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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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