FR2762068A1 - Dispositif anti-vibration pour piquages - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif anti- vibration pour piquage (100) de collecteur (200) comprenant un élément amortisseur (310) destiné à être placé parallèlement au piquage (100) et apte, par déformations cycliques dissipatives, à absorber les excès d'énergie cinétique du piquage (100) .

Description

La présente invention est relative à un dispositif visant à réduire les vibrations d'une tuyauterie de piquage disposée sur une tuyauterie principale.

Lorsqu'on souhaite réduire les vibrations d'un piquage par rapport à une tuyauterie principale ou collecteur, on sait aujourd'hui utiliser un collier raidisseur qui rigidifie l'ensemble piquage/collecteur. De cette façon, on limite les déplacements de l'extrémité du piquage par rapport au collecteur afin de réduire les contraintes en pied de piquage, dues aux vibrations.

Les dispositifs connus basés sur ce principe n'apportent pas entière satisfaction. De faibles écarts de positionnement du collier raidisseur ou de faibles écarts géométriques entre le collier raidisseur et l'ensemble piquage/collecteur induisent, dès la mise en place, des contraintes statiques élevées, en raison de la rigidité élevée du collier raidisseur.

Ces dispositifs, s'ils ont l'avantage de réduire l'amplitude des vibrations, peuvent produire des contraintes statiques qui déplacent les cycles de contraintes en dehors des limites acceptables.

Un autre inconvénient majeur réside dans le fait que les pièces constitutives de ces dispositifs antivibration ne sont pas soumises aux mêmes variations de température que le piquage lui même. Les écarts de dilatations thermiques entre le piquage et le dispositif anti vibration induisent là encore des contraintes élevées dues à la rigidité du dispositif raidisseur.

Dans les deux cas qui viennent d'être exposés, les effets néfastes sont peu maîtrisables et le gain en terme de durée de vie des piquages équipés n'est pas garanti.

Une autre méthode consiste à changer ou bien le piquage, ou bien le piquage et une partie du collecteur située dans son voisinage proche, puis à mettre en place un piquage plus léger et présentant une jonction au collecteur plus robuste. Cette solution est onéreuse.

On connaît également le principe consistant à découpler les vibrations du collecteur des déplacements de la vanne, en introduisant une tuyauterie flexible entre ces deux éléments. Aujourd'hui, il n'existe pas de tels flexibles qualifiés sur les circuits classés des centrales nucléaires.

L'objet de l'invention est de proposer un dispositif anti-vibration efficace, facile et rapide à mettre en oeuvre, de coût réduit, n'introduisant pas d'effets mécaniques indésirables, et présentant de grandes tolérances au niveau de la mise en oeuvre.

Ces différents buts sont atteints selon l'invention grâce à un dispositif anti-vibration pour piquage de collecteur, comprenant un élément amortisseur destiné à être placé parallèlement au piquage et apte, par déformations cycliques dissipatives, à absorber les excès d'énergie cinétique du piquage.

Selon des dispositions avantageuses, ce dispositif pourra présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - il comporte des moyens aptes à lier rigidement l'élément amortisseur d'une part au niveau de l'extrémité du piquage, d'autre part à la base du piquage au niveau du bossage - le dispositif comporte un étrier en U fileté à ses deux extrémités permettant d'entourer la base du piquage, et de comprimer par vissage l'élément amortisseur contre la base du bossage - le dispositif comporte une plaque métallique percée et au moins un orifice traversant l'élément amortisseur, aptes à recevoir une même vis de fixation de l'élément amortisseur sur l'extrémité du piquage - l'élément amortisseur est de forme plane - l'élément amortisseur présente une rigidité et une masse suffisamment faibles pour ne pas modifier les fréquences propres du piquage - l'élément amortisseur comporte une plaque en matériau amortissant prise en sandwich entre deux feuilles élastiques maintenues solidaires entre elles aux points de liaison de l'élément amortisseur avec le piquage et/ou avec le collecteur, les feuilles élastiques étant pratiquement indéformables dans leur plan, de sorte que la plaque en matériau amortissant travaille en cisaillement - les feuilles élastiques sont des feuilles métalliques - les feuilles élastiques et la plaque en matériau amortissant présentent une rigidité et une masse suffisamment faibles pour ne pas modifier les fréquences propres du piquage dans les modes où le piquage subit une flexion dans le plan perpendiculaire à l'élément amortisseur.

Un autre objet de l'invention est de proposer un collecteur muni d'un piquage et d'un dispositif antivibration du piquage, dans lequel le dispositif antivibration comprend un élément amortisseur placé parallèlement au piquage et apte, par déformations cycliques dissipatives, à absorber les excès d'énergie cinétique du piquage.

Selon des dispositions avantageuses, ce collecteur pourra présenter la caractéristique suivante - l'élément amortisseur est lié rigidement d'une part au niveau de l'extrémité du piquage, d'autre part à la base du piquage.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un piquage de collecteur de type connu - la figure 2 est une vue en perspective d'un piquage de collecteur équipé d'un dispositif anti-vibration conforme à la présente invention - la figure 3 est une vue de dessus d'un piquage similaire à celui de la figure 2, et équipé d'un même dispositif anti-vibration - la figure 4 est une coupe transversale du même ensemble piquage/dispositif selon l'invention, selon un plan de coupe IV-IV indiqué sur la figure 3 - la figure 5 est une vue de dessus d'un piquage similaire à celui de la figure 3, équipé d'un dispositif antivibration comportant une plaque amortissante prise en sandwich entre deux feuilles élastiques métalliques selon l'invention ; et - la figure 6 est une coupe transversale du même ensemble piquage/dispositif selon l'invention, selon un plan de coupe VI-VI indiqué sur la figure 5 - la figure 7 est un tracé illustrant la réponse vibratoire du piquage lors d'un balayage fréquentiel, d'une part pour un piquage sans dispositif anti-vibration, d'autre part pour un piquage muni d'un dispositif antivibration conforme à la présente invention.

Le piquage représenté sur la figure 1 a été référencé 100 dans son ensemble. Il est fixé à sa base à une tuyauterie principale ou collecteur 200, partiellement représenté.

Ce piquage 100 de type courant est constitué d'un bossage 110, d'une allonge 120 et d'une vanne 130 actionnable par un volant 140. Le piquage 100 est fixé de manière étanche sur le collecteur 200 par une soudure 112 au niveau de la base 115 du bossage 110.

La structure générale et le fonctionnement d'un tel piquage 100 sont connus de l'homme de l'art et ne seront pas décrits plus avant.

Lors de la circulation de fluide à l'intérieur du collecteur 200, ce dernier entre en vibration et excite à son tour le piquage 100 en vibration.

On distingue parmi les modes vibratoires du piquage, les modes où l'allonge 120 travaille en flexion, et ceux où l'allonge 120 travaille en torsion. Dans les deux cas, les contraintes cycliques au niveau de la jonction 112 entre le bossage 110 et le collecteur 200 peuvent dépasser un seuil de fatigue vibratoire au-delà duquel la durée de vie du piquage est fortement réduite.

Le piquage est dans ce cas qualifié de sensible à la vibration.

C'est notamment le cas lorsque les fréquences modales du collecteur 200 qui sont excitées pendant l'utilisation coïncident avec les fréquences modales du piquage 100.

Ce phénomène, communément appelé Jaaccrochagefl, est difficile à maîtriser car les fréquences modales du collecteur et du piquage varient en fonction de leur géométrie et, de plus, l'amplitude des fréquences modales excitées du collecteur dépendent des sollicitations qu'il subit. En cas d'accrochage parfait, la rupture est quasicertaine.

Le piquage des figures 2 à 4, semblable à celui de la figure 1 et dont les éléments sont désignés par les mêmes signes de référence, est équipé d'un dispositif anti-vibration 300 selon l'invention.

Ce dispositif comporte une plaque oblongue 310 réalisée en matériau amortissant formant un élément amortisseur 310 qui s'étend parallèlement à l'allonge 120, de la base 115 du bossage 110 à la vanne 130. L'épaisseur de l'élément amortisseur 310 est de l'ordre du cinquième du diamètre de l'allonge 120 du piquage, et sa largeur est sensiblement égale au diamètre du bossage 110, et dépend des caractéristiques rhéologiques du matériau.

L'élément amortisseur 310 est fixé à la vanne 130 par l'intermédiaire d'une vis 330 et d'une plaque 335.

L'élément amortisseur 310 et la plaque 335 comportent chacun un orifice apte à recevoir la vis 330, qui est engagée dans un orifice fileté, réalisé dans la vanne 130 et non représenté. Le serrage de la vis 330 comprime l'élément amortisseur 310 entre la vanne 130 et la plaque 335. On peut disposer autour de la vis 330 et dans l'orifice de l'élément amortisseur 310, une entretoise de longueur légèrement inférieure à l'épaisseur de l'élément amortisseur 310, de façon à ce que le vissage de la vis 330 ne provoque pas un écrasement de l'élément amortisseur 310.

L'élément 310 est fixé au bossage 110 par l'intermédiaire d'un étrier 340 en U, qui entoure le bossage 110 et dont les branches 341 et 342 traversent l'élément amortisseur 310 par deux orifices 312 et 314.

Les extrémités des branches 341 et 342 sont filetées et reçoivent chacune un écrou 348 et 349. Les branches 341 et 342 traversent également un élément de fixation inférieur 350, disposé entre l'élément amortisseur 310 et le bossage 110. L'élément de fixation 350 possède sur sa face inférieure, au contact avec le bossage 110, une glissière 355 de réception du bossage 110. On dispose de plus une plaque inférieure de contact et de diffusion des efforts 358 entre l'élément de fixation 350 et l'élément amortisseur 310. Entre les écrous 348 et 349 et l'élément amortisseur 310 est disposée une plaque supérieure 360 de contact et de diffusion des efforts. Entre la plaque inférieure 358 et la plaque supérieure 360, à l'intérieur des orifices 312 et 314 de passage des branches 341 et 342, et autour de ces branches, sont disposés deux manchons cylindriques 344 et 345 formant deux entretoises de longueur légèrement inférieure à l'épaisseur de l'élément amortisseur 310, et dont le rôle est de protéger l'élément 310 d'un écrasement par serrage des écrous 348 et 349.

L'élément amortisseur 310 est de cette façon lié rigidement au bossage 110 et à la vanne 130. Il présente ainsi une position légèrement incurvée, avec un point d'inflexion dans sa partie centrale.

Selon une variante non représentée, l'étrier 340 en forme de U et la vis 330 peuvent être remplacés par des pinces aptes à s'adapter à différentes dimensions et géométries de piquages, ce qui permet d'améliorer encore la facilité de mise en place.

Sur les figures 5 et 6 est représentée une variante de la présente invention. Sa structure générale est semblable à celle du dispositif des figures 2 à 4, et les éléments identiques ou similaires, désignés par les mêmes signes de référence, ne seront pas décrits à nouveau.

Le dispositif anti-vibration selon cette variante se distingue du précédent en ce qu'une plaque en matériau amortissant 315, dont les dimensions sont proches de celles de la plaque en matériau amortissant précédemment décrite, est intercalée entre deux feuilles élastiques 324 et 326. La plaque 315 et les feuilles élastiques 324 et 326 forment ainsi un élément amortisseur multicouche 310, les couches étant collées les unes aux autres sur l'ensemble de leurs surfaces de contact.

Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention représenté sur les figures 5 et 6, l'épaisseur des plaques métalliques 324 et 326 est de 0,5 mm, et l'épaisseur de la plaque en matériau amortissant est de 5 mm.

Le mode de fixation de l'élément amortisseur 310 sur le piquage 100 est identique à celui décrit précédemment. Il permet de maintenir les deux feuilles solidaires au niveau des fixations de l'élément amortisseur 310 sur le piquage 100. Pour la clarté de la description, on qualifiera ce dispositif de "multicouche" par la suite, et le dispositif des figures 2 à 4 de "monocouche".

On décrira ci-après le fonctionnement du dispositif anti-vibration selon l'invention. Dans le mode de réalisation préférentiel des figures 2 à 4, le plan moyen de l'élément amortisseur 310 est parallèle à la direction principale du collecteur 200. Les extrémités de l'élément amortisseur 310 étant rigidement liées, lune au bossage 110, l'autre à la vanne 130, l'élément amortisseur 310 présente à chaque instant un état de déformation lié à celui du piquage 100. Plus précisément, les déplacements et rotations relatifs des extrémités de l'élément amortisseur 310 sont les mêmes que ceux de la vanne 130 par rapport au bossage 110.

L'élément amortisseur 310 subit donc des déformations cycliques, du même ordre de grandeur et à la même fréquence que les déformations cycliques du piquage 100.

Le matériau amortissant est choisi pour produire un effet d'amortissement adapté, c'est-à-dire une dégradation de l'énergie cinétique qui soit efficace pour les déformations de cet ordre de grandeur, dans cette gamme de fréquences et à la température d'utilisation du dispositif.

En pratique, on choisit un matériau viscoélastique adapté à une gamme de fréquences allant de 50 Hz à 150 Hz et à une gamme de températures allant de 10 à 1200C. On pourra notamment se procurer un tel matériau parmi les VIBTENE@, réalisés par la société VIBRACHOC. Les VIBTENEs trouvent de nombreuses applications dans la marine, l'aéronautique, le ferroviaire, ou les applications médicales.

D'une manière générale, on pourra utiliser tout matériau présentant un cycle contrainte-déformation d'aire suffisamment importante aux fréquences d'oscillation du piquage pour produire une dissipation efficace de l'énergie cinétique sous forme de chaleur.

De manière préférentielle, on choisit un matériau ayant un coefficient d'amortissement B qui soit proche de 1,5 dans des températures comprises entre 20 et 600C.

La figure 7 montre l'effet du dispositif antivibration monocouche sur le comportement vibratoire d'un couple collecteur/piquage courant. Ce diagramme présente les vitesses mesurées sur la vanne 130 pour une excitation du collecteur d'énergie sensiblement constante sur une bande de fréquence allant de 0 à 200 Hz.

Les courbes en pointillé sont des mesures sur un piquage non muni du dispositif anti-vibration. Elles présentent deux pics A et C qui correspondent chacun à une résonance du piquage.

Dans le mode vibratoire du pic A, le piquage a une déformée modale en flexion dans le plan perpendiculaire à l'axe du collecteur. Dans le mode vibratoire du pic C, le piquage a une déformée modale en flexion dans le plan parallèle à l'axe du collecteur.

Pour ces deux pics, les valeurs des vitesses de la vanne correspondent à des valeurs de contraintes cycliques à la jonction piquage/collecteur qui sont inacceptables en terme de fatigue.

Les courbes en trait plein sont les mesures réalisées sur un même couple piquage/collecteur muni du dispositif anti-vibration monocouche représenté sur les figures 2 à 4. Ces courbes présentent deux pics légers B et D correspondant respectivement aux pics A et C.

Le pic B correspond à la même résonance que pour le pic A, atténué dans ce cas par le dispositif antivibration. Grâce à l'action dissipative du dispositif, les effets sur la vitesse de la vanne sont réduits d'environ 80%. Les contraintes en pied de piquage sont directement liées à la vitesse de vanne, et sont réduites dans les mêmes proportions.

Le comportement vibratoire de l'ensemble collecteur/piquage n'est pratiquement pas modifié, dans le sens où les résonances se produisent également, et sensiblement aux mêmes fréquences que dans le cas du piquage dépourvu du dispositif selon l'invention. En effet, la masse du dispositif étant très faible, et celuici n'introduisant qu'une très faible rigidité supplémentaire, les fréquences et déformées modales du piquage ne sont que très faiblement modifiées. Le dispositif ne perturbe pas non plus le comportement du collecteur et sa faible masse ne remet pas en cause les calculs sismiques. En outre, la gamme de fréquences où le matériau amortissant est efficace est suffisamment large pour que le dispositif traite les modes aux fréquences où ils existent. Le dispositif s'adapte de lui même aux particularités du piquage et règle ainsi le problème de la dispersion de fabrication.

Le dispositif anti-vibration tel que représenté sur les figures 2 à 4 réduit donc efficacement l'amplitude de la réponse vibratoire du piquage aussi bien dans le cas d'une flexion dans le plan parallèle à la plaque amortissante que dans le cas d'une flexion dans le plan perpendiculaire à la plaque amortissante.

Dans le cas d'une variante multicouche, c'est-àdire comportant des feuilles métalliques élastiques 324 et 326 sur les faces de la plaque amortissante 315, l'effet obtenu sera très différent selon la direction de flexion par rapport à la plaque 315.

L'effet de dissipation d'énergie sera meilleur que celui obtenu dans le cas du dispositif monocouche, lorsque le mode de flexion du piquage est perpendiculaire au plan de la plaque amortissante 310. En effet, dans le cas d'un élément amortisseur multicouche, les feuilles métalliques 324 et 326 étant pratiquement indéformables dans leur plan en comparaison avec la plaque amortissante 315, une flexion de l'ensemble amortisseur 310 se traduit au moins localement par des glissements des feuilles 324 et 326 l'une par rapport à l'autre.

Le matériau amortissant étant adhésivé aux feuilles élastiques 324 et 326, il s'adapte à ces glissements par déformation en cisaillement dans son épaisseur. C'est en travaillant ainsi en cisaillement que le matériau transforme le plus efficacement l'énergie mécanique en chaleur.

Les feuilles élastiques 324 et 326 sont ici des feuilles métalliques en acier.

Le module de Young de l'acier étant proche de 2.101lN/m2, et celui du matériau amortissant étant proche de 107 N/m2, le rapport des modules de Young acier/matériau amortissant est donc proche de 2.104.

Un rapport des modules de Young de cet ordre de grandeur garantit, pour la géométrie adoptée, la quasiinféformabilité des plaques 324 et 326 dans leur plan, et donc un travail en cisaillement de la plaque amortissante 315.

Dans une variante, les feuilles 324 et 326 peuvent être constituées d'une matière plastique ayant un module de Young suffisamment élevé pour qu'elles soient pratiquement indéformables, dans leur plan, et pour faire travailler ainsi la plaque amortissante 315 en cisaillement.

De manière générale, un rapport module de Young des feuilles élastiques/module de Young du matériau amortissant qui soit supérieur à 100 suffit à garantir, avec une géométrie proche de celle décrite ci-dessus, un fonctionnement en cisaillement de la plaque amortissante 315.

Dans le cas d'une résonance où le mode de flexion du piquage est dans le plan de la plaque amortissante, le dispositif multi-couche a un effet d'amortissement nettement plus faible. En effet, les feuilles métalliques élastiques s'opposant à toute déformation dans leur plan, elles interdisent une déformation de l'élément multicouche 310 dans son ensemble et le matériau amortissant n'est pratiquement pas déformé.

Dans ce mode de flexion, le dispositif antivibration introduit une rigidité accrue de l'ensemble piquage/dispositif anti-vibration. La fréquence correspondant à ce mode vibratoire est donc décalée vers les fréquences plus élevées.

Cet effet peut être avantageusement utilisé dans le cas des géométries courantes de piquages de centrales nucléaires. En pratique, les vitesses vibratoires du piquage ont des valeurs faibles en-dehors des deux modes de flexion précédemment exposés. Le problème vibratoire se résume donc à la gestion de ces deux modes de flexion.

On constate de plus que les deux fréquences modales correspondantes délimitent un intervalle de fréquences particulier dans le voisinage duquel il faut éviter la présence de fréquences modales du collecteur. On place donc avantageusement la plaque multi-couche perpendiculairement au plan du mode de flexion de fréquence haute, et parallèlement au plan du mode de fréquence basse. De la sorte, on réduit l'étendue de cet intervalle en rejetant par rigidification le mode bas vers l'extrémité supérieure de l'intervalle permis, et on atténue l'amplitude vibratoire du mode haut par amortissement.

On peut également disposer deux dispositifs sur un même piquage, et dans deux plans perpendiculaires.

Selon une variante non représentée, l'élément amortisseur peut être un cylindre de révolution en matériau amortissant s'étendant parallèlement au piquage dans sa position de montage. Un tel cylindre de révolution permet d'obtenir un comportement isotrope dans les différentes directions de flexion.

On notera que le dispositif anti-vibration est facilement démontable, ce qui est fort appréciable lors des inspections du piquage, comme par exemple les contrôles non destructifs tels que les contrôles de ressuage. De plus, sa mise en place ne nécessite pas de compétences particulières.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif anti-vibration pour piquage (100) de collecteur (200), caractérisé en ce qu'il comprend un élément amortisseur (310) destiné à être placé parallèlement au piquage (100) et apte, par déformations cycliques dissipatives, à absorber les excès d'énergie cinétique du piquage (100).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens aptes à lier rigidement l'élément amortisseur (310) d'une part au niveau de l'extrémité du piquage (130), d'autre part à la base (110) du piquage (100).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif (300) comporte un étrier en U (340) fileté à ses deux extrémités (341,342) permettant d'entourer la base du piquage (110), et de comprimer par vissage l'élément amortisseur (310) contre la base du bossage (110).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque métallique (335) percée et au moins un orifice traversant l'élément amortisseur (310), aptes à recevoir une même vis de fixation (330) de l'élément amortisseur (310) sur l'extrémité du piquage (130).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (310) est de forme plane.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (310) présente une rigidité et une masse suffisamment faibles pour ne pas modifier les fréquences propres du piquage (100).

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (310) comporte une plaque en matériau amortissant (315) prise en sandwich entre deux feuilles élastiques (324, 326) maintenues solidaires entre elles aux points de liaison de l'élément amortisseur (310) avec le piquage (100) et/ou avec le collecteur (200), les feuilles élastiques étant pratiquement indéformables dans leur plan, de sorte que la plaque en matériau amortissant (315) travaille en cisaillement.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les feuilles élastiques (324, 326) sont des feuilles métalliques.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les feuilles élastiques (324, 326) et la plaque en matériau amortissant (315) présentent une rigidité et une masse suffisamment faibles pour ne pas modifier les fréquences propres du piquage (100) dans les modes où le piquage subit une flexion dans le plan perpendiculaire à l'élément amortisseur (310).

10. Collecteur (200) muni d'un piquage (100) et d'un dispositif anti-vibration (300) du piquage (100), caractérisé en ce que le dispositif anti-vibration (300) comprend un élément amortisseur (310) placé parallèlement au piquage (100) et apte, par déformations cycliques dissipatives, à absorber les excès d'énergie cinétique du piquage (100).

11. Collecteur (200) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (310) est lié rigidement d'une part au niveau de l'extrémité du piquage (100), d'autre part à la base (110) du piquage (100).