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JOINT DE DILATATION DESTINÉ
AUX CENTRALES ÉLECTRIQUES À CYCLE COMBINÉ OBJET DE L'INVENTION
L'invention porte sur des perfectionnements portés aux joints de dilatation souples destinés principalement à des centrales électriques dites à cycle combiné et plus précisément sur des compensateurs de dilatation améliorés pour de tels joints de dilatation et à la constitution de tels joints.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIOUE
Les centrales électriques dites à cycle combiné sont constituées d'une turbine à gaz entraînant un alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie générant de la vapeur, et d'une turbine à vapeur entraînant également un alternateur. Dans certains cas, un seul alternateur est entraîné aussi bien par la turbine à vapeur que par la turbine à gaz.
Les chaudières récupèrent l'énergie contenue dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz lesquels sont essentiellement caractérisés par : n grand volume et une température élevée.
Un cycle combiné se caractérise par une,'Ilution très réduite, un rendement très élevé, et une grande vitesse de démarrage.
Un by-pass fumée est souvent installé sur le chemin des gaz d'échappement de la turbine à gaz, avant la chaudière et permet de diriger les gaz chauds soit directement vers l'atmosphère mettant ainsi la chaudière
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hors circuit, soit vers la chaudière, et ce par l'intermédiaire d'un registre (diverter) de déviation des fumées.
Les différentes parties constitutives fixes sont reliées entre-elles par des conduits généralement de grandes dimensions et qui sont appelés à résister à la température et à la pression des gaz, ainsi qu'aux chocs thermiques provoqués par les variations parfois très rapides de la température de ces gaz.
Généralement, les gaines des conduits et les enveloppes de chaudière sont constituées de membranes métalliques étanches aux gaz et convenablement raidies pour résister à leur pression.
Le métal, étant en contact direct avec les gaz chauds, est choisi en fonction de la température de ceuxci, et peut ainsi aller d'un simple acier carbone à un acier inoxydable.
Les gaines sont recouvertes de matériaux isolants thermiques, évitant les déperditions calorifiques et assurant la sécurité du personnel. On parle ici de gaines à isolation externe.
Dans certains cas cependant, la gaine est en acier carbone et l'isolant thermique est placé à l'intérieur, protégé de l'érosion et des turbulences des gaz par une fine tôle d'acier inoxydable.
Toutes ces gaines et enveloppes de grandes dimensions étant ainsi soumises à la température des gaz, se dilatent, tant en longueur qu'en section. Les différentes parties constitutives du système reposent sur certains points fixes évidemment nécessaires et il faut dès lors compenser les variations géométriques dues aux dilatations à l'aide de joints de dilatation qui sont intercalés entre les différents tronçons de gaines et enveloppes : les joints compensent les mouvements relatifs de ces gaines en se déformant de façon réversible.
En cas de transition entre une gaine isolée
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extérieurement en une gaine isolée intérieurement, le joint de dilatation permet le raccordement de ces gaines en absorbant la dilatation métallique différentielle dues aux différences de température de ces parties métalliques de deux types de gaine.
Divers types de joints existent actuellement sur le marché. On distingue : les joints métalliques qui sont des soufflets métalliques à une ou plusieurs ondes pouvant se déformer axialement.
Ce type de joints résiste assez mal aux chocs thermiques et de ce fait, est rarement utilisé. De plus, il ne permet que des mouvements en sens axial à l'exclusion de tout mouvement transversal. les joints souples qui sont constitués de bandes souples en matières textiles et plastiques montées entre deux brides.
Ces bandes souples utilisées permettent les mouvements axiaux et transversaux tout en assurant l'étanchéité aux gaz.
Les matières ne résistent malheureusement pas aux hautes températures et pour remédier à cet inconvénient les bandes souples sont arrangées en multicouches : les premières couches résistent aux hautes températures mais ne sont pas étanches aux gaz ; elles forment l'isolation thermique de l'avant-dernière couche qui assure, elle, l'étanchéité aux gaz.
La dernière couche est également étanche aux gaz mais est principalement destinée à protéger mécaniquement les autres couches des agressions extérieures et d'assurer la tenue mécanique du joint à la pression.
Les brides sur lesquelles la bande souple est boulonnée sont installées généralement perpendiculairement aux parois métalliques de la gaine de façon à sortir de l'isolation thermique.
En dessous de la bande souple, un matelas isolant
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est également prévu, évitant à la bande souple d'être soumise à la pleine température des gaz.
En cas de déplacements importants de deux tronçons de gaine, un joint double peut être installé, comportant deux joints de dilatation en série et un cadre central maintenu à une équidistance des deux gaines par un système de pantographe.
Dans beaucoup de centrales à cycle combiné de par le monde, de nombreux problèmes sont constatés avec les joints de dilatation souples, tels qu'ils existent.
Ces problèmes sont essentiellement de deux ordres :
Dans le cas d'une isolation thermique complète des brides, celles-ci chauffent par conduction de l'intérieur vers l'extérieur, y compris à la connexion boulonnée de la bande souple.
Celle-ci chauffe exagérément et les bandes souples qui vieillissent très rapidement brûlent et le joint n'assure plus sa fonction de liaison et d'étanchéité.
Dans le cas d'une isolation thermique partielle des brides, l'extérieur de celles-ci se refroidit, alors que l'intérieur reste à très haute température.
La bande souple du joint résiste parfaitement mais les brides métalliques sont alors soumises à des contraintes thermiques très élevées et fissurent.
L'étanchéité se dégrade et de plus, les fuites de gaz chauds lèchent la couche supérieure de la bande souple ; celle-ci chauffe exagérément et brûle finalement.
De plus, certaines vapeurs acides contenues dans les fuites de gaz peuvent également se condenser sur la couche extérieure de la bande souple et la dégrader chimiquement, ce qui oblige à sélectionner des matériaux de couche extérieure résistant aux acides.
La bonne tenue d'un joint de dilatation est donc conditionnée par l'équilibre précaire entre différents
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niveaux d'importance de l'isolation thermique et des brides métalliques.
BUTS DE L'INVENTION
L'invention vise à porter remède aux difficultés rencontrées jusqu'à présent. Elle vise en particulier à fournir un joint de dilatation qui, par un choix de ses caractéristiques de conception, permet d'accroître sensiblement la durée de vie des joints de dilatation en service dans des centrales dites à cycle combiné.
ÉLÉMENTS CARACTÉRISTIOUES DE L'INVENTION
Le concept inventif sur lequel repose l'invention réside dans le fait que l'intégralité des brides du joint est maintenue à haute température.
Pour cette raison, aucune contrainte thermique due à une différence de température n'est induite dans les brides.
Du fait cependant que la bande souple ou compensateur est boulonnée sur ces brides chaudes, les contraintes thermiques auxquelles la bande est soumise rendent nécessaire une adaptation de celle-ci.
On s'est aperçu que la bande pouvait être rendue apte à résister à ces contraintes à condition qu'au moins une couche de la bande soit constituée d'une matière capable de résister aux hautes températures. La bande comportera également une couche et de préférence deux couches en matière plastique formant les couches d'étanchéité comme pour un joint classique.
Afin de maintenir les couches d'étanchéité à une température suffisamment basse, il est prévu un élément diffuseur de chaleur ou radiateur est installé entre la clame boulons de serrage de la bande sur les brides et la couche extérieure de cette dernière. La dernière couche de la bande souple voit donc sa température maintenue par le diffuseur de chaleur à une valeur suffisamment basse grâce à la conduction de celui-ci, assurant une durée de vie nettement supérieure aux solutions de l'état de la
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technique.
La matière du diffuseur de chaleur est sélectionnée en fonction de sa conductivité thermique et de sa capacité à évacuer les calories (aluminium, cuivre).
Ses dimensions, épaisseurs et surfaces d'échange avec l'air atmosphérique, ainsi que ses formes sont judicieusement choisies en fonction de la température des gaz et de la température à maintenir sur la dernière couche de la bande souple.
Le passage des boulons de serrage au travers du diffuseur de chaleur comporte une bague isolante (manchon) afin d'éviter que le radiateur ne soit chauffé directement par conduction via les boulons.
De même, l'écrou du boulon est appuyé sur le diffuseur de chaleur via une couche isolante, pour la même raison.
La bande souple comporte éventuellement une première couche en feuille métallique (acier inoxydable, hastelloy, inconel...) réduisant les fuites de gaz éventuelles au travers de la bande souple comprimée sur les brides.
Un matelas isolant peut être éventuellement prévu sous la bande souple. Sa fonction est de remplir la cavité formée et ainsi d'amortir la turbulence des gaz en évitant la vibration et donc l'usure prématurée de la bande souple.
Il évite également la transmission de bruits de l'intérieur vers l'extérieur du joint, mais n'a aucun rôle d'isolant thermique fiable.
Bien entendu, diverses combinaisons de matières pour les couches sont possibles. Il est évident également que les couches dites d'étanchéité ne sont pas en contact direct avec les parties les plus chaudes mais qu'au contraire, elles sont séparées de celles-ci par une matière isolante résistant aux hautes températures.
Il est particulièrement inattendu qu'un concept aussi simple permette de porter remède aux principales
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difficultés rencontrées jusqu'à présent dans les centrales du type mentionné. En fait, les points faibles dans ces centrales, et le problème deviendra de plus en plus aigu à mesure que les puissances et ainsi les températures en service s'accroîtront, proviennent des difficultés à maîtriser l'usure anormalement rapide des joints.
L'invention permet une économie considérable à ce niveau.
Le choix des matières possibles en fonction des desiderata sera illustré à l'aide des exemples qui suivent destinés à illustrer l'invention sans caractère limitatif.
L'invention sera également décrite en regard de formes d'exécution préférées en référence aux dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Dans les dessins : la Fig. 1 représente une vue schématique d'une partie d'installation de centrale électrique à cycle combiné montrant les points fixes d'appui et mettant en évidence les nécessités de créer des joints d'expansion.
Il convient de noter que ce type de joint peut atteindre des dimensions de l'ordre de 20 m de côte ; la Fig. 2 représente une vue de détail en coupe selon A-A de la Fig. 1 au niveau d'un joint d'expansion illustrant le concept inventif de l'invention ;
La Fig. 3 est une vue en coupe d'un boulon de serrage et de son isolation.
La Fig. 4 est une vue en coupe des différentes couches pouvant constituer, selon une forme d'exécution possible, une bande souple de joint selon l'invention.
Des repères de références identiques sont utilisés pour des éléments identiques ou similaires dans les figures.
Dans la figure 1 on a représenté un schéma d'une
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installation d'une centrale électrique à cycle combiné. Les points fixes sont identifiés par le symbole"X", les
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joints d'expansion par C ou D et les points d'appui simples (glissants) par une flèche.
Une turbine à gaz 1, grâce à un registre (diverter) 2, permet la circulation des gaz soit vers un "by-pass"3, soit, par un coude 4, vers un générateur de vapeur 5.
Dans la figure 2 un tronçon 11 d'un conduit est relié au tronçon suivant par un joint de dilatation. Les tronçons sont isolés de manière classique par une couche d'isolant 15 enveloppant extérieurement le conduit et maintenu en place par tout moyen approprié.
La paroi des conduits 11 est conformée à chaque extrémité de façon à former une bride portant le repère général 17. Plusieurs formes ou configurations sont possibles.
Dans le cas particulier représenté, on souhaite permettre des déplacements relatifs aussi bien dans un sens longitudinal que transversal et la bride 17 (de manière classique) est formée en une branche 17a pratiquement perpendiculaire à la paroi du conduit, un plat 17b, une branche 17c et un plat d'extrémité 17d sensiblement dans l'alignement de la paroi du conduit 11.
Les deux plats de chaque extrémité de deux tronçons reliés par le joint du conduit 11 se recouvrent sur une portée suffisante pour accepter les dilatations thermiques et autres en service.
Une cuvette ou saignée périphérique 21 est ainsi créée. Cette cuvette peut si l'on souhaite être remplie d'un matelas isolant 22 dont la fonction sert essentiellement d'amortir la turbulence des gaz en évitant la vibration et donc l'usure prématurée de la bande souple 23.
L'étanchéité aux gaz chauds est réalisée par une bande souple (déformable) 23 constituée de plusieurs couches ou membranes maintenues sur les plats 17b par une connexion boulonnée portant le repère général 25.
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La caractéristique essentielle de l'invention réside dans le fait que dans cette conception, la bride 17 dans son intégralité est soumise au contact des gaz chauds et qu'aucune différence de température notable n'y est induite, ce qui limite fortement les contraintes thermiques auxquelles elle est soumise et donc les phénomènes de fissuration et autres portant atteinte à sa durée de vie.
Dans ces conditions, le choix des matières constitutives des différentes couches constituant la bande souple 23 doit être adaptée aux conditions d'exploitation et la présence d'un élément diffuseur de chaleur (radiateur) représenté dans les figures 2 et 3 sous forme d'une ailette 27 en contact direct avec la bande 23 est souhaitable.
L'élément diffuseur peut bien entendu assumer une forme et des dimensions différentes de celles de l'ailette représentée. Diverses matières bonnes conductrices de la chaleur peuvent être choisies (aluminium ou cuivre par exemple).
Pour éviter que cet élément diffuseur de chaleur ne soit chauffé directement par conduction par le boulon 25, celui-ci est isolé.
Dans la Fig. 3, le boulon 25 est constitué par une vis ou goujon 31 solidaire du plat 17b (plusieurs boulons sont bien entendu disposés sur toute la périphérie du plat 17b). Le goujon 31 traverse des perçages dans la bande souple 23, et est recouvert ensuite d'une bague isolante 33 sur une partie de sa hauteur. Une perçage dans l'ailette 27 et dans un plat de serrage 35 permet le passage du goujon 31. Ensuite une ou plusieurs rondelles (37 et 39) sont intercalées sur le goujon 31 et une rondelle ou plusieurs rondelles rigides (41 et 43) sont encore intercalées avant l'écrou 45.
A titre d'illustration des différentes couches constitutives de la bande souple 23, de l'intérieur vers l'extérieur, c'est-à-dire de la zone chaude vers la zone
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froite, on peut utiliser (à titre d'exemple sans caractère limitatif) : une feuille 51 en acier inoxydable d'environ
0, 05mm d'épaisseur ; un treillis 52 en acier inoxydable à très fines mailles ; six épaisseurs 53 de fibres céramiques et fibres de verre tissées sans liant, de densité variable (en pratique 2 ou 3 densités différentes, la plus élevée venant en premier lieu, tel que, par exemple, les produits vendus sous la dénomination"Thermotex@"et"ThermoquaO" (commercialisés par DEKOMTE Sprl-Belgique) ;
éventuellement une ou deux couches 54 de fibres céramiques non tissées (dans ce cas, le nombre d'épaisseurs tissées est généralement diminué) tel que par exemple en"Isotex"de la firme
Dekomte précitée ; une feuille 55 de PTFE pur ("Teflon@"de Du
Pont de Nemours) de 0, 2mm d'épaisseur ; ou une feuille 56 de PTFE calandrée sur une couche de tissu de verre (par exemple"Thermoflon@"de
Dekomte) ; un tissu de fibres de verre 57 sur les deux faces duquel sont calandrées deux feuilles de
PTFE (par exemple"Thermoflon@"double face de
Dekomte) ; ou un tissu de fibres de verre 58 enrobé d'un fluoroélastomère tel que viton| de Du Pont de
Nemours ou"Fluorel'B"de 3M.
Bien qu'on ait décrit des formes d'exécution préférées de l'invention, il doit être bien entendu que de nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées à celles-ci tout en restant dans le cadre du principe inventif. C'est ainsi que différentes
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combinaisons des matières constitutives de la bande souple (23) autres que celles spécifiées ci-dessus sont envisageables. Il en est de même de la géométrie des brides qui peuvent prendre différentes formes.