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PERFECTIONNEMENTS AUX JOINTS ENTRE ELEMENTS TUBULAIRES, ETANCHES A
LA PRESSION.
Cette invention concerne des joints étanches à la pression, reliant des éléments tubulaires destinés à fonctionner à des températures élevées et exécutés en aciers ayant des coefficients de dilatation thermique différents.
En vue d'augmenter le rendement des installations de turbines à vapeur, on a adopté des pressions et de-s températures de surchauffe progres- sivement croissantes. Ces températures et pressions élevées ont soulevé des problèmes métallurgiques pour l'exécution de surchauffeurs présentant toutes les conditions de sécurité, auxquels on a répondu par l'emploi d'aciers aus- ténitiques. Toutefois, ces aciers sont relativement coûteux et fréquemment on a cherché à réaliser une économie sur le prix en employant un acier aus- ténitique dans une section à haute température du surchauffeur et un acier ferritique dans une¯section associée à basse température du surchauffeur.
Une telle disposition donne lieu à un nombre important de joints entre les tubes en acier austénitique et ceux en acier ferritique. En tout cas, l'in- troduction d'un surchauffeur ou d'une section de surchauffeur en acier austé- nitique dans un système composé en général d'acier ferritique exige au moins deux joints de tubes ou de tuyaux entre des pièces en acier austénitique et despièces en acier ferritique. On se heurte pour 'cette raison à une difficul- té, car pour former des joints de sécurité, les procédés normaux d'assem- blage sont inapplicables eu égard aux différences de dilatation thermique et, dans le cas-de joints soudés, aux variations locales de la composition du métal à la soudure. L'exécution de joints d'une plus grande sécurité dans le but considéré est-par conséquent une question d'importance considé- rable.
La présente invention a pour objet un procédé d'exécution d'un joint' étanche à la pression entre des éléments tubulaires appelés à fonc- tionner à des températures élevées et exécutés en aciers ayant des coeffi- cients de dilatation thermique différents, caractérisé en ce qu'on forme
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des nervures ou des gorges circonférencielles sur une partie de la surface d'un élément, on place une partie d'extrémité de l'élément en acier à coef- ficient de dilatation le plus élevé à l'intérieur de l'élément en acier à coefficient de dilatation le plus bas, cette partie.de surface étant conti- guë à une surface de l'autre élément, et on produit un fluage de métal met- tant en concordance de forme et en contact intime au moins des parties con- tinues circonférencielles des deux surfaces contiguës.
L'invention a aussi pour objet un joint étanche à la pression reliant des éléments tubulaires respectivement faits en acier austénitique et en acier ferritique, caractérisé en ce qu'une certaine longueur de l'élé- ment en acier austénitique pénètre à l'intérieur d'une partie de l'élément en acier.ferritique, au moins une partie circonférentielle continue de sa surface externe se trouvant en contact intime avec la surface en regard de l'élément en acier ferritique, tout déplacement relatif longitudinal des . éléments étant empêché par au moins une saillie de l'un des éléments qui pé- nètre dans un creux complémentaire de l'autre élément.
L'invention a encore pour objet un joint étanche à la pression reliant des éléments tubulaires respectivement faits en acier austénitique et en acier ferritique, caractérisé en ce qu'une partie de l'élément en acier austénitique s'étend à l'intérieur d'une partie de l'élément en acier ferri- tique, la surface intérieure de l'élément ferritique présente une série de gorges circonférentielles continues et la surface extérieure de l'élément austénitique présente une série de saillies correspondantes qui s'étendent au moins en partie dans les gorges, tandis qu'au moins sur des parties cir- conférentielles continues, situées de part et d'autre des gorges et des saillies, les deux surfaces se trouvent en contact intime.
L'invention sera décrite, ci-après, à titre d'exemple, avec ré- férence aux dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une coupe longitudinale de deux éléments tubulaires en acier, suivant la présente invention;
Fig. 2 est une vue en coupe d'une partie seulement des éléments assemblés représentés sur la Fig. l, mais à beaucoup plus grande échelle;
Fig. 3 est une coupe longitudinale de l'un des éléments tubulai- res représentés sur la Fig. 1, avant son assemblage avec le second élément tubulaire ;
Fig. 4 est une vue en bout des éléments tubulaires représentés sur la Fig. l, cette Vue étant prise du côté droit de celle-ci; @
Fig. 5 est une coupe longitudinale du second des éléments tubu- laires représentés sur la Fig. 1, avant son assemblage au premier;
Fig. 6 est une coupe longitudinale des deux éléments tubulaires, immédiatement avant leur assemblage, et
Fig. 7 est une vue en élévation de côté du surchauffeur d'une installation de génération et de surchauffe de vapeur, à laquelle l'inven- tion a été appliquée.
Sur les Figs. 1 à 6 des dessins, le premier élément tubulaire 1 est fait en acier ferritique et le second 2 en acier austénitique.
L'élément tubulaire 1, consiste en une partie principale 3 (voir Fig. 3), de diamètre extérieur uniforme, et une partie d'extrémité 4, de moindre diamètre, raccordée à la partie principale par un-col 5 dont le dia- mètre augmente graduellement vers la partie principale 3. La partie d'ex- trémité 4 est creusée circonférentiellement, comme c'est indiqué en 6, pour former un côté d'une gorge à souder destinée à faciliter le soudage de l'é- lément 1, lorsqu'on le désire, à une pièce tubulaire adjacente indiquée en traits interrompus 7, sur la Fig. 1, et faite également en acier ferriti- que.
L'élément tubulaire 1 est pourvu intérieurement d'un certain nombre de gorges circonférentielles peu profondes 8, de section transver-
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sale rectangulaire et uniformément espacées le long de la partie princi- pale 3; dans la forme d'exécution représentée, l'écartement longitudinal entre gorges adjacentes est égal à la largeur des gorges, et la'profondeur de chaque gorge est égale au quart de sa largeur, ces dimensions relatives ayant été trouvées avantageuses pour un joint dont l'alésage interne de la partie d'extrémité 4 était de 4 1/2-de pouce (10,5 cm. env.), les gorges 8 ayant une largeur de 1/8 de pouce (0,317 cm) et une profondeur de 1/32 de pouce (0,079 cm).
Toutefois, une courte partie de la surface interne de la partie principale, adjacente à l'extrémité 9 de l'élément, n'est pas pour- vue de ces gorges circonférentielles, mais présente quatre rainures longi- tudinales 10, uniformément espacées sur la circonférence interne-de l'élé- ment et s'étendant de l'extrémité 9 de l'élément jusqu'à la plus proche des gorges circonférentielles 8; ces rainures 10 ont la même profondeur que les gorges 8.
L'élément tubulaire 2 (voir Fig. 5) présente, à l'origine, sur toute sa longueur à peu près, un diamètre externe tel qu'il s'adapte à l'in- térieur des parties intérieurement rainurées de la partie principale 3 de l'élément tubulaire 1. Il présente aussi sur toute sa longueur à peu près, un diamètre interne égal au diamètre interne de la partie d'extrémité 4 de l'élément tubulaire 1.
Près d'une extrémité 11 de cet élément 2, toutefois, son diamètre interne augmente graduellement vers l'extrémité de l'élément, comme c'est représenté en 12, tandis qu'à son extrémité opposée, l'élément est creusé circonférentiellement, comme c'est indiqué en 13, pour former un côté d'une gorge à souder destinée à faciliter son soudage à un élément tubulaire adjacent également en'acier austénitique, indiqué en traits in- terrompus en 14 sur la Fig. 1.
La Fig. 6 montre un mode d'exécution d'un joint étanche aux fluides, entre les deux éléments. D'abord, on introduit l'extrémité 11 de l'élément tubulaire 2 dans l'élément tubulaire 1 par l'extrémité 9 de cet élément, aussi loin que c'est représenté sur la Fig. 6, et on enfile un manchon de support en acier doux 15 sur la face externe de la partie 3 ' de l'élément tubulaire 1, après quoi on dudgeonne l'élément tubulaire 2 à l'intérieur de l'élément tubulaire 1, d'une manière appropriée. Le dud- geonnage est effectué avantageusement au moyen d'un dudgeon à tube rétrac- tile et la Fig. 6 montre un pareil dudgeon 16 introduit dans l'élément tu- bulaire interne 1 et prêt à effectuer le dudgeonnage.
Le dudgeon 16 comprend trois rouleaux coniques 17 placés dans des fentes 18 par exemple équidistantes de la circonférence d'une cage 19 et pressés radialement vers l'extérieur contre les parties adjacentes de l'élément tubulaire interne à dudgeonner, par un déplacement axial à un mandrin conique 20 s'étendant axialement dans la cage 19 et entre les trois rouleaux. Le mandrin est fileté sur une partie (non représentée) de sa longueur, et cette partie filetée entre en prise avec un organe de pous- sée 21, taraudé d'une manière correspondante, qui est monté dans la cage 19, de façon à pouvoir y tourner. Un tel dudgeon a été décrit dans le bre- vet n 505. 900 de la Demanderesse.
On commence la véritable exécution du joint en déplaçant d'a- bord axialement le mandrin 20 de manière à amener les rouleaux en contact avec l'élément tubulaire qui doit être dudgeonné et à provoquer la dilata- tion de celui-ci en faisant tourner le mandrin tandis qu'on empêche l'or- gane de poussée 21 de tourner, et en laissant ensuite tourner celui-ci et le corps 19 du dudgeon, ce qui a pour effet de dilater les éléments tubu- laires 1 et 2 localement en sens radial et d'amener la surface externe de l'élément 1, en contact avec la surface interne du manchon de support 15 tandis que , par suite de l'inclinaison des fentes et des rouleaux dans la cage 19, celle-ci se déplace vers l'extérieur'le long de l'élément 2 en dilatant progressivement 1 partie de l'élément tubulaire 2 qui se trouve à l'intérieur de l'élément 1.
Lorsque ce premier dudgeonnage a été achevé, on fait exécuter au dudgeon une seconde passe dans la même partie de l'élé- ment tubulaire 2, et pendant cette passe, il se produit une déformation plastique du métal de l'élément intérieur, qui fait que le métal de l'élé-
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ment flue dans les gorges et rainures 8 et 10 de l'élément extérieur 1, com- me c'est indiqué plus clairement sur la Fig. 2 pour une gorge 8. Lorsque le dudgeonnage est terminé, on retire le dudgeon par l'extrémité 4 de l'élément 1 et on chasse la bague de support 15 de la partie principale 3 de l'élément externe 1.
Dans le joint représenté sur la Fig.1, les bourrelets de métal de l'élément intérieur qui se sont formés dans les rainures longitudinales 10 de l'élément extérieur empêchent la rotation relative des éléments l'un par rapport à l'autre, la pénétration des bourrelets de métal de l'élément intérieur qui se sont formés dans les gorges cirbonférentielles 8 de l'élé- ment extérieur empêche efficacement l'élément intérieur de sortir de l'élé- ment extérieur, et la série de surfaces circonférentielles continues de con- tact intime entre l'élément intérieur et l'élément extérieur empêche toute fuite de fluide sous pression de l'intérieur à l'extérieur d'un tube dont les deux éléments assemblés font éventuellement partie.
En outre, lorsqu'au cours du service, le tube complet est porté à une température élevée, comme le coefficient de dilatation de l'élément intérieur 2 est plus élevé que celui de l'élément extérieur 1, la pression entre les organes intérieur et extérieur, aux surfaces de contact circonférentielles déjà mentionnées, de- vient même plus grande, et on a constaté que le joint est capable de résis- ter sans perte de fluide sous pression à des pressions beaucoup plus éle- vées à chaud qu'à froid.
La Fig. 7 montre un tel surchauffeur faisant partie d'un groupe tubulaire générateur et surchauffeur de vapeur où une série de tubes de surchauffe 30 sont raccordés par leurs extrémités à des collecteurs d'en- trée et de sortie 31 et 32 respectivement. Le surchauffeur comprend une section primaire à basse température 33 formée d'éléments tubulaires 34 en acier ferritique et raccordés au collecteur d'entrée 31 et d'une sec- tion secondaire à haute température 35 formée d'éléments tubulaires 36 en acier austénitique et raccordés au collecteur de sortie 32. Chaque tube 30 comprend un élément tubulaire 34 et un élément tubulaire 36 dont les ex- trémités adjacentes sont reliées ensemble par un joint 38 semblable à ce- lui décrit ci-dessus avec référence aux Figs. 1 à 6.
En service, les gaz chauds s'élèvent d'abord dans la section secondaire 35 en acier austéniti- que et ensuite dans la section primaire 33 en acier ferritique.
L'invention peut être appliquée à l'assemblage de deux éléments tubulaires relativement longs formés d'aciers ayant des coefficients de dilatation thermique différents,sans l'emploi de courts éléments d'assem- blage intermédiaires, comme c'est décrit avec référence aux Figs. 1 à 6.
Dans ce cas, il n'est pas possible de dudgeonner l'élément intérieur comme il a été décrit ci-dessus avec référence aux Figs. 1 à 6, et il est néces- saire de réduire le diamètre de l'élément extérieur, par exemple, en for- geant ou en étirant la partie contenant le joint dans une matrice appro- priée, de manière à créer au moins une zone circonférentielle continue de contact intime entre l'élément intérieur et l'élément extérieur. Lorsque l'élément austénitique a un diamètre trop grand pour s'adapter à l'inté- rieur de l'élément ferritique, on élargit de préférence l'extrémité de l'élément ferritique à des dimensions telles qu'elle admette l'extrémité de l'élément austénitique.
On a trouvé désirable, lorsqu'on doit exécuter un joint en réduisant le diamètre de l'élément extérieur, de former les gorges circonférentielles et les rainures longitudinales dans la surface extérieure de l'élément intérieur.
REVENDICATIONS.
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IMPROVEMENTS IN THE JOINTS BETWEEN TUBULAR ELEMENTS, WATERPROOF
PRESSURE.
This invention relates to pressure-tight gaskets connecting tubular members intended for operation at high temperatures and made of steels having different coefficients of thermal expansion.
In order to increase the efficiency of steam turbine installations, progressively increasing superheat pressures and temperatures have been adopted. These high temperatures and pressures have given rise to metallurgical problems for the construction of superheaters having all the safety conditions, which have been answered by the use of austenitic steels. However, these steels are relatively expensive and it has frequently been sought to save on cost by employing austenitic steel in a high temperature section of the superheater and ferritic steel in an associated low temperature section of the superheater.
Such an arrangement gives rise to a large number of joints between the tubes of austenitic steel and those of ferritic steel. In any case, the introduction of a superheater or a superheater section made of austenitic steel in a system generally composed of ferritic steel requires at least two joints of tubes or pipes between steel parts. austenitic and ferritic steel parts. For this reason, there is a difficulty, since in order to form safety joints the normal assembly procedures are inapplicable having regard to the differences in thermal expansion and, in the case of welded joints, to the variations. local metal composition to the weld. The execution of more secure joints for the intended purpose is therefore a matter of considerable importance.
The present invention relates to a method of making a pressure-tight seal between tubular elements called to operate at high temperatures and made of steels having different thermal expansion coefficients, characterized in that that we train
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circumferential ribs or grooves on a part of the surface of a member, an end portion of the highest coefficient of expansion steel member is placed inside the high-expansion steel member. coefficient of expansion, with that part of the surface being contiguous with a surface of the other element, and a flow of metal is produced which brings into conformity in shape and intimate contact with at least continuous parts circumferentials of the two contiguous surfaces.
The invention also relates to a pressure-tight seal connecting tubular elements respectively made of austenitic steel and of ferritic steel, characterized in that a certain length of the austenitic steel element penetrates inside the tube. 'part of the ferritic steel element, at least one continuous circumferential part of its outer surface being in intimate contact with the facing surface of the ferritic steel element, any longitudinal relative displacement of. elements being prevented by at least one projection of one of the elements which penetrates into a complementary hollow of the other element.
A further subject of the invention is a pressure-tight seal connecting tubular elements respectively made of austenitic steel and of ferritic steel, characterized in that a part of the austenitic steel element extends inside the part of the ferritic member, the inner surface of the ferritic member has a series of continuous circumferential grooves and the outer surface of the austenitic member has a series of corresponding protrusions which extend at least in part in the grooves, while at least on continuous circumferential parts, located on either side of the grooves and the projections, the two surfaces are in intimate contact.
The invention will be described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a longitudinal section of two tubular steel elements, according to the present invention;
Fig. 2 is a sectional view of only part of the assembled elements shown in FIG. l, but on a much larger scale;
Fig. 3 is a longitudinal section of one of the tubular elements shown in FIG. 1, before its assembly with the second tubular element;
Fig. 4 is an end view of the tubular elements shown in FIG. 1, this View being taken from the right side thereof; @
Fig. 5 is a longitudinal section of the second of the tubular elements shown in FIG. 1, before its first assembly;
Fig. 6 is a longitudinal section of the two tubular elements, immediately before their assembly, and
Fig. 7 is a side elevational view of the superheater of a steam generation and superheating plant, to which the invention has been applied.
In Figs. 1 to 6 of the drawings, the first tubular member 1 is made of ferritic steel and the second 2 of austenitic steel.
The tubular element 1 consists of a main part 3 (see Fig. 3), of uniform outside diameter, and an end part 4, of smaller diameter, connected to the main part by a neck 5, the diameter of which. meter gradually increases towards the main part 3. The end part 4 is hollowed out circumferentially, as indicated at 6, to form one side of a weld groove intended to facilitate the welding of the element. 1, when desired, to an adjacent tubular part indicated by broken lines 7, in FIG. 1, and also made of ferritic steel.
The tubular element 1 is provided internally with a number of shallow circumferential grooves 8, of transverse cross section.
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dirty rectangular and evenly spaced along the main part 3; in the embodiment shown, the longitudinal spacing between adjacent grooves is equal to the width of the grooves, and the depth of each groove is equal to a quarter of its width, these relative dimensions having been found advantageous for a joint of which The internal bore of end portion 4 was 4 1/2-inch (10.5 cm. approx.), the grooves 8 having a width of 1/8 inch (0.317 cm) and a depth of 1 / 32 inch (0.079 cm).
However, a short part of the inner surface of the main part, adjacent to the end 9 of the element, is not provided with these circumferential grooves, but has four longitudinal grooves 10, evenly spaced on the side. internal circumference of the element and extending from the end 9 of the element to the closest to the circumferential grooves 8; these grooves 10 have the same depth as the grooves 8.
The tubular element 2 (see Fig. 5) has, at the origin, over approximately its entire length, an external diameter such that it fits inside the internally grooved parts of the main part. 3 of the tubular element 1. It also has over its entire length approximately, an internal diameter equal to the internal diameter of the end portion 4 of the tubular element 1.
Near one end 11 of this element 2, however, its internal diameter gradually increases towards the end of the element, as shown at 12, while at its opposite end, the element is hollowed out circumferentially, as indicated at 13, to form one side of a weld groove intended to facilitate its welding to an adjacent tubular member also of austenitic steel, indicated in broken lines at 14 in FIG. 1.
Fig. 6 shows an embodiment of a fluid-tight seal between the two elements. First, the end 11 of the tubular element 2 is introduced into the tubular element 1 through the end 9 of this element, as far as is shown in FIG. 6, and a mild steel support sleeve 15 is threaded onto the outer face of the part 3 'of the tubular member 1, after which the tubular member 2 is expanded inside the tubular member 1, d 'in an appropriate manner. The expansion is advantageously effected by means of a retractable tube expander and FIG. 6 shows such a nozzle 16 introduced into the internal tubular element 1 and ready to perform the expansion.
The dudgeon 16 comprises three tapered rollers 17 placed in slots 18, for example equidistant from the circumference of a cage 19 and pressed radially outwards against the adjacent parts of the internal tubular element to be expanded, by an axial displacement at a conical mandrel 20 extending axially in the cage 19 and between the three rollers. The mandrel is threaded over a part (not shown) of its length, and this threaded part engages a thrust member 21, threaded in a corresponding manner, which is mounted in the cage 19, so as to be able to turn there. Such a dudgeon has been described in the patent n ° 505,900 of the Applicant.
The actual execution of the seal is started by axially moving the mandrel 20 so as to bring the rollers into contact with the tubular element which is to be expanded and to cause the expansion thereof by rotating the mandrel. mandrel while preventing the thrust member 21 from rotating, and then allowing the latter and the body 19 of the nozzle to rotate, which has the effect of expanding the tubular elements 1 and 2 locally in the direction radial and bring the outer surface of the element 1 into contact with the inner surface of the support sleeve 15 while, as a result of the inclination of the slots and the rollers in the cage 19, the latter moves towards outside along the element 2 by gradually expanding 1 part of the tubular element 2 which is inside the element 1.
When this first expansion has been completed, the expansion valve is made to perform a second pass in the same part of the tubular element 2, and during this pass there is a plastic deformation of the metal of the inner element, which causes that the metal of the element
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ment flows into the grooves and grooves 8 and 10 of the outer element 1, as more clearly shown in FIG. 2 for a groove 8. When the expansion is complete, the expansion is removed via the end 4 of the element 1 and the support ring 15 is driven out of the main part 3 of the external element 1.
In the joint shown in Fig. 1, the metal beads of the inner member which have formed in the longitudinal grooves 10 of the outer member prevent the relative rotation of the members with respect to each other, the penetration of the metal beads of the inner member which have formed in the cirbonferential grooves 8 of the outer member effectively prevents the inner member from coming out of the outer member, and the series of continuous circumferential surfaces of intimate contact between the inner element and the outer element prevents any leakage of pressurized fluid from the inside to the outside of a tube of which the two assembled elements possibly form part.
In addition, when during service, the complete tube is brought to a high temperature, as the coefficient of expansion of the inner member 2 is higher than that of the outer member 1, the pressure between the inner members and outside, with the circumferential contact surfaces already mentioned, becomes even larger, and it has been found that the seal is capable of withstanding without loss of fluid under pressure to pressures much higher when hot than when cold .
Fig. 7 shows such a superheater forming part of a tubular steam generator and superheater group where a series of superheating tubes 30 are connected at their ends to inlet and outlet manifolds 31 and 32 respectively. The superheater comprises a primary low temperature section 33 formed of tubular elements 34 of ferritic steel and connected to the inlet manifold 31 and a secondary high temperature section 35 formed of tubular elements 36 of austenitic steel and connected. to the outlet manifold 32. Each tube 30 comprises a tubular member 34 and a tubular member 36 whose adjacent ends are joined together by a joint 38 similar to that described above with reference to Figs. 1 to 6.
In use, the hot gases rise first in the secondary section 35 of austenitic steel and then in the primary section 33 of ferritic steel.
The invention can be applied to the assembly of two relatively long tubular members formed of steels having different coefficients of thermal expansion, without the use of short intermediate joint members, as described with reference to Figs. 1 to 6.
In this case, it is not possible to expand the inner element as has been described above with reference to Figs. 1 to 6, and it is necessary to reduce the diameter of the outer member, for example, by forging or stretching the part containing the seal in a suitable die, so as to create at least one zone circumferential continuous intimate contact between the inner element and the outer element. When the austenitic element has a diameter too large to fit inside the ferritic element, the end of the ferritic element is preferably widened to dimensions such as to admit the end of the ferrite element. the austenitic element.
It has been found desirable, when a seal is to be made by reducing the diameter of the outer member, to form the circumferential grooves and the longitudinal grooves in the outer surface of the inner member.
CLAIMS.
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