Brevet FR2790589A1 — publié le 20000908

STRUCTURE DE PAROI POUR CONTENEUR AVEC BLINDAGE ANTI-POINCON DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine des conteneurs, et en particulier des conteneurs devant transporter des matériaux dangereux ou qui pourraient être qualifiés de " difficiles ". Il s'agit, en fait, des matériaux nucléaires, des matériaux chimiquement dangereux ou toxiques, ou des matériaux devant dégager une grande quantité de chaleur. Art antérieur et problème posé Les conteneurs classiquement définis pour le transport de matières radioactives, comme, par exemple, les assemblages fissiles retirés des réacteurs, sont constitués d'une enceinte, généralement cylindrique, dont la paroi est formée de plusieurs couches successives ayant des fonctions techniques distinctes. Cette enceinte cylindrique est obturée à une extrémité par un bouchon fixe et à l'autre extrémité par un bouchon mobile, servant à la mise en place ou au retrait du contenu. Pour être homologués, les conteneurs de transport de matériaux nucléaires sont soumis à diverses épreuves de qualification, telles que des chutes, des incendies, un poinçonnement. L'évolution des normes de qualification de ces conteneurs a pour conséquence pratique un surdimensionnement de certaines couches de la structure pour satisfaire, par exemple, à l'épreuve du poinçonnement, c'est-à-dire dite " du poinçon ". Cette conséquence conduit évidemment à l'augmentation de la masse du conteneur, ce qui constitue un handicap pour ce dernier. La résistance aux différentes sollicitations est prise en compte par la résistance de ces couches distinctes pour lesquelles interviennent plusieurs caractéristiques techniques, physiques qui sont les suivantes: la géométrie; - la masse des éléments utilisés; - les caractéristiques mécaniques des matériaux employés, par exemple, le module élastique, la limite élastique (en sollicitations statique et dynamique), la masse volumique; - les caractéristiques thermiques des matériaux utilisés, par exemple, la chaleur spécifique, la conductivité thermique, la masse volumique. Les couches ont une fonction spécifique vis-à-vis des efforts imposés à l'ensemble du conteneur et sont réalisées classiquement en acier. D'autres ont un rôle plus spécifique, comme, par exemple, l'absorption des rayonnements émis par le contenu ou la résistance à l'incendie. Une autre caractéristique commune à certains conteneurs est de permettre une bonne évacuation de l'énergie thermique émise par le contenu. Un type de réalisation connu consiste à prévoir, à travers une couche isolante, un grand nombre de tiges ou de lames disposées radialement, c'est-à-dire perpendiculairement aux couches successives, et caractérisées par une forte conductibilité thermique (acier, aluminium, cuivre,..). Concernant l'épreuve du poinçon, la spécificité de la sollicitation au poinçonnement provient du caractère localisé de l'agression du poinçon vis-à-vis de la paroi du conteneur. L'épreuve du poinçon est réalisée, suivant la masse du conteneur, par la chute d'un poinçon sur le conteneur immobile ou par la chute du conteneur sur un poinçon fixe, sans que cela change le mécanisme de l'agression de la paroi. Lorsque les masses mises en jeu augmentent, on dépasse le seuil de perforation de la paroi et en particulier des couches successives, qui ne sont pas nécessairement toutes conçues pour cette agression. Le dimensionnement de la (des) couche(s) résistante(s) vis-à-vis de la contrainte due à l'action de poinçonnement consiste actuellement à déterminer l'épaisseur et les caractéristiques mécaniques de l'acier qui conduisent à une non-perforation de cette(ces) couche(s), afin de conserver l'étanchéité et l'intégrité des couches internes suivantes. Le niveau élevé de la sollicitation du poinçon conduit à un surdimensionnement rédhibitoire de la(des) couche(s) destinée(s) à cette fonction. Ceci a pour conséquence une augmentation de la masse, qui augmente à son tour l'énergie cinétique du conteneur, ce qui peut conduire finalement à une impasse technique. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau type de structure de paroi pour les conteneurs, tels que décrits ci-dessus. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est une structure de conteneur avec blindage anti-poinçon, pour le transport de matériaux toxiques, radioactifs ou " difficiles ", comprenant cinq couches successives adjacentes qui sont: - une couche médiane rigide légèrement déformable perpendiculairement au plan de cette couche médiane; - une couche textile pour absorber les agressions mécaniques perpendiculaires à la couche; et une couche externe rigide dont la résistance mécanique n'est pas critique. Avec ces trois couches, cette structure peut être rapportée sur des conteneurs existants pour améliorer leur résistance à l'agression de poinçonnement. Dans le cadre d'une application aux conteneurs destinées à transporter ou contenir des matériaux nucléaires, elle se complète de couches supplémentaires qui sont: - une couche interne rigide à haute résistance mécanique; et - une couche déformable amortissant les chocs et plaquée contre la couche médiane. La structure se complète très avantageusement par des entretoises placées dans la couche textile, perpendiculairement à celle- ci, et solidarisant la couche externe et la couche médiane par une fixation définitive avec ces dernières, maintenant la couche textile en place et évacuant, si besoin est, l'énergie thermique dégagée par le contenant du conteneur. Dans sa réalisation préférentielle, la couche interne est en un matériau très bon conducteur de l'énergie thermique, dans le but d'évacuer la grande quantité de calories, éventuellement renfermées ou dégagées par le contenu du conteneur. Elle est de préférence en acier. Dans sa réalisation préférentielle, la couche déformable est épaisse, possède une grande capacité d'absorption d'énergie perpendiculairement à cette couche déformable, et est, éventuellement, bonne conductrice de la chaleur. Elle est réalisée de préférence en mousse syntactique, en béton poreux ou non compact, en argile poreuse, ou en bois. Dans sa réalisation préférentielle, la couche médiane est métallique. Dans une réalisation préférentielle, la couche en textile est de type textile sec et formée de plusieurs couches successives, constituées chacune en tresse ou en tissu ou en tricot ou en filet. Chaque couche possède une grande élasticité et une grande résistance spécifique dans le plan de la couche textile. Dans une autre réalisation préférentielle, la couche textile est une cotte de mailles métallique, constituée, de préférence, d'anneaux ronds, en acier inoxydable, entrelacés les uns dans les autres. De préférence, les différentes couches successives de la couche textile ne sont pas tendues. Dans sa réalisation préférentielle, la couche externe est métallique. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe, la structure selon l'invention, lors d'un essai de poinçonnement; - figures 2A et 2B, deux vues détaillées d'une première réalisation de la couche textile de la structure selon l'invention avant et après l'impact d'un poinçon; - figures 3A à 3D, des vues détaillées d'une deuxième réalisation de la couche textile de la structure selon l'invention pendant l'action d'un poinçon; et - figure 4, une troisième réalisation de la couche textile en cotte de mailles. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 1 montre donc, en coupe, la structure de paroi selon l'invention dans une application à un conteneur destiné à transporter ou stocker des matériaux nucléaires, lors d'une épreuve de poinçonnement. Un élément de la paroi est représenté horizontal, maintenu fixe sous un poinçon 7. Elle est constituée principalement de cinq couches dont l'empilement peut suivre la forme particulière de l'objet à protéger. La première couche est une couche interne à haute résistance mécanique 1, formée d'une épaisse tôle d'acier constituant la virole interne du conteneur. La deuxième couche 2 est constituée d'un matériau déformable en compression, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à celle des couches, c'est-à-dire parallèlement à la direction de déplacement vertical du poinçon 7. Ce matériau doit également avoir une qualité de déformation en compression pour pouvoir encaisser des éventuelles déformations des couches attaquées par le poinçon 7. Il et ainsi possible d'utiliser de la mousse syntactique, de l'argile poreuse, du béton non compact et d'autres matériaux possédant les mêmes qualités, comme le bois. Cette couche déformable 2 prend appui sur la couche interne 1. La troisième couche, référencée 3, est la couche médiane, adjacente à la couche déformable 2. C'est une couche de haute résistance mécanique qui assure une fonction importante dans la structure générale de maintien du conteneur. Elle constitue la peau interne de l'ensemble de la structure de la paroi qui est une structure en sandwich. De préférence, elle est métallique, mais peut éventuellement être en matériau composite. Elle doit être déformable dans la direction perpendiculaire à elle-même, c'est-à-dire parallèlement au déplacement du poinçon 7, pour accompagner la fin du mouvement du poinçon, lors du test de poinçonnement. La quatrième couche, référencée 4, est une couche textile. Plus exactement, elle est constituée d'une succession de plusieurs couches d'un textile, disposées parallèlement les unes aux autres. Le textile utilisé peut être un tissu, de la tresse, du filet ou du tricot. Ses qualités doivent être une grande élasticité initiale et la plus grande énergie de déformation permanente dans le plan du tissu exprimée en kJ/kg. Cette grande élasticité est prévue, non seulement pour accompagner dans sa course l'éclat 8 arraché à la couche externe 5, mais pour la ralentir et contribuer à son arrêt. A cet effet, les différents textiles qui peuvent être utilisés pour constituer cette couche textile 4 doivent être légèrement extensibles dans le plan du tissu. A cet effet, on peut jouer sur la nature de la fibre du matériau utilisé et sur la forme du tissage du textile. Sur la figure 1, on peut voir que plusieurs couches successives de textile sont écrasées ou abaissées par le poinçon 7. Les premières peuvent même être sectionnées éventuellement. Celles-ci qui sont sectionnées restent sous l'éclat 8 et contribuent, par leur résistance spécifique très élevée dans le plan du tissu, à ralentir ou stopper le poinçon 7. Les différentes couches successives de la couche de textile 4 sont maintenues en place grâce à des entretoises 6 placées perpendiculaires à ces différentes couches et reliant la couche médiane 3 à une couche externe 5 par des fixations définitives, telles que des soudures. La figure 2A montre une des couches successives d'une réalisation en filet de la couche textile maintenue en place par une rangée d'entretoises 6. On s'aperçoit que des brins transversaux 41 ne sont pas tendus, de même que des brins longitudinaux 42. Ceci est dû au fait que le textile doit épouser, par ses différents brins transversaux 41 et longitudinaux 42, la forme et l'emplacement des entretoises 6. Chaque couche successive de la couche textile 4 est donc simplement posée autour des entretoises 6, de façon non tendue, sans contraintes. La figure 2B permet de voir le comportement de la même couche de tissu après l'impact du poinçon. On constate que certains brins transversaux 41 sont rompus, notamment sur la droite, près de l'impact du poinçon, o l'étirement de chaque brin est maximal. Certains brins longitudinaux 42 peuvent également être rompus à cet endroit. Le maillage ou le tissage de la couche de textile étant souple, peut donc s'adapter à l'étirement général de la couche vers l'impact du poinçon, tout en étant maintenu grâce aux entretoises 6. On comprend ainsi que la déformation élastique, puis plastique de chaque couche successive de la couche de textile 4 dans son plan peut être exploitée pour amortir et éventuellement arrêter le poinçon dans sa course. Les figures 3A à 3B montrent l'évolution d'un brin 43 longitudinal de tissu dans une autre réalisation de la couche textile, lors de l'intervention d'un poinçon. Ce dernier agit sur le textile à droite de la figure. Ceci a pour conséquence que l'un des fils recevant le poinçon, ou à proximité de celui-ci, est étiré vers la droite et que son épaisseur à tendance à se réduire. Les figures 3C et 3D montrent la fin de cette évolution du brin longitudinal 43, c'est-à-dire son amincissement et sa tendance à s'appliquer contre les entretoises successives 6. Dans sa phase terminale, c'est-à-dire sur la figure 3D, le brin 43 est complètement tendu. L'élasticité, puis la capacité de déformation plastique de chaque brin longitudinal 43 sont ainsi exploitées au maximum. Il est également prévu d'utiliser un textile métallique, en acier inoxydable ou non, utilisé seul ou en association avec un textile en fibre organique. Il est également possible de jouer sur les différentes armures des textiles choisis pour constituer cette couche textile 4 (tissage, filet, etc.). Un exemple de réalisation métallique de la couche textile est représenté par la figure 4. En fait, il est très intéressant d'utiliser une structure de type en cotte de mailles. Dans le cas présent, elle est constituée d'un grand nombre d'anneaux ronds 45 en acier inoxydable. Chaque anneau a un diamètre d'environ 4 à 6 mm et est constitué d'un tronçon de fil d'acier inoxydable d'un diamètre d'environ 0,5 à 1 mm refermé par une soudure 46. Chaque anneau 45 est entrelacé avec plusieurs anneaux adjacents pour constituer la cotte. Une telle structure peut être constituée par un produit référencé BCM 0430 ou CMB 0738 et commercialisé par MANULATEX, fabricant de tabliers et gants de protection. L'acier inoxydable utilisé est le AISI 316 L. On comprend que les entretoises 6, retenant les différentes couches successives de la couche de textile 4 permettent de disposer d'une énergie supérieure à celle de différentes couches successives empilées sans entretoises. De plus, en fixant chaque maille du tissage par les entretoises 6, on contrôle la déformation transversale de chaque couche successive de la couche de textile 4 et on utilise au maximum l'énergie de déformation de ce textile. Une autre fonction importante des entretoises 6 est d'évacuer l'énergie thermique dégagée par le contenant, lorsque celui-ci est constitué, par exemple, par des déchets nucléaires. A cet effet, ils sont en acier, en cuivre ou en un autre matériau très bon conducteur de la chaleur. La dernière couche, à savoir la couche externe 5, se présente sous la forme d'une tôle d'acier ou éventuellement d'un matériau composite. Cette couche externe 5 réceptionne la première le poinçon 7, et est donc consacrée à être sacrifiée, lors de l'impact du poinçon 7. L'effet d'emporte-pièce est plus ou moins prononcé selon la réponse élastoplastique de la matière constitutive de cette couche externe 5. On précise que cette dernière peut également constituer la surface visible du conteneur. La constitution particulière des différentes couches et notamment de la couche textile 4 permet de faire travailler ces couches de façon non localisée, mais au contraire sur une plus grande surface possible, sans rupture complète de l'ensemble de la structure de paroi. En effet, la contrainte perpendiculaire à la paroi constituée par l'impact du poinçon 7 est transformée en contrainte tangentielle, c'est-à-dire parallèle aux couches successives, notamment dans la couche textile 4. De plus, la déformation transversale de l'ensemble de la paroi est accompagnée d'une quantité d'absorption d'énergie mécanique maximale. Bien que la déformation de la zone impactée soit différente, le principe de fonctionnement exposé demeure valable lorsque le poiçon agresse la paroi sous un angle différent de la normale. Cette description se rapporte à une structure de paroi avec une couche interne et une couche déformable pour une application particulière. Il est envisagé de ne pas utiliser ces deux couches pour d'autres applications. Il est ainsi possible d'équiper des conteneurs existants, afin d'améliorer spécifiquement la résistance à l'agression de poinçonnement. REVENDICATIONS 1. Structure de paroi de conteneur avec blindage anti-poinçon, pour le transport de matériaux difficiles, toxiques, dangereux ou radioactifs, comprenant plusieurs couches successives adjacentes, qui sont respectivement: - une couche médiane (3) rigide ou légèrement déformable perpendiculairement au plan de cette couche médiane (3); - une couche textile (4) pour absorber les agressions perpendiculaires à cette couche textile (4); et - une couche externe (5) rigide dont la résistance mécanique n'est pas critique. 2. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux autres couches qui sont successivement: - une couche interne (1) rigide à haute résistance mécanique; et - une couche déformable (2) amortissant les chocs perpendiculaires au plan de cette couche déformable (2) et plaquée contre la couche médiane (2). 3. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des entretoises (6) placées dans la couche textile (4), perpendiculairement à celle-ci et solidarisant la couche externe (5) à la couche médiane (3) par une fixation définitive avec celles-ci, pour maintenir en position la couche textile (4) et évacuer, si besoin est, l'énergie thermique dégagée par le contenant du conteneur. 4. Structure de paroi selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche interne (1) est en un matériau bon conducteur thermique. 5. Structure de paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que la couche interne (1) est en acier. 6. Structure de paroi selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche déformable (2) est épaisse, de grande capacité d'absorption d'énergie, et éventuellement bonne conductrice thermique. 7. Structure de paroi selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche déformable (2) est en un matériau compris dans le groupe comprenant les mousses syntactiques, les bétons poreux ou non compacts, les argiles poreuses, les bois. 8. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche médiane (3) est métallique. 9. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche textile (4) est de type " textile sec ", composée de plusieurs couches successives en un matériau compris dans le groupe des tresses, tissus, tricots, filets et possédant une grande élasticité et une grande résistance spécifique dans le plan de la couche textile (4). 10. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche textile (4) est une cotte de mailles métallique. 11. Structure de paroi selon la revendication 10, caractérisée en ce que la cotte de mailles métallique est composée d'anneaux ronds (45) en acier inoxydable, entrelacés les uns dans les autres. 12. Structure de paroi selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que les couches successives de la couche textile (4) ne sont pas tendues. 13. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche externe (5) est métallique. 14. Structure de paroi selon la revendication 1, destinée à être rapportée sur un conteneur existant pour en améliorer la résistance à l'agression de poinçonnement.