces métalliques et qui utilisent un écrouissage superficiel. Cependant, dans le cas de tubes de faible épaisseur tels que les gaines de crayons absorbants en acier inoxydable, ces traitements mécaniques risquent d'entrainer des déformations inacceptables des tubes. Les gaines de crayons absorbants doivent en effet présenter des caractéristiques géométriques et dimensionnelles parfaitement définies, pour qu'ils puissent être déplacés sans difficultés à l'intérieur des tubes guides des assemblages combustibles. En particulier, ces tubes doivent étre parfaitement rectilignes. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé d'amélioration de la résistance à l'usure de la surface extérieure d'un tube en acier inoxydable à paroi mince qui soit d'une mise en oeuvre simple et rapide et qui n'entraîne que des déformations très faibles du tube. Dans ce but, on soumet, pendant une durée comprise entre 10 secondes et 1 minute, la surface ex térieure du tube -à un martelage par des particules métalliques dont la dureté est supérieure à la dureté de la paroi du tube, en suspension dans un courant de gaz, les particules de forme sensiblement sphérique ayant un diamètre compris entre 50 et 100 micromètres. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation du procédé suivant l'invention utilise pour le durcissement superficiel de gaines en acier inoxydables de crayons absorbants. Dans tous les cas, on utilise un dispositif de projection de microbilles dans un courant de gaz porteur à très grande vitesse comportant une pluralité de buses de projection recevant un courant de gaz à haute pression tenant en suspension des microbilles qui sont introduites dans le courant de gaz en amont de la buse. Les buses sont disposées autour d'une zone de forme cylindrique et dirigées sensiblement vers l'axe de cette zone cylindrique. Le tube à traiter est disposé ou déplace suivant l'axe de cette zone cylindrique pour présenter toutes les parties de sa surface externe simultanément ou successivement aux jets de gaz chargé de microbilles sortant des buses. Pour rendre les conditions du martelage les plus homogènes possible, on peut multiplier le nombre de buses disposées suivantes cercles autour de la zone cylindrique ou encore mettre le tube en rotation autour de l'axe de la zone cylindrique, pendant le traitement. Les billes viennent frapper la surface extérieure du tube avec une forte énergie d'impact et produisent sur cette surface extérieure du tube des em preintes qui s'accompagnent d'un fort écrouissage superficiel. La profondeur de ces empreintes est cependant faible par rapport à l'épaisseur du tube, meme dans le cas de tubes d'acier inoxydable de très faible épaisseur. On obtient ainsi un durcissement superficiel efficace du tube qui n'entraîne pas de modification sensible de ses propriétés géométriques. On connait une méthode de mesure de l'effi- cacité d'un traitement de martelage par des particules tel qu'un microbillage ou un grenaillage, qui consiste à utiliser une éprouvette de type normalisé désignée par l'appellation ALMEN sur laquelle on effectue l'o- pération de martelage par les particules. La norme Française NF L 06832 de Décembre 1979 définit de façon précise la méthode d'essai et les paramètres déterminant l'efficacité du martelage. En particulier, on détermine le recouvrement de ce martelage qui est défini par le rapport de la surface des empreintes à la surface à marteler ou à grenailler. On désignera par la suite ce paramétre par intensité Almen. On a utilisé le procédé suivant l'invention pour réaliser un traitement contre l'usure de la surface extérieure d'une gaine tubulaire en acier inoxydable d'un crayon absorbant. Exemple 1 : La gaine en acier inoxydable a un diamètre extérieur de l'ordre de 10 mm et une épaisseur de 5/10e de mm. On fait passer le tube à l'intérieur d'un dispositif de projection de microbilles de façon que l'ensemble de sa surface extérieure subisse le martelage par les microbilles. Les microbilles sont de forme sensiblement sphérique et ont un diamètre compris entre 50 et 00 micrométres. Ces billes sont en un alliage de nickel inoxydable ayant subi un traitement de durcissement. La dureté des microbilles est sensiblement supérieure à la dureté superficielle du tube d'acier inoxydable. Le dispositif de projection de billes occupe une zone de longueur axiale 100 mm, suivant la longueur du tube. On impose au tube un déplacement relatif par rapport au dispositif d'injection de billes tel que chacune des zones des la surface extérieure du tube subisse le martelage pendant une durée de 45 secondes. Pour obtenir ces conditions il est possible de réaliser un déplacement relatif continu ou discontinu du tube par rapport au dispositif de projection. Dans le cas d'un déplacement discontinu, le tube est traité par zones successives d'une longueur de 100 mm, le dispositif de projection de microbilles étant maintenu en position fixe autour du tube pendant une durée de 45 seconde. Le débit massique et l'énergie d'impact des billes sont réglés à une valeur telle que l'intensité Almen du martelage déterminée comme decrit ci-dessus soit de 1,5 N. Exemole 2 . On a effectué un traitement aMti-usure par microbillage sur une gaine tubulaire en acier inoxydable d'un diamètre de l'ordre de 10 mm et d'une épaisseur de paroi d'1 mm. Les conditions opératoires sont sensiblement les memes que dans l'exemple 1. La durée du martelage de chacune des zones de la surface extérieure du tube est de 45 secondes et le traitement est effectué sur une zone de longueur 100 mm. Le débit massique et l'énergie d'impact des billes sont fixés à des valeurs supérieures au cas de l'exemple précédent si bien que l'intensité Almen obtenue est égale à 3 N. Dans les deux cas. les gaines obtenues sont écrouies de manière uniforme sur toute leur surface extérieure qui présente ainsi une dureté et une résistance à l'usure fortement accrues. Ces résultats sont obtenus sans modifier la géométrie des tubes et sans introduire de contraintes inacceptables à l'intérieur de ces tubes, En outre, le traitement n'apporte aucun élé- ment polluant non métallique à la surface des tubes qui reste parfaitement propre. En effet, les microbilles métalliques, d'une dureté supérieure à la dureté du tube, produisent des empreintes sans déposer de matériau polluant de type non-métallique à la surface du tube. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut utiliser des microbilles en un matériau métallique de nature quelconque. ce matériau devant cependant présenter une dureté su périeure à celle de la paroi en acier inoxydable du tube. Ces microbilles sont de préférence réalisées en un alliage inoxydable, tel qu'un alliage de nickel et de chrome ou un acier inoxydable d'une dureté supérieure à la dureté du tube. La durée du traitement par martelage à l'ai- de des microbilles (ou microbillage) pourra etre comprise entre 10 secondes et 1 minute. L'intensité Almen résultant du traitement pourra être différente des intensités qui ont été données ci-dessus. Cette intensité devra cependant etre comprise, dans tous les cas, entre 0,5 et 5. De manière plus précise, dans le cas de tubes d'une épaisseur de 0,5 mm l'intensité pourra étre comprise entre 1 et 2 et, dans le cas de tubes d une épaisseur de 1 mm. entre 2 et 3. -Enfin, le procédé suivant l'invention peut s'appliquer dans le cas de tubes en acier inoxydable à paroi mince différents de gaines de crayons absorbants pour réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'amélioration de la résistance à l'usure de la surface extérieure d'un tube en acier inoxydable à paroi mince, caractérisé par le fait qu'on soumet, pendant une durée comprise entre 10 secondes et 1 minute, la surface extérieure du tube à un martelage par des particules métalliques dont la dureté est supérieure à la dureté de la paroi du tube,en suspension dans un courant de gaz, les particules de forme sensiblement sphériques ayant un diamètre compris entre 50 et 100 micromètres. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les particules sont constituées par des microbilles en un alliage inoxydable contenant du nickel et du chrome. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le martelage est effectué suivant des zones successives du tube dans la direction longitudinale. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'in tensité Almen du martelage par les particules métalliques est comprise entre 0,5 et 5. 5.- Utilisation d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour améliorer la résistance à l'usure de la surface extérieure d'une gaine en acier inoxydable d'un crayon absorbant pour réacteurs nucléaires à eau sous pression. 6.- Utilisation suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que la gaine a un diamètre extérieur sensiblement égal à 10 mm et une épaiseur de 0,5 mm, chacune des zones de la surface extérieure de la gaine étant soumise à un martelage pendant une durée de 45 secondes, avec une intensité Almen sensiblement égale à 1,5. T.- Utilisation suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que la gaine a un diamètre extérieur sensiblement égal à 10 mm et une -épaisseur de paroi sensiblement égale à 1 mm,- chacune des zones de la surface extérieure de cette gaine étant soumise à un martelage pendant une durée de 45 secondes. avec une intensité Almen sensiblement égale à 3.