VIII

756. Tâles. — Lc9 chaudières sont formées de feuilles de lAles cintrées ou embouties suivant la forme qui convient et réunies ensemble au moyen de rivets posés à chaud. La fonte ne sert que pour certaines pièces d'une forme compliquée, telles que les trous d'homme, les tètes de bouilleurs, etc.; aujourd'hui ta tendance est de renoncer complètement à ia fonte et de lui substituer le fer et l'acier.

La forme cylindrique, qui résiste le mieux à la pression, est

Kig. 43o.

presque seule employée pour les corps de chaudières. Ceux-ci secomposent d'un certain nombre de viroles, soit cylindriques, et alors de deux diamètres différents pour pouvoir entrer de deux en deux les unes duos les autres, soit légèrement coniques, pour s'emboîter toutes dans le même sens. Cette dernière disposition s'applique surtout dans ta construction des bouilleurs.

Au point de réunion des coutures longitudinales et transversales, on peut avoir quatre tMes k river ensemble, ce qui oblige à battre des pinces aux angles pour diminuer l'épaisseur totale

i28 CHAUDIÈRES A VAPEUR.

et faciliter Tassemblage. Pour éviter une partie de celte difficulté, ou a le soia de ne pas mettre eu prolongement les coutures longitudinales de deux viroles successives (fig. 4^0).

L'épaisseur de la tôle doit être déterminée pour résister à la pression que la chaudière doit supporter dans les conditions particulières de construction et de température oii elle fonctionne.

L'ordonnance du 22 mai i843 qui a régi longtemps rétablissement des chaudières à vapeur en France, imposait une épaisseur déterminée pour la tôle des chaudières ; dans le cas de la plus grande pression à l'intérieur et pour des cylindres cette dimension était donnée par la formule administrative :

e=o,ooi8(n--i)rf-f-o,oo3.

e est répaisseur de la tôle en mètres ;

n la pression absolue dans la chaudière en atmosphères ;

d le diamètre du tube cylindrique en mètres ;

o,oo3 est une épaisseur supplémentaire ajoutée pour tenir compte des défauts et des irrégularités de fabrication de la tôle.

L'ordonnance de i843 portait en outre, que pour le cas où la plus grande pression s'exercerait de l'extérieur vers l'intérieur, on emploierait des tôles d'une plus grande épaisseur munies d'armatures, et une instruction ministérielle du 17 décembre 1848 imposa une épaisseur une fois et demie plus grande que celle donnée par la formule ci-de.ssus.

Le décret du 25 janvier i865, et celui plus récent du 3o avril 1880, ont supprimé toute prescription administrative relativement à l'épaisseur à donner aux tôles des chaudières et ont laissé les constructeurs libres, sous leur responsabilité, de choisir l'épaisseur qu'ils jugent convenable, d'après la nature des matériaux qu'ils emploient, à la condition de soumettre la chaudière k une épreuve faite par les agents de l'administration. Nous reviendrons plus loin sur ces prescriptions (n"" oie).

En raison de la gravité des accidents que peuvent occasionner les explosions et de la responsabilité qui incombe au constructeur de chaudières et à l'industriel qui les emploie, il est d'une grande importance de déterminer l'épaisseur des tôles de

manière à se trouver dans les meilleures conditions de sécurité.

Nous renvoyons pour l'étude détaillée de cette question à

Tescellent traité sur la résistance des matériaux de M. Contamin,

professeur à l'École Centrale des Arts et Manufactures, et nous

nous bornerons à en résumer les conclusions.

jPour un tube cylindrique, TefTort transversal qui tend à

rompre le tube suivant deux génératrices diamétralement oppo^

sées et à le séparer en deux demi-cylindres est par unité de

longueur

(Po-PiP

Po et /?! étant les pressions intérieure et extérieure par unité de surface et D le diamètre du tube.

R étant la tension que supporte la tôle par unité de surface et e Tépaisseur, on a pour la condition d'équilibre

en no tenant pas compte de la légère différence entre les diamètres intérieur et extérieur du tube.

D'où l'on lire pour l'épaisseur

En calculant l'effort qui tend à rompre le cylindre suivant un cercle et à le séparer en deux autres cylindres, on trouverait une épaisseur e^ donnée par la formule :

C'est-à-dire la moitié de e ; c'est donc par la première formule qu'il faut calculer l'épaisseur.

Soit n la pression effective en atmosphères ; lorsqu'on remplace dans l'équation (i) p^—Pi par io33o n et R par 6 x lo*, tension par mètre carré en kilogrammes à laquelle la tôle ordinaire peut être soumise avec sécurité, on trouve

e = o,ooo86/îD.

SiR. II. — 9

e est ici exprimée eu mètres.

A la constante près, cette formule semble indiquer qu'il suffirait de donner aux parois des chaudières moins de la moitié de répaisseur qui résulte de la formule administrative. Celle conclusion ne serait pas exacte parce que pour établir la formule (i) on a supposé que la chaudière était parfaitement cylindrique. Or on démontre qu'une légère déformation (et il en existe toujours dans les chaudières par suite du mode d'assemblage par rivures avec recouvrement) augmente le coefficient 0,00086 dans le rapport de 2,79 à i, en admettant un aplatissement de 28 millimètres de flèche sur un cylindre de i mètre de diamètre.

M. Contamin pense qu'on peut supprimer la constante et il donne, en résumé, pour déterminer l'épaisseur des tôles de chaudières, dans le cas d'une pression intérieure et pour des tôles de qualité ordinaire, la formule

e=:o,oo2o6nd

n étant la différence exprimée en atmosphères des pressions exercées sur les deux faces de la tôle, d le diamètre en mètres, e l'épaisseur également en mètres.

L'effort auquel la tôle se trouve soumise est de 2'^",5 par millimètre carré.

Pour un cylindre pressé de l'extérieur vers l'intérieur, l'épaisseur s*obtient en multipliant par i,5 les résultats fournis par les formules précédentes.

756. Tubulures. — Pour éviter que la résistance d'une chaudière ne soit très affaiblie par un trop grand nombre d'ouvertures percées sur sa surface, on est dans l'usage de grouper sur sa génératrice supérieure les orifices nécessaires aux appareils qui peuvent s'établir à ce niveau, en s'arrangeant de manière qu'une même tubulure puisse être utilisée pour plusieurs d'entre eux ; trois à quatre ouvertures convenablement réparties sur la longueur de la chaudière peuvent suffire le plus souvent.

757. Rivure. — Les rivets qui réunissent les tôles doivent être en fer de bonne qualité et posés à chaud. Il en résulte par

le refroidissemeat une contraction qui applique Tune contre Tautrc les deux feuilles à réunir assez fortement pour que le ^ul frottement les empêche de se disjoindre; on évite ainsi le travail des rivets au cisaillement.

Les trous percés pour le passage des rivets ont nécessairement un diamètre un peu plus grand que celui du rivet, mais il convient que la différence des sectipns soit assez faible, afin qu'après sa pose le rivet remplisse bien complètement les trous percés dans les tôles à réunir. S'il pouvait se produire un glissement relatif de la tôle et du rivet avant que le corps de ce dernier put porter, le déplacement faciliterait beaucoup le cisaillement. Le diamètre du rivet est en général le double de l'épaisseur des tôles qu'il sert à réunir.

Les trous de rivets se percent dans la tôle à la mèche ou au poinçon. Le premier procédé est préférable, parce qu'il évite les criques sur les bords des trous. Quand on l'emploie, on commence par percer les trous à la poinçonneuse en leur donnant 3 millimètres de moins que le diamètre définitif qu'ils doivent avoir ; on les alèse ensuite lorsque les tôles sont cintrées et en place pour la rivure.

En prenant pour diamètre des rivets en fer d=:2e et pour la tension R=2,5x lo^par mètre carré, M. Contamin trouve que la distance S d'axe en axe des rivets qui réunissent deux viroles consécutives d'une chaudière doit être

soit, en nombre rond, trois fois le diamètre du rivet; relation qui

est consacrée par l'expérience.

L'effort tangentiel d'arrachement que subissent les tôles par unité de surface étant double de l'effort longitudinal, le nombre des rivets devra être doublé pour les coutures longitudinales. Il est donc impossible de les mettre sur la même ligne ; on est obligé de les placer sur deux rangs et la disposition généralement adoptée est indiquée dans la figure 43o.

En pratique, les coutures transversales se font, d'ordinaire, avec une ligne de rivets et on emploie deux lignes pour l'assem-

432 CHAUDIÈRES il VAPEUR.

blage longitudinal. Quelquefois on ne met qu'une seule ligne de rivets dans chaque sens ; la résistance de l'attache longitudinale n'est alors que la moitié de celle de la couture transversale.

758. L'assemblage des feuilles de tôle par recouvrement produit toujours une déformation dans le tube, ce qui, comme nous l'avons vu, diminue notablement la résistance.

Pour conserver exactement la forme circulaire, surtout dans les grands diamètres, on fait quelquefois l'assemblage au moyen d'une plate-bande rapportée et d'une double ligne de rivets.

Les fonds des chaudières étaient autrefois sphériques; on les faisait au moyen de feuilles de tôle embouties et rivées. Celte construction est un peu compliquée et comme la résistance dans le sens longitudinal est, ainsi que nous l'avons dit, deux fois plus grande que dans le sens transversal, on se contente aujourd'hui de faire le fond en un seul morceau embouti en anse de panier dont le grand rayon est double de celui de la chaudière et on le rive sur les bords de la première virole.

On trouvera des renseignements très étendus sur les diverses dispositions des assemblages des tôles de chaudières dans V « Album d'éléments et organes de machines )) de M. Ermel, ancien professeur à l'École Centrale.

Il importe, comme nous l'avons dit, d'éviter les rivures au coup de feu et pour cela il faut donner à la tôle qui forme le dessus du foyer la plus grande longueur possible, aussi bien dans les chaudières à foyer extérieur que dans celles à foyer intérieur, et reporter la première ligne transversale de rivets au moins un mètre après l'autel. Il convient en outre de disposer le recouvrement de manière que le courant de flamme ne tende pas à pénétrer dans le joint.

Pour les chaudières à foyer extérieur, il faut se garder de placer les rivures longitudinales au-dessus du feu; on doit les reporter du côté opposé au rayonnement.

Pour les chaudières cylindriques à foyer intérieur, il faut placer les rivures au-dessous de la grille et la meilleure position est à peu près à égale distance entre la génératrice inférieure du cylindre et le foyer.

Il II

Il ne convient pas de mettre la rivure sur la génératrice inférieure parce que les têtes de rivets gëDeraîent pour retirer les cendres et les escarbilles et qu'il resterait toujours des dépôts qui faciliteraient la corrosion.

Pour les chaudières dont la construction est très soignée on fait les tubes du foyer sans rivures, en soudant bord à bord les tôles dont ils sont formés, ce qui permet d'obtenir une section rigoureusement circulaire.

Dans les chaudières à foyer intérieur (type Cornwall et analogues) on emploie quelquefois pour réunir les viroles un mode particulier d'assemblage. On rabat les deuxexfrémilésde chaque virole de manière à former une grande bride à chaque bout ; on rapproche ces bords rabattus en interposant un anneau plat en fer et on rive le tout ensemble; on mate ensuite contre {'anneau plat les bords rabattus {fig. 43i a). ï I ';: -

Ce mode d'assemblage, ■ | ■ |

qui exige l'emploi de tôles mw mw

de très bonne qualité, est " f* i3 '

fort employé dans la marine et présente plusieurs avantages : il supprime toute rivure dans le tube du foyer; de plus les appendices métalliques que forment le disque et les bords rabattus plongent dans l'eau de la chaudière et favorisent la transmission de la chaleur en même temps qu'ils constituent des nervures augmentant beaucoup la résistance. Toutefois, pour que cet assemblage reste étanche, il importe que les fonds de la chaudière contre lesquels s'appuie te tube du foyer ne fléchissent pas trop sous la pression; car s'il y avait par ce fait un allongement marqué du tube, chaque assemblage tendrait à s'ouvrir et, sous l'action répétée des variations de pression qui le feraient successivement ouvrir et fermer, îl ne larderait pas à s'y produire des fuites.

Le tube du foyer plus fortement chauffé que l'enveloppe extérieure tend à se dilater davantage; pour permettre cette dila~ talion, au lieu d'assembler le tube normalement sur les fonds

i34 CHAUDIÈRES A VAPEUR.

on lui donne quelquefois par emboutissage une forme courbe qui permet une légère déformation.

Dans le même but, M. Fairbairn a construit le tube intérieur du foyer avec des viroles assemblées au moyen de platesbandes cintrées comme l'indique la figure 43i {b, c), qui permettent les mouvements de dilatation.

769. On emploie beaucoup maintenant, surtout dans la marine, les foyers ondulés du système Fox (fig. 385), en acier doux soudé, sans rivure ; ils présentent une grande résistance dans le sens transversal et facilitent la dilatation longitudinale. On fait aussi des foyers pourvus d'ondulations disposées suivant des hélices. On a reproché à ces deux systèmes de foyer de favoriser le dépôt des incrustations dans le fond des rainures, mais Vexpérience semble prouver qu'avec les précautions ordinaires ce défaut est bien atténué.

760. Goussets. — Les fonds plats des chaudières à foyer intérieur ne résisteraient pas à la pression de la vapeur si on n'avait le soin de les munir de fortes armatures ; celles-ci consistent en goussets ou plaques de tôle triangulaires appliquées et rivées par l'intermédiaire de cornières, d'un côté sur le fond plat de la chaudière, et de l'autre le long d'une génératrice du cylindre extérieur. Il faut se garder de les river sur le cylindre du foyer, car les dilatations de ce dernier étant différentes de celles du gousset, des fuites se produiraient alors au bout de peu de temps.

Il faut également, pour la même raison, avoir soin de placer la rivure d'assemblage du fond d'avant avec le tube du foyer assez loin du feu; pour cela on allonge suffisamment la plaque de fonte qui précède la grille, de telle sorte que le commencement des barreaux se trouve au moins à lo centimètres de la rivure.

Toutes ces précautions sont la conséquence du même principe : éloigner le plus possible les rivures du feu.

761. Tubes. — Les tubes des chaudières tubulaires se font en fer, en cuivre ou en laiton et parfois même en acier. Ils ont le plus souvent, pour les chaudières fixes à tirage par cheminée, de 7 à 10 centimètres de diamètre; pour les locomotives et les

CONSTRUCTION DES CHAUDIÈRES. i35

chaudières à tirage forcé, on peut réduire leur diamètre à 5 centimètres et même moins.

Les tubes sont fixés sur les plaques tubulaires de diverses manières.

A Torigine, une fois les tubes mis en place, on enfonçait dans chacun d'eux un mandrin tronc-conique. On ouvrait ainsi Textrémité du tube et on l'appliquait contre les parois du trou de la plaque tubulaire ; ce serrage formait un joint que Ton complétait par un matage sur les bords.

Un perfectionnement a consisté à se servir d'un mandrin en quatre pièces maintenues par des goupilles intérieures, mais pouvant s'écarter de quelques millimètres de manière à. augmenter le diamètre extérieur du mandrin.

En enfonçant à coups de marteau, dans un trou ménagé au milieu du mandrin, une tige de forme carrée, dont les faces sont légèrement inclinées, on écarte les quatre pièces mobiles qui viennent appuyer et serrer le tube contre les parois du trou de la plaque tubulaire. Par cette opération, le bord du tube est en outre refoulé contre la face extérieure de la plaque, tandis qu'une nervure faisant saillie sur le mandrin s'incruste à l'intérieur et produit un bourrelet de l'autre côté de la plaque tubulaire.

Ce mode de tubage présente un inconvénient : les violents coups de marteau nécessités par la mise en place d'un tube ébranlent les autres assemblages, font desserrer les joints et il arrive assez souvent qu'en mandrinant un tube pour arrêter une fuite on en détermine dans les tubes voisins.

On se sert presque exclusivement aujourd'hui d'un outil imaginé par M. Dudgeon et qui fonctionne sans choc avec une grande énergie.

762. Trou d'homme. — On ménage d'ordinaire sur la partie supérieure de la chaudière, ou plus souvent sur le dôme, une ouverture appelée trou d'homme, présentant une section

mettre le passage d'un ouvrier en cas de vjréparatioD.

désigne encore sous le nom de trou d'homme i (fîg. i'in} ou mieux en lôle emboutie dont le I sommet est percé de l'oiifîce d'ac-

^^^ ces dans la chaudière et dont la ■|H base porte ud collet cintré venant I^B^ s'appliquer et se river sur le corps ^^^ cylindrique. On ferme le trou d'homme au moyen d'un tampon s grandes que l'orifice et placé intérieurele « autoclave » parce que la pression de la irs à l'appliquer sur son siège. Ce lampon :téneure un rebord qui permet de le centrer it qui l'empêche de glisser lorsqu'il est mis outre pourvu de deux boulons prisonniers ades qui s'appuient elles-mêmes sur les bords i extrémités des prisonniers sont liletées el is qu'il suffit de serrer pour lixer le tampoD. ivec du masiic de minium ou avec une rooc. Le tampon est retenu par les bords inténme et la pression de la vapeur tend toujours n siège,

bouilleurs. — Alîn de pouvoir pénétrer dans

iploie une disposition analogue. L'extrémilé du

cylindre est terminée par

une tête en fonte portant

une ouverture elliptique

(fig. 343-434) comme celle

d'un trou d'hommeet que

l'on ferme de la même

manière par un tampon

î.^j^ autoclave. Les pièces en

fonte ayant occasionné

ploie de préférenceaujourd'huilalôle emboutie

1 des trous d'homme et des têtes de bouilleurs.

764. Trou de bras. — Quand l'espace dont on dispose sur ]e corps cylindrique n'est pas assez grand pour loger un trou d'homme, ou quand il n'est pas possible soît d'entrer dans la cbaDdière, soit d'accéder à certaines parties, on en est réduit à se contenter d'un trou do dimensions restreintes, et suffisant seulement pour introduire le bras et au besoin un outil ; on l'appelle trou de bras on trou de sel parce qu'il sert le plus souvent à enlever les matiëres salines formant les incrustations.

La disposition de ces trous est la même que celle des trous d'homme et ils se ferment également par un tampon autoclave.

766. Cuissards. — On désigne sous le nom de cuissards les gros tubes qui mettent en communication les bouilleurs avec le corps principal de la chaudière (fig. 43j).

Ces cuissards sont formés d'un tube de o,3o à o,4o de diamètre ayant aux deux bouts des collets „. ,y

emboutis qui viennent s'appliquer et

se river sur les cylindres qu'ils réunissent. Ce sont des pièces de forge assez compliquées mais que, dans les bons ateliers, on fait couramment d'un seul morceau et sans rivures.

Comme on est quelquefois obligé d'enlever un bouilleur et qu'il faut pour cela démonter les cuissards, on a essayé de rendre ce travail plus facile en faisant chaque cuissard en fonte et en deux pièces pouvant se séparer (!'* partie, fig. 152). La pièce inférieure rivée sur le bouilleur porte une longue tubulure d'emboitement dans laquelle vient se loger la pièce supérieure rivée sur le corps cylindrique.

Après l'emboîtement on remplit l'espace annulaire avec du mastic de fonte, et comme ce joint ne présente pas une garantie suffisante contre le déboitement sous la pression de la vapeur, on a soin de le maintenir par un boulon d'assemblage passant dans l'axo du cuissard et reliant deux arcades ou traverses en fer placées l'une dans le bouilleur, l'autre dans le corps cylin-

drique. Celte disposition est peu employée, car il est aussi difîîcile de défaire le joint au mastic de fonte que do dériver le collet d'un cuissard ordinaire.

766. Chandeliers. — On désigne sous ce nom des pièces en fonte (fîg. 4^6) reposant sur le radier des carneaux et sup-

portant les corps cylindriques des chaudières. Comme le poids à soutenir est généralement considérable, il faut donner aux supports une base sufKsante, afm d'éviter l'écrasement de la maçonnerie. Dans certains cas, on renforce les assises sous les chandeliers; souvent même, pour répartir la pression sur une plus grande surface, on interpose une plaque de fonte entre les chandeliers et le radier.

La face supérieure du chandelier doit présenter exactement la même courbure que le cylindre qu'elle supporte ; s'il en était autrement, la tôle ne porterait que sur deux arêtes, suivant lesquelles une déchirure tendrait à se produire, ou bien ne s'appuierait que sur le fond du chandelier et le corps cylindrique se déformerait.

De même, si l'on a besoin de mettre des cales, il faut toujours les placer sous la base du chandeher, et non entre ce dernier et la t6le de la chaudière.