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WO 2014/001702 PCT/FR2013/051473
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DISPOSITIF D'ETANCHEITE A L'ARRET PASSIF
POUR SYSTEME DE JOINTS D'ARBRE D'UN
GROUPE MOTOPOMPE PRIMAIRE.
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des groupes motopompes primaires de
réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP).
L'invention concerne plus particulièrement, un dispositif d'étanchéité à
l'arrêt
(DEA) passif permettant de contrôler une fuite de fluide de refroidissement
primaire résultant de la défaillance du système de joints présent sur le
groupe motopompe primaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les dispositifs d'étanchéité à l'arrêt (DEA) ont été développés dans les réac-
teurs nucléaires à eau sous pression de nouvelles générations pour faire
face à une défaillance du système de joints du groupe motopompe primaire
suite à une situation accidentelle de Perte Totale de l'Alimentation
Electrique
(PTAE), également appelée, SBO (pour Station Black Out en langue an-
glaise).
Ainsi, les dispositifs d'étanchéité à l'arrêt doivent, dans cette situation
acci-
dentelle et après l'arrêt de la pompe primaire, permettre de contrôler et de
stopper une fuite du fluide de refroidissement primaire résultant de la défail-
lance du système de joints du groupe motopompe primaire.
Classiquement, ce type de dispositif est activé par une source auxiliaire
(telle que par exemple un circuit d'azote sous pression) et le déclenchement
est piloté par une information délivrée par le contrôle commande du réac-
teur, en cas de perte des sources de refroidissement du groupe motopompe
primaire.
Dans le but de s'affranchir de l'utilisation d'une source d'activation, il a
été
développé un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif ne nécessitant aucun
système auxiliaire d'activation, ni d'élaboration d'une information de déclen-
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chement au niveau du contrôle commande du réacteur. Un tel dispositif
d'étanchéité à l'arrêt passif est décrit dans le document WO 2010/068615.
Toutefois, le dispositif d'étanchéité décrit est un dispositif encombrant et
son
montage dans un système de joints d'un groupe motopompe primaire est
relativement complexe.
EXPOSE DE L'INVENTION
Dans ce contexte l'invention vise à proposer une amélioration d'un tel dispo-
sitif d'étanchéité permettant de réduire son encombrement et ainsi son mon-
tage sur les systèmes de joints d'arbre de groupes motopompes primaires
en service.
A cette fin, l'invention propose un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif
pour
système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire comportant :
¨ un anneau d'étanchéité fendu présentant une position inactivée et une
position activée ;
¨ un séparateur réalisé dans un matériau fusible apte à changer d'état à
partir d'un seuil de température, dit seuil de changement d'état, ledit
séparateur maintenant ledit anneau d'étanchéité fendu dans sa posi-
tion inactivée lorsque la température du dispositif est inférieure au seuil
de température de changement d'état ;
ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit dispositif comporte des
moyens élastiques circulaires positionnés autour de l'anneau d'étanchéité
fendu, lesdits moyens élastiques étant adaptés pour amener ledit anneau
d'étanchéité dans sa position activée lorsque la température est supérieure
ou égale à la valeur seuil de changement d'état dudit séparateur.
On entend par les termes changer d'état , une modification des caracté-
ristiques mécaniques du matériau fusible.
Grâce à l'invention, il est possible de stopper une fuite du fluide de
refroidis-
sement primaire résultant de la défaillance du système de joints du groupe
motopompe primaire sans nécessité d'une source auxiliaire d'activation.
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La conception du dispositif selon l'invention permet une implantation simpli-
fiée sur les architectures des groupes motopompes primaires déjà en ser-
vice.
Grâce au dispositif selon l'invention, il est également possible d'ajuster le
dispositif aux contraintes de fonctionnement de chaque type de réacteur nu-
cléaire par le réglage de la température d'auto-activation du dispositif, et
plus précisément par la modification de la composition de l'élément fusible.
Il est également possible de définir un premier seuil de température de
changement d'état du matériau à partir duquel le séparateur matériau fusible
change d'état, c'est-à-dire que ses caractéristiques mécaniques se modi-
fient, et un seuil de température d'activation du dispositif DEA qui peut être
différent et supérieur à la température du seuil de changement d'état, à par-
tir duquel le séparateur n'est plus apte à résister à l'effort exercé par les
moyens élastiques, amenant ainsi l'anneau d'étanchéité dans sa position
activée.
Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif selon l'invention peut également
présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous prises individuel-
lement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- lesdits moyens élastiques amènent ledit anneau d'étanchéité dans sa
position activée lorsque la température est supérieure ou égale à la va-
leur d'un seuil d'activation du dispositif, la température du seuil
d'activation étant supérieure à la température du seuil de changement
d'état ;
- ledit dispositif est adapté pour être intégré sur un système de joints
d'un arbre de groupe motopompe primaire en service ;
- ledit anneau d'étanchéité fendu est en polymère résistant à des tempé-
ratures supérieures à 300 OC;
- ledit anneau d'étanchéité fendu est en polyétheréthercétone, ou en
composite à matrice polyétheréthercétone chargée en fibres de verre
ou de carbone ;
- lesdits moyens élastiques circulaires exercent un effort de compression
sur ledit anneau d'étanchéité ;
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- ledit anneau d'étanchéité comporte une gorge annulaire périphérique
apte à recevoir lesdits moyens élastiques circulaires ;
- ledit séparateur réalisé dans un matériau fusible est adapté à résister
mécaniquement à l'effort exercé par les moyens élastiques jusqu'à un
seuil de température compris entre 80 C et 260 C, avantageusement
égal à 15000;
- ledit séparateur et l'anneau d'étanchéité sont monobloc.
- ledit séparateur peut être formé par une pièce indépendante de l'an-
neau d'étanchéité et rapportée au niveau de l'ouverture de l'anneau
par des moyens de fixation.
L'invention a également pour objet un groupe motopompe primaire compor-
tant:
- un système de joints adapté pour réaliser une fuite contrôlée
s'établissant le long d'un chemin de fuite agencé le long de l'arbre du
groupe motopompe primaire ;
- un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif selon l'invention adapté pour
obturer au moins partiellement ledit chemin de fuite dudit système de
joints lorsque ledit système de joint est défaillant et lorsque ledit an-
neau d'étanchéité est amené dans sa position activée par lesdits
moyens élastiques circulaires, de manière à réaliser une fuite contrô-
lée.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus claire-
ment de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nul-
lement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre une vue partielle d'un système de joints d'un groupe
motopompe primaire ;
- la figure 2 illustre une vue en coupe d'un dispositif d'arrêt passif
selon
l'invention dans sa position de repos intégré dans un système de joints
d'un groupe motopompe primaire, tel que représenté partiellement à la
figure 1 ;
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- la figure 3 illustre une vue en coupe d'un dispositif d'arrêt passif
selon
l'invention dans sa position activée, intégré dans un système de joints
d'un groupe motopompe primaire, tel que représenté partiellement à la
figure 1 ;
5 - la
figure 4 illustre une vue en perspective de l'anneau d'étanchéité du
dispositif d'arrêt selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue de détail au niveau de la fente de l'anneau
d'étanchéité du dispositif d'arrêt selon l'invention ;
- la figure 6 est une vue de détail au niveau de la fente de l'anneau
d'étanchéité d'un deuxième mode de réalisation du dispositif d'arrêt se-
lon l'invention
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par
des signes de références identiques sur l'ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Les pompes primaires des réacteurs à eau sous pression sont de type cen-
trifuge à axe vertical. L'étanchéité dynamique en sortie d'arbre 10 (figure 1)
est assurée par un système de joints constitué de trois étages.
Le premier étage est baptisé joint n 1. Le joint n 1, référencé J1, est un
joint
hydrostatique à fuite contrôlée. En fonctionnement normal, un débit de fuite,
illustré par la flèche F1, s'établit le long de l'arbre 10.
En situation accidentelle, la température du fluide en entrée du joint n 1 su-
bit une élévation rapide de température pour atteindre une valeur proche de
la température du circuit primaire, soit environ 280 C. A cette température,
les performances du joint n 1 sont dégradées ce qui entraine une augmenta-
tion très importante de débit de fuite qui peut dépasser 10 m3 par heure. Les
dispositifs d'étanchéité à l'arrêt (DEA) passifs sont destinés dans cette
situa-
tion accidentelle à bloquer le chemin de fuite F1 en aval du joint n 1, sans
l'utilisation d'une source d'activation.
La figure 1 représente plus particulièrement le chemin de fuite File long de
l'arbre 10 entre le joint n 1 J1 et le joint n 2 (référencé J2) situé en amont
du
joint n 1.
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Avantageusement, le dispositif DEA 20 selon l'invention est positionné sur le
chemin de fuite F1 et plus précisément au niveau de la zone représentée
par la référence Z, de manière à pouvoir bloquer l'écoulement du débit de
fuite le long de l'arbre 10 lors d'une situation accidentelle.
La figure 2 illustre plus particulièrement une vue en coupe du dispositif
d'étanchéité 20 selon l'invention lors des conditions normales de fonction-
nement du groupe motopompe primaire, c'est-à-dire lorsque la température
du débit de fuite est inférieure à une valeur seuil prédéterminée.
Par ailleurs, la figure 3 illustre une vue en coupe du dispositif d'étanchéité
dans sa position activée, c'est-à-dire lors des situations accidentelles de
fonctionnement du groupe motopompe primaire.
Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt 20 selon l'invention comporte :
- un anneau d'étanchéité fendu 23 positionné concentriquement autour
de l'arbre 10 du groupe motopompe primaire ;
- des moyens élastiques 22 adaptés pour contraindre en compression
de façon circonférentielle l'anneau d'étanchéité fendu 23;
- un séparateur 27, illustré aux figures 4 et 5, réalisé dans un matériau
fusible adapté pour maintenir ledit anneau d'étanchéité fendu dans sa
position inactivée, ou de repos, tant que la température du dispositif
reste inférieure à un seuil de température qui sera défini par la suite.
Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt 20 selon l'invention peut comporter en
outre une première bague de contact 24 agencée entre la douille 15 du joint
n 1 et l'anneau d'étanchéité fendu 23 et une deuxième bague de contact 26
positionnée au contact de l'anneau d'étanchéité fendu 23 et apte venir au
contact de la pièce support de l'équipage flottant du joint n 1.
A titre d'exemple, la première bague de contact 24 est réalisée en acier ou
en alliage de nickel. La deuxième bague de contact 26 présente une face
chromée au contact de l'anneau d'étanchéité 23 Le revêtement chromé de
la face au contact de l'anneau d'étanchéité 23 permet de réduire le coeffi-
cient de frottement entre l'anneau d'étanchéité 23 et la deuxième bague 26.
En effet, en cas d'arrêt des pompes par perte d'alimentation électrique
(SB0), le dispositif d'arrêt 20 peut être déclenché par augmentation de la
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température avant l'arbre de la pompe ne soit totalement à l'arrêt. Un tel re-
vêtement chromé permet par conséquent de ne pas endommager la deu-
xième bague d'étanchéité 26.
L'anneau d'étanchéité 23 présente une gorge périphérique 25 sur son pour-
tour extérieur dont la forme et les dimensions sont adaptées pour recevoir
les moyens élastiques 22.
L'anneau d'étanchéité fendu 23 est maintenu dans sa position inactivée,
telle que représentée aux figures 1 et 4, au moyen du séparateur fusible 27.
Le séparateur fusible 27 est réalisé en matériau polymère choisi avantageu-
sement en fonction de sa température de dégradation et de sa perte des
caractéristiques mécaniques.
Le choix du polymère du séparateur fusible 27 ainsi que ses dimensions
sont réalisés en fonction de la température de dégradation souhaitée. Avan-
tageusement, le séparateur 27 est caractérisé de manière à pouvoir résister
à l'effort exercé par les moyens élastiques 22 jusqu'à un seuil de tempéra-
ture compris entre 80 C et 260 C et avantageusement égal à 150 C.
Selon le mode de réalisation illustré aux figures 2 à 5, le séparateur fusible
27 présente la forme d'une poutre apte à maintenir en position écartée les
deux extrémités de l'anneau d'étanchéité fendu 23 (position inactivée) lors
du fonctionnement normal du groupe motopompe primaire.
Ainsi, en conditions normales de fonctionnement (figure 2), l'anneau
d'étanchéité 23 est maintenu en retrait du chemin de fuite F1. L'anneau
d'étanchéité fendu 23 est verrouillé dans cette position par le séparateur fu-
sible 27.
En conditions accidentelles (figure 3), l'augmentation de la température du
débit de fuite a pour effet d'augmenter la température au voisinage du dis-
positif d'arrêt 20, et notamment la température du séparateur fusible 27.
Lorsque la température du débit de fuite atteint une valeur seuil, dit seuil
de
changement d'état, prédéfinie en fonction de la nature du séparateur fusible
27, celui-ci se dégrade instantanément ou progressivement n'assurant plus
par conséquent une résistance mécanique suffisante pour résister à l'effort
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circonférentiel de compression généré par les moyens élastiques 22. La
perte des caractéristiques mécaniques du séparateur fusible, et notamment
la chute du module de flexion, intervient lorsque la température est supé-
rieure égale à la température de transition vitreuse du matériau dans lequel
le séparateur fusible 27 est réalisé.
En fonction de la nature du matériau fusible utilisé, il est également
possible
de définir un premier seuil de température de changement d'état du maté-
riau à partir duquel le séparateur fusible 27 a amorcé un changement d'état,
c'est-à-dire que ses caractéristiques mécaniques se modifient, et un seuil de
température d'activation du dispositif DEA à partir duquel le séparateur fu-
sible 27 s'effondre car il n'est plus apte à résister à l'effort exercé par
les
moyens élastiques 22, amenant ainsi l'anneau d'étanchéité 23 dans sa posi-
tion activée.
Ainsi, selon une première variante de réalisation, le déclenchement du dis-
positif 20, correspondant au dépassement du seuil de changement d'état du
séparateur fusible 27 et l'activation du dispositif sont confondue. Dans cette
variante de réalisation, les pertes des caractéristiques mécaniques sont
quasiment instantanées.
Selon une deuxième variante de réalisation, l'activation du dispositif 20 in-
tervient de façon décalée par rapport au déclenchement du dispositif par le
dépassement du seuil de température de changement d'état. Dans cette
variante, les pertes des caractéristiques mécaniques sont progressives et
conduisent à un effondrement du séparateur fusible 27 à un instant différent
et/ou à une température supérieure à la température du seuil de change-
ment d'état.
Le séparateur fusible 27 présente avantageusement des encoches 28, ou
des zones présentant un amincissement de matière, aptes à guider le flam-
bement et la déformation du séparateur fusible 27. De telles encoches 28
permettent par exemple de guider la déformation du séparateur dans le sens
axial ou dans le sens radial de l'anneau d'étanchéité 23
Selon un exemple de réalisation illustré à la figure 5, les encoches 28 sont
usinées au centre et aux extrémités du séparateur fusible 27.
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De manière à faciliter la déformation par flambement du séparateur fusible
27 et de manière à assurer une bonne activation du dispositif d'arrêt 20, il
peut être nécessaire de prévoir un espace libre à proximité du séparateur
fusible de manière à ne pas gêner la déformation du séparateur. Cet espace
peut être par exemple une encoche (non représentée) dans la douille 11 du
joint n 1 en regard de la position circonférentielle du séparateur fusible 27
dans le cas d'une déformation radiale du séparateur fusible 27.
L'anneau d'étanchéité 23 n'étant plus maintenu dans sa position de repos,
l'effort exercé par les moyens élastiques 22, encerclant l'anneau
d'étanchéité 23, modifie le diamètre de l'anneau d'étanchéité 23 de manière
à ce que celui-ci vienne se serrer contre l'arbre du rotor 10.
Ainsi, en conditions accidentelles, l'anneau d'étanchéité 23 assure le blo-
cage du chemin de fuite F1 grâce à l'effort circonférentiel exercé par les
moyens élastiques 22 combiné à la perte des caractéristiques mécaniques
du séparateur n'assurant plus sa fonction de séparation.
Dans un deuxième temps, le blocage de la fuite est assuré en complément
par l'effet autoclave induit par l'augmentation de la pression en amont du
dispositif d'étanchéité 20 en position activée.
Selon un premier exemple de réalisation, l'anneau d'étanchéité 23 du dispo-
sitif d'arrêt 20 peut être réalisé dans un matériau polymère résistant à de
hautes températures (i.e. supérieures à 300 C), tel que par exemple du po-
lyétheréthercétone (PEEK) ou un composite PEEK chargé de fibres de verre
ou de carbone. L'utilisation d'un tel matériau permet d'obtenir à haute tem-
pérature, un anneau d'étanchéité dans un état caoutchoutique lui permettant
de se déformer pour épouser la géométrie de son environnement et ainsi
assurer une meilleure qualité d'étanchéité. Dans ce mode de réalisation, le
séparateur fusible 27 est de même nature que le corps de l'anneau
d'étanchéité 23 et sont avantageusement monobloc.
Selon un second mode de réalisation illustré à la figure 6, le séparateur fu-
sible 127 est formé par une pièce indépendante (i.e. non monobloc) de
l'anneau d'étanchéité 123 qui est rapportée au niveau de l'ouverture de
l'anneau 123. Une telle configuration permet de réaliser le séparateur fusible
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127 dans un matériau de nature différente du matériau utilisé par la réalisa-
tion de l'anneau d'étanchéité 123 et qui présente par ailleurs une perte de
caractéristiques mécaniques suffisante pour pouvoir déclencher et activer le
dispositif à partir d'un seuil de température donné.
5 Ainsi à titre d'exemple, le séparateur fusible 127 peut être réalisé en
PEEK
chargé en fibre de carbone et l'anneau d'étanchéité 123 peut être réalisé en
graphite.
Ce second mode de réalisation permet de simplifier la conception de
l'anneau d'étanchéité 123 ainsi que la réalisation d'un recouvrement au ni-
10 veau de l'ouverture de l'anneau 123 afin de renforcer l'efficacité de
l'étan-
chéité. L'assemblage du séparateur fusible 127 sur l'anneau d'étanchéité
123 peut être réalisé par divers procédés ; à titre préférentiel, l'assemblage
est du type tenon-mortaise.
