OUTIL D'EXPANSION HYDRAULIQUE POUR ELEMENT TUBULAIRE

Description

[0001] Dans la fabrication de nombreux équipements industriels (échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur, tubes autofrettés, par exemple), il est nécessaire de pratiquer une expansion d'éléments tubulaires afin de monter et fixer ces éléments tubulaires. Ceux-ci ont des diamètres et des épaisseurs très variables. A titre indicatif, les tubes de générateurs de vapeur pour centrales nucléaires ont des diamètres de l'ordre de 20 mm et une épaisseur de paroi de l'ordre de 1 mm alors que certains tubes autofrettés dans des machines de défense ont des diamètres de l'ordre de 100 à 200 mm avec une épaisseur de paroi de l'ordre de 40 à 80 mm.

[0002] Un procédé courant pour réaliser l'expansion d'éléments tubulaires est le mandrinage hydraulique. De façon classique, le mandrinage hydraulique se fait à l'aide d'un mandrin que l'on introduit dans le tube à expanser et qu'on alimente en fluide sous pression. Un mandrin exemplaire se trouve décrit dans le document EP-A-0 177 045 constituant l'art anterieur selon l'article 54(3) CBE. Le mandrin est muni de joints annulaires de très petite section qui ferment de façon étanche les extrémités de la chambre d'expansion hydraulique annulaire formée entre la face interne d'un tube à expanser et la surface extérieure du mandrin lorsque celui-ci se trouve en place à l'intérieur dudit tube. De tels joints, à diamètre et section constants, ne permettent pas d'assurer systématiquement un contact satisfaisant avec la face interne du tube lorsque celui-ci a un diamètre qui varie suivant les tolérances de fabrication usuelles. De ce fait, il doit souvent être fait usage de plusieurs mandrins et joints de diamètres différents pour suivre les variations du diamètre intérieur des tubes. De plus, si le diamètre minimum pour un tube correspond au diamètre maximum du trou qui doit recevoir le tube, il peut encore se produire une fuite au joint et, par ailleurs, le tube peut ne pas être suffisamment mandriné contre la paroi du trou.

[0003] Enfin, étant donné le petit diamètre des joints (généralement de l'ordre de 1 à 2 mm), la déformée du tube, entre la partie mandrinée et la partie non mandrinée, est fort accusée. Il se développe dès lors des tensions importantes dans cette zone et, pendant la durée de vie de l'équipement, il peut se développer des fissurations qui pénalisent la fiabilité de l'équipement, nécessitent l'arrêt des installations et le bouchonnage des tubes déficients.

[0004] Par le document US-A-4 467 630, on connaît un outil d'expansion hydraulique pour élément tubulaire, comportant un corps allongé portant des joints destinés à s'adapter contre la surface intérieure d'un élément tubulaire à expanser, chaque corps comprenant une tête fixée sur la surface du corps allongé et une jupe formant une couronne qui entoure une partie du corps allongé à une faible distance de la surface extérieure de celui-ci, la jupe étant constituée d'un matériau ayant une souplesse suffisante pour pouvoir se restreindre en diamètre lorsque l'outil se trouve introduit dans un élément tubulaire.

[0005] Un tel outil convient dans les cas où l'on utilise des pressions relativement faibles, ce qui n'est pas possible que pour réaliser l'expansion d'éléments tubulaires de faible épaisseur. Par contre, cet outil connu est inapplicable lorsque l'on utilise des hautes pressions comme cela est nécessaire pour réaliser l'expansion d'éléments tubulaires de forte épaisseur. Dans ces cas, en effet, le joint en matériau souple risquerait de plastifier sous l'effet de la pression.

[0006] La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des outils d'expansion hydraulique connus et de proposer un outil d'expansion utilisable avec de hautes pressions.

[0007] Ce but est atteint grâce à l'invention par un outil d'expansion hydraulique pour élément tubulaire, comprenant un corps allongé portant des joints destinés à s'adapter contre la surface intérieure d'un élément tubulaire à expanser, chaque joint comprenant une tête fixée sur la surface du corps allongé et une jupe formant une couronne qui entoure une partie du corps allongé à une faible distance de la surface extérieure de celui-ci, la jupe étant constituée d'un matériau ayant une souplesse suffisante pour pouvoir se rétreindre en diamètre lorsque l'outil se trouve introduit dans un élément tubulaire, les jupes d'au moins une paire de joints étant reliées entre elles pour délimiter extérieurement au moins une chambre interne annulaire destinée à recevoir un fluide d'expansion, un tel outil étant connu du EP-A- 0177045 lequel outil est remarquable en ce que les joints sont enserrés entre deux bagues constituées de plusieurs secteurs jointifs, les bagues étant maintenues par des organes de compression fixés sur le corps allongé, et en ce qu'un couvre-joint interne est disposé entre les joints et les bagues pour éviter l'extrusion du joint souple entre les secteurs consécutifs des bagues.

[0008] Une enveloppe cylindrique peut être glissée autour de ces bagues pour servir de répartiteur de déformation entre les secteurs de bague et un élément tubulaire à expanser, l'enveloppe cylindrique comportant avantageusement des entailles réparties sur sa paroi.

[0009] Dans un mode de réalisation particulier, les bagues enserrent une bague médiane ayant une plus grande rigidité que les bagues latérales.

[0010] L'invention est exposée dans ce qui suit avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :

• la figure 1 représente un outil d'expansion hydraulique typique,
• la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'outil d'expansion hydraulique conforme à l'invention,
• la figure 3 est une vue en coupe axiale illustrant une variante d'exécution d'un joint,
• la figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 3,
• les figures 5 et 6 sont des vues, respectivement en élévation longitudinale et de côté, d'un exemple d'exécution d'une enveloppe utilisée avec le joint monté dans les figures 2 et 3,
• la figure 7 est une vue en coupe axiale illustrant une autre variante d'exécution d'un joint
• la figure 8 est une coupe transversale suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7,
• la figure 9 représente une variante d'exécution de l'outil d'expansion montré dans la figure 3.

[0011] Comme montré à la figure 1, un outil d'expansion hydraulique typique comprend un corps allongé ou axe 1 portant à ses extrémités deux joints 2 et 3. Le corps 1 est composé par exemple de trois parties 1A, 1B, 1C vissées l'une dans l'autre. La longueur du corps 1, et partant la distance entre les joints 2 et 3, est ajustable par vissage adéquat des parties 1A et 1C dans la partie médiane 1B avec éventuellement interposition de rondelles. Le joint 2 est serré contre une extrémité du corps 1 par un organe de compression 4 fixé intérieurement dans le corps. Au-dessus de l'organe de compression 4 est monté un organe de raccord 5 pour le raccordement de l'outil à un groupe hydraulique destiné à alimenter l'outil en fluide sous pression. L'organe de raccord 5 et l'organe de compression 4 sont traversés axialement par un conduit d'amenée de fluide 6 qui communique avec un conduit de fluide d'expansion 7 ménagé dans le corps 1 et débouchant à la surface latérale extérieure du corps par des orifices 10. Le joint 3 est serré contre l'autre extrémité du corps 1 par un organe de compression 8 fixé intérieurement dans le corps 1 et devant l'organe de compression 8 est fixée la tête d'introduction 9. Les joints comportent une tête cylindrique ou tronconique 21 fixée sur le corps 1 et une jupe 22 qui forme une couronne entourant une partie du corps 1 à une faible distance de la surface extérieure de celui-ci. La jupe a une épaisseur qui décroît vers son bord extérieur et une zone marginale qui a un diamètre extérieur légèrement plus grand que le diamètre intérieur d'un tube à expanser T. A son bord extérieur, la jupe 22 du joint présente de préférence un biseau 25 pour faciliter l'introduction dans un tube. La jupe 22 est avantageusement constituée d'une matière souple ou relativement souple de manière qu'elle puisse se rétreindre légèrement en diamètre lorsqu'elle se trouve introduite dans un tube à expanser.

[0012] La forme géométrique et la composition de la matière de la jupe peuvent être adaptées à chaque application spécifique. On peut concevoir une jupe en matière extrêmement souple pour des expansions importantes sous pression peu élevée ou une jupe en matière relativement souple pour des expansions modérées sous très haute pression. On peut également concevoir une jupe à matériaux multiples pour d'autres cas. De même, la forme géométrique de la jupe peut être spécifique à la déformée que l'on veut obtenir sur l'élément tubulaire après expansion hydraulique.

[0013] Pour en améliorer le cas échéant la souplesse, la jupe 22 des joints peut être sectionnée d'entailles de faible largeur. Ces entailles permettent à la jupe du joint de suivre une déformation radiale importante du tube à expanser tout en restant en comportement élastique. Cette option est avantageuse dans les cas où la matière utilisée pour la jupe 22 ne pourrait, si la jupe était réalisée sans entailles, suivre une déformation importante sans plastifier.

[0014] La réalisation du joint en forme de jupe confère au joint une souplesse qui permet une adaptation parfaite aux variations de diamètre des tubes. Ce comportement souple et élastique assure que les tubes soient toujours adéquatement mandrinés quelles que soient les tolérances de fabrication portant sur le diamètre des tubes et sur le diamètre des trous recevant ces tubes.

[0015] De plus, la transition entre la partie mandrinée et la partie non mandrinée d'un tube présente une géométrie beaucoup plus douce que dans le mandrinage classique. En particulier, la forme de la jupe des joints peut être calculée de telle sorte que la déformée du tube n'induise pas dans celui-ci de tensions menant à la fissuration du tube; ceci augmente la fiabilité de l'équipement et évite des arrêts d'installation avec bouchonnage des tubes déficients.

[0016] Enfin, en raison de la grande souplesse du joint, qui permet à celui-ci de s'adapter à toutes les tolérances de fabrication des tubes et des trous devant recevoir ces tubes, il est possible de prévoir des ensembles de plusieurs mandrins identiques réunis dans un même bloc de distribution hydraulique, ce qui permet de mandriner plusieurs tubes simultanément.

[0017] Les blocs de distribution hydraulique peuvent avoir différentes formes géométriques. En particulier, le bloc qui servira à mandriner la partie centrale d'une plaque tubulaire de générateur de vapeur, par exemple, pourra avoir une section rectangulaire (section parallèle à la face de la plaque), alors qu'au bord de la plaque tubulaire, on pourra faire usage d'un bloc à section partiellement courbe. Cette possibilité permet de réduire considérablement le temps de mandrinage (d'un facteur 2 à un facteur 10 suivant le nombre de tubes et la profondeur à mandriner), ce qui diminue les coûts et les délais de fabrication.

[0018] La longueur du corps de l'outil est ajustée en fonction de l'épaisseur locale de la plaque dans laquelle doit être monté le tube à expanser. L'outil est positionné dans un tube T devant être mandriné dans une plaque tubulaire PT, de telle manière que les joints 2 et 3, qui limitent la chambre d'expansion annulaire 20, se trouvent localisés au droit des passages d'entrée et de sortie du tube T dans la plaque tubulaire PT de telle sorte qu'un mandrinage correct du tube T soit assuré sur toute sa longueur.

[0019] La figure 2 illustre un mode de réalisation conforme à l'invention. Dans ce mode d'exécution, le corps 1 de l'outil porte un joint souple qui est constitué par la réunion des jupes 22 de deux joints simples 2, 3 tels que décrits plus haut. Le joint double de la figure 2 délimite extérieurement une cavité interne annulaire 20 qui forme une chambre pour recevoir le fluide d'expansion. Le joint double creux 2 comprend deux têtes 21 fixées sur la surface extérieure du corps 1 et une jupe 22 en matériau souple ou relativement souple qui relie les têtes 21. La jupe 22 présente une zone marginale extérieure 24 qui s'adapte en contact direct contre la surface intérieure du tube à expanser T sur une longueur qui peut être choisie en fonction de l'épaisseur de la plaque tubulaire PT dans laquelle est mandriné le tube. Ce mode d'exécution est utile lorsque la plaque tubulaire est épaisse : c'est le cas notamment des plaques tubulaires pour générateurs de vapeur pour centrale nucléaire, qui ont une épaisseur de l'ordre de 500 mm.

[0020] Le joint creux 2-3 est enserré entre deux bagues 11A et 11B maintenues par des organes de compression fixés sur l'axe 1. Dans le mode d'exécution illustré, les organes de compression comprennent, de chaque côté du joint, des barrettes 15 et des bagues 17 et 18 reliées par des billes 14 et 16, chaque ensemble étant maintenu en compression par une bague 19 retenue par un écrou (non représenté) serré sur l'axe 1.

[0021] Lorsque le fluide d'expansion est introduit dans la chambre 20, la jupe 22 exerce une pression radiale sur le tube T et les têtes 21 exercent des poussées axiales sur les bagues 11A et 11B, ces poussées axiales étant transmises par les éléments 14-19 jusqu'aux écrous de compression qui équilibrent les poussées axiales.

[0022] Les bagues 11A et 11B peuvent être constituées de plusieurs secteurs comme montré par exemple dans la vue en coupe transversale de la figure 4. Des couvrejoints internes 12 évitent l'extrusion du joint souple entre deux secteurs consécutifs des bagues 11A et 11B lors de la dilatation radiale de ces secteurs pendant l'opération d'expansion ou mandrinage.

[0023] Une enveloppe cylindrique 13 maintient les secteurs formant les bagues 11A, 11B : elle sert de répartiteur de déformation entre les secteurs et le tube T et évite ainsi le marquage interne du tube T par les secteurs. Cette enveloppe 13 est visible également dans la figure 3. Sa surface extérieure s'adapte contre la surface intérieure du tube à mandriner que l'on voit mis en place dans une plaque tubulaire PT de faible épaisseur. Dans cet exemple, les bagues 11A et 11B présentent une partie qui enveloppe la jupe souple 22 du joint et l'on voit que les bagues sont ici jointives autout de la zone centrale 27 de la jupe du joint.

[0024] L'enveloppe cylindrique 13 est avantageusement pourvue d'entailles comme représenté par exemple par les lignes 28 dans les figures 5 et 6. Dans cette exécution exemplaire, les entailles 28 s'étendent axialement. Elles pourraient aussi être hélicoîdales par exemple.

[0025] Dans certaines plaques tubulaires, des gorges circulaires sont formées dans la surface des trous devant recevoir les tubes, afin de ménager des chambres de contre-pression. Celles-ci permettent d'éviter le passage d'un fluide d'une face à l'autre de la plaque. Ces gorges interrompent l'appui des tubes sur la face interne des trous. Pour empêcher dans ce cas que le tube ne subisse une déformation pendant son expansion, l'invention propose une variante d'exécution du joint creux comme illustré à la figure 7. En face de la gorge circulaire, le manchon comprend une bague intermédiaire 11C enserrée entre les bagues 11A et 11B déjà décrites, cette bague intermédiaire ayant une plus grande rigidité que les bagues latérales 11A et 11B de manière à éviter la déformation du tube à expanser T au droit de la gorge pendant l'expansion. Le joint 2 présente ici une partie médiane 27 de forme plus sophistiquée pour épouser le profil intérieur de la bague intermédiaire 11C. La figure 8 est une vue en coupe transversale suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7.

[0026] Lorsque la distance radiale entre la paroi intérieure du tube à mandriner T et l'axe l est faible, on peut prévoir un dispositif d'expansion comportant plusieurs chambres d'expansion annulaires 20 comme montré par exemple à la figure 9. Dans cette figure, deux chambres 20 sont délimitées par deux joints creux 2 selon l'invention répartis le long de l'axe ou corps allongé 1. Comme on le voit, les deux joints 2 sont séparés par une bague intermédiaire 11C qui fait face à la gorge circulaire ménagée dans cet exemple dans la paroi tubulaire PT.

[0027] Dans le cas de l'expansion hydraulique sur de grandes longueurs (autofrettage), la pression qui s'établit dans la chambre d'expansion annulaire 20 exerce un effet de fond sur les extrémités de l'outil et allonge celui-ci. Cet allongement provoque un déplacement des joints, de sorte que ceux-ci glissent ainsi sur la paroi interne du tube pendant la mise sous pression. Un tel glissement peut être préjudiciable à une bonne tenue du joint à la pression.

Revendications

1. Outil d'expansion hydraulique pour élément tubulaire, comprenant un corps allongé portant des joints destinés à s'adapter contre la surface intérieure d'un élément tubulaire à expanser, chaque joint (2) comprenant une tête (21) fixée sur la surface du corps allongé (1) et une jupe (22) formant une couronne qui entoure une partie du corps allongé à une faible distance de la surface extérieure de celui-ci, la jupe étant constituée d'un matériau ayant une souplesse suffisante pour pouvoir se rétreindre en diamètre lorsque l'outil se trouve introduit dans un élément tubulaire (T), les jupes (22) d'au moins une paire de joints (2,3) étant reliées entre elles pour délimiter extérieurement au moins une chambre interne annulaire (20) destinée à recevoir un fluide d'expansion dans lequel les joints (2) sont enserrés entre deux bagues (11A, 11B) constituées de plusieurs secteurs jointifs, les bagues étant maintenues par des organes de compression (14-19) fixés sur le corps allongé (1), et dans lequel un couvre-joint interne (12) est disposé entre les joints (2, 3) et les bagues (11A, 11B) pour éviter l'extrusion du joint souple entre les secteurs consécutifs des bagues.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une enveloppe cylindrique (13), disposée autour des bagues (11), sert de répartiteur de déformation entre les secteurs de bagues (11) et un élément tubulaire à expanser (T).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe cylindrique (13) comporte des entailles (28) réparties sur sa paroi.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues (11A, 11B) enserrent une bague médiane (11C) ayant une plus grande rigidité que les bagues latérales (11A, 11B).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jupes (22) du joint présentent une zone marginale extérieure (24) ayant une longueur prédéterminée.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (1) de l'outil a une longueur réglable.

Claims

1. Hydraulic expansion tool for a tubular element, comprising an elongated body member carrying seals arranged to fit against the inner surface of a tubular element to be expanded, each seal (2) having a head portion (21) fixed to the outer surface of the elongated body member (1) and a skirt portion (22) forming a crown surrounding a portion of the elongated body member at a small distance from the outer surface thereof, the skirt portion being formed of a material sufficiently flexible to enable a reduction of seal dimension when the tool is introduced into a tubular element (T), the skirt portions (22) of at least one pair of seals (2, 3) being connected to each other in order to outwardly delimite at least one inner annular chamber (20) intended to receive an expansion fluid, wherein the seals (2) are clamped between two rings (11A, 11B) consisting of a plurality of adjacent sectors, the rings being held by compression means (14-19) fixed on the elongated body member (1), and wherein an internal seal cover (12) is disposed between the seals (2, 3) and the rings (11A, 11B) for preventing extrusion of the flexible seal between the adjacent sectors of the rings.

2. Apparatus according to claim 1, wherein a cylindrical cover (13) is disposed round the rings (11) and serves as a stress distributor between the sectors of the rings (11) and a tubular element (T) which is to be expanded.

3. Apparatus according to claim 2, wherein the cylindrical cover (13) comprises slits (28) distributed over its wall.

4. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the rings (11A, 11B) include a median ring (11C) having a greater rigidity than the lateral rings (11A, 11B).

5. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the skirt portions (22) of the seal have an external marginal zone (24) extending over a predetermined length.

6. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the body member (1) of the tool has an adjustable length.

Ansprüche

1. Werkzeug zum hydraulischen Aufweiten eines rohrförmigen Gegenstandes mit folgenden Merkmalen:
ein länglicher Körper trägt Dichtungen, die bestimmt sind, sich an der Innenoberfläche eines aufzuweitenden, rohrförmigen Gegenstandes anzulegen;
jede Dichtung (2) weist einen auf der Oberfläche des länglichen Körpers (1) befestigten Kopf (21) und einen eine Krone bildenden Mantel (22) auf, welche einen Teil des länglichen Körpers in engem Abstand zu dessen Außenoberfläche umgibt;
der Mantel besteht aus einem Material mit genügender Schmiegsamkeit, um sich bezüglich des Durchmessers zusammenziehen zu können, wenn das Werkzeug in einem rohrförmigen Körper (T) eingefügt wird;
die Mäntel (22) mindestens eines Paares von Dichtungen (2, 3) sind unter sich verbunden, um nach außen mindestens eine innere ringförmige Kammer (20) zu begrenzen, die zur Aufnahme einer Aufweitungsflüssigkeit bestimmt ist, gemäß welcher die Dichtungen (2) zwischen zwei Ringen (11A, 11B) eingefaßt sind, die aus mehreren aneinanderstoßenden Sektoren gebildet werden;
die Ringe werden durch auf dem länglichen Körper (1) befestigte Druckorgane (14-19) gehalten;
ein innenliegender Dichtungshalter (12) ist zwischen den Dichtungen (2, 3) und den Ringen (11A, 11B) angeordnet, um die Extrusion der schmiegsamen Dichtung zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten der Ringe zu vermeiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Hülle (13) um die Ringe (11) herum angeordnet ist und als Verteiler der Deformation zwischen den Abschnitten der Ringe (11) und einem aufzuweitenden, rohrförmigen Gegenstand (T) dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Hülle (13) auf ihrer Wand verteilte Einkerbungen oder Schlitze (28) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (11A, 11B) einen mittleren Ring (11C) einfassen, der eine größere Steifigkeit als die seitlichen Ringe (11A, 11B) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mäntel (22) der Dichtung eine äußere Randzone (24) mit vorbestimmter Länge darstellen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) des Werkzeugs eine regelbare Länge aufweist.

Dessins