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(11) | EP 0 108 666 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) |
Dispositif d'érosion d'une surface solide par un écoulement cavitant Vorrichtung zum Erodieren einer festen Oberfläche mittels einer hohlraumbildenden Strömung Device for eroding a solid surface by a cavitating flow |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] L'invention concerne un dispositif d'érosion d'une surface solide par un écoulement cavitant.
[0002] On sait que l'érosion d'une surface par cavitation résulte de déplacements rapides et désordonnés d'une interface liquide-vapeur au voisinage de cette surface, à l'occasion de la condensation d'une vapeur produite en amont dans un écoulement liquide. Elle peut notamment résulter de l'implosion brutale de bulles de vapeur au sein d'un liquide au contact de cette surface, une telle implosion résultant de l'application a ce liquide d'une pression supérieure à la pression de vapeur à la température ambiante.
[0003] Quoique l'érosion par cavitation soit souvent considérée comme un phénomène néfaste limitant la durée d'utilisation de certains équipements hydrauliques, on sait qu'une telle érosion peut par exemple permettre le décapage d'une couche superficielle d'une paroi métallique. Le liquide de travail classiquement utilisé est l'eau à la température ordinaire, et en présence d'une pression ambiante voisine de la pression atmosphérique. D'autres liquides, températures et pressions ambiantes pourraient cependant être utilisés.
[0004] L'érosion par cavitation peut par exemple être utilisée lors du démantèlement d'une centrale nucléaire pour la décontamination des pièces dont la plus grande partie de l'activité radioactive est localisée dans une mince couche de surface. Ces pièces sont actuellement traitées par des méthodes chimiques, électrochimiques ou par des jets d'eau; l'avantage de l'érosion par cavitation par rapport à ces methodes est qu'elle peut être mise en oeuvre uniquement avec de l'eau, sans produire d'aérosols ou d'effluents chimiques radioactifs.
[0005] On connaît déjà, par exemple par le brevet US-A 3 807 632 (Johnson), un dispositif d'érosion d'une surface solide par un jet cavitant. Ce dispositif connu comporte
- une source d'un liquide de travail sous haute pression, ce liquide étant vaporisable à la température ambiante sous une pression inférieure à la pression ambiante,
- une buse alimentée par cette source, cette buse constituant une tuyère convergente dans laquelle le liquide s'écoule selon une direction "longitudinale" pour former un jet à grande vitesse tout en abaissant la pression du liquide, et pour diriger ce jet vers la surface à éroder selon cette direction longitudinale,
- et des moyens de cavitation liés à cette buse et agissant sur ce jet pour y abaisser localement la pression, vaporiser partiellement le liquide, et créer des déplacements violents du liquide lors de la recondensation de la vapeur en aval, dans une zone de condensation où la pression est remontée et qui est au contact de la surface solide à éroder. Le préambule de la revendication 1 est basé sur cet état de la technique.
[0006] Dans ce dispositif de nombreuses bulles da vapeur sont formées dans le jet liquide à distance de la surface à éroder. Le jet contenant ces bulles arrive sur cette surface perpendiculairement à celle-ci. Lorsque la pression est remontée les bulles implosent c'est-à-dire se condensent brutalement. Certaines d'entre elles seulement implosent au contact de la surface à éroder. Seules celles-la sont donc utiles. Il en résulte que le rendement de ce dispositif est faible, ce rendement pouvant être mesuré par le rapport de la masse de matière enlevée à l'énergie mise en oeuvre.
[0007] La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif d'érosion simple et plus efficace.
[0009] Une originalité du dispositif de l'invention par rapport aux dispositifs connus à jets cavitants actuellement utilisés industriellement est donc de produire la cavitation dans un écoulement sensiblement parallèle à la surface à éroder, ce qui permet de localiser un plus grand nombre de cavités agressives à proximité de cette surface, certaines de ces cavités pouvant prendre la forme de bulles en cours d'implosion.
[0010] En fait, le mécanisme d'érosion selon l'invention est essentiellement dû à des phénomènes d'implosion de bulles alors que les jets cavitants connus provoquent des successions de surpressions/dépressions qui sont moins favorables à la décontamination des micro- fissures superficielles.
[0011] L'invention a également pour objet un procédé d'érosion d'une surface solide par des écoulement cavitants. Un tel procédé est donc connu du document US-A-3 807 632 qui décrit un procédé selon le préambule de la revendication 9. L'invention a pour but de rendre un tel procédé plus simple et plus efficace. Ce but est atteint par le procédé tel que défini dans la revendication 9.
[0012] A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
La figure 1 représente un dispositif de décapage intérieur d'un tuyau pollué, ce dispositif comportant plusieurs têtes érodantes constituant chacune un dispositif selon l'invention, ce dispositif de décapage étant vu en coupe par un plan axial.
La figure 2 représente une tête du dispositif ci-dessus, vue en coupe par un plan passant par l'axe de cette tête et l'axe de ce dispositif, à échelle agrandie, sous la forme d'un détail Il de la figure 1.
La figure 3 represente une vue en perspective eclatée de l'extremité de la même tête du côté de la surface à éroder.
La figure 4 représente une vue d'une tête à jet laminaire selon l'invention, en perspective avec coupe par un plan perpendiculaire à la lame du jet et à la surface à éroder.
[0013] Les dispositifs selon l'invention représentés sur les figures 1, 2 et 3 comportent des éléments connus qui sont:
- une source 2 d'un liquide de travail sous haute pression, ce liquide étant vaporisable à la température ambiante sous une pression inférieure à la pression ambiante,
- et une buse B alimentée par cette source et formant une tuyère convergente T de direction "axiale" pour former avec ce liquide un jet à grande vitesse tout en abaissant la pression du liquide, et ensuite pour transformer ce jet en un écoulement radial parallèle"à la surface à éroder S.
[0014] Plus particulièrement. la direction axiale est représentée par une fléche F1 et constitue dans ce cas la direction "longitudinale" précédemmemt mentionnée, chaque direction radiale constituant par ailleurs une dite direction "latérale".
[0015] Le liquide de travail est de l'eau et sa source est une pompe 2 représentée sur la figure 1 et alimentant plusieurs buses B en parallèle.
[0016] Conformément à la présente invention le phénomène de cavitation est provoqué à l'aide d'un déflecteur D présentant une surface d'appui D1 venant en appui contre la surface à éroder S de manière à constituer lesdits moyens pour le positionner. Ce déflecteur reçoit le jet en sortie de la buse B et le défléchit vers des directions "radiales" parallèles à cette surface. Son bord aval constitue une arête "active" D2 propre à provoquer un décollement du jet et la formation d'une poche de vapeur PV immédiatement en aval de cette arête entre le jet décollé et la surface à éroder.
[0017] Lesdites directions radiales sont représentées par des flèches F2. La zone de condensation ZC est située immédiatement en aval de la poche de vapeur PV. C'est dans cette zone que la surface S est érodée.
[0018] De préférence, et comme représenté, la buse B comporte en sortie et en continuité avec la tuyère convergente axiale T un profil de guidage G s'inclinant vers les directions radiales en regard du déflecteur D, créant un minimum local de la section de passage du liquide sensiblement au droit de l'arête active D2 du déflecteur tout en se rapprochant de la surface à éroder, puis faisant croître progressivement cette section de passage en aval du déflecteur et en regard de la surface à éroder S pour faire remonter la pression et fixer ainsi l'emplacement de la zone de condensation.
[0019] Le profil de guidage G présente, dans une zone à section de passage accrue en aval de la zone de cavitation suivant le déflecteur D, des ailettes d'appui radial G1 s'étendant selon la direction axiale pour venir en appui sur la surface à éroder S et maintenir des distances prédéterminées entre ce profil et cette surface tout en facilitant le glissement des buses sur cette surface.
[0020] Les dispositions qui viennent d'être décrites à propos de la tête à jet axial représentée sur les figures 2 et 3 se retrouvent de manière analogue dans la tête à jet laminaire représentée sur la figure 4.
[0021] Dans le cas de la tête à jet axial la buse B et le déflecteur D présentent des formes générales de révolution autour d'un même axe longitudinal A1.
[0022] La surface d'appui D1 du déflecteur D est perpendiculaire à cet axe. L'arête active D2 est circulaire et coaxiale à la buse. La croissance progressive de la section de passage du liquide en aval du déflecteur résulte au moins partiellement de la croissance du périmètre des cercles coaxiaux à la buse lorsque le liquide s'éloigne de cet axe.
[0023] Dans l'exemple représenté, la partie aval, c'est-à-dire radialement externe, du profil de guidage G est plane et parallèle à la surface à éroder S de manière à faciliter la fabrication de la buse. La croissance progressive de la section de passage du liquide indiquée ci-dessus résulte donc seulement de la croissance du périmètre des cercles coaxiaux à la buse lorsqu'on s'éloigne de l'axe de celle-ci. Cette croissance est de préférence au moins égale à 50% sur une distance de 5 mm à partir de l'arête active.
[0024] De préférence, le déflecteur D est lié à la buse B par des ailettes de liaison D3 fixées au déflecteur dans des plans passant par l'axe de la buse A1, réparties angulairement autour de cet axe et pénétrant dans des rainures B1 creusées dans la buse (voir figure 3).
[0025] Plus précisément le deflecteur D presente la forme d'un disque circulaire à deux faces planes parallèles, la face plane en regard de la buse portant quatre ailettes de liaison D3 décalées angulairement de 90° autour de l'axe de la buse et laissant libre entre elles un volume central. Ce volume central peut être.équipé d'un déviateur de jet non représenté pour améliorer l'écoulement.
[0026] L'invention peut être appliquée au décapage de la surface intérieure S d'un tuyau métallique pollué par des produits radioactifs (voirfigures 1 et 2).
[0027] Dans ce cas et dans d'autres, de préférence, le dispositif comporte plusieurs buses B munie chacune d'un déflecteur D, montées dans la paroi E1 d'une même enceinte E avec leurs sorties dirigées vers l'extérieur de cette enceinte, le volume intérieur de celle-ci étant alimenté par une source de liquide de travail sous haute pression 2 commune à toutes ces buses. Ces buses sont montées coulissantes dans cette paroi pour que la pression régnant dans ce volume intérieur maintienne les ailettes d'appui G1 de toutes ces buses au contact permanent de la surface à éroder S.
[0028] L'enceinte E est de révolution autour de l'axe A2 du tuyau et coulisse le long de celui-ci tout en tournant sur elle-même. Elle porte par exemple 40 buses B. Celles-ci coulissent selon leur axe longitudinal A1 et donc perpendiculairement à l'axe A2, dans la paroi de l'enceinte, grâce à un joint torique d'étanchéité B2. Le joint d'étanchéité est placé sur un diamètre convenable pour ajuster la force de contact à une valeur convenable. Le logement des buses dans la paroi de l'enceinte forme une butée B3 limitant le déplacement de la buse vers l'extérieur. L'enceinte E présente un diamètre légèrement inférieur à celui du tuyau, et elle est introduite dans celui-ci avant sa mise sous pression, ce qui permet la rétractation des buses vers l'intérieur de l'enceinte.
[0029] De préférence, la section minimale de passage de l'eau dans la buse B munie de son déflecteur D est inférieure à 100 mm pour obtenir un rendement d'érosion élevé.
[0030] En effet, l'efficacité du dispositif est accrue par la réduction des dimensions générales de l'écoulement. Pour un même débit d'eau et une même section de passage critique, il est toujours plus avantageux de mettre en oeuvre deux têtes cavitantes de petites dimensions plutôt qu'une seule tête parfaitement semblable, mais de plus grande dimension.
[0031] Plus précisément, à titre d'exemple, la buse B peut être constituée de laiton, le diamètre de sortie de sa tuyère T peut être 8 mm, le déflecteur D peut être constitué de laiton et présenter un diamètre de 10 mm et une épaisseur de 1 mm, la section de passage de l'eau au droit de l'arête active D2 étant haute de 1 mm.
[0032] Dans ces conditions les essais ont montrés que la mise en oeuvra.du procédé permettrait de nettoyer en 4 heures une surface de 0,25 m2 d'acier inoxydable sur une épaisseur supérieure à 10 microns avec une pression de 300 bars et un débit de 10 I/s. De plus, les essais ont également montré que la buse et le déflecteur n'ont pas été érodés et que l'aréte D2 n'a pas été érodée non plus.
[0033] L'invention peut être mise en oeuvre non seulement avec des buses à jet axial à section circulaire, mais aussi avec des buses en forme de dièdre formant un jet laminaire, à l'aide du dispositif représenté sur la figure 4.
[0034] La buse B' s'étend alors, perpendiculairement au plan de cette figure, sur une largeur beaucoup plus grande que son épaisseur, cette dernière seule étant représentée, la forme de la tuyère T', du déflecteur D'et du profil de guidage G' restant constant sur toute la largeur utile de la buse, et formant une arête active rectiligne D'2 et une surface d'appui D'1. Des ailettes d'appui de la buse sont représentées en G'1. La buse B' est constituée par deux blocs cylindriques (non de révolution), à génératrices perpendiculaires au plan de la feuille. L'un de ces blocs forme à sa partie inférieure le profil de guidage G', et l'autre, à sa partie inférieure également, le déflecteur D'. Ces deux blocs sont réunis par des plaques d'extrémité 4. Dans ce cas la croissance progressive de la section de passage de l'eau en aval du déflecteur résulte du fait que le profil de guidage G' s'écarte de la surface à éroder S. La divergence de l'écoulement assurant la remontée de pression est plus difficile à réaliser que dans la réalisation de révolution.
- une source (2) d'un liquide de travail sous haute pression, ce liquide étant vaporisable à la température ambiante sous une pression inférieure à la pression ambiante,
- une buse (B) alimentée par cette source, cette buse constituant une tuyère convergente (T) dans laquelle le liquide s'écoule selon une direction "longitudinale" pour former un jet à grande vitesse tout en abaissant la pression du liquide, et pour diriger ce jet vers la surface à éroder (S) selon cette direction longitudinale,
- et des moyens de cavitation liés à cette buse et agissant sur ce jet pour abaisser localement la pression du liquide, le vaporiser partiellement, et créer des déplacements violents du liquide lors de la recondensation de la vapeur en aval dans une zone de condensation (ZC) où la pression est remontée et qui est au contact de la surface à éroder,
- ce dispositif étant caractérisé par le fait que les moyens de cavitation comportent un déflecteur (D) muni de moyens (D1) pour le positionner au voisinage de la surface à éroder (S), ce déflecteur recevant le jet en sortie de la buse (B) et le défléchissant vers une direction "latérale" fortement inclinée par rapport à ladite direction longitudinale, de manière à former un écoulement parallèle à cette surface, le bord aval de ce déflecteur constituant une arête "active" (D2) propre à provoquer un décollement de cet écoulement et la formation d'une poche de vapeur (PV) immédiatement en aval de cette arête entre l'écoulement décollé et la surface à éroder, la buse (B) comportant en sortie et en continuité avec ladite tuyère convergente longitudinale (T) un profil de guidage (G) s'inclinant vers ladite direction latérale en regard du déflecteur (D), créant un minimum local de la section de passage du liquide sensiblement au droit de l'arête active (D2) du déflecteur tout en se rapprochant de la surface à éroder (S), puis faisant croître progressivement cette section de passage en aval du déflecteur et en regard de cette surface (S) pour faire remonter la pression et fixer ainsi l'emplacement de la zone de condensation (ZC).
- a source (2) of a working liquid at high pressure, this liquid being vaporizable at ambient temperature at a pressure lower than the ambient pressure,
- a nozzle (B) supplied by this source, and forming a converging tube (T) in which the liquid flows along a longitudinal direction, to form a high speed jet, while the pressure of the liquid is lowered, and to direct this jet to the surface (S) to be eroded along this longitudinal direction,
- and cavitation means connected to this nozzle to lower locally the pressure of the liquid, to vaporize it partially, and to create violent displacements of the liquid on the recondensation of the vapor downstream in a condensation area (ZC) where the pressure rises again and which is in contact with the surface to be eroded,
- this device being characterized by the fact that the cavitation means include a deflector (D), fitted with means (D1) for its positioning in the neighbourhood of the surface (S) to be eroded, this deflector receiving the jet from the outlet of the nozzle (B) and deflecting it into a "lateral" direction which is strongly inclined with respect to said longitudinal direction, to form a flow parallel to that surface, the downstream edge of the deflector forming an "active" ridge (D2) suitable for causing separation of said flow and the formation of a pocket of vapour (PV) immediately downstream of this ridge between the separated flow and the surface to be eroded, the nozzle (B) having at its outlet and in continuation of the said converging longitudinal tube (T), a guide profile (G) turning towards the said lateral direction opposite to the deflector (D), creating a local minimum of the liquid passage cross-section noticeably to the right of the active ridge (D2) of the deflector while approaching the surface (S) to be eroded, then gradually causing this passage cross-section to increase, downstream of the deflector, and opposite to this surface (S) to cause the pressure to rise again and so to fix the position of the condensation zone (ZC).
- mit einer Quelle (2) einer unter hohem Druck stehenden Arbeitsflüssigkeit, die bei Umgebungstemperatur und niedrigerem Druck als Atmosphärendruck verdampft werden kann,
- mit einer Düse (B), die von dieser Quelle gespeist wird, und ein konvergierendes Rohr (T) bildet, in dem die Flüssigkeit entlang einer "Längs"-Richtung fließt, um eine Strahl großer Geschwindigkeit unter gleichzeitiger Absenkung des Flüssigkeitsdrucks zu bilden und um diesen Strahl auf die zu erodierende Oberfläche (S) gemäß dieser Längsrichtung zu lenken,
- und mit Kavitationsmitteln, die mit dieser Düse verbunden sind und auf den Strahl so einwirken, daß sie den Druck der Flüssigkeit örtlich absenken, die Flüssigkeit teilweise verdampfen lassen und heftige Verschiebungen der Flüssigkeit während des erneuten Kondensierens des Dampfes stromabwärts in einer Kondensationszone (ZC) zu erzeugen, in der der Druck angestiegen ist und die mit der zu erodierenden Fläche in Berührung steht,
- dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitationsmittel einen Deflektor (D) mit Mitteln (D1) zu dessen Positionierung in der Nähe der zu erodierenden Fläche (S) aufweisen, wobei dieser Reflektor den Strahl am Ausgang der Düse (B) empfängt und ihn in eine"Seiten"-Richtung umlenkt, die bezüglich der Längsrichtung stark geneigt ist, so daß sich eine zu der Flache parallele Strömung ergibt, wobei der Hinterrand des Deflektors eine "aktive" Kante (D2) bildet, die geeignet ist, ein Ablösen der Strömung und die Bildung einer Dampftasche (PV) unmittelbar hinter dieser Kante zwischen der abgelösten Strömung und der zu erodierenden Fläche hervorzurufen, wobei die Düse (B) einen Ausgang und in Kontinuität mit dem konvergenten Längsrohr (T) ein Führungsprofil (G) aufweist, das sich zu der Seitenrichtung gegenüber dem Deflektor (D) hinneigt und ein örtliches Minimum des Durchlaßquerschnitts für die Flüssigkeit im wesentlichen in Höhe der aktiven Kante (D2) des Deflektors erzeugt und sich dabei an die zu erodierende Fläche (S) annähert, worauf der Durchlaßquerschnitt hinter dem Deflektor und gegenüber dieser Fläche (S) zunehmend größer wird, um den Druck wieder anzuheben und somit die Lage der Kondensationszone (ZC) festzulegen.