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Procédé et dispositif de fixation et d'étanchéité de tubes dans une paroi.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la fixation et l'étanchéité de tubes dans une paroi, en particulier dans les échangeurs de chàleur.
Il est connu de relier des tubes à une paroi de chaudière en comprimant un agent plastique et élastique enfermé de toutes parts. Le procédé connu a l'inconvénient qu'il nécessite un plongeur pour comprimer l'agent élastique, ce qui implique un dispositif de com-
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pression de grand poids, étant donné les pressions élevées nécessaires. La présente invention consiste en ce que la fixation et l'étanchéité sont effectuées par un agent liquide ou gazeux sous pression, élargissant le tube et poussant contre la paroi du trou.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé consiste en un corps introduit dans le tube à fi- xer et à rendre étanche et qui forme avec la paroi du tube une chambre qui reçoit l'agent sous pression servant à élargir et appliquer le tube. Le corps en question peut être un tube à paroi épaisse qui est fermé à une extrémité et est percé d'un trou transversal débouchant dans la chambre de pression, la partie limitant la chambre de pression ayant un diamètre plus petit que le diamètre intérieur du tube à élargir;
en outre, un agent d'étanchéité plastique ou élastique est placé des deux croies de la chambre de pression qui présentent chacun deux bagues coniques réglables dont celle de l'extérieur est fendue, etqui peuvent être serrées au moyen d'écrous de serrage vissés sur le tube central. Celles des bagues servant à soutenir les anneaux d'étanchéité qui ferment la chambre de l'agent sous pression, bagues se dilatant avec la paroi du tube, peuvent être faites en une matière ayant une élasticité telle que ces bagues puissent supporter une dilatation de 0,5 % ou davantage sans déformation permanente, dans le but de rendre possible l'étanchéité de beaucoup de tubesles uns après les autres, sans détériorer ou sans changer les anneaux, et de permettre ainsi un travail économique.
On a. représenté schématiquement sur le dessin ci-joint, six exemples de l'objet de l'invention:
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La fig. 1 représente une portion de plaque tubulaire d'un échangeur de chaleur.
La fig. 2 est une coupe à travers la plaque tubulaire et le tube ainsi qu'à travers le dispositif dtélargissement.
La fig. 3 explique l'étanchéité ou la fixation d'un tube à faible, épaisseur de paroi au moyen d'une douille.
Fig. 4 et 5 montrent la construction particulière des bagues servant à soutenir les anneaux d'étanchéité .
Fig. 6 et 7 sont des coupes longitudinales du dispo s it if .
La plaque tubulaire 1 représentée à la fig. l, et faisant par exemple partie d'un échangeur de chaleur, présente des tubes 2 qui sont montés dans dés trous 3.La dimension des parties pleines intercalaires 4 ne s'élève qu'à une fraction, ;par exemple un sixième, du diamètre du tube. Ceci est rendu possible, grâce au fait que pour fixer et rendre étanche les tubes 2 montés dans la plaque tubulaire 1, ceux-ci sont appliqués contre la paroi des trous en les élargissant par la pression'd'un agent sous pression liquide ou gazeux.'
Il n'est pas possible d'avoir des parties plei- @nes aussi étroites lorsque les tubes sont dudgeonnés d'après les procédés connus, à l'aide de galets et de mandrins-, ou tout au moins lorsqu'on désire un certain degré d'étanchéité.
Si'les.parties pleines sont aussi étroites que dans la fig. l, on ne peut pas réaliser une assise.suffisamment étanche par dudgeonnage. D'une
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part le dudgeonnage de tubes exige que le trou et le tube aient une forme exactement cylindrique, et d'autre part, lors du dudgeonnage, la paroi du trou subit une déformation. Ce n'est qu'à partir d'une largeur déterminée de la partie pleine que cette déformatmon ne s'exérce plus sur les trous voisins. Au-dessous de cette largeur, elle produit dans les trous de petites déviations par rapport à la forme cylindrique qui, par exemple, sont provoquées par l'irrégularité de l'élasticité. Ces variations provoquent des défauts d'étanchéité dans les tubes déjà dudgeonnés.
Par contre, dans le procédé par pression, par élargissement sous la poussée d'un agent sous pression, on peut encore obtenir une assise étanche même lorsque la forme du trou se rapproche un peu, sous l'influence de l'irrégularité de l'élasticité, de la forrue hexagonale, car lors de l'élargissement, la section du tube s'adapte d'elle-même à cette forme.
Un autre avantage consiste en ce que les tubes 2 peuvent être facilement introduits avec du jeu dans la plaque tubulaire 1. Même lorsque le jeu n'est pas uniforme pour tous les tubes 2, c'est-à-dire lorsqu'il existe des différences dans les diamètres des trous 3 et des tubes 2, on réalise pour tous les tubes 2 pratiquement une pression d'application uniforme. Il est vrai que les tubes 2 sont plus ou moins élargis selon le jeu, mais par contre, ils sontappliqués selon la pression de l'agent sous pression qui est la même pour tous les tubes 2.
Dans le tube 2, fig. 2, est introduit le corps 5, qui avec la paroi 6 du tube forme une chambre 7 laquelle reçoit l'agent sous pression servant à l'élargissement et à l'application du tube 2. A cet effet, le corps 5 est
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fait sous fo.rme d'un tube d'arrivée à paroi épaisse pour Gagent sous pression, et dont l'alésage longitudinal 8 est fermé à l'extrémité de gauche ; corps 5 est percé d'un trou transversal 9 débouchant dans la chambre de pression 7. La partie du tube d'amenée 5 limitant la chambre de la pression 7 présente un diamètre D qui n'est qu'un peu'plus petit que le diamètre intérieur Dl du tube 2 à élargir. La chambre de pression7 est munie des deux côtés d'un moyen d'étanchéité plastique ou élastique, par exemple d'anneaux de caoutchouc 10.
Pour soutenir les anneaux 10, il est prévu pour chacun d'eux deux bagues coniques réglables 11 et 12, dont celle de l'extérieur 12 est fendue dans le sens longitudinal. Pour régler les bagues 11 et 12, on se sert des écrous de ré- @ glage 13 et 14 se vissant sur le tube d'amenée 5.
Quand çn introduit le tube d'.amenée 5 dans le tube 2, les écrous 13 et 14 ne soht que légèrement vissésau pointque lesbagues11 touchent lesanneaux de caoutchouc 10. On fait ensuite arriver l'agent sous pression dans la chambre 7, sous une pression de deux mille kg/cm2 par exemple. Les anneaux de caoutchouc 10 chargés sous cette pression, donnent l'étanchéité complète à la chambre 7 et ils poussent les bagues 11 sous les bagues 12, de sorte que les bagues fendues 12 sont appliquées contre la paroi 6 du tube et que les anneaux de caoutchouc 10 ne peuvent pas'faire saillie par dessus les bagues coniques 11.
Le tube 2 s'élargit sur toute la longueur L de la chambre de pression 7 et est ainsi si fortement appliqué contre la paroi du trou 3 que, après évacuation de l'agent sous pression, il subsiste entre le tube 2 et la
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paroi du trou 3 une pression d'application ayant la valeur désirée.
La longueur L de la chambre de pression 7 entre les garnitures 10 est telle, par rapport à la longueur Ll du trou 3, que les anneaux d'étanchéité 10 se trouvent presque à l'extérieur du trou 3. De ce fait, le tube 2 est un peu renflé des deux côtés du trou 3, aux points 15, de sorte que le déplacement axial du tube 2 dans le trou 3 est empêché, même lorsque le tube 2 ou la plaque 1 est chargé par une force supérieure à la force de friction produite par la pression d'application entre la paroi du trou et le tube 2.
Les fentes des bagues coniques 12 empêchent les dilatations permanentes de ces bagues et permettent de retirer le tube d'amenée 5 hors du tube élargi 2, après le départ de l'agent sous pression et desserrage des écroux 13 et 14, et de l'introduire dans le tube suivant.
Pour modifier la longueur L de la chambre de pression 7, on peut placer des bagues dtécartement 17 en avant des anneaux d'étanchéité 10.
La pression d'application, qui agit à partir de la paroi du trou 3 sur la surface externe des tubes, après élargissement des tubes 2, est fonction de la limite d'allongement de la matière du tube et de la limite dtallongement de la matière du trou 3 qui entoure le tube, ainsi également que de l'épaisseur de paroi du tube.
Cette pression d'application est dtautant plus grande, et le tube 2 peut être rendu étanche contre une pression d'autant plus grande, que la limite d'allongement de la matière de la paroi du trou 3 est élevée. En outre, il est avantageux que la matière de la paroi du
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trou ait une limite d'allongement supérieure à celle 11
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la matière du tube.
Par contre, la pression d'application est d'au- tant plus petite que la paroi du tube est mince. Dans le cas du tube 18 de la fig. 3 qui n'a qu'une trèsfaible épaisseur de.paroi, il peut arriver que la pression d'ap- plication devienne trop faible. C'est pourquoi le tube 18 est monté de la façon décrite pour le tube 2, mais avec .application d'une douille 19. Dans ce cas, la pression d'application .dépend principalement de l'épaisseur de pa- roi de la douille 19 et peut être portée à la valeur vou- lue par le choix de cette épaisseur. Le renflement du tube 18 et de la douille 19 est également possible.
Un avantage particulier de l'invention consiste en ce que toute, une série ou des groupes de tubés 2 peu- vent -être fixés simultanément, au moyen d'un nombre cor- respondant de tubes d'amenée 5. De même, pendant la fixa- tion d'un tube 2a, fig. 1, les tubes voisins 2b déjà fi- xés, peuvent être appliqués par l'agent sous pression, contre la paroi du trou 3., auquel cas on a supposé que les tubes 2c ne sont pas encore fixés. Toutefois, les tubes 2c pourraient avoir déjà reçu une plus faible pres- sion d'application, de même que la pression dans les tu- bes 2b peut être plus faible que dans le tube 2a. En ou= tre, il peut être avantageux de fixer et rendre étanches des tubes 2 par degrés, c'est-à-dire en faisant agir l'agent sous pression successivement sous des pressions de valeurs différentes.
Par exemple, une partie ou la totalité des tubes pourrait d'abord être dilatée sous une faible pression de l'agent sous pression, cette pres- sion étant augmentée à sa valeur maximum lors d'une deu- xième dilatation ou d'une autre dilatation encore.
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Grâce au fait que les tubes peuvent être rapprochés beaucoup plus que jusqu'ici, on a l'agantage dans les échangeurs de chaleur entre deux substances gazeuses de pression différente, par exemple dans les échangeurs de chaleur d'installations de turbines à gaz, que les tubes peuvent être tellement rapprochés que' le gaz à la pression la plus élevée peut circuler à l'extérieur des tubes et le gaz à la pression la plus basse, à l'intérieur des tubes. Ceci permet de faire la section de passage à l'extérieur des tubes et entre eux, plus faible que la section de passage par l'intérieur des tubes. Il en résulte d'avantage que l'on peut monter une très grande surface d'échange de chaleur dans l'unité de volume et que le gaz à haute pression charge les plaques tubulaires de telle sorte que les tubes sont sollicités à la traction.
Par conséquent, les tubes soutiennent les plaques tubulaires. Toutes dispositions spéciales pour le soutien des plaques tubulaires planes envers les surpressions élevées deviennent alors superflues.
Dans le cas des fig. 4 et 5 également, et lors de l'introduction du dispositif 5 dans le tube 2, les écrous de réglage 13 et 14 ne sont que légèrement serrés, de façon que les bagues 11 s'appliquent contre les anneaux de caoutchouc et les bagues 20 contre la paroi 6. Si on fait alors pénétrer l'agent sous pression dans la chambre 7, par exemple à 2.000 kg/cm2, le diamètre du tube 2 augmente déjà car pour introduire le tube 2 dans le trou 3 un certain jeu est Nécessaire. Cette dilatation peut, par exemple, s'élever de 0,5 à 4 % du diamètre primitif.
Les bagues 20 se dilatent aussi avec la paroi du tube, car ce n'est que de cette façon qu'on empêche que lesanneaux d'étanchéité 10, faits de caoutchouc, soient refou-
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les à l'extérieur et endommagés.
Il est nécessaire d'employer pour les bagues 20 une matière spéciale qui, avec une résistance suffisante pour soutenir la charge résultait de la pression de 2.000 kg/cm2, possède une élasticité telle qu'elle puisse supporter la dilatation en question sans déformation permanente. Comme l'acier subit des déformations permanentes pour un allongement de plus de 0,5 %, il ne peut pas être envisagé comme matière pour les bagues 20, mais on peut employer dans ce but du caoutchouc durci ou une autre matière.
Dans la fig. 5, les anneaux d'étanchéité 10 s'appuient directement sur les bagues coniques 20 qui se dilatent avec la paroi du tube 2 et sont faites par exemple, en caoutchouc durci. Les bagues 20 coopèrent avec les contre-bagues 21 qui sont maintenues par les écrous 13 et 14.
Grâce à l'invention, on réalise l'avantage que malgré la pression élevée et la dilatation considérable, on obtient une étanchéité complète de la chambre 7 par rapport à l'extérieur, qu'en oute, ni les anneaux d'étanchéité 10 ni les bagues coniques 20 ne sont détériorés et surtout que lorsqu'on relâche la pression, les bagues 20 reprennent leur diamètre d'@av@ant la mise sous pression, de sorte que tout le dispositif 5 peut être facilement retiré du tube 2 et introduit dans un tube suivant, sans qu'on d.oive changer les anneaux 10 et les bagues 20. On obtient ainsi un appareil facile à manier, avec lequel on peut travailler rapidement.
Dans la région des anneaux d'étanchéité 10, le mandrin 5 a un diamètre dl qui est supérieur au diamètre d2
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de l'endroit où les bagues d'appui coniques 11 et 12 reposent sur le mandrin 5. Il en résulte un épaulement 22.
Le fonctionnement est le suivant : le tube 2 est ùn peu étroit ou ovale, la première bague d'appui 12 de droite bute 'un peu lors de l'introduction du mandrin 5 dans le tube 2 et appuie vers la gauche sur la bague d'appui 11.
Celle-ci bute contre l'arête 22 et donne ainsi à la bague 12 le soutien nécessaire, de sorte que, lors de l'introduction, la bague 12 est comprimée par le chanfrein 23 dans la mesure qui correspond au diamètre intérieur du tube 2. De la sorte, l'anneau d'étanchéité 10 en caoutchouc mou n'est pas chargé et comprimé, de sorte que son diamètre extérieur n'est pas augmenté et qu'il peut facilement et sans détérioration être introduit dans le tube 2.
S'il n'y avait pas d'épaulement 22, l'anneau d'étanchéité mou 10 serait écrasé, lors de l'introduction, par la pression des bagues 11 et 12, de sorte que son diamètre extérieur deviendrait sensiblement plus grand que le diamètre intérieur du tube 2. Ceci rendrait difficile l'introduction du mandrin 5 dans le tube 2 et, dans certains cas, écraserait et endommagerait l'anneau d'étanchéité 10.
Les choses se passent de façon semblable lors- qu'on retire le mandrin 5 du tube 2. Si la bague d'appui de gauche 12 était un peu coincée dans l'extrémité non élargie du tube 2, l'anneau d'étanchéité de gauche 10 serait fortement comprimé, et l'extraction du mandrin 5 entrainerait une détérioration de l'anneau d'étanchéité 10, si l'épaulement 22 n'existait pas. Par suite de la présence de l'épaulement 22, ette compression ne peut plus se produire car la résistance de la bague d'appui
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de gauche 12 est transmise à la bague 11 et, de celle-ci, à l'épaulement 22.
A la fig. 7, le mandrin 5 est muni de deux pai- res consécutives de bagues d'appui coniques, des deux cô- tés de la chambre de pression 7,.afin d'améliorer l'étan- chéité. La disposition de deux paires, ou davantage, à chaque,point d'étanchéité, peut ;être rendue nécessaire par des conditions spéciales, comme par exemple, par une pression très élevée. Les bagues coniques 11 et 12 peu- vent être faites en acier, auquel cas les bagues coniques
12 sont fendues, ou bien les bagues d'appui 12, qui se dilatent avec la paroi du tube, peuvent être faites en une matière qui, pour une dilatation de 0,5 % ou davan- tage, ne présente pas de déformation permanente, et telle que le caoutchouc durci.
Revend i c a t i o ns .
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1/ Procédé pour fixer et rendre étanchesdes tubes dans une paroi, en particulier dans les échangeurs de chaleur, caractérisé en ce que la fixation et l'étan- chéité sont obtenues au moyen d'un agent sous pression, liquide ou gazeux, élargissant le tube et le pressant contre la paroi du trou.