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La présente invention se rapporte d'une façon générale à la fabrica- tion de récipients sous pression et d'articles similaires, et elle a pour objet un procédé perfectionné de fabrication de tels récipients ou d'autres articles tubu- laires, ainsi que de leurs accessoires, qui soient capables de résister à une pres- sion intérieure maximum prédéterminée, cette pression étant supérieure à la pres- sion atmosphérique et étant par la suite désignée comme "pression de fonctionne- ment".
L'invention présente un intérêt particulier pour la fabrication de récipients sous pression hermétiquement fermés, tels que des autoclaves ou des ré- servoirs pour gaz, mais elle peut également s'appliquer, par exemple, à la fabri- cation de récipients ouverts de très grande hauteur servant de réservoirs à liqui- des et dans lesquels une très forte pression,statique intérieure s'exerce sur les parois, ou tout au moins sur les parties inférieures des parois. L'application de l'invention est spécialement avantageuse pour la fabrication de récipients du gen- re susdit, qui sont réalisés en plusieurs sections ultérieurement réunies par soudage.
Il est bien connu, que les dimensions des récipients sous pression sont réglés par des prescriptions émises par des organismes nationaux qualifiés.
Les récipients sous pression valables en Suède (Tryckkärlsnormer) sont définis par la Commission des récipients sous pression ("Tryckkärlskommissionen") et auto- risés par la Commission royale de protection des travailleurs contre les accidents ("Kungl. Arbetarskyddsstyrelsen"). Dans les formules prescrites par ces normes pour calculer les épaisseurs des parois des récipients sous pression, figure un coefficient qui est la mesure de la résistance mécanique du matériau et qui déter- mine l'épaisseur de paroi adoptée.
La présente invention a pour but de fournir des perfectionnements aux procédés utilisés actuellement pour la fabrication de récipients sous pression, afin de pemettre de déterminer leur épaisseur de paroi en prenant pour coeffi- cient de résistance une valeur, qui soit plus élevée que les valeurs utilisées jusqu'à présent pour les matériaux actuels. L'invention est basée sur le fait que beaucoup de matériaux convenant à une telle fabrication présentent la propri- été d'avoir une résistance mécanique, qui augmente sensiblement si, à des tempé- ratures inférieures à leur point de recristallisation, par exemple à la tempéra- ture ambiante, on les soumet à une extension (ou un allongement) plastique, bien que leur malléabilité ne soit pas réduite d'un degré excessif par ce traitement.
De tels matériaux sont typiquement austénitiques ou sensiblement austénitiques, ce sont par exemple des aciers inoxydables.
Pour réaliser les buts spécifiés, le procédé selon l'invention consis- te à choisir comme matériau de.construction pour l'article creux envisagé, un mé- tal ou un alliage présentant les caractéristiques précitées, et à faire subir à cet article un traitement à froid en cours de fabrication, de préférence lorsque cel- le-ci est pratiquement terminée, en le-, soumettant à une pression pneumatique ou hydraulique supérieure à la pression atmosphérique d'une valeur suffisante pour que ses effets soient permanents, ce qui a pour résultat d'accroître la résistance mécanique du matériau.
Le procédé ainsi défini présente l'avantage complémentaire d'égaliser les concentrations locales résiduelles.de contraintes internes et en même temps de permettre une répartition plus uniforme de la résistance mécanique dans le ma- tériau.
L'extension plastique à froid du matériau, qui est essentielle pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, est avantageusement effectuée en forçant dans l'article creux de l'eau ou un autre liquide approprié sous une pres- sion suffisante pour réaliser la permanence du résultat recherché, de manière à donner au matériau des propriétés telles qu'il présente le coefficient de sécuri- té requis en fonction des pressions que devra subir l'article terminé.
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Pendant la mise en oeuvre du procédé, il n'est généralement pas né- cessaire d'utiliser de structure extérieure ou un autre montage pour limiter l'al- longement de l'article, le procédé pouvant ainsi être mis en oeuvre de façon ex- trêmement simple.
Si l'on désire souder à l'article, après qu'il ait subi le traitement de compression, des raccords de tuyauteries, des trous d'homme ou d'autres conne- xions analogues, il y a lieu de noter que l'effet de chauffage provoqué par le soudage a tendance à éliminer les effets réalisés par le traitement de compres- sion. On peut toutefois remédier à un tel affaiblissement localisé, en donnant aux- diverses connexions stipulées des dimensions plus importantes qu'il n'aurait été autrement nécessaire. En variante, on peut donner aux régions du récipient dans lesquelles on doit installer de tels raccords, des dimensions initiales plus gran- des que celles des parties''environnantes, de manière que ces régions ne subissent pas l'effet permanent du traitement. Une combinaison de ces deux mesures peut éga- lement être utilisée.
L'invention sera maintenant décrite de façon plus détaillée, en réfé- rence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un récipient sous pression cylindrique soudé, avant le traitement de compression ; et - la figure 2 représente le même récipient dans son état; final.
On suppose que le récipient est en acier inoxydable contenant 18 % de chrome et 8 de nickel, c'est-à-dire du type austénitique caractérisé. Il con- siste en deux parois terminales en forme de dôme 10 et 11 et en une coquille cy- lindrique soudée 12 réunissant ces parois terminales et présentant la même épais- seur de paroi sur toute son étendue. Un ouverture circulaire est formée dans le centre de chaque paroi terminale et on a soudé dans cette ouverture un raccord de tuyau cylindrique 13 et 14 respectivement,, tandis que deux raccords de tuyau cy- lindrique 15 et 16 sont soudés dans des ouvertures rondes, respectivement formées dans la coquille cylindrique. Chaque raccord de tuyau est provisoirement herméti- quement fermé à son extrémité libre par une calotte soudée 18.
Dans le centre d'une calotte 18 on a ménagé une connexion 17 permettant le branchement à une source d'eau sous pression, par exemple une pompe (non représentée). Lorsqu'on admet de l'eau sous pression dans le récipient, celui-ci subira un maximum d'ex- tension périphérique de sa coquille cylindrique à peu près dans sa partie centra- le située à égale distance de ses parois terminales, tandis que cette extension sera un peu moindre dans les parties voisines des parois terminales, par suite de la rigidité donnée à la coquille par celles-ci. On mesure le degré d'extension, et on interrompt l'alimentation d'eau.sous pression quand l'extension a atteint le degré voulu de caractère permanent.
La valeur d'extension appropriée dépend en premier lieu des proprié- tés du matériau utilisé. Une extension résiduelle, ou permanente, du matériau dans les régions les moins fortes du récipient. de plus"de 0,2 % sera générale- ment nécessaire pour permettre une amélioration.notable de la résistance mécani- que du matériau, en,règle générale. Pour des récipients destinés à être comprimés à froid sans recourir à un enrobage extérieur, il est préférable de calculer le degré de pression d'extension à froid de façon à donner à l'article un degré d'ex- tension résiduel ou .permanent dans ses parties les plus faibles, compris entre un minimum de 1 % et un maximum de 2, 3 à 4 %, et au maximum 10 %.
Lorsque le traitement à froid est terminé, on découpe et enlève les calottes.provisoirement soudées 18. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, on a soudé à'la place de ces calottes aux raccords 13 et 14 des tuyaux munis de brides 20, au raccord 15 un tuyau droit 21 et au raccord 16 un tuyau coudé à bri- de 22. Il y a également lieu de noter que les raccords de tuyaux 13 et 15 ont des dimensions relativement faibles, tandis qu'à titre de compensation, la paroi du récipient au voisinage de ces raccords est renforcée à l'aide d'une plaque métal-
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lique spéciale soudée ; parcontre, le raccord 14 est suffisamment fort pour don- ner aux parties adjacentes de la paroi terminale une rigidité assez grande pour . compenser l'affaiblissement dû à la formation de ladite ouverture dans cette pa- roi.
Si l'on désirer souder d'autres éléments aux raccords de tuyaux après le trai- tement à froid, les renforcements doivent êtreréalisés avec des dimensions qui soient quelque peu importantes.
Comme on peut le voir sur la.. figure. 1, on a soudé dans la coquille cylindrique une plaque 19 qui est considérablement plus épaisse que les autres plaques de la coquille. Après le traitement à froid, on découpe une ouverture dans cette plaque et on soude dans cette ouverture un trou d'homme 23 (voir figu- re 2). Cet agencement présente des dimensions tout juste suffisantes pour compen- ser l'affaiblissement dû à l'ouverture., D'autre part on calcule l'épaisseur de la plaque 19 pour qu'elle compense la perte de l'effet du traitement à froid con- sécutive à l'opération de soudage. Le couvercle du trou d'homme est désigné par 24 et la barre transversale de ce trou par 25.
Un récipient du type représenté sur les dessins a été fabriqué en un matériau ayant une limite élastique initiale de 25 kg/mm2. En refoulant sous pres- sion dans ce récipient de l'eau à température ambiante, sous une pression suffi- sante pour provoquer un allongement maximum résiduel ou permanent de la coquille, en l'espèce de 2,3 %, on est arrivé à augmenter cette limite élastique de 7,5 kg/ mm2, autrement dit elle a atteint 32,5 kg par mm2. En même temps, on n'a consta- té qu'une très légère diminution de ductilité du matériau, à savoir de 53 % à 49%. Les données numériques ci-dessus ont été fourniés par des essais effectués sur des pièces du matériau avant et après le traitement à froid, respectivement.
Du point de vue pratique, l'application du procédé de l'invention, tout en lais- sant inchangé le coefficient de sécurité, a permis une économie de matériau de l'ordre de 23 %.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais est susceptible de diverses modifications de détail, sans pour cela sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
Procédé pour la fabrication de récipients sous pression, caracté- risé par les points suivants séparément ou en combinaisons :
1) On choisit comme matériau de construction du récipient un métal ou un alliage ayant la propriété de présenter une résistance mécanique qui aug- mente sensiblement lorsqu'on le soumet, à des températures inférieures à son point de recristallisation, à un effort de traction provoquant un allongement perma- nent, et on soumet le récipient intérieurement, à une température inférieure au point de recristallisation du matériau, à une surpression hydraulique ou pneuma- tique d!une valeur suffisante pour provoquer un effet permanent, en augmentant ainsi sensiblement la résistance mécanique du matériau.
2) On calcule l'épaisseur de la paroi du récipient de manière qu'elle soit tout juste suffisante pour que, après l'extension à froid du récipient, ce- lui-ci résiste aux pressionsextérieures ou intérieures avec une marge de sécurité suffisante.
3) On fabrique le récipient en plusieurs sèctions soudées les unes aux autres.
4) On fabrique le récipient en un matériau, essentiellement constitué par une structure austénitique.
5) On fabrique le récipient en acier inoxydable austénitique.
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The present invention relates generally to the manufacture of pressure vessels and similar articles, and it relates to an improved process for the manufacture of such containers or other tubular articles, as well as of their accessories, which are capable of withstanding a predetermined maximum internal pressure, this pressure being greater than atmospheric pressure and being hereinafter referred to as "operating pressure".
The invention is of particular interest for the manufacture of hermetically closed pressure vessels, such as autoclaves or gas tanks, but it can also be applied, for example, to the manufacture of open vessels of very high size. large height serving as liquid tanks and in which a very high internal static pressure is exerted on the walls, or at least on the lower parts of the walls. The application of the invention is especially advantageous for the manufacture of containers of the aforesaid type, which are produced in several sections which are subsequently joined by welding.
It is well known, that the dimensions of pressure vessels are regulated by prescriptions issued by qualified national bodies.
Pressure vessels valid in Sweden (Tryckkärlsnormer) are defined by the Pressure Vessels Commission ("Tryckkärlskommissionen") and authorized by the Royal Commission for the Protection of Workers against Accidents ("Kungl. Arbetarskyddsstyrelsen"). In the formulas prescribed by these standards for calculating the wall thicknesses of pressure vessels, there is a coefficient which is the measure of the mechanical resistance of the material and which determines the wall thickness adopted.
The object of the present invention is to provide improvements to the methods currently used for the manufacture of pressure vessels, in order to enable their wall thickness to be determined by taking a value which is higher than the values used as resistance coefficient. so far for current materials. The invention is based on the fact that many materials suitable for such manufacture exhibit the property of having a mechanical strength, which increases appreciably if, at temperatures below their point of recrystallization, for example at temperature. At room temperature, they are subjected to plastic extension (or elongation), although their malleability is not unduly reduced by this treatment.
Such materials are typically austenitic or substantially austenitic, they are for example stainless steels.
In order to achieve the specified objects, the method according to the invention consists in choosing as the material of construction for the envisaged hollow article, a metal or an alloy having the aforementioned characteristics, and in subjecting this article to a treatment. cold during manufacture, preferably when this is practically completed, by subjecting it to a pneumatic or hydraulic pressure greater than atmospheric pressure of a value sufficient for its effects to be permanent, which has as a result of increasing the mechanical strength of the material.
The process thus defined has the additional advantage of equalizing the local residual concentrations of internal stresses and at the same time of allowing a more uniform distribution of the mechanical resistance in the material.
The cold plastic expansion of the material, which is essential for carrying out the process of the invention, is advantageously effected by forcing into the hollow article water or other suitable liquid under a pressure sufficient to achieve the permanence of the desired result, so as to give the material properties such that it has the required safety coefficient as a function of the pressures that the finished article will have to undergo.
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During the implementation of the method, it is generally not necessary to use an external structure or other assembly to limit the elongation of the article, the method thus being able to be carried out in an exceptional manner. - extremely simple.
If it is desired to weld to the article, after it has undergone the compression treatment, pipe fittings, manholes or the like, it should be noted that the heating effect caused by welding tends to eliminate the effects achieved by the compression treatment. Such a localized weakening can, however, be remedied by making the various stipulated connections larger than would otherwise have been necessary. Alternatively, the regions of the container in which such fittings are to be installed may be given initial dimensions larger than those of the surrounding parts, so that these regions do not undergo the permanent effect of the treatment. A combination of these two measures can also be used.
The invention will now be described in more detail, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 shows a welded cylindrical pressure vessel, before the compression treatment; and - Figure 2 shows the same container in its state; final.
It is assumed that the container is made of stainless steel containing 18% chromium and 8% nickel, that is to say of the austenitic type characterized. It consists of two dome-shaped end walls 10 and 11 and of a welded cylindrical shell 12 joining these end walls and having the same wall thickness over its entire extent. A circular opening is formed in the center of each end wall and a cylindrical pipe fitting 13 and 14 respectively has been welded into this opening while two cylindrical pipe fittings 15 and 16 are welded into round openings, respectively. formed in the cylindrical shell. Each pipe connection is temporarily hermetically sealed at its free end by a welded cap 18.
In the center of a cap 18 there is provided a connection 17 allowing connection to a source of pressurized water, for example a pump (not shown). When water under pressure is admitted into the receptacle, the latter will undergo a maximum peripheral extension of its cylindrical shell approximately in its central part located at an equal distance from its end walls, while this extension will be a little less in the neighboring parts of the end walls, as a result of the rigidity given to the shell by them. The degree of extension is measured, and the pressurized water supply is interrupted when the extension has reached the desired degree of permanence.
The appropriate extension value depends primarily on the properties of the material used. A residual, or permanent, extension of the material in the weakest regions of the container. more than 0.2% will generally be necessary to provide a significant improvement in the mechanical strength of the material, as a general rule. For containers intended to be cold pressed without resorting to an outer coating, it It is preferable to calculate the degree of cold extension pressure so as to give the article a degree of residual or permanent ex- tension in its weakest parts, ranging from a minimum of 1% to a maximum of 2, 3 to 4%, and a maximum of 10%.
When the cold treatment is finished, the provisionally welded caps 18 are cut and removed. In the example shown in FIG. 2, pipes provided with flanges 20 have been welded instead of these caps to the connections 13 and 14. , at fitting 15 a straight pipe 21 and at fitting 16 an elbow pipe 22. It should also be noted that the pipe fittings 13 and 15 have relatively small dimensions, while as a compensation, the wall of the receptacle in the vicinity of these fittings is reinforced with a metal plate
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special welded lique; on the other hand, the connector 14 is strong enough to give the adjacent portions of the end wall a rigidity great enough to. compensate for the weakening due to the formation of said opening in this wall.
If it is desired to weld other elements to the pipe fittings after cold treatment, the reinforcements should be made with dimensions which are somewhat large.
As can be seen in the figure. 1, a plate 19 which is considerably thicker than the other plates of the shell has been welded into the cylindrical shell. After the cold treatment, an opening is cut in this plate and a manhole 23 is welded in this opening (see FIG. 2). This arrangement has dimensions just sufficient to compensate for the weakening due to the opening. On the other hand, the thickness of the plate 19 is calculated so that it compensates for the loss of the effect of the cold treatment. following the welding operation. The manhole cover is designated by 24 and the transverse bar of this hole by 25.
A container of the type shown in the drawings was made of a material having an initial yield strength of 25 kg / mm 2. By delivering under pressure into this container water at ambient temperature, under a pressure sufficient to cause a maximum residual or permanent elongation of the shell, in this case of 2.3%, we have succeeded in increasing this elastic limit of 7.5 kg / mm2, in other words it reached 32.5 kg per mm2. At the same time, only a very slight decrease in ductility of the material was observed, namely from 53% to 49%. The above numerical data was provided by tests carried out on parts of the material before and after the cold treatment, respectively.
From a practical point of view, the application of the process of the invention, while leaving the safety coefficient unchanged, has enabled material savings of the order of 23%.
Of course, the invention is not limited to the embodiment described and shown, but is susceptible to various modifications of detail, without going beyond its scope.
CLAIMS.
Process for the manufacture of pressure vessels, characterized by the following points separately or in combinations:
1) A metal or an alloy having the property of exhibiting a mechanical resistance which increases appreciably when subjected, at temperatures below its recrystallization point, to a tensile force, is chosen as the material of construction of the container. permanent elongation, and the container is subjected internally, at a temperature below the recrystallization point of the material, to a hydraulic or pneumatic overpressure sufficient to cause a permanent effect, thereby substantially increasing the mechanical strength of the material.
2) The wall thickness of the container is calculated in such a way that it is just sufficient so that, after cold expansion of the container, it withstands external or internal pressure with a sufficient margin of safety.
3) The container is made in several sections welded together.
4) The container is made of a material, essentially consisting of an austenitic structure.
5) The vessel is made of austenitic stainless steel.
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