FR2524967A1 - PERFECTLY DESIGNED DOUBLE WALL TUBES FOR STEAM GENERATORS - Google Patents
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Abstract
TUBES A DOUBLE PAROI DE CONCEPTION PERFECTIONNEE POUR GENERATEURS DE VAPEUR. UNE SURFACE ONDULEE 5 EST PRODUITE SUR LA FACE EXTERIEURE DU TUBE INTERIEUR 3. L'ETIRAGE LONGITUDINAL DES DEUX TUBES AMENE LA FACE INTERIEURE DU TUBE EXTERIEUR EN CONTACT AVEC LA FACE EXTERIEURE DU TUBE INTERIEUR; L'INTERFACE AINSI BLOQUE MECANIQUEMENT, LES TUBES SOUMIS A DES DIFFERENCES DE TEMPERATURE NE PEUVENT PAS GLISSER L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE, CE QUI ELIMINE TOUTE USURE. APPLICATION NOTAMMENT AUX GENERATEURS DE VAPEUR UTILISES DANS LES REACTEURS SURREGENERATEURS A REFROIDISSEMENT PAR METAL LIQUIDE.ADVANCED DESIGN DOUBLE WALL TUBES FOR STEAM GENERATORS. A CORRUGATED SURFACE 5 IS PRODUCED ON THE OUTER FACE OF THE INNER TUBE 3. THE LONGITUDINAL STRETCHING OF THE TWO TUBES BRINGS THE INNER FACE OF THE OUTER TUBE IN CONTACT WITH THE OUTER FACE OF THE INNER TUBE; THE INTERFACE THUS LOCKED MECHANICALLY, THE TUBES SUBJECT TO TEMPERATURE DIFFERENCES CANNOT SLIDE WITH RESPECT TO ANOTHER, WHICH ELIMINATES ALL WEAR. APPLICATION IN PARTICULAR TO STEAM GENERATORS USED IN SUPERREGENERATOR REACTORS WITH LIQUID METAL COOLING.
Description
ii
La présente invention se rapporte à des tubes à dou- The present invention relates to doubly
ble paroi de conception perfectionnée pour un générateur de vapeur utilisé dans un réacteur surrégénérateur à refroidissement Improved design wall for a steam generator used in a fast-cooling reactor
par métal liquide.by liquid metal.
L'une des conceptions en cours de développement pour One of the designs being developed for
les générateurs de vapeur utilisés dans les réacteurs surrégé- the steam generators used in fast reactors
nérateurs à refroidissement par métal liquide, fait appel aux tubes à double paroi pour constituer l'interface d'échange de liquid-metal cooling units, uses double-walled tubes to form the interface for the exchange of
chaleur entre le sodium et l'eau Le tube intérieur peut conte- heat between sodium and water The inner tube can contain
nir l'eau tandis que l'enveloppe du générateur de vapeur contient water while the steam generator housing contains
le sodium liquide L'échange de chaleur se fait du sodium liqui- liquid sodium The heat exchange is made of liquid sodium
de vers l'eau qui se trouve à l'intérieur des tubes Un espace interne formé entre les deux parois de tube contient un gaz Si la paroi extérieure du tube est percée par le sodium ou si l'eau perce la paroi intérieure du tube, une fuite de l'un ou de l'autre de ces éléments pourra être détectée avant que ne to the water inside the tubes An internal space formed between the two tube walls contains a gas If the outer wall of the tube is pierced by sodium or if the water pierces the inner wall of the tube, leakage of one or the other of these elements can be detected before
se produise une réaction entre le sodium et l'eau L'espace in- a reaction between sodium and water occurs.
terne est rempli d'hélium circulant à des pressions intermé- dull is filled with helium flowing at intermediate pressures
diaires entre celle de l'eau ou de la vapeur circulant à l'in- between that of water or steam circulating in the in-
térieur du tube à double paroi, et celle du sodium contenu dans l'enveloppe du générateur de vapeur A l'interface des deux the double-walled tube, and that of the sodium contained in the steam generator envelope at the interface of the two
tubes, sont formées quatre rainures longitudinales qui se pro- tubes, are formed four longitudinal grooves that are pro-
longent sur toute la longueur des tubes et qui communiquent along the entire length of the tubes and which communicate
avec un réservoir de gaz isolé Ce réservoir est formé au mo- with an insulated gas tank This tank is formed
yen des assemblages des tubes à double paroi et de la plaque yen assemblies of double wall pipes and plate
tubulaire Ce réservoir est relié, à son tour, à des instru- This tank is connected, in turn, to
ments de détection des fuites d'eau afin de surveiller les per- detection of water leaks in order to monitor
cées de la paroi intérieure La région du générateur de vapeur contenant le sodium est reliée à des instruments de détection The region of the steam generator containing sodium is connected to detection instruments
de l'hélium afin de surveiller les percées de la paroi exté- helium to monitor breakthroughs in the outer wall
rieure du tube.the tube.
Cette conception de tubes à double paroi témoigne de beaucoup de prudence en ce qui concerne les réactions entre le sodium et l'eau mais elle comporte un danger possible d'usure à l'interface des parois des tubes Ces parois sont en contact à certains endroits, même s'il existe un intervalle théorique This design of double-walled tubes is very cautious as regards the reactions between sodium and water, but it involves a possible danger of wear at the interface of the walls of the tubes. These walls are in contact in certain places. even if there is a theoretical interval
entre elles Dans le générateur de vapeur, les tubes sont sou- In the steam generator, the tubes are often
mis à des gradients de température à la fois longitudinaux et radiaux Un des résultats nets est un glissement longitudinal à l'interface des parois des tubes Ces conditions conduisent à la possibilité d'une usure périodique à l'interface lorsque les températures des tubes varient au démarrage, pendant les montées et les descentes en puissance et au cours d'autres états thermiques transitoires Du fait de la forme géométrique du tube à double paroi, le métal d'usure formé à l'interface both longitudinal and radial temperature gradients One of the net results is a longitudinal slip at the interface of the tube walls These conditions lead to the possibility of periodic wear at the interface when the tube temperatures vary at start-up, during ups and downs and during other transient thermal states Due to the geometrical shape of the double-walled tube, the wear metal formed at the interface
reste emprisonné dans l'intervalle, ce qui peut augmenter da- remain imprisoned in the meantime, which may increase
vantage la contrainte de charge aux endroits locaux d'usure Le fait que cette usure peut se produire, a été démontré par des résultats d'essais Une solution possible à ce phénomène de glissement et d'usure entre le tube formant la paroi intérieure the fact that this wear can occur, has been demonstrated by test results A possible solution to this phenomenon of sliding and wear between the tube forming the inner wall
et le tube formant la parci extérieure, consiste à prêcontrain- and the tube forming the external parci, consists of pre-contrain-
dre les tubes au cours de leur fabrication L'objet de cette the tubes during their manufacture The purpose of this
précontrainte est d'empêcher le mouvement de glissement à l'in- prestressing is to prevent slippage
terface On peut également s'attendre à un meilleur rendement terface We can also expect better performance
de l'échange de chaleur, du fait de la précontrainte Actuel- of heat exchange, because of the current prestressing
lement, un certain doute subsiste concernant l'efficacité avec There is still some doubt about the effectiveness with
laquelle la précontrainte peut éliminer le phénomène de glis- prestressing can eliminate the phenomenon of
sement à l'interface On ignore dans quelle mesure les tubes at the interface It is not known to what extent the tubes
précontraints seront relaxés au cours de leur durée de vie u- prestressed will be relaxed during their lifetime u-
tile. L'objet principal de la présente inventionrest donc tile. The main object of the present invention is therefore
de fournir un tube dont la conception nouvelle permet d'élimi- to provide a tube whose new design eliminates
ner complètement le phénomène d'usure à l'interface sans renon- completely the phenomenon of wear at the interface without
cer aux propriétés d'échange de chaleur ou à la détection des to heat exchange properties or the detection of
fuites La présente invention a également pour objet un procé- The present invention also relates to a method of
dé de fabrication de ce tube.manufacturing die of this tube.
Pour réaliser cet objet, la présente invention réside To achieve this object, the present invention resides
en un générateur de vapeur pour réacteur surrégénérateur à re- into a steam generator for a fast breeder reactor
froidissement par métal liquide, du type à tubes à double pa- liquid metal cooling, of the double-pipe type
roi, caractérisé en ce que l'interface entre les doubles parois de tube est bloquée par un moyen mécanique prévu pour empêcher le glissement du tube formant la paroi intérieure par rapport characterized in that the interface between the double tube walls is blocked by a mechanical means provided to prevent slippage of the tube forming the inner wall with respect to
au tube formant la paroi extérieure. to the tube forming the outer wall.
La présente invention réside également en un procédé de blocage mécanique entre la face extérieure d'un tube formant The present invention also resides in a method of mechanical blocking between the outer face of a tube forming
la paroi intérieure et placé dans un tube extérieur, et la fa- the inner wall and placed in an outer tube, and the
ce intérieure de ce tube extérieur, ce procédé étant caracté- this interior of this outer tube, this method being characterized
risé en ce qu'il comprend les stades suivants: formation d'u- it includes the following stages: formation of
ne surface non lisse sur la face extérieure du tube intérieur; introduction de ce tube intérieur dans le tube extérieur, ce dernier présentant une face intérieure lisse; et jumelage des tubes formant la paroi intérieure et la paroi extérieure de manière à provoquer la déformation de la face intérieure du tube extérieur par la face extérieure du tube intérieur afin non-smooth surface on the outer face of the inner tube; introducing this inner tube into the outer tube, the latter having a smooth inner face; and pairing the tubes forming the inner wall and the outer wall so as to cause deformation of the inner face of the outer tube by the outer face of the inner tube to
de réaliser un blocage mécanique des deux tubes. to achieve a mechanical locking of the two tubes.
La présente invention sera bien comprise à la lec- The present invention will be well understood by reading
ture de la description suivante faite en relation avec les of the following description made in relation to the
dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a
tube à double paroi suivant l'art antérieur, destiné à un gé- double-walled tube according to the prior art, intended for a
nérateur de vapeur; la figure 2 est une vue en coupe schématique, à plus grande échelle, de la zone délimitée à la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe schématique du steam generator; Figure 2 is a schematic sectional view, on a larger scale, of the area defined in Figure 1; and FIG. 3 is a schematic sectional view of the
tube à double paroi conçu suivant la présente invention. double-walled tube designed according to the present invention.
On se reportera maintenant à la figure 1 qui illustre Referring now to Figure 1 which illustrates
la configuration fondamentale d'un tube à double paroi pour gé- the basic configuration of a double-walled tube for
nérateurs de vapeur.steam generators.
Un tube intérieur 2 introduit dans un tube extérieur 3 constitue un "tube à double paroi' avec uneinterface 5 L'eau An inner tube 2 introduced into an outer tube 3 constitutes a "double-walled tube" with an interface.
(la vapeur) circule à l'intérieur 1 du tube tandis que le so- (the vapor) circulates inside the tube 1 while the
dium liquide entoure le tube Des rainures 4 remplies de gaz communiquent avec un réservoir de gaz (non représenté) Les flèches indiquées à la figure 1 illustrent le mouvement de glissement tel qu'il peut se produire au cours des variations liquid dium surrounds the tube Gas-filled grooves 4 communicate with a gas tank (not shown) The arrows shown in FIG. 1 illustrate the sliding movement as it can occur during variations.
de température Dans le cas d'un tube droit à double paroi uni- In the case of a straight pipe with a double wall
forme, la surface moyenne de cisaillement au cours de la dila- form, the average area of shear during the expansion
tation longitudinale due aux différences de température, est la surface cylindrique droite à l'interface 5 des parois Dans le tube précontraint de conception courante, l'interface 5 est e soumise à une compression qui empêche le glissement et l'usure résultante La résistance au glissement résulte du frottement superficiel et de la résistance au cisaillement des aspérités 6 formées a la surface du tube comme le représente la figure 2 La surface de contact représente probablement 5 % environ de la surface totale dans un tube vraiment précontraint et In the prestressed tube of current design, the interface 5 is subjected to a compression which prevents sliding and the resulting wear. The longitudinal resistance due to the temperature differences is the right cylindrical surface at the interface of the walls. Slip results from surface friction and shear strength of the asperities 6 formed on the surface of the tube as shown in Figure 2. The contact area probably represents approximately 5% of the total area in a truly prestressed tube and
présentant un intervalle nominal de 0,0025 à 0,0063 mm à l'in- having a nominal range of 0.0025 to 0.0063 mm
terface 5 Une variation très faible des dimensions et (ou) une terface 5 Very small variation in dimensions and / or
perte de compression à l'interface 5 résultant d'une relaxa- loss of compression at the interface 5 resulting from a relaxation
tion des contraintes ou de gradients importants de température stress or significant temperature gradients
en service permettraient un glissement des tubes. in use would allow a sliding of the tubes.
La figure 3 illustre le concept de base de la pré- Figure 3 illustrates the basic concept of the pre-
sente invention, c'est-à-dire le blocage mécanique des surfa- invention, that is to say the mechanical blocking of
ces de paroi des tubes à l'interface 5 Dans cette conception, these wall-mounted tubes at the interface 5 In this design,
le glissement à l'interface 5 ne peut se produire sans le ci- slip at interface 5 can not occur without the
saillement d'une quantité significative de métal de base au voisinage de l'interface Il suffit de donner à ce dispositif de blocage une configuration qui empêchera tout déplacement de sanding a significant amount of base metal in the vicinity of the interface Just give this blocking device a configuration that will prevent any movement of
cisaillement dans le sens longitudinal Il-n'est pas nécessai- shear in the longitudinal direction It is not necessary
re d'empêcher les gradients de température dans le sens radial, pourvu que les variations de dimensions de l'intervalle soient to prevent temperature gradients in the radial direction, provided that variations in the size of the gap are
faibles comparativement à la longueur de la pénétration inté- weak compared to the length of the penetration
rieure à l'interface Le blocage nécessaire peut être réalisé à l'échelle macroscopique ou microscopique et présenter une The required blocking can be done on a macroscopic or microscopic scale and
configuration simple telle que celle de l'interface ondulée il- simple configuration such as that of the corrugated interface it-
lustrée à la figure 3.lustrous in Figure 3.
Il est facile de créer une configuration d'interface It's easy to create an interface configuration
telle que celle qui est représentée & la figure-3 Les caracté- as shown in Figure-3 Characteristics
risations microstructurelles de divers tubes à double paroi ont microstructural deposits of various double-walled pipes have
montré expérimentalement que la configuration souhaitée d'in- experimentally shown that the desired configuration of
terface pouvait être obtenue par un procédé appelé jumelage. terface could be obtained by a process called twinning.
Dans ce procédé, on dispose, au départ, d'un tube extérieur dont la face intérieure est relativement lisse et d'un tube intérieur In this process, there is initially an outer tube whose inner face is relatively smooth and an inner tube
dont la face extérieure a la configuration souhaitée On intro- whose outer face has the desired configuration.
duit les deux tubes l'un dans l'autre et on les:étire tous les duit the two tubes into each other and stretch them all
deux dans le sens longitudinal L'étirage provoque la contrac- two in the longitudinal direction Stretching causes contraction
tion du tube extérieur sur le tube intérieur dont la face exté- the outer tube on the inner tube whose outer face
rieure préformée déforme de manière permanente la face intérieu- preformed form permanently deforms the inner face
re du tube extérieur On a observé que, en conséquence de l'éti- of the outer tube It has been observed that, as a result of
rage pratiqué pendant l'opération de jumelage qui fait partie des processus courants de fabrication, la face extérieure du tube intérieur pénètre de 0,0016 à 0,0019 mm dans l'espace constitué par les rainureslongitudinales qui sont préformées dans la face intérieure du tube extérieur Ceci indique que, rage during the pairing operation which is part of common manufacturing processes, the outer face of the inner tube penetrates from 0.0016 to 0.0019 mm in the space formed by the longitudinal grooves which are preformed in the inner face of the tube This indicates that,
même dans le présent procédé, le métal flue pendant le jumela- even in the present process, the metal flutes during the twinning
ge en quantité suffisante pour réaliser l'interface de blocage ge in sufficient quantity to make the blocking interface
si la face extérieure du tube intérieur est correctement pré- if the outer face of the inner tube is correctly
formée.formed.
Pour produire des crêtes et des vallées circonféren- To produce ridges and circumferential valleys
tielles sur la face extérieure du tube intérieur, la face in- on the outer face of the inner tube, the inner face
térieure restant lisse, cylindrique et d'un diamètre correct, on peut effectuer un emboutissage planétaire ou simplement un meulage grossier de la face extérieure du tube intérieur avant While remaining smooth, cylindrical and of a correct diameter, it can be carried out planetary stamping or simply a rough grinding of the outer face of the inner inner tube
de procéder au jumelage.to proceed with the twinning.
Dans le cadre d'un programme de mise au point de tu- As part of a program to develop
bes précontraints à double paroi, deux échantillons de tubes à double paroi et ayant un contact d'interface sur 20 mm, ont été soumis à des charges s'élevant jusqu'à 4300 kg et ont été chargés cycliquement à 4100 kg ou plus pendant au moins 95 cycles à 400 'C Un échantillon a été essayé à l'état brut de double-walled prestressed tubes, two samples of double-walled tubes with 20 mm interface contact, were subjected to loads of up to 4300 kg and were loaded cyclically at 4100 kg or more for minus 95 cycles at 400 ° C A sample was tested in the raw state of
précontrainte et un autre après un traitement thermique de re- prestressing and another after a thermal treatment of
laxation des contraintes Les deux échantillons présentaient laxation of the constraints The two samples presented
par ailleurs un blocage mécanique à l'échelle microscopique. moreover, a mechanical blocking at the microscopic scale.
Aucun échantillon n'a subi de glissement et aucune usure n'a été constatée Des échantillons similaires qui ne comportaient pas d'interface de contact, ont glissé sous des charges de No samples were slipped and no wear was found Similar samples that did not have a contact interface slipped under loads of
36,3 kg et une usure s'est produite à l'interface. 36.3 kg and a wear occurred at the interface.
L'adjonction d'un blocage mécanique aux tubes à dou- The addition of a mechanical block to the dou-
ble paroi permet de supprimer la précontrainte. wall allows the removal of prestressing.
Pour l'appréciation de certaines des valeurs de me- For the appreciation of some of the values of
sure indiquées ci-dessus, on doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention a été conçue dans le cadre above, it must be taken into account that they come from converting imperial units to metric units. The present invention has been designed in the context of
d'un contrat conclu avec le Gouvernement des Etats-Unis d'Améri- of a contract concluded with the Government of the United States
que sous le no DOE-AC 02-77 ET 37201. only under No. DOE-AC 02-77 and 37201.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples The present invention is not limited to the examples
de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- which has just been described, it is necessary to
traire susceptible de variantes et de modifications qui ap- which may be subject to variations and modifications which
paraltront à l'homme de l'art.to the man of the art.
Claims (4)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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ST | Notification of lapse |