Brevet FR2781771A1 — publié le 20000204

La présente invention concerne un procédé de calage d'un élément cylindrique tubulaire dans un logement métallique cylindrique, concentrique audit élément tubulaire ainsi qu'un procédé permettant d'extraire ledit élément tubulaire de son logement cylindrique dans lequel il est maintenu par ledit calage. Selon son premier aspect, la présente invention se propose de réaliser le calage physique d'un élément cylindrique tubulaire en matériau composite carbone-époxy, obtenu par enroulement filamentaire de fibres de carbone, désigné ci-après fourreau, dans un logement cylindrique, concentrique audit fourreau et qui est constitué d'un tube métallique, notamment en acier, dénommé ci-après tube- acier, extérieur audit fourreau, ce calage étant réalisé de façon à obtenir un élément indissociable. La présente invention s'applique plus particulièrement aux tubes lance missiles mis en oeuvre dans les sous-marins nucléaires lanceurs d'engins. Dans de telles applications, le missile est logé dans un fourreau supportant différents matériels nécessaires à sa protection pendant les phases de stockage et à son éjection pendant le lancement, ce fourreau étant logé dans un tube en acier qui a été préalablement intégré à la structure métallique du sous- marin. Dans cette application, le problème à résoudre réside dans le calage du fourreau en matériau composite dans le tube en acier, ce calage devant s'effectuer postérieurement à la mise en place du fourreau dans ledit tube. Ce calage doit être réalisé par un système ou un matériau dit à appui continu, présentant une faible épaisseur (de l'ordre du centimètre) et il doit pouvoir être extrait de l'espace séparant les deux tubes afin de pouvoir désolidariser le fourreau du tube acier externe, ce qui complique encore le problème à résoudre. La présente invention résout le problème mentionné ci- dessus en apportant un procédé de calage qui est caractérisé en ce qu'il consiste à injecter, à l'état liquide, dans l'espace compris entre l'élément cylindrique interne en matériau composite, ou fourreau, et son logement métallique cylindrique, ou tube acier, un matériau à changement de phase solide/liquide, réversible, activé par la température, constitué d'une paraffine choisie dans la gamme des paraffines présentant une température de fusion située entre 45 et 60 C environ, dans laquelle sont dissous des granulés de polyéthylène, ledit matériau de calage en se refroidissant se solidifie à la température ambiante, maintenant ainsi ledit élément tubulaire interne ou fourreau dans son logement cylindrique ou tube acier. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, le matériau de calage doit pouvoir être remis à l'état liquide, afin de permettre l'extraction du fourreau en matériau composite, du tube en acier, ce qui implique un chauffage du matériau de calage. Selon son deuxième aspect, la présente invention apporte un procédé assurant la désolidarisation du fourreau en matériau composite carbone-époxy, du tube en acier dans lequel il est logé, afin de permettre l'extraction dudit fourreau caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer ledit fourreau en matériau composite par passage d'un courant électrique dans les fibres de carbone constituant la structure dudit fourreau, en utilisant ainsi les propriétés de résistivité du fourreau, amenant ainsi le matériau de calage à sa température de fusion, le passage dudit matériau à sa phase liquide permettant le démontage du fourreau et son extraction du tube acier. Selon la présente invention, le procédé de chauffage défini ci-dessus peut être mis en oeuvre pour faciliter l'injection du matériau de calage. A cet effet, avant l'injection dudit matériau de calage, on effectue un réchauffage du fourreau composite par passage d'un courant électrique dans les fibres de carbone constituant la structure dudit fourreau, en utilisant les propriétés de résistivité dudit fourreau, afin d'obtenir une meilleure répartition du matériau de calage entre ledit fourreau et le tube acier. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en illustrent des exemples de mise en oeuvre dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale verticale d'un ensemble fourreau en matériau composite-tube acier lors de la mise en oeuvre du procédé d'injection du matériau de calage et, - la figure 2 est une vue schématique similaire à la figure 1, représentant l'ensemble fourreau-tube acier lors de la mise en oeuvre du procédé assurant l'extraction du fourreau du tube dans lequel il est logé, par chauffage du matériau de calage. Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique, le fourreau 10 en place dans son tube concentrique en acier 12 avec interposition de joints d'étanchéité tels que 22, 22', cet ensemble fourreau 10, tube acier 12 devant être rendu indissociable par mise en oeuvre d'un matériau de calage, effectuée postérieurement à la mise en place du fourreau 10, le tube acier 12 ayant été préalablement intégré à une structure métallique, par exemple la coque d'un sous-marin lorsque l'invention est appliquée à la réalisation de tubes lance-missiles intégrés dans des sous- marins lanceurs d'engins. Comme on le comprend, la présente invention repose principalement sur le choix de ce matériau de calage qui est injecté, à l'état liquide, entre le fourreau 10 en matériau composite carbone-époxy et son logement cylindrique concentrique ou tube acier 12. Comme on l'a précisé ci-dessus, ce matériau, à appui continu présente une épaisseur moyenne de l'ordre du centimètre. Il doit remplir les fonctions ci- après: - Constituer un appui simple entre le fourreau 10 et le tube acier 12 sans qu'il soit nécessaire de prévoir une adhérence entre ce matériau d'une part et le fourreau et le tube acier d'autre part, - résister aux différents cas de charge transmis par le tube acier 12 (notamment vibrations, déformations imposées du type flèche et ovalisation statique et dynamique). Ce matériau doit répondre en outre aux contraintes ci- après: - une température de fusion située dans une gamme de à 100 C environ; - une faible viscosité à l'état liquide afin de permettre son injection entre le fourreau 10 et le tube acier 12 et son extraction à la pression atmosphérique et, - une faible densité. Compte tenu de ces exigences, la présente titulaire a découvert que parmi les différentes familles de matériaux à changements de phase réversible (solide-liquide) pouvant être envisagés, les huiles minérales, du type paraffine présentaient le meilleur compromis. En outre, dans la gamme des paraffines envisagées, la titulaire a identifié plusieurs nuances qui, pour l'application visée, se différencient principalement par la température de fusion: cette température se situant entre 45 et 60 C environ. Par ailleurs, la présente titulaire a découvert que les propriétés mécaniques de ces nuances de paraffine et en particulier leur tenue au fluage (c'est-à-dire leur capacité à s'écouler dans l'espace compris entre le fourreau 10 et le tube acier 12 en cas de sollicitations statiques imposées) pouvaient cependant être améliorées. Dans ce but, l'une des propriétés caractéristiques de la paraffine a été utilisée: il s'agit de sa capacité à dissoudre certains polymères et plus particulièrement les polymères thermoplastiques de type polyethylène. Ces polymères présentent des propriétés mécaniques élevées mais nécessitent pour être mis en oeuvre, des conditions de températures et de pression qui sont incompatibles avec l'application visée. Toutefois, la titulaire a découvert qu'il était possible de mettre en oeuvre ces polymères par dissolution de granulés de polyéthylène dans la paraffine en fusion, ce qui permet d'obtenir un mélange injectable, c'est-à-dire présentant une faible viscosité et une faible température de fusion, ce qui résout le problème posé. Après refroidissement, le mélange paraffine- polyéthylène durcit et présente les caractéristiques mécaniques assurant le calage. Pour effectuer l'extraction du fourreau composite 10 du tube acier 12, il suffit de réchauffer, comme on le décrira ci-après, le matériau, qui repasse ainsi à l'état liquide, avec une faible viscosité permettant son évacuation par écoulement par simple gravité. Ainsi, l'invention apporte un matériau de calage qui associe les deux propriétés suivantes (réglables par une simple loi des mélanges): - Propriétés mécaniques conférées par le polyethylène. - Bas point de fusion et faible viscosité donnés par la paraffine. Les essais auxquels s'est livrée la présente titulaire ont confirmé la capacité du matériau de calage tel que défini ci-dessus à résoudre le problème posé. La figure 1 du dessin annexé illustre de façon très schématique un mode de mise en oeuvre du procédé d'injection du matériau de calage entre le fourreau 10 en matériau composite et le tube extérieur concentrique 12 en acier. L'injection du matériau de calage, présentant la composition mentionnée ci-dessus s'effectue, dans cet exemple de mise en oeuvre par coulée en source à la pression atmosphérique, à partir du bas du tube 10 vers le haut de ce tube. Dans ce but, on prévoit un réservoir (non représenté sur le dessin) placé à l'extérieur et en partie supérieure, au dessus des tubes 10 et 12 contenant le mélange paraffine-polyéthylène, ce réservoir étant muni de moyens de chauffage et alimentant une tête de répartition 14 par l'intermédiaire de tuyaux d'alimentation 16. La tête de répartition 14, réalisée de manière connue en soit, est positionnée à l'intérieur du fourreau 10 et elle est reliée à différents points d'injection 18 prévus à la partie inférieure du fourreau 10. On prévoit en outre, en partie supérieure du fourreau 10, des trous d'évent tels que 20 afin d'assurer, lors de l'injection du matériau de calage, l'évacuation de l'air contenu dans l'espace interposé entre le tube 12 et le fourreau 10. La figure 2 illustre de façon également très schématique un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention permettant de désolidariser les tubes 10 et 12 afin d'assurer l'extraction du fourreau composite 10. Cette désolidarisation s'effectue selon l'invention par remise à l'état liquide du matériau de calage. Ce changement de phase de ce matériau nécessite son chauffage. Diverses solutions ont été envisagées dans ce but. La première consiste à chauffer le tube acier 12. Cependant, ce tube, soudé à une structure métallique complexe de grande dimension et de masse importante interdit l'apport d'énergie calorifique nécessaire à la montée en température du tube (difficulté de mise en place des sources chauffantes, puissances à mettre en oeuvre très importantes, environnement contraignant). La seconde solution envisageable réside dans le chauffage du produit de calage. Cette solution a été également écartée étant donné que le produit de calage, après injection, n'est pas ou peu accessible et il est donc impensable de réaliser une fusion à coeur de ce produit sauf à utiliser des éléments chauffants intégrés en son sein ou à l'interface acier, ce qui pose des problèmes difficilement surmontables. Une autre solution pourrait consister en un chauffage du fourreau composite 10 à l'aide d'éléments chauffants. Cependant, cette solution a été écartée pour les motifs suivants: d'une part, la partie interne du fourreau ne laisse pas une surface suffisante pour obtenir l'échange calorifique souhaité et, d'autre part, sa partie externe qui possède une surface suffisante pour l'échange calorifique souhaité est inaccessible après l'injection du produit de calage. Par ailleurs, la pose d'éléments chauffants sur cette partie externe entraîne des problèmes techniques pratiquement insurmontables en raison de l'inaccessibilité pour réparation ou entretien de tels éléments. Ayant écarté les solutions mentionnées ci-dessus, la présente titulaire a découvert que la seule solution possible était de mettre en oeuvre un procédé de chauffage par effet Joule en utilisant les propriétés de résistivité des fibres de carbone constituant la structure du fourreau en matériau composite. En effet, l'analyse de la structure constituant ce fourreau a conduit aux constatations suivantes: - le carbone est relativement bon conducteur de l'électricité; - les fibres le constituant se présentent comme des nappes de conducteurs, ces fibres étant isolées entre elles par les couches de résines époxy; - le pouvoir calorifique du carbone est suffisamment bon pour obtenir la fusion du produit de calage et, - la faible résistivité des fibres de carbone (0,012 L. cm2. cm) impose un fort courant d'alimentation (quelques K.A) mais une faible tension aux extrémités du tube 10 (quelques Volts), ce qui est favorable aux contraintes de sécurité d'exploitation. Pour ces motifs, l'invention utilise la conductivité de la matière (carbone époxy) constituant le fourreau composite 10 afin d'obtenir la fusion du matériau de calage et la désolidarisation du fourreau 10 du tube acier 12, ce fourreau constituant ainsi une résistance chauffante. La figure 2 représente de façon très schématique un exemple de réalisation des moyens pouvant être mis en oeuvre selon l'invention pour assurer l'extraction du fourreau 10. Dans cet exemple de réalisation qui ne présente naturellement aucun caractère limitatif, le chauffage du fourreau 10 est réalisé à l'aide d'électrodes annulaires 24, 24', positionnées respectivement à la partie supérieure et à la partie inférieure du fourreau composite , ces électrodes étant mises sous tension à l'aide d'un générateur (non représenté), fournissant par exemple une puissance de l'ordre de 70 à 80 kW sous une tension de l'ordre de 50 Volts. On dispose à la partie inférieure du fourreau composite 10, une bâche 26 dans laquelle est recueillie la paraffine fondue s'écoulant au-travers des trous 18 ayant servis à son injection. Les essais de résistivité auxquels s'est livrée la titulaire ont permis de déterminer que le sens d'alimentation en courant des fibres le plus approprié pour répondre aux critères définis précédemment, était le sens longitudinal, ce qui implique pour la réalisation du fourreau composite 10: - la réalisation des contacts de connexion au fourreau en bout de fibres; - la réalisation de connexions de distribution électrique de faible résistance et, - l'utilisation d'un générateur continu de faible tension et de forte intensité. Les essais ont montré que la désolidarisation des deux tubes 10 et 12 était possible au bout d'environ 6 à 7 heures. A l'expiration de ce délai, il a été possible de récupérer 98% de la paraffine, la température de fusion de cette dernière étant de 60 C. Selon la présente invention, on peut envisager d'autres applications du chauffage intégré du fourreau 10 en matériau composite, par exemple: - le préchauffage du fourreau 10 lors de l'injection du produit de calage, ce qui permet d'obtenir une meilleure répartition de ce dernier et, - le maintien en température des différents composants ou appareillages dont le fourreau 10 peut être pourvu, en utilisant de faibles puissances d'alimentation (de l'ordre de quelques kW pour une température de 20 C environ). Bien entendu, cette énumération n'est pas limitative. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes entrant dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 - Procédé de calage d'un élément cylindrique tubulaire en matériau composite carbone-époxy, obtenu par enroulement filamentaire de fibres de carbone, désigné ci- après fourreau dans un logement cylindrique, concentrique audit fourreau et qui est constitué d'un tube métallique, notamment en acier dénommé ci-après tube acier, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter, à l'état liquide, dans l'espace compris entre ledit fourreau composite (10) et ledit tube acier (12), un matériau à changement de phase solide/liquide, réversible, activé par la température, constitué d'une paraffine choisie dans la gamme des paraffines présentant une température de fusion située entre 45 et 60 C environ, dans laquelle sont dissous des granulés de polyéthylène, ledit matériau de calage en se refroidissant se solidifie à la température ambiante, maintenant ainsi ledit élément tubulaire interne (10) dans son logement cylindrique (12). 2 - Procédé assurant la désolidarisation du fourreau (10) en matériau composite carbone-époxy, du tube en acier (12) dans lequel il est logé et maintenu par le matériau de calage mis en oeuvre selon le procédé objet de la revendication 1, afin de permettre l'extraction dudit fourreau caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer ledit fourreau en matériau composite par passage d'un courant électrique dans les fibres de carbone constituant la structure dudit fourreau, en utilisant les propriétés de résistivité du fourreau, amenant ainsi le matériau de calage à sa température de fusion, le passage dudit matériau à sa phase liquide permettant le démontage du fourreau et son extraction du tube acier. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, avant l'injection dudit matériau de calage, on effectue un réchauffage du fourreau composite (10) par passage d'un courant électrique dans les fibres de carbone constituant la structure dudit fourreau, en utilisant les propriétés de résistivité dudit fourreau, afin d'obtenir 2781771 1o une meilleure répartition du matériau de calage entre ledit fourreau (10) et le tube acier (12). 4 - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le sens d'alimentation en courant des fibres du fourreau composite (10) est le sens longitudinal. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le chauffage est obtenu à l'aide d'un générateur en courant continu fournissant une puissance de l'ordre de 70 à 80 kW sous une tension de l'ordre de 50 Volts. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le fourreau (10) est pourvu d'électrodes annulaires (24, 24') disposées respectivement en parties supérieure et inférieure dudit fourreau, ces électrodes étant connectées au générateur d'alimentation.