[PDF] TECHNICAL NOTE MT-ESH/93-23 Calculs. 5-1. Tubulures et

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MT-ESH/FS

TECHNICAL MT-ESH/93-23

rCAJUCTJJIJL

JLA G IE i[J!

JL 'JINI/J!TJJI§'lrlR.IIJE:

Frederic VARY

Novembre 1993

2

Sommajre

a e

1 Introduction 3

2 Description des accessoires et assemblages concernes 3

3

Conditions de calcul 4

4 Contraintes admissibles 4

5 Calculs

5-1 Tubulures

et fonds plats au diametre nominal 60 5 S-2 Tubulures au diametre nominal 70, brides et fonds plats boulonnes 5-2-1

Ca1cul de 1a tubulure 5

5-2-2 Calcul de

Ia boulonnerie 5

5-2-3

Calcul de

Ia bride 0 180 6

5-2-4 Calcul du fond plat boulonne 0 180 7

S-3 Bride a collerette + 120

5-3-1 Calcul de Ia boulonnerie 8

5-3-2

Calcul de

Ia bride • 9

5-3-3 Calcul du fond plat boulonne • 11

S-4 Tubulures et fonds plats sou des au diametre nominal 70 12 S-5

Tube froid 13

S-6

Tubulure en inox 321 au diametre nominal 50 13

6 Conclusion 13

7 References 14

3

1 Introdyctjon

Cette note de calcul a pour objet le dimensionnement

I-des accessoires, c'est-a-dire tubulures

et fonds plats soudes,

2-des assemblages

a brides boulonnees utilises pour les connexions provisoires des prototypes longs sur le bane de test individuel (= le bane de mesure des performances magnetiques Ces connexions bridees et tubulures seront bouchees par un fond plat Iars de l'epreuve officielle de reception de Ia "masse en presence des autorites legales ou de leurs representants (APAVE, TIS) chez le constructeur. Apres l'epreuve de reception, toutes ces tubulures debouchant de Ia masse froide par les fonds plats des tonneaux seront decoupees pour permettte le montage de l'aimant sur Ia cellule de test en serie au SMI8. Deux prototypes voisins seront alors relies par l'intermediaire des interconnexions souctees soufflets.

Cette note est

basee sur les regles de calcul du code fran<;ais sections C2, C3,

C4 et C6

[I].

2 Description des accessojres et assemblages concernes

La liste des tubulures concemees, avec leurs accessoires, est reprise dans le tableau ci dessous avec les references au plan NOELL no 90380I (cf. reference [3] ). La demiere colonne donne Ia reference de Ia section du CODAP pour le calcul. Designation Repere Nombre Dimensions Matiere Sectiondu rom CODAP

I: tubulure 15 2 0 60,3 2 316 L C2

fond plat soude 16 2 0 60 X IO C3 2: bride independante 8 4 0I80x21 316LN C6 fond plat boulonne 9 2 0I80x2I 316LN C3 tubulure

10 2 070 2,5 3I6 L C2

boulons 22 80 M8 x55 3I6 C6

3: bride a collerette 20 I +I20x3I 3I6LN C6

fond plat boulonne 21 I + 35 3I6LN C3 boulons 26 4 MI6x 60 3I6LN C6 4: tubulure I8, 19 I, I 0 70x 2,5 3I6 L C2 bride indeoendante 59 2 0 1 go x 21 316 LN Cfi fond plat soude 2 0 70 X 10 3I6LN C3

5: tubulure 17 I 0 70 2,5 3I6 L C2

fond plat soude 14 2 070 L C3

6: tubulure I1, 12 1, I 0 70 2,5 316 L C2

7: tubulure 13 1 070x2,5 3I6 L C2

8: tube froid 4I 2 045,5 X 2,5 3I6 L C4

9: extremite echangeur Cu* 33,36 2 0 50 2,5 321 C2

Tableau 1

4 Les tubulures d'un meme diametre feront I' objet d'un seul calcul. II en est de meme pour les brides et fonds plats boulonnes et soudes. Le materiau le plus faible sera alors considere. *Dans cene note, nous considererons que le tube echangeur en cuivre pcut etre rupture sous l'effet de Ia pression exterieure. Dans ce cas, Ia pression interne dans Ia masse froide devient egalement une pression interne dans l'echangeur. La partie en cuivre de l'echangeur voit une pression interne egale une meme pression exteme et Ia partie dcbouchante (tube en inox

321 .,tance 1.4541, a de Ia masse froide) voit une

pression interne egale Ia press: calcul de 19 bar relatif. Ce tube etant seule partie debouchante de la masse !roil subsiste en fonctionnement (les bouchons plats d'extremite disparaissent pour pet<.octtre la connexion soudee avec le systeme cryogenique!) c'est-a-dire pendant le test magnetique sur le bane de mesure et pendant le test de mise en serie dans Ia cellule SMI8, il sera dimensionne selon les regles du CODAP.

3 Conditions de ca!cul

Les pressions et temperatures existant dans les tubulures sont celles qui existent dans !'enceinte de la masse froide: *pression de calcul, a ambiante, *pression de calcul, en fonctionnement, a 1,8 K *pression d'epreuve, a ambiante,

4 Contraintes admjssjb!es

20 bars,

20 bars,

26 bars,

De maniere

generale, les contraintes admissib!es seront definies de Ia maniere suivante: *Rm/4 dans les brides et tubulures, *Rm/5 dans

Ia boulonnerie.

Ces definitions donnent les valeurs suivantes :

* pour le 304 L
Rm =

490N/mm2

( cf. reference [2] ) Rm/4

122,5 N/mm2

• pour le 316 L, tubes Rm =

470N/mm2

(cf. reference [4]) Rm/4

117,5 N/mm2

* pour lc 316, boulons Rm =

500N/mm2

(qualite Rm/5

100N/mm2

* nr\llr lf' f.. T l\J p

500 M/!!!!!! 2

( cf. reference [2] ) Rm/4

147,5 N/mm2

Rm/5

118 N/mm2

*pour le 321 Rm =

490N/mm2

( cf. reference [ 4] ) Rm/4

122,5 N/mm2

5

5 Calculs

5-l Tubulures et fonds plats

au diametre nominal 60: Les calculs ne sont pas necessaires. Nous faisons reference aux calculs des memes de plus grand diametre nominal 70 (voir paragraphes 5-2-1 et 54).

5-2 Tubulures au diametre nomina170. brides et foncts boulonnes:

5-2-1 Calcul de

Ia tubulure:

e = _E_x_l2m-

2 x fxz

, avec P = 2,6 Nfmm2,nous considerons Ia plus grande pression vue par

Ia tubulure

= 67,5 mm = 117,5 N/mm2 z = I, tube sans soudure e =0,75 mm

2,5 mm = epaisseur adoptee

(epaisseur adoptee= 2 mm pour le 0 00 m

5-2-2 Calcul de Ia boulonnerie:

Ce cal cui est valable pour les brides

repere 8 et 59, matiere 316 LN (plan n° 06 2). L'annexe C6.A4 obligatoire sera appliquee puisqu'il est question dans notre cas de joint annulaire en elastomere avec les faces de brides ou d'anneau intercalaire en contact direct metal-metal serrage initial du joint.

Des joints de type

VITON (0-ring elastomere) seront utilises pour assurer l'etancheit:e de !'enceinte de l'aimant. Les caracteristiques du joint sont: diametre moyen 109,44 mm, diametre de corde 5,34 mm, durete de

70 A. La compression du joint est de 25 %.

Des boulons de qualite ( doux) seront utilises de maniere a garantir les allongements minima requis par Ia reglementation ( Aroin requis = 14%). L'allongement minimum de cet acier 316.

1.4401 scion DIN 17440, est ega! 43 %.

A. En situation d'assise du joint, les n boulons doivent exercer Ia force minimum suivante: f" A = J4JK = 109,44mm = negligeable pour joint elastomere = 10 N/mm, selon foumisseur B. Force de traction sur les n boulons en situation de pression interieure: y m = negligeable pour joint elastomere =2,6 N/mm2 Fp = 24458 N 6 C. Section minimum necessaire pour !'ensemble des boulons: fb,P = contrainte nominale de calcul des boulons oour une situation de = 100 Ntmm2

S = 244,6 mm2

Hors, nous avons

20 boulons de section sr = 36,6 mm2, nous verifions done Ia

relation: 732

244,6 mm2

5-2-3 Calcul de

Ia bride 0 180:

Ce calcul est va1able pour les brides repere 8 et 59, matiere 316 LN. Les brides sont du type "independante". A. Moment s'exer9ant sur Ia bride en situation d'assise du joint:

MA = 1063492 Nmm

FA = 1/2 X ( n X Sr + S) X fb,A

fb,A = 100 N/mm2 hJ = rccrcle pcr9age-rcercle FJ = 76,5 -1/2 X 109,44 = 21,78 mm B. Moment s'exer9ant sur Ia bride en situation de pression:

Mp = 872500 Nmm

F8 = rr/4 x ( o?-) x p

= 14452 N h8 = 1/4 x ( 2c - B -DJ) = 1/4 X ( 2 X !53 -70 -109,44) =31,64mm

Fp = 1/4 X 1t X B2 X P

= 10006 N hp = 1/2 X ( C - B ) =41,5mm

FJ =1tXDJXYm

z 0, joint elastomere! 7

C. des contraintes:

Nous prendrons dans les calculs la valeur la plus grande du moment dans la bride, c'cst-a-dire dans notre cas, M A moment en situation d'assise du joint. -Contrainte maximale de flexion dans la collerette a 1 =

0, bride sans collerene !

-Contrainte maximale radiale dans le plateau ar = 0, bride sans collerene ! -Contrainte maximale circonferentielle dans le plateau aa: = x M x C 0,

Co = MAX ( I; J

= 108 N/mm2 <

5-2-4 Calcul du fond plat boulonne 0 180:

ebr = 18mm d =8mm c 0 = 1

Y = fct (AlB)

= fct (2,57) = 2,3

Rm/4 = 147,5 N/mm2

L'epaisseur minimale du fond est donnee par la fonnule suivante c =MAX ((eA),(ep))

En situation d'assise du joint,

J 3 x ( C-DJ) F'A

= ---------------------X -----------

1tXDJ fA

F' A =

48829 N

fA = Rm/4 = 147,5 N/mm2 eA = 11,2 mm

En situation de pression,

= DJ2 + 3 X ( (C-DJ)] x

32 4 p f

v =coefficient de Poisson = 0,3 f = Rm/4 = 147,5 N/mm2

P = 2,6 N/mm2

ep = 11,3 mm

Finalement,

e = 11,3mm <

18 mm, epaisseur adoptee

8 minim ale dans Ia region du fond est donnce par: OJ ep1 = [ 3 X ( ------+------)X ( C-DJ)] X----- 4 p f ep1 =7,9mm

Finalement,

= 11,2mm < 19 mm, epaisseur adoptee

5-3 Bride!t co!lerette + 120:

Ces calculs concement Ia bride a collerene repere et son fond plat repere 21, matiere 316 LN (plan n° LHCSVQP _0013 3 ). L'annexe C6.A4 obligatoire sera appliquee puisqu'il est question dans notre cas de joint annulaire en clastomcre avec les faces de brides ou d'anneau intercalaire en contact direct metal-metal serrage initial du joint.

5-3-1 Calcul de

Ia boulonnerie:

Des joints de type

VITON (0-ring elastomcre) seront utilises pour assurer l'etanchcite de !'enceinte de l'aimant. Les caracteristiques du joint sont les suivantes: diametre moyen

61 mm, 0tore 5 mm, durete de 70 Shore A. La compression du joint est de 30 %. Cette

bride entre dans Ia categoric des brides monoblocs a co!lerette cylindrique.

Les boulons

M 16 sont fabriques hors rond 0 35 mm 316 LN dont l'allongement minimum a Ia rupture est 38% ( > Amin requis = 14%). A. En situation d'assise du joint, les n boulons doivent exercer Ia force minimum suivante: =6lmm = negligeable pour joint elastomere, scion le foumisscur cette valeur de FA est donnec par FA= 12 N/mm x 0;m= 12 x 56 : B. Force de traction sur les n boulons en situation de pression interieure:

Fp = 1t X DJ X Y m + rr/4 X Dl X P

y m = negligeable pour joint elastomere = 2,6 N/mm2 Fp = 7599 N 9 C. Section minimum necessaire pour !'ensemble des boulons: fb,P = contrainte nominale de calcul des boulons pour une situation de pression

118 N/mm2

S =65 mm2 Hors, nous avons 4 boulons de section s, = 157 mm2, nous verifions done Ia relation: n x s, S

628 ;:::65 mm2

5-3-2 Calcul de Ia bride + 120:

A. Conditions d'application du chapitre C6.1.7:

1-Epaisseur

de Ia collerene PxB eo,cyl = -----------

2 fv-P

B =47mm

fv = Rm/4 = 147,5 N/mm2 d'ou go= 5 mm ;::: mm = eo,cyl

2-Epaisseur utile au moins egale go sur une longueur lcyl au moins egale

lcyl min= ,f (B + go) x go = l6mm Hors, epaisseur utile = 5 mm sur une longueur ley! instal lee telle que ley! installee = 40 mm ;::: lcyl min= 16 mm B. Moment sur Ia bride en situation d'assise du joint: = F' A X hJ = 1/2 X ( n X Sr + S ) X fb,A Etant donne le contact metal sur metal de pan et d'autre du cercle de des boulons nous pouvons negliger Ia flexion dans Ia bride en condition d'assise du joint et prendre

F' A= 0. Nous avons done,

MA =ONmm

C. Moment s'exer9ant sur Ia bride en situation de pression:

FB = 1/4 X 1t X ( o

12.

B2 ) x p

= 3088 N hB =l/4x(2C-B-DJ) = 1/4 X ( 2 X 107,5-47-61) = 26,75 mm 10

Mp = Nmm

D. Detennination des contraintes: Fp = 1/4 X

lt X 82 X P = 4511 N hp = 1/2 X ( C • B ) = 30,25 mm FJ =!tXDJXYm = 0 N! Y "' hJ = i/2 x ( C-DJ) = 23,25 mm

Nous prendrons dans les calculs

Ia valeur Ia plus grande du moment dans Ia

bride, c'est-a-dire dans notre cas, Mp moment en situation de pression.

0.1-Contrainte maximum meridienne de flexion dans Ia collerette:

AM = x M x Co

LMxgl2xsl .

= 1, collerette cylindrique!

B = 47 mm < 20 x g

1 = 100 mm => B1 = B +go

B1 =47+5=52mm

XM+ 1 = -----------+ -------X --------------

T U x g02

XM u T

LM = 12.04

= 0,908920, bride a col. cylindrique!quotesdbs_dbs11.pdfusesText_17

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