FR2828548A1

FR2828548A1 - Dispositif pour limiter les risques de fuites d'une jonction par bride

Info

Publication number: FR2828548A1
Application number: FR0110747A
Authority: FR
Inventors: Laurent Scliffet
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-02-14
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: FR2828548B1

Abstract

Un dispositif pour limiter des risques de fuites d'une jonction (1) entre une bride (6) et un élément correspondant (8) reliés entre eux par des moyens de fixation (24), ladite bride étant associée à l'extrémité d'un élément de tuyau (2) dans lequel circule un fluide (12) dont la température est susceptible de varier brusquement, ces brusques variations de température du fluide créant un gradient thermique transitoire entre une partie intérieure (16) de la bride en contact avec le fluide et une partie périphérique extérieure (18) de celle-ci entraînant ainsi une déformation non uniforme transitoire de ces parties pouvant provoquer des fuites. Le dispositif comporte au moins un matériau thermiquement conducteur relié par une première extrémité (52) à l'élément de tuyau (2) et par une seconde extrémité (54) à la partie périphérique (18) de la bride (6), et dont la diffusivité est supérieure à celle de la bride (6).

Description

La présente invention concerne des dispositifs pour limiter les risques de fuites d'une jonction par bride et plus particulièrement d'une jonction par bride boulonnée.

Les jonctions ou raccords par bride sont souvent utilisés pour raccorder des éléments tuyaux dans lesquels circule un fluide. Chaque élément de tuyau est alors muni à son extrémité d'une bride. Les brides sont alors raccordées l'une à l'autre à l'aide, par exemple, de goujons et d'écrous.

Dans les jonctions par bride connues lorsque la température du fluide à l'intérieur de l'élément de tuyau augmente brusquement, un gradient de température transitoire se crée entre une partie intérieure et une partie périphérique extérieure de la bride avant l'établissement d'une température uniforme. Ce gradient thermique transitoire provoque des déformations non uniformes transitoires de la bride. Ces déformations non uniformes de la bride provoquent des problèmes d'intégrité mécanique tels que l'endommagement des goujons. Cet endommagement des goujons est un facteur qui augmente les risques de fuites. De même, la situation inverse dans laquelle la température du fluide à l'intérieur de l'élément de tuyau diminue brusquement conduit également à des déformations transitoires non uniformes de la bride qui provoquent des fuites et également des problèmes d'intégrité mécanique.

L'invention vise à pallier ces inconvénients.

A cet effet elle a donc pour objet, un dispositif pour limiter des risques de fuites d'une jonction entre une bride et un élément correspondant reliés entre eux par des moyens de fixation, ladite bride étant associée à l'extrémité d'un élément de tuyau dans lequel circule un fluide dont la température est susceptible de varier brusquement, ces brusques variations de température du fluide créant un gradient thermique transitoire entre une partie intérieure de la bride en contact avec le fluide et une partie périphérique extérieure de celle-ci entraînant ainsi une déformation non uniforme transitoire de ces parties pouvant provoquer des fuites, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour limiter le gradient thermique transitoire.

Selon d'autres caractéristiques de cette invention :

- lesdits moyens pour limiter le gradient thermique transitoire comportent un matériau dont la diffusivité est supérieure ou égale à celle de la bride, et sont reliés entre d'une part l'élément de tuyau et d'autre part la partie périphérique de la bride ; - une bride dont la partie périphérique comporte les moyens de fixation comprenant des goujons et étant déformables sous l'effet de variations de température, caractérisé en ce que les moyens pour limiter le gradient thermique transitoire sont reliés entre d'une part l'élément de tuyau et d'autre part aux goujons ; - les moyens pour limiter le gradient thermique comportent, entre ses deux extrémités, une gaine thermiquement isolante à l'intérieur de laquelle est logé, en partie, ledit matériau thermiquement conducteur, - ledit matériau comporte du graphite ; - lesdits moyens pour limiter le gradient thermique sont reliés à l'élément de tuyau et/ou à la partie périphérique extérieure de la bride par l'intermédiaire d'une graisse formant conducteur thermique ; - le dispositif appliqué à une jonction par bride comportant un joint pour assurer l'étanchéité de la jonction, le joint comporte des moyens d'absorption des dilatations transitoires d'une partie de la bride ; - lesdits moyens d'absorption des dilatations d'une partie de la bride sont disposés sur la périphérie intérieure du joint ; et - le joint comporte une armature rigide formant un limiteur d'écrasement et une bague annulaire sur sa périphérie intérieure formant un limiteur d'expansion radiale dont la hauteur est inférieure à celle du limiteur d'écrasement de manière à ménager une cavité formant les moyens d'absorption des dilatations d'une partie de la bride.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une jonction par bride selon l'art antérieur ; - les figures 2 à 5 sont des demi-vues des déformations successives de la bride de la figure 1 lors d'un choc thermique chaud ;

- la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une bride équipée d'un dispositif, conforme à l'invention, pour limiter les risques de fuites d'une jonction par bride ; - la figure 7 est un graphe illustrant l'évolution au cours du temps de la différence de température entre une bride et un de ses goujons pour une bride équipée d'un dispositif conforme à l'invention et pour une bride non équipée.

- les figures 8A et 8B représentent schématiquement en coupe longitudinale un dispositif d'absorption des dilatations d'une bride ;
Sur la figure 1 on a représenté schématiquement en coupe longitudinale une jonction 1 par bride selon l'état de la technique entre deux éléments de tuyau 2 et 4 par l'intermédiaire de brides respectives 6,8 et d'un joint d'étanchéité 10.

A l'intérieur des éléments de tuyau circule un fluide 12 tel qu'un gaz, un liquide ou tout autre élément dont la température est susceptible de varier brusquement.

La bride 6, associée à l'extrémité de l'élément de tuyau 2, est en forme de virole ou de rebord annulaire. Elle comporte une partie intérieure 16 en contact avec le fluide 12 et une partie périphérique extérieure 18 en contact avec le milieu ambiant. Ces deux parties sont reliées par l'intermédiaire d'une partie centrale 19. Elle comporte également une face avant 20 en appui sur le joint 10 et une face arrière 22 en retrait de celle-ci.

La bride 6 est réalisée de façon classique en acier au carbone ou en acier carbone-manganèse qui est un matériau thermiquement conducteur.

Par exemple, ici, et dans la suite de la description on considère que la bride 6 est réalisée en acier inoxydable 316 L. Le flux surfacique d'échange thermique (P de la partie intérieure 16 de la bride avec le fluide 12 est calculé selon la relation suivante :

où H = 16 000 W/m K est le coefficient d'échange thermique calculé selon la loi de Colburn ; T est la température de la partie intérieure 16 de la bride ; et Too est la température du fluide 12.

Le coefficient d'échange thermique de la partie extérieure 18 de la bride avec le milieu ambiant est calculé de façon classique avec H = 10 W/m2K.

La bride 6 comporte, sur sa partie extérieure 18, des moyens de fixation 24 pour raccorder la bride 6 à la bride 8 correspondante. Ces moyens de fixation 24 sont par exemple formés de goujons 26 associés à des écrous 28. Les goujons 26 traversent de part en part les brides 6 et 8.

Les écrous 28 sont montés à chacune des extrémités des goujons pour solidariser ensemble les brides 6 et 8.

Les brides 6 et 8 sont semblables.

Dans l'exemple décrit ici, le joint 10, de forme annulaire, est formé de matière 30 déformable, telle que par exemple du graphite matricé expansé, et adapté pour assurer l'étanchéité de la jonction 1. Il comporte une première et une seconde armatures rigides formant un premier et un second limiteurs d'écrasement 32,34. Le premier et le second limiteurs d'écrasement 32 sont situés respectivement sur la périphérie interne et sur la périphérie externe du joint 10. Chaque limiteur 32,34 est adapté pour limiter l'écrasement de la matière 30. Dans l'exemple décrit ici, la partie intérieure 16 de la bride 6 est en appui sur le premier limiteur d'écrasement 32 tandis que la partie centrale de la bride 6 est en appui sur le second limiteur d'écrasement 34.

Les figures 2 à 5 représentent schématiquement des déformations non uniformes transitoires de la bride 6 de la figure 1 soumis à un gradient thermique transitoire provoqué par un choc thermique chaud. Par choc thermique chaud on désigne une brusque élévation de température du fluide
12, suivie par exemple d'une période pendant laquelle la température du fluide demeure stable. Par gradient thermique transitoire on désigne le gradient thermique existant entre la partie intérieure 16 de la bride et sa partie extérieure 18 avant l'établissement d'un gradient thermique stable, c'est à dire constant sur une période de temps. Sur cette figure seule la demi vue de droite de la bride de la figure 1 a été représentée, l'évolution des déformations de la partie gauche de la bride 6 étant similaire à celle de la partie droite. De plus, la bride 8 n'a pas été représentée car les phénomènes

de déformations transitoires non-uniformes de celle-ci sont similaires à ceux de la bride 6. On notera que les déformations non uniformes transitoires de la bride 6 représentées sur les figures 2 à 5 ne présentent qu'un caractère illustratif et ont été volontairement exagérées dans un souci de clarté.

Sur la figure 2 ainsi que sur les figures 3 à 5, une ligne 40 délimite une zone dilatée située sur sa gauche et une zone non dilatée située sur sa droite. La zone dilatée comprend les parties de la bride 6 et du joint 10 qui ont été dilatées par le choc thermique chaud tandis que la zone non dilatée regroupe les éléments non dilatés. Par conséquent, au fur et à mesure que le temps s'écoule après le choc thermique chaud la chaleur diffuse dans la bride 6 et la ligne 40 se déplace progressivement de la partie intérieure 16 de la bride en contact avec le fluide 12 vers sa partie extérieure 18.

Dans une première étape représentée à la figure 2 la zone dilatée ne comprend que la partie intérieure 16 de la bride en contact avec le fluide 12 et le premier limiteur d'expansion 32. Lors de cette étape, la partie intérieure 16 se dilate et prend appui sur le limiteur 32 pour soulever les parties centrale 19 et extérieure 18 en direction de la flèche F1, c'est à dire dans une direction tendant à écarter la bride 6 de la périphérie extérieure du joint 10. Le goujon 26 est alors soumis à une force de traction dans la direction de la flèche F1 susceptible de plastifier ses filets de serrage.

Dans une deuxième étape représentée à la figure 3A la zone dilatée comprend en plus la partie centrale 19 de la bride qui n'est pas en appui sur le second limiteur d'écrasement 34 du joint 10. Cette partie centrale dans un premier temps se soulève sous l'effet de la dilatation de la partie intérieure 16 de la bride. Elle fléchit dans un second temps comme représentée sur la figure 3B, sous la poussée de l'élément de tuyau 2 qui se dilate. Cette flexion, dans la direction F2 opposée à la flèche F1, relaxe momentanément l'effort de traction dans le goujon 26 mais provoque une flexion de celui-ci.

Dans une troisième étape, représentée à la figure 4, la zone dilatée comprend également l'ensemble de la partie centrale 19 de la bride et le second limiteur d'écrasement 34 du joint 10. Lors de cette étape, la partie centrale de la bride et le second limiteur d'écrasement 34 se dilatent. La partie centrale prend alors appui sur ce deuxième limiteur d'écrasement 34

ce qui déplace de nouveau la partie périphérique extérieure 18 de la bride dans la direction de la flèche F1. Le goujon 26 est ainsi soumis de nouveau à un effort de traction, sa flexion diminuant.

Finalement, dans une quatrième étape représentée à la figure 5 la zone dilatée comprend l'ensemble de la bride 6 ainsi que les moyens de fixation 24. Les moyens de fixation 24 se dilatent alors ce qui relaxe l'effort de traction dans le goujon 26.

Ainsi on conçoit à la lecture de la description de l'évolution des déformations transitoires de la bride 6 provoquées par un gradient thermique transitoire que ces déformations contribuent à fatiguer et à endommager les différents éléments de la jonction 1. La fatigue et l'endommagement de ces éléments, et notamment des goujons, sont des facteurs qui favorisent l'apparition de fuites par diminution du serrage initial.

Dans le cas d'un choc thermique froid, c'est-à-dire dans le cas où la température du fluide 12 diminue brusquement avant de se stabiliser à une température inférieure, il se crée également un gradient de température transitoire entre la partie intérieure 16 de la bride 6 et sa partie extérieure 18.

Lors de l'évolution de cette situation transitoire vers une situation stable, les différentes parties de la bride 6 se rétractent successivement sous l'effet de la baisse de température du fluide 12 en partant de sa partie intérieure 16 vers sa partie extérieure 18, ce qui fatigue et endommage les différents éléments de la jonction 1. De plus, les moyens de fixation 24 situés sur la partie extérieure 18 de la bride se rétractent plus lentement que la bride 6 et le serrage de celle-ci par les moyens de fixation diminue. Cette diminution du serrage est susceptible de provoquer directement l'apparition de fuites lors d'un choc thermique froid.

La figure 6 représente schématiquement et en coupe longitudinale la bride 6 de la figure 1 équipée d'un exemple de dispositif 50 pour limiter les risques de fuites d'une jonction par bride.

Le dispositif 50, aussi appelé shunt thermique, est muni de deux extrémités 52 et 54. La première extrémité 52 est reliée à l'élément du tuyau 2 à l'aide par exemple d'une bague de serrage 56. La seconde extrémité 54 est reliée à la partie périphérique extérieure 18 de la bride 6. De préférence

la seconde extrémité 54 est reliée aux moyens de fixation 24. Ici, par exemple, à au moins un goujon 26 des moyens de fixation.

Avantageusement, la bride 8 est également équipée d'un dispositif tel que le dispositif 50, relié à l'autre extrémité du goujon 26, c'est-à-dire à celle du côté de la bride 8, et à l'élément de tuyau 4.

Avantageusement, l'ensemble des goujons de serrage de la jonction 1 sont équipés d'un dispositif tel que le dispositif 50.

En variante, un dispositif pour limiter les risques de fuites (non représenté) comporte plusieurs branches ayant une extrémité commune en contact avec l'élément de tuyau 2. L'autre extrémité de chaque branche est en contact avec des goujons 26 respectifs.

Si nécessaire une graisse thermiquement conductrice (non représentée) ou tout autre moyen est interposé entre les extrémités du dispositif 50 et respectivement l'élément du tuyau 2 et/ou les moyens de fixation de manière à améliorer le contact thermique.

La capacité du dispositif 50 à transférer de la chaleur entre l'élément de tuyau 2 et les moyens de fixation 24 est fonction de la diffusivité du matériau du dispositif 50. On définit la diffusivité comme étant le rapport entre la conductivité thermique et la chaleur volumique d'un matériau, la chaleur volumique d'un matériau étant égale à la masse volumique multipliée par la chaleur massique. Ce rapport caractérise l'aptitude du matériau à transférer la chaleur. Par conséquent plus la diffusivité du matériau du dispositif 50 est grande plus le rapport entre la chaleur emmagasinée dans le dispositif 50 et celle transférée à son autre extrémité est faible. On choisit donc pour le dispositif 50 un matériau présentant la diffusivité la plus élevée possible. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, le matériau utilisé est du graphite expansé dont : - la conductivité ^ est égale 140 W/mK ; - la masse volumique est égale à 1100 kg/m3 ; et - la chaleur massique est égale 711 J/kg. K ; ce qui conduit à une diffusivité de 179. 10-6 m2/s. A titre de comparaison la diffusivité de l'acier inoxydable 316 L utilisé pour la bride 6 et de l'ordre de 4. 10-6 m2/s.

Pour rigidifier le graphite expansé, celui-ci est avantageusement logé dans un filet métallique (non représenté), le graphite expansé et le filet formant ainsi un matériau composite.

Avantageusement, le graphite et le filet métallique sont logés à l'intérieur d'une gaine thermiquement isolante 58 pour limiter les déperditions de chaleur vers l'extérieur entre les deux extrémités 52,54.

Ainsi l'efficacité du dispositif 50 est accrue.

La figure 7 est un graphe illustrant l'évolution de la différence de température entre l'élément de tuyau 2 et le goujon 26. Le choc thermique chaud est ici une brusque augmentation de la température du fluide 12 qui passe de 60 C à 280 C en 3 secondes. Les courbes représentées sur ce graphe ont été obtenues par une simulation numérique d'un modèle simplifié et ne présentent qu'un caractère illustratif.

Le graphe comporte deux courbes 60 et 62. La première courbe 60 représente le résultat obtenu dans le cas où la bride 6 n'est pas équipée du dispositif 50 de la figure 6. La seconde courbe 62 représente le résultat obtenu dans le cas où la bride 6 est équipée du dispositif 50.

Le fonctionnement d'un dispositif pour limiter les risques de fuites conforme à l'invention va maintenant être décrit à l'aide des figures 6 et 7 dans le cas particulier d'un choc thermique chaud.

Le choc thermique chaud est ici provoqué par le passage de la température du fluide 12 de 600C à 2800C en 3 secondes. L'élément de tuyau 2 et la partie intérieure 16 de la bride 6 en contact avec le fluide 12 s'échauffent en premier. La chaleur diffuse alors progressivement dans la bride 6 de sa partie intérieure 16 vers sa partie extérieure 18. Dans le même temps, la chaleur diffuse dans le dispositif 50 de sa première extrémité 52 en contact avec l'élément tuyau 2 vers sa seconde extrémité 54 en contact avec les moyens de fixation 24. La diffusivité du matériau du dispositif 50 étant nettement supérieure à celle de la bride 6, la chaleur diffuse plus rapidement dans le dispositif 50 que dans la bride 6 et les moyens de fixation 24 chauffent donc plus rapidement. Les variations de température de l'élément de tuyau 2 sont donc répercutées beaucoup plus rapidement vers les moyens de fixation 24 ce qui limite la différence de température entre les

deux comme le montre la comparaison des courbes 60 et 62 de la figure 7.

Ainsi le dispositif 50 constitue un exemple de moyens pour limiter le gradient thermique transitoire.

En effet, on constate sur cette figure 7 que la différence de température transitoire qui s'établit lors d'un choc thermique chaud est limitée en amplitude et en durée dans le cas où la bride 6 est équipée du dispositif 50 (courbe 62). Par exemple lors d'un choc thermique chaud provoqué par un brusque réchauffement du liquide 12 de 60 C à 280 C en 3 secondes il a été déterminé qu'une demi-heure après le choc thermique les moyens de fixation 24 présentent une température inférieure de plus de 50 degrés à celle d'une bride non équipée du dispositif 50. Par conséquent les déformations non uniformes de cette bride sont limitées en amplitude et en durée de sorte que l'endommagement des éléments de la jonction 1 est limité. Par conséquent, les risques de fuites liés à cet endommagement diminuent.

Le fonctionnement du dispositif 50 lors d'un choc thermique froid découle du fonctionnement décrit ci-dessus lors d'un choc thermique chaud. En effet le dispositif 50 permet de refroidir beaucoup plus rapidement les moyens de fixation 24. Le goujon 26 se rétractent donc plus rapidement et le serrage de la jonction 1 ne se relâche quasiment pas. Par conséquent, d'une part les fuites provoquées par le relâchement des moyens de fixation 24 sont limitées, et d'autre part, l'endommagement des éléments de la jonction 1 est également limité.

En variante et de façon complémentaire, le dispositif 50 peut être utilisé conjointement avec un joint 70 représenté sur les figures 8A et 8B.

Les figures 8A et 8B sont une demi-vue de la partie droite de la bride 6 en coupe longitudinale. Dans cette variante le joint 70 suivant l'invention remplace le joint classique 10 de la figure 1.

Ce joint 70 comporte sur sa périphérie externe une armature rigide formant un limiteur d'écrasement 72 similaire à ceux de la figure 1 et sur sa périphérie intérieure une bague annulaire formant un limiteur d'expansion radiale 74. La hauteur du limiteur d'expansion radiale 74 est inférieure à la hauteur du limiteur d'écrasement 72 de manière à ménager une cavité 76

d'absorption des dilatations de la partie intérieure 16 de la bride 6. De façon similaire au joint 10 de la figure 1 une matière déformable 78 apte à assurer l'étanchéité du raccord 1 est interposée entre le limiteur d'expansion radiale 74 et le limiteur d'écrasement 72.

Lors d'un choc thermique chaud, la partie intérieure 16 de la bride 6 en contact avec le fluide 12 se dilate tandis que les autres parties de la bride ne se déforment pas. La matière de la partie intérieure 16 de la bride 6 déplacée sous l'effet de cette dilatation vient remplir la cavité 76 comme illustré sur la figure 8B. Ainsi la situation représentée sur la figure 2 est atténuée par la présence de la cavité 76, car la partie dilatée 16 de la bride n'a pas d'appui pour soulever les parties non dilatées. Par conséquent, les parties non dilatées restent en appui étanche sur le limiteur d'écrasement 74.

Un tel joint permet donc également en combinaison avec le dispositif 50 de limiter l'endommagement des éléments de la jonction 1 lors d'un choc thermique chaud et par conséquent limite les risques de fuites.

En variante et de façon complémentaire le dispositif 50 est utilisé conjointement avec un joint ne comportant pas de limiteur d'écrasement sur sa périphérie intérieure. Ainsi la matière de la partie intérieure 16 de la bride 6 déplacée sous l'effet d'une dilatation transitoire, déforme le joint. De façon analogue à ce qui vient d'être décrit pour le joint 70 des figures 8 et 8A, la partie dilatée de la bride n'a pas d'appui pour soulever les parties non dilatées ce qui limite l'endommagement des éléments de la jonction par bride et notamment des goujons.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour limiter des risques de fuites d'une jonction (1) entre une bride (6) et un élément correspondant (8) reliés entre eux par des moyens de fixation (24), ladite bride (6) étant associée à l'extrémité d'un élément de tuyau (2) dans lequel circule un fluide (12) dont la température est susceptible de varier brusquement, ces brusques variations de température du fluide (12) créant un gradient thermique transitoire entre une partie intérieure (16) de la bride (6) en contact avec le fluide (12) et une partie périphérique extérieure (18) de celle-ci entraînant ainsi une déformation non uniforme transitoire de ces parties pouvant provoquer des fuites, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (50) pour limiter le gradient thermique transitoire comportant au moins un matériau thermiquement conducteur relié par une première extrémité (52) à l'élément de tuyau (2) et par une seconde extrémité (54) à la partie périphérique (18) de la bride (6), et dont la diffusivité est supérieure à celle de la bride (6).

2. Dispositif selon la revendication 1, appliqué à une bride (6) dont la partie périphérique (18) comporte les moyens de fixation (24) comprenant des goujons (26) et étant déformables sous l'effet de variations de température, caractérisé en ce que ladite seconde extrémité (54) est reliée aux goujons (26).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (50) pour limiter le gradient thermique comportent, entre ses deux extrémités (52,54), une gaine thermiquement isolante (58) à l'intérieur de laquelle est logé, en partie, ledit matériau thermiquement conducteur.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau comporte du graphite.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau thermiquement conducteur est relié à l'élément de tuyau (2) et/ou à la partie périphérique extérieure (18) de la bride (6) par l'intermédiaire d'une graisse formant conducteur thermique.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué à une jonction par bride comportant un joint (70) pour

assurer l'étanchéité de la jonction (1), caractérisé en ce que le joint (70) comporte des moyens (76) d'absorption des dilatations transitoires d'une partie de la bride (6).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens (76) d'absorption des dilatations d'une partie de la bride (6) sont disposés sur la périphérie intérieure du joint (70).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le joint (70) comporte une armature rigide formant un limiteur d'écrasement (72) et une bague annulaire sur sa périphérie intérieure formant un limiteur d'expansion radiale (74) dont la hauteur est inférieure à celle du limiteur d'écrasement de manière à ménager une cavité (76) formant les moyens d'absorption des dilatations d'une partie de la bride (6).