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Perfectionnements aux récipients à pression.
La présente invention concerne les récipients à pres- sion tels que coups de chaudières, collecteurs ou récipients analogues, du type comprenant au moins un siège de tube pour effectuer une soudure par fusion;, à l'épreuve de la uression, du type tubes/siège de tube entre un tube et le récipient à pression, ce dernier étant en un métal dont la dureté augmente ouand on le chauffe au-dessus de la température critique inférieure, puis qu'on le refroidit, et elle se rapporte particulièrement à un nouveau joint soudé par fusion résistant à la pression, et à un procédé pour exécuter ce joint.
Dans la pratique industrielle, on joint les tubes à la
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paroi d'un récipient à pression, corps de chaudière, collecteur ou récipient analogue en forant ou en formant de toute autre manière des sièges de tube dans cette paroi qui peut être une paroi tubulaire, on introduit les extrémités des tubes dans les sièges, puis on dilate ces extrémités de façon à les bloquer dans les sièges. Bien que ce procédé assure un joint tube/siège satisfaisant du point de vue mécanique., il est difficile de rendre les joints étanches à la pression pour obtenir un service satis- faisant sous des pressions relativement élevées.
Ceci s'applique en particulier lorsqu'on place des tubes à parois relativement épaisses dans leurs sièges, à cause de la difficulté éprouvée à déplacer par voie mécanique de telles épaisseurs de métal.
Pour cette raison, on exécute parfois une soudure entre le bout du tube et la surface intérieure de la paroi.
Cette soudure forme joint étanche à la pression entre le bout du tube et la paroi, coopérant avec le joint formé par la dilatation du tube à l'intérieur du siège pour fournir une liaison complète- ment étanche sous pression et mécaniquement satisfaisante.
Cependant, lorsqu'on exécute une soudure de ce genre, le métal du tube et de la partie de l'élément soumis à la pres- sion immédiatement voisine de la soudure est porté à des tempé- ratures variant entre le point de fusion du métal à la ligne de fusion de la soudure, et des températures progressivement moins élevées à mesure au'on s'éloigne de la ligne de fusion. Les aciers au carbone faiblement alliés et les aciers au carbone or- dinaires, chauffés à une température égale ou supérieure à la température généralement apnelée température critique inférieure, subissent un durcissement lorsqu'ils sont rapidement refroidis en dessous de cette température critique. La température critique inférieure est une fonction de la composition de l'acier.
Ce durcissement du métal détermine souvent des fêlures dans les conditions de service comprenant par exemple des pressi ns relativement élevées. Ce durcissement peut être réduit ou éliminé
A
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en éliminant les tensions (recuit) des pièces après le soudage.
Mais le joint entre un tube et son siège dans un élément destiné à être soumis à la pression, est généralement exécuté pendant le montage des pièces sur place. Dans le cas d'éléments relative- ment massifs, tels que des réservoirs à pression, l'élimination des tensions après la soudure, n'est pas réalisable ou est trop difficile pour être effectuée en pratique. Un but de l'invention est de fournir des joints soudés par fusion, étanches à la pres- sion, exécutés sans durcissement dangereux du métal pendant le soudage.
La présente invention comprend un récipient à pression du type défini, caractérisé par la présence, autour d'un siège de tube, à la surface intérieure du récipient, d'un dépôt de métal dont la dureté n'est pas modifiée ou pratiquement pas modifiée par le chauffage et le refroidissement subséquent provoqués par une opération de soudure par fusion, l'épaisseur et l'importance du dépôt étant telles qu'un joint soudé étanche peut être formé entre un tube placé dans le siège et le récipient à pression, sans porter à une température supérieure à sa température critique inférieure le métal du récipient voisin du dépôt.
L'invention comprend également un procédé de formation d'un joint étanche à la pression du type tube:siège de tube entre un tube et un récipient à pression dont le métal augmente de dureté lorsqu'il est chauffé au-dessude sa température critique infé- rieure puis refroidi, procédé suivant lequel on forme, dans la surface intérieure du récipient une gorge entourant à proximité immédiate ou empiétant sur l'emplacement désiré pour le siège du tube, on remplit cette gorge avec un dépôt de soudure d'un métal dont la dureté n'est pas modifiée ou pratiquement pas modi- fiée par chauffage et refroidissement subséquent lors de la sou- dure, on élimine les tensions provenant du dépôt du métal dans la gorge, on ménage le siège de tube au travers de la paroi du récipient à l' endroit voulu,
on introduit le bout du tubeà travers
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le siège du tube, on dilate le tube contre le siège du tube et on soude par fusion le bout du tube au dépôt de métal, sans porter le métal du récipient entourant le dépôt à une température supé- rieure à sa température critique inférieure.
L'invention est décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une vue partielle, en plan, de la surface intérieure d'une paroi d'un récipient à pression, montrant une première étape de la formation d'un joint tube/siège de tube étanche à la pression.
Fig. 2 est une vue en coupe diamétrale suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1.
Figs. 3, 4 et 5 sont des vues en coupe diamétrale mon- trant des étapes successives de la formation du joint et
Fig. 6 est une vue en coupe diamétrale montrant l'appli- cation de l'invention à la soudure d'un tube à paroi relativement épaisse à un récipient à pression à parois relativement épaisses.
Bien que l'invention soit d'application générale à n'importe quel joint tube/siège de tube comprenant une soudure, elle s'applique plus particulièrement à la fixation des tubes à des récipients à parois relativement épaisses, tels que des corps de chaudières de machines à vapeur. Pour résister aux pressions relativement élevées régnant dans les installations modernes de production de vapeur, ces corps de chaudières sont en tôle relati- vement épaisse, et souvent en alliage d'acier. Ces deux facteurs, l'épaisseur de la paroi et la composition du métal accentuent le problème en question, à cause du chauffage local à température élevée nécessaire pour effectuer la soudure.
Les différentes figures du dessin représentent une petite partie de la paroi d'un récipient à pression tel qu'un corps de vapeur et eau d'une chaudière, cette partie étant suffisamment petite pour que la courbure du corps de chaudière ne doive pas être représentée. Le dessin représente en même temps un procédé
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préféré pour mettre en pratique l'invention, procédé qui comprend d'abord la formation, dans la surface intérieure de la paroi du récipient à pression d'une gorge annulaire concentrique au point choisi pour le siège du tube, le remplissage de cette gorge par un dépôt de soudure d'un métal dont la dureté n'est pratiquement pas affectée par l'augmentation de la température au cours de la soudure par fusion, l'élimination des tensions de la soudure et du dépôt, et la formation, par forage ou l'équivalent,
du siège du tube au travers de la soudure. Le joint peut cependant être formé d'une autre manière. On peut par exemple percer d'abord le siège du tube, Duis creuser autour de son bord intérieur une gorge périphérique qu'on remplit de métal, les pièces étant ensuite recuites. D'une autre manière, le dépôt de soudure peut être placé directement à la surface intérieure de,la paroi de l'élément soumis à la pression entourant l'endroit du siège du tube. De ,plus, le dépôt de soudure ne doit pas nécessairement être de forme circulaire.
Une cavité rectangulaire peut par exemple être taillée dans la surface intérieure du récipient à pression, sensiblement concentrique au point choisi pour le siège du tube, le comprenant et s'étendant tout autour de lui, cette cavité étant ensuite remplie du dénôt de soudure,le siège du tube formé au travers du dépôt et de la paroi, et le récipient recuit ou traité de façon à éliminer les tensions internes.
Un facteur important est que la préparation de la paroi du récipient à pression, et du bout du tube dans le cas d'un tube à parois relativement épaisses peut s'effectuer à l'usine l, l'on fabrique l'élément devant résister à la pression, plutôt que sur les lieux de l'installation. De cette façon, le récipient à pres- sion, corps de chaudière ou collecteur, peut être assez facilement recuit puisqu'il n'a pas encore été réuni aux tubes et à la construction qui le supporte, comme c'est le cas dans l'instal- lation sur place.
Le dessin représente un récipient à pression comprenant
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une paroi 10 ayant une surface intérieure 11 qui peut être par exemple, la surface intérieure d'un corps de chaudière. Suivant la forme d'exécution préférée de l'invention, une gorge annulaire 12 est formée dans la surface 11, concentrique au point choisi pour le siège du tube. Le diamètre intérieur de cette gorge 12 est légèrement inférieur au diamètre du siège du tube éventuel.
Le diamètre extérieur de la gorge 12 et la profondeur de cette gorge sont choisis en rapport avec la composition du métal consti- tuant la paroi 10 et l'épaisseur de la paroi de façon que le dépôt de soudure ait une largeur et une profondeur suffisantes pour éviter, grâce au gradient de température qui s'y établit, qu'une partie quelconque de la paroi 10 soit portée à une température supérieure à la température critique inférieure du métal pendant la soudure du joint. Cette largeur et cette profondeur varient suivant la composition du métal de la paroi 10 et l'épaisseur de la paroi, la composition du métal déterminant la température critique inférieure, et l'épaisseur de la paroi le gradient de la température à travers la paroi.
La gorge 12 est ensuite remplie par un dépôt de soudure 15, d'un métal dont la dureté n'est pratiquement pas modifiée par les températures élevées provenant de la soudure par fusion. Un métal utilisé de préférence est le fer "Armco" un fer commerciale- ment pur fabriqué dans le but d'exclure tous les éléments d'alliage tels que le carbone, le silicium, le soufre, le phosphore, etc., ou de réduire les proportions de ces éléments d'alliage à un degré tel qu'ils ne puissent modifier sensiblement les propriétés du fer commercialement pur. Bien que ce fer ne soit pas chimiquement pur, la proportion d'éléments autres que le fer est suffisamment réduite pour que l'Armco" puisse être considéré en pratique comme du fer pur.
L'avantage de ce type de fer est qu'il ne peut subir de traitement thermique au sens normal du mot, et aue sa dureté n'est donc pas modifiée lorsqu'il est soumis à un chauffage relati- vement rapide à température élevée et à un refroidissement rapide,
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par exemple provoquas par la soudure.
Après remplissage de la gorge 12 par le dépôt 15, le siège du tube 20 est formé concentriquement au dépôt de soudure, de façon à enlever du fer de la périphérie intérieure du dépôt.
Le récipient à pression ayant une paroi 10 avec un dépôt 15 à sa surface intérieure 11 est ensuite débarrassé de ses tensions internes de la façon habituelle afin d'éviter tout durcissement du métal de la paroi dû au dépôt de soudure 15. Tous les sièges de tubes sont formés de la même manière dans le récipient à pression avant qu'on ne procède à l'élimination des tensions.
Lors du montage sur place de l'installation dont le récipient à pression doit faire partie, des tubes 25 sont intro- duits dans les sièges de tube 20. Les bouts intérieurs des tubes, une fois introduits, peuvent dépasser de la surface 11 comme indiqué en 26, ou peuvent être pratiquement de niveau avec la surface 11. Les tubes sont ensuite élargis dans les sièges de la façon habituelle comme indiqué en 27, après quoi on forme une soudure par fusion 30 entre le bout 26 du tube et le dépôt de soudure 15,le joint de soudure étant de préférence à plusieurs couches. La composition de la soudure 30 peut varier assez largement, mais comprend en général de l'acier au carbone, de l'acier au carbone et au molybdène, ou un des aciers à faible teneur en chrome tel que le "Croloy 2".
Des exemples caracté- ristiques sont donnés dans le tableau suivant :
EMI7.1
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> Acier <SEP> carbone <SEP> molybdène <SEP> "Croloy <SEP> 2"
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> 0,08 <SEP> 0,08 <SEP> 0,07
<tb>
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0,40 <SEP> 0,40 <SEP> 0,40
<tb>
<tb>
<tb> Si <SEP> 0,15 <SEP> 0,15 <SEP> 0,35
<tb>
<tb> Cr- <SEP> - <SEP> 2,00
<tb>
<tb>
<tb> Mo <SEP> - <SEP> 0,50 <SEP> 0,50
<tb>
Dans certains cas, le joint peut êtreexécuté à l'aide d'une électrode en acier inoxydable, par exemple un acier 25 Cr-20 N ou 18 Cr-8 Ni.
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A cause de la largeur et de la profondeur du déport de soudure 15 qui, comme on l'a explioué plus haut'. sont déterminées avec soin en rapport avec la température critique inférieure du métal de la. paroi 10 et l'épaisseur de cette paroi, le gradient de température pendant la soudure est tel qu'aucune partie du métal de base de la paroi 10 n'est portée à une tempéture supérieure à sa température critique inférieure. Par conséquent, lors du refroidissement rapide du joint, le métal de la paroi 10 ne peut durcir, et le joint ne peut se fêler dans la suite, comme il le ferait à cause de ce durcissement, sous l'effet des tensions créées par la température et la pression régnant en service.
Fig. 6 illustre l'application de l'invention à la forma- tion d'un joint entre un siège de tube, dans une paroi épaisse 10' d'un récipient à pression et un tube à paroi épaisse 25', prévu pour service à haute pression. Dans ce cas, la gorge 12' est formée dans la surface intérieure 11' de la paroi 10' de la même manière que sur les Figs. 1 et 2, et remplie du dépôt de soudure 15'.
Le bout 26' du tube 25' présente une gorge périphérique 28 remplie d'un dépôt de soudure 35, de préférence de la même compo- sition qule dépôt 15', la condition essentielle étant que le métal du dépôt 35 soit de nature telle que sa dureté n'est pas modifiée par le chauffage rapide à température élevée, et le refroidisse- ment rapide provoqués par le soudage par fusion. La largeur et la profondeur du dépôt 35 sont choisies, considérant la compcsi- tion du métal du tube 25' et l'épaisseur de la paroi du tube, de facon à obtenir pendant la formation du joint un gradient de température évitant de porter le métal même du tube 25 à une tem- pérature plus élevée que sa température critioue inférieure.
Lorsque la formation du dépôt de soudure 35 est terminée on traite au moins le bout du tube 25' pour éliminer les tensions internes.
Pour assembler le tube 25' et le siège de tube 20', on dilate le tube à l'intérieur du siège de la manière habituelle,
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un type de siège à gorge étant représente à titre d'exemple. Après dilatation du tube 25' dans le siège 20', une soudure 30' est dé- posée entre les dépôts 15' et 35 afin de sceller le bout de tube à la paroi 10' .
REVENDICATIONS
1.- Récipient à pression du type défini ci-dessus, cara.ctérisé en ce qu'à la surface intérieure du récipient, autour d'un siège de tube se trouve un dépoôt de métal dont la dureté n'est pas modifiée ou pratiquement pas modifiée par le chauffage et le refroidissement provoqués par une opération de soudure par fusion, l'épaisseur et l'importance du dépôt étant telles ou'un joint soudé peut être formé entre un tube placé dans le siège de tube et le récipient à pression sans porter le métal du récipient voisin du dépôt à une température plus élevée que sa température critique inférieure.