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PERFECTIONNEMENTS APPORTES A LA FABRICATION DE RACCORDS METALLIQUES.
La présente invention est relative à des perfectionnements apportés à la fabrication de raccords métalliques ou analogues.
Elle concerne également des raccords métalliques ou analogues obtenus suivant des procédés conformes à l'invention.
Les raccords compris entre deux éléments formés de métaux à coefficients de dilatation thermique fort différents, tels des aciers austénitiques et ferritiques, sont soumis à de violents efforts lorsqu'ils sont chauffés, et spécialement lorsqu'ils ont à subir des variations cycliques comprises entre des hautes et basses températures et pressions.
Une telle situation se présente notamment dans des échangeurs de chaleur de types divers, des raffineries de pétrole et des installations de production de vapeur. Les températures et les efforts, ainsi que la fréquence et la rapidité de leurs modifications, varient de façon considérable; toutefois, les conditions les plus rigoureuses se rencontrent probablement dans certaines installations de production de vapeur, en raison du fait que l'on y fait usage à la fois de températures et de pressions élevées et sujettes à des fluctuations cycliques.
Jusqu'ici les températures supportées par les métaux utilisés dans des installations de production de vapeur ont permis, de façons satisfaisante, l'emploi d'aciers ferritiques contenant, par exemple, 0,5 % de molybdène, ou 1 % de chrome et 0,5 % de molybdène. Récemment, on a utilisé des aciers ferritiques comportant soit 2,25 % de chrome et 1 % de molybdène, soit
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3% de chrome, 0,5 % de molybdène, 0,75 % de vanadium et 0,5 % de tungstène.
Deux facteurs limitatifs sont à considérer dans le choix des matériaux à soumettre à des températures et à des pressions élevées ; sont la tendance à l'écaillage ou corrosion et la résistance offerte à celle-ci.
L'écaillage des aciers ferritiques habituels restreint leur emploi à des températures ne dépassant pas 510 C. Le besoin d'aciers pour des températures atteignant 605 C a fait naître le besoin d'aciers de plus grande résistance à l'écaillage. Par exemple, un acier de l'espèce susdite contient 18% Cr, 12 % ni et 1 % Nb; il s'agit d'un acier austénitique. En raison de son coût élevé, cet acier toutefois ne s'emploie qu'en présence de hautes températures et est raccordé à de l'acier ferritique en un point où la température est inférieure.
Si, entre deux éléments tubulaires formés des différents aciers susdits, un raccord est réalisé par soudage de bout en bout, en raison de la différence entre les coefficients de dilatation thermique de ces deux métaux au chauffage et au refroidissement, des tensions se manifestent dans un plan situé approximativement à angle droit par rapport à l'axe du tube ou de la conduite. De plus, des modifications de structure, tel qu'un déplacement de carbone allant de l'acier ferritique à l'acier austénitique, se produisent dans le même plan que le précédent et donnent lieu à un affaiblissement de matière.
Suivant l'invention, une pièce de jonction utilisable entre deux éléments métalliques ayant différents coefficients de dilatation thermique, est réalisée en partant d'une paire de flans ou analogues formés de métaux à coefficients de dilatation différents, et susceptibles d'être soudés ensemble par pression et à de hautes températures. Lorsqu'ils sont chauffés, lesdits flans, assemblés face contre face, sont disposés dans une matrice ou chambre; une pression est exercée sur l'un d'eux afin d'extruder l'ensemble par un passage dont la section est inférieure à celle desdits flans.
Ainsi, le flan arrière pénètre de force dans le flan avant et l'on obtient un raccord dans lequel une partie conique formée par l'un des métaux entoure une partie conique complémentaire constituée par l'autre métal. Dans le procédé suivant l'invention, les deux flans ou analogues sont soudés l'un à l'autre.
L'invention a essentiellement pour objet la production d'une pièce de jonction tubulaire.
Cet objet est aisément réalisable en utilisant des flans ou analogues de forme annulaire et en les extrudant d'une matrice de type habituel et comportant un mandrin ainsi qu'une partie conique débouchant sur une ouverture cylindrique.
Eventuellement, les flans ou analogues peuvent être constitués par des cylindres pleins. Dans pareil cas, ils peuvent être extrudés, d'une matrice analogue à la précédente, sous forme d'une barre qui est ensuite alésée pour donner une pièce tubulaire de jonction.
De même des cylindres pleins peuvent être disposés dans une cham- bre comportant une extrémité fermée et s'extruder vers l'arrière, c'est-p- dire dans le sens opposé au déplacement d'un mandrin vers ladite extrémité fermée afin de former autour de ce dernier un cylindre creux comportant une extrémité obturée qui est ensuite sectionnée.
Lorsqu'ils sont disposés dans la matrice ou dans la chambre susdites, les flans ou analogues peuvent être séparés l'un de l'autre ou réunis pour former ensemble un même bloc. Au cours du chauffage préalable à l'extrusion, il se manifeste une tendance à l'oxydation. Il importe d'empêcher la
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formation de celle-ci sur les surfaces qui doivent être soudées l'une à l'autre par extrusion. A cet effet, la méthode la plus avantageuse consiste à souder ensemble les flans ou analogues à l'entour de leurs faces opposées. Tout autre procédé peut être utilisé dans le même but.
Une pièce tubulaire de jonction extrudée conformément à l'invention peut normalement être usinée aux dimensions désirées. En général, elle est extrudée de façon à comporter une paroi d'une épaisseur supérieure à celle des tubes qu'elle doit relier, ladite pièce étant usinée à l'épaisseur de la paroi de ces derniers, avant d'être réunies à eux par soudage.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront plus clairement de la description de quelques exemples de procédés de fabrication de raccords métalliques, donnée ci-après à titre non limitatif et avec référence aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une représentation schématique d'une phase d'exécution d'un procédé selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un raccord obtenu au cours de la phase susdite.
La figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la fig. 2.
La figure 4 est une vue, analogue à celle de la fig. 2, d'un raccord terminé.
La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du raccord de la fig. 4 reliant deux tubes.
La figure 6 est une vue analogue à celle de la fig. 1 montrant une variante du procédé selon l'invention.
Et les figures 7 à 11 représentent schématiquement cinq phases d'exécution d'un autre procédé de fabrication conforme à l'invention.
Si l'on se réfère aux fig. 1 à 4, on constate que la première étape dans la fabrication d'un raccord métallique suivant l'invention consiste à réaliser deux flans annulaires 1 et 2. Le flan 1 est en acier austénitique comportant théoriquement 18 % de chrome, 12 % de nickel, 1 % de niobium et 0,1 % de carbone, le restant étant constitué essentiellement par du fer. Le flan 2 est en acier ferritique comportant théoriquement 2,25 % de chrome, 1 % de molybdène et 0,1 % de carbone, le restant se composant essentiellement de fer.
Les deux flans 1 et 2 ont une forme annulaire et sont réunis en un seul bloc- A cet effet, ils sont usinés sur leurs faces de contact et soudés sur les bords intérieurs et extérieurs desdites faces, comme indiqué par la référence 3 aux dessins, afin de prévenir toute oxydation durant le chauffage préalable à l'extrusion. Les soudures sont rectifiées au ras desdites faces pour que le bloc ainsi réalisé s'adapte étroitement à l'intérieur d'une matrice 4, habituelle d'une presse à extrusion.
Ensuite le bloc est porté à la température d'extrusion soit 1180 C, et placé dans la matrice 4. Un mandrin 5 est introduit dans le bloc, comme montré à la fig. 1, et une pression est exercée sur le flan arrière 2 par un piston 6 s'adaptant étroitement dans la matrice 4, et ainsi ledit bloc est extrudé sous forme d'un tube. Au cours de cette opération, l'extrémité antérieure du flan arrière 2 est pressée vers l'avant, le long de la périphérie du mandrin 5, dans l'extrémité postérieure du flan 1 précédent.
Comme représenté à la fig. 3, l'extrémité 7 du flan 2 est enfermée dans la paroi tubulaire du flan avant 1 et, immédiatement après ladite extrémité 7,
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la face intérieure du tube est formée par le métal constituant le flan 2.
Sur une longueur relativement importante du tube, la paroi de celui-ci est composée de parties coniques et complémentaires constituées par les deux métaux, celle appartenant au flan avant 1 étant disposée à l'extérieur.L'angle de conicité des parties susdites est déterminé par le rapport existant entre la section transversale des flans et celle de la pièce tubulaire de jonction extrudée, montrée à la fig. 2, et également par l'angle de conicité de la partie 9 de la matrice 4.
Le tube extrudé est ensuite sectionné à la longueur désirée, de façon telle que chacune des extrémités de la pièce terminée ne comporte qu'un seul métal. Il est usiné à la fois intérieurement et extérieurement aux diamètres désirés. Son aspect final est représenté à la fig. 4 par la référen- ce 21; on voit qu'au cours de la rectification interne, l'extrémité 8 du flan intérieur 2 est réduite pour accuser un angle effilé. Finalement la pièce jointive 21 ainsi obtenue est soudée bout à bout entre un tube 22 en acier austénitique et un tube 23 en acier ferritique, comme représenté schématiquement à la fig. 5.
Eventuellement, le tube extrudé peut, avant usinage, être étiré de façon à réduire l'épaisseur de sa paroi ; ses parties consti- tutives et superposées acquièrent une forme conique plus allongée.
Il est évident que les métaux constituant les deux flans ou analogues seront, de préférence, les mêmes que ceux formant les éléments tubulaires à raccorder, toutefois ils peuvent être de composition différente, pourvu qu'ils aient sensiblement les mêmes coefficients de dilatation thermique que les métaux desdits éléments tubulaires et qu'ils puissent être soudés de façon satisfaisante à ces derniers.
Par refroidissement, en partant de la température d'extrusion, le métal austénitique du flan 1, qui possède un coefficient de dilatation plus élevé, se contracte plus que le métal ferritique du flan 2. Il s'ensuit que se manifestent des efforts de traction dans le premier métal et des efforts de compression dans le second. Par échauffement subséquent, à partir de la température ordinaire, à une température élevée où les métaux perdent de leur résistance, les efforts développés par le refroidissement se réduisent.
Comme mentionné précédemment, le métal austénitique occupe la partie extérieure du raccord. Cette disposition peut toutefois être modifiée si l'emploi du produit final l'exige. Dans tout procédé exécuté comme il est représenté à la fig. l, le flan avant forme la partie extérieure du raccord.
Afin d'éviter, à une température élevée, un déplacement de carbone, de l'acier ferritique à l'acier austénitique, les faces opposées ou de contact des deux flans 1 et 2 peuvent être séparées par une couche, formant cloison, d'un métal, tel le nickel, applicable par électrolyse sur l'un des flans, ou sous forme d'une mince feuille disposée entre lesdits flans avant que ceux-ci soient soudés l'un à l'autre.
Afin de ne pas devoir souder les bords intérieurs des faces opposées, on peut recourir à des flans pleins, soudés uniquement à leur périphérie extérieure, une ouverture centrale étant ménagée, par exemple, par estampage, dans le bloc formé par lesdits flans, immédiatement avant l'extrusion de ce dernier.
Diverses pièces jointives peuvent être extrudées en une seule opération en plaçant dans la matrice un nombre correspondant de blocs ou de paires de flans, le tube obtenu par extrusion étant sectionné pour donner lieu à des raccords distincts. Cette opération est représentée à la fig.6,
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où sont montrées trois paires de flans 1 et 2, l'ensemble étant réuni en un seul bloc par des soudures 3. Ces flans sont pleins et une ouverture centrale est percée dans leur ensemble au moyen d'un poinçon 10 ou analogue.
Au lieu de souder les flans en un seul bloc, on peut les souder par paire pour former trois blocs.
La pièce jointive ou raccord peut être réalisée par extrusion d'avant en arrière, avec étirage subséquent de la pièce ainsi obtenue.
Ce procédé est représenté aux fig. 7 à 11. Dans la fig. 7, un bloc formé de deux flans pleins 1 et 2, soudés l'un à l'autre, est disposé dans une chambre 12 fermée à l'une de ses extrémités par un fond mobile 13 faisant office d'éjecteur et comportant deux guides 14 et 15 pour un poinçon 11 ou analogue. Le guide 14 est fixe, tandis que le guide 15 se déplace avec les flans au cours de l'extrusion. Lorsque le poinçon 11 pénètre de force dans les flans, comme montré à la fig. 8, ces derniers prennent la forme d'un cylindre creux 24 présentant une extrémité fermée 25, la partie avant du flan 2 pénétrant dans le flan 1, autour dudit poinçon 11. Le cylindre creux 24 est ensuite étiré par une barre d'étirage 16 (fig. 9) entre une paire de matrice 17 et 18, pour acquérir le profil indiqué à la fig. 10.
Finalement l'extrémité fermée 25 ainsi qu'une petite portion de la longueur de l'extrémité ouverte sont sectionnées, comme indiqué à la fig. 11, pour donner la pièce jointive 20 terminée, qui peut encore être usinée suivant les besoins. L'angle du cône compris entre les deux parties d'acier peut, par étirage du cylindre 24, varier dans une mesure plus ou moins grande.
REVENDRIONS.
1. - Procédé de fabrication d'une pièce jointive ou raccord pour deux éléments métalliques possédant différents coefficients de dilatation thermique, caractérisé en ce que, deux flans ou pièces analogues étant constitués respectivement de métaux possédant des coefficients de dilatation thermique différents, chauffés et disposés face contre face dans une matrice ou chambre, une pression est exercée sur l'un desdits flans ou analogues pour extruder l'ensemble que forment ceux-ci, par un passage de section transversale inférieure à celle desdits flans ou analogues, afin de faire pénétrer de force le flan ou analogue arrière dans le flan ou analogue avant et de réaliser ainsi une pièce jointive ou raccord comportant une partie conique formée par l'un des métaux susdits et entourant une partie conique complémentaire constituée par l'autre métal.
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IMPROVEMENTS IN THE MANUFACTURE OF METAL FITTINGS.
The present invention relates to improvements made to the manufacture of metal fittings or the like.
It also relates to metal fittings or the like obtained by processes in accordance with the invention.
The fittings comprised between two elements formed of metals with very different thermal expansion coefficients, such as austenitic and ferritic steels, are subjected to violent forces when they are heated, and especially when they have to undergo cyclic variations comprised between high and low temperatures and pressures.
Such a situation arises in particular in heat exchangers of various types, petroleum refineries and steam production installations. Temperatures and forces, as well as the frequency and rapidity of their changes, vary considerably; however, the most severe conditions are likely to be encountered in some steam generating facilities due to the use of both high temperatures and pressures and subject to cyclical fluctuations.
Until now, the temperatures withstood by the metals used in steam production facilities have satisfactorily permitted the use of ferritic steels containing, for example, 0.5% molybdenum, or 1% chromium and 0 , 5% molybdenum. Recently, ferritic steels comprising either 2.25% chromium and 1% molybdenum, or
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3% chromium, 0.5% molybdenum, 0.75% vanadium and 0.5% tungsten.
Two limiting factors must be considered in the choice of materials to be subjected to high temperatures and pressures; are the tendency to chipping or corrosion and the resistance offered to it.
The spalling of common ferritic steels restricts their use to temperatures not exceeding 510 C. The need for steels for temperatures up to 605 C has given rise to the need for steels with greater resistance to spalling. For example, a steel of the aforementioned species contains 18% Cr, 12% ni and 1% Nb; it is an austenitic steel. Due to its high cost, however, this steel is only used in the presence of high temperatures and is joined to ferritic steel at a point where the temperature is lower.
If, between two tubular elements formed of the different steels aforesaid, a connection is made by end-to-end welding, due to the difference between the thermal expansion coefficients of these two metals on heating and cooling, stresses are manifested in a plane located approximately at right angles to the axis of the tube or pipe. In addition, structural changes, such as shifting carbon from ferritic to austenitic steel, occur in the same plane as the previous one and result in material weakening.
According to the invention, a junction piece which can be used between two metallic elements having different coefficients of thermal expansion, is produced starting from a pair of blanks or the like formed of metals with different coefficients of expansion, and capable of being welded together by pressure and high temperatures. When they are heated, said blanks, assembled face to face, are placed in a die or chamber; pressure is exerted on one of them in order to extrude the assembly through a passage whose section is smaller than that of said blanks.
Thus, the rear blank forcibly penetrates the front blank and a fitting is obtained in which a conical part formed by one of the metals surrounds a complementary conical part formed by the other metal. In the method according to the invention, the two blanks or the like are welded to each other.
The main object of the invention is the production of a tubular junction piece.
This object is easily achievable by using blanks or the like of annular shape and by extruding them from a die of the usual type and comprising a mandrel as well as a conical part opening into a cylindrical opening.
Optionally, the blanks or the like can consist of solid cylinders. In such a case, they can be extruded, from a die similar to the previous one, in the form of a bar which is then bored to give a tubular junction part.
Likewise, full cylinders can be placed in a chamber having a closed end and extrude towards the rear, that is to say in the direction opposite to the movement of a mandrel towards said closed end in order to form around the latter a hollow cylinder having a closed end which is then cut.
When they are arranged in the aforementioned die or in the chamber, the blanks or the like can be separated from one another or joined together to form a single block together. During the heating prior to extrusion, there is a tendency towards oxidation. It is important to prevent
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formation thereof on the surfaces which are to be welded together by extrusion. To this end, the most advantageous method consists in welding together the blanks or the like around their opposite faces. Any other process can be used for the same purpose.
A tubular junction piece extruded in accordance with the invention can normally be machined to the desired dimensions. In general, it is extruded so as to include a wall of a thickness greater than that of the tubes that it must connect, said part being machined to the thickness of the wall of the latter, before being joined to them by welding.
Other details and features of the invention will emerge more clearly from the description of some examples of methods of manufacturing metal fittings, given below without limitation and with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 is a schematic representation of an execution phase of a method according to the invention.
FIG. 2 is a view in longitudinal section of a connection obtained during the aforementioned phase.
FIG. 3 is a view on a larger scale of part of FIG. 2.
FIG. 4 is a view, similar to that of FIG. 2, of a finished fitting.
FIG. 5 is a view in longitudinal section of the connector of FIG. 4 connecting two tubes.
FIG. 6 is a view similar to that of FIG. 1 showing a variant of the method according to the invention.
And FIGS. 7 to 11 schematically represent five phases of execution of another manufacturing process according to the invention.
Referring to Figs. 1 to 4, it can be seen that the first step in the manufacture of a metal fitting according to the invention consists in producing two annular blanks 1 and 2. The blank 1 is made of austenitic steel theoretically comprising 18% of chromium, 12% of nickel. , 1% niobium and 0.1% carbon, the remainder consisting essentially of iron. The blank 2 is made of ferritic steel theoretically comprising 2.25% of chromium, 1% of molybdenum and 0.1% of carbon, the remainder consisting essentially of iron.
The two blanks 1 and 2 have an annular shape and are united in a single block. For this purpose, they are machined on their contact faces and welded on the inner and outer edges of said faces, as indicated by the reference 3 in the drawings, to prevent oxidation during heating prior to extrusion. The welds are ground flush with said faces so that the block thus produced fits closely inside a die 4, usual for an extrusion press.
Then the block is brought to the extrusion temperature, ie 1180 ° C., and placed in the die 4. A mandrel 5 is introduced into the block, as shown in FIG. 1, and pressure is exerted on the rear blank 2 by a piston 6 fitting tightly in the die 4, and thus said block is extruded in the form of a tube. During this operation, the anterior end of the rear blank 2 is pressed forward, along the periphery of the mandrel 5, into the posterior end of the preceding blank 1.
As shown in fig. 3, the end 7 of the blank 2 is enclosed in the tubular wall of the front blank 1 and, immediately after said end 7,
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the inner face of the tube is formed by the metal constituting the blank 2.
Over a relatively large length of the tube, the wall of the latter is composed of conical and complementary parts made up of the two metals, that belonging to the front blank 1 being disposed on the outside. The angle of conicity of the aforementioned parts is determined. by the ratio existing between the cross section of the blanks and that of the extruded tubular junction part, shown in FIG. 2, and also by the taper angle of part 9 of die 4.
The extruded tube is then cut to the desired length, so that each end of the finished part contains only one metal. It is machined both internally and externally to the desired diameters. Its final appearance is shown in fig. 4 by reference 21; it can be seen that during the internal grinding, the end 8 of the internal blank 2 is reduced to show a tapered angle. Finally, the adjoining part 21 thus obtained is butt welded between a tube 22 of austenitic steel and a tube 23 of ferritic steel, as shown schematically in FIG. 5.
Optionally, the extruded tube can, before machining, be stretched so as to reduce the thickness of its wall; its constituent and superimposed parts acquire a more elongated conical shape.
It is obvious that the metals constituting the two blanks or the like will preferably be the same as those forming the tubular elements to be connected, however they can be of different composition, provided that they have substantially the same coefficients of thermal expansion as the metals of said tubular elements and that they can be welded satisfactorily to them.
By cooling, starting from the extrusion temperature, the austenitic metal of the blank 1, which has a higher coefficient of expansion, contracts more than the ferritic metal of the blank 2. It follows that tensile forces occur. in the first metal and compressive forces in the second. By subsequent heating, from ordinary temperature, to a high temperature where the metals lose their resistance, the forces developed by the cooling are reduced.
As mentioned earlier, the austenitic metal occupies the outer part of the fitting. This provision may however be modified if the use of the final product so requires. In any process carried out as shown in FIG. 1, the front blank forms the outer part of the fitting.
In order to avoid, at a high temperature, a displacement of carbon, from ferritic steel to austenitic steel, the opposing or contact faces of the two blanks 1 and 2 can be separated by a layer, forming a partition, of a metal, such as nickel, applicable by electrolysis on one of the blanks, or in the form of a thin sheet placed between said blanks before the latter are welded to one another.
In order not to have to weld the inner edges of the opposite faces, one can resort to solid blanks, welded only to their outer periphery, a central opening being made, for example, by stamping, in the block formed by said blanks, immediately before extrusion of the latter.
Various adjoining parts can be extruded in a single operation by placing in the die a corresponding number of blocks or pairs of blanks, the tube obtained by extrusion being cut to give rise to separate fittings. This operation is shown in fig. 6,
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where are shown three pairs of blanks 1 and 2, the assembly being united in a single block by welds 3. These blanks are solid and a central opening is drilled as a whole by means of a punch 10 or the like.
Instead of soldering the blanks as a single block, they can be soldered in pairs to form three blocks.
The adjoining part or fitting can be produced by extrusion from front to back, with subsequent drawing of the part thus obtained.
This process is shown in Figs. 7 to 11. In fig. 7, a block formed of two solid blanks 1 and 2, welded to each other, is placed in a chamber 12 closed at one of its ends by a movable bottom 13 acting as an ejector and comprising two guides 14 and 15 for a punch 11 or the like. Guide 14 is stationary, while guide 15 moves with the blanks during extrusion. When the punch 11 forcibly penetrates the blanks, as shown in FIG. 8, the latter take the form of a hollow cylinder 24 having a closed end 25, the front part of the blank 2 penetrating into the blank 1, around said punch 11. The hollow cylinder 24 is then stretched by a draw bar 16 (fig. 9) between a pair of dies 17 and 18, to acquire the profile indicated in fig. 10.
Finally the closed end 25 as well as a small portion of the length of the open end are cut off, as shown in FIG. 11, to give the finished joint 20, which can still be machined as required. The angle of the cone between the two steel parts can, by stretching the cylinder 24, vary to a greater or lesser extent.
RESEND.
1. - A method of manufacturing an adjoining part or fitting for two metal elements having different coefficients of thermal expansion, characterized in that, two blanks or similar parts being respectively made of metals having different coefficients of thermal expansion, heated and arranged face to face in a die or chamber, pressure is exerted on one of said blanks or the like to extrude the assembly formed by them, by a passage of cross section smaller than that of said blanks or the like, in order to penetrate by forcing the blank or the like back into the blank or the like before and thus producing an adjoining part or fitting comprising a conical part formed by one of the aforementioned metals and surrounding a complementary conical part constituted by the other metal.