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Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat

FABRICATION DES CRYOSTATS ENDCAP

Pour l’expérience ATLAS

____Serge Prat

Service d’Etudes et de Constructions

d’Appareillage pour la Physique

LAL - Orsay

Journées Mécanique IN2P3Lyon 12 et 13 mai 2003

Analyse retour projet______

2Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat

Sommaire____

Introduction1. Descriptif du projet2. Déroulement de l’appel d’offres3. Retards4. Coûts supplémentaires5. Difficultés relatives au dossier de conception6. Difficultés relatives à la réalisation7. Difficultés relatives à la gestion de projet8. Traitement des non-conformités9. Tâches effectuées par le LAL10. Personnel projet du LAL


Globalement satisfaisant:

- toutes les spécifications sont respectées ! toutes les spécifications sont respectées ! toutes les spécifications sont respectées ! toutes les spécifications sont respectées ! grâce à:grâce à:grâce à:grâce à: ---- une conception excellenteune conception excellenteune conception excellenteune conception excellente

- la qualité de la réalisationla qualité de la réalisationla qualité de la réalisationla qualité de la réalisation

Exposé de ces difficultés:

utile pour tirer des enseignements pour le futurutile pour tirer des enseignements pour le futurutile pour tirer des enseignements pour le futurutile pour tirer des enseignements pour le futur

Introduction2 cryostats endcap:c’est un projet important pour le LAL2° après VIRGO depuis 10 ans

Mais:Mais:Mais:Mais:- plus d’un an de retard- des coûts supplémentaires- des difficultés: - techniques

- administratives- relationnelles


1 – Descriptif du projet• 2 cryostats symétriques Ø 5m x L 3,1m

masse 25 Tcontenu: 220 T de détecteurs

40 000 traversées électriques• lot d’outillages: - chassis

- chariot d’insertion- palonniers 250 T et 25 T

• durée de fabrication: 4 ans 5 mois• Montant du marché: 3,3 M€

• Matières: Alu 5083, Inox 316L, verre-époxyPermaglide, Peek, super-isolation

• 39 liaisons alu/inox• 158 plans• chaque cryostat: 745 pièces usinées, 2615 vis, ….


ATLAS


Cryostats « Endcap »


Difficultés du projet

- appareil sous-pression ! règles du CODAP

- charge emportée importante: 220 T- vide:

- étanchéité des soudures et joints- tests de fuite He ( < 10-8 mbar l/s)

- cryogénie:- matériaux- joints froids- dilatations thermiques 4mm/m- isolation

- interfaces

- outillages d’intégration et manutention

- contrôle et approbation du TIS (CERN)


Réalisation des viroles


Soudures avec chanfreins


Usinage


Intégration


Super-isolation


Pièces en verre-époxy


Test cryogénique à 80K

Vidange 35 m3 LN2


Basculement et transport


2 – Déroulement de l’appel d’offres:

• documents contractuels:CCAP, CCTP, STP: importance de la rédaction

Ce sont des documents de travail, valables pendant toute la durée du projet

• sélection des candidats:

- bien formuler les critères de choix

- 23 sociétés retenues


CRITERES D’EVALUATION DES CANDIDATS ______

Chaudronnerie - capacité de découpage et de cintrage de tôles de forte épaisseur - chaudronnerie de grosses pièces - équipement de l’atelier - four de traitement thermique sur site

O

Soudage - département soudage dans l’organisation - spécialiste (qualifications, estimation des retraits …) - machines de soudage sur site - expérience en soudage aluminium en fortes épaisseurs - visualisation d’éprouvettes, qualification de procédures

O X O X O

Usinage - dimension des machines et course des outils - tour vertical, aléseuse - atelier propre, séparé de la chaudronnerie

O

Test - appareils de mesure et de contrôle - infrastructure pour tests d’épreuve et d’étanchéité - infrastructure pour test cryogénique

O

S/T

Intégration - Atelier spécifique - Mesures de propreté

O ±

Assurance qualité - existence d’un manuel qualité pour l’entreprise - exemple d’un plan qualité pour la réalisation d’un projet - plan de management et organisation de projet - exemples de planification - certification ISO 9000

O X X X O

Maîtrise d’œuvre et références - existence d’un bureau d’études - structure de suivi d’affaire - liens avec les organismes de contrôle (institut de soudure,…) - habitudes CODAP, ASME - références

O X O O X

Chiffre d’Affaires

O


• 6 réponses:

REPARTITION DES OFFRES

020406080

100120140160180200220240

candidats

SimicDCNSociété 3Société 4Société 5Société 6

• Véto des partenaires allemands sur DCN

• Expertise + Audit

• Décision


2 - Appel d’offres:

• documents contractuels

• sélection des candidats

• démarrage du projet:-importance d’une bonne mise en place des paramètres de gestion de projet:

- qui fait quoi (organigramme, documents)

- comment (planification, procédures)


3 – Retards du projet

Total: 14 mois

• réparation suite à des fuites sur joints froids: 3 mois

• défaillance d’une aléseuse: 2 mois

• stagnation de la réalisation: 3 mois

• réparation de non-conformité majeure enceinte froide: 6 mois


4 – Coûts supplémentaires

• travaux supplémentaires demandés par le CERN: 90 K€

• modifications et améliorations du dossier de définition: 143 K€

• réparations et modifications suite à des fuites sur joints froids: 100 K€

!!!! Toutes modifications du dossier de définition et travaux supplémentaires sont facturés au prix fort

3 avenants: total 333 K€ ( 10%)


4 – Coûts supplémentaires

• Révision des prix

Formules définies dans le CCAP:

• sur approvisionnements:

P/P0 = 0.125 + 0.60 Alu/Alu0 + 0.275 PsdC/PsdC0

• hors approvisionnements:P/P0 = 0.125 + 0.60 S/S0 + 0.275 PsdC/PsdC0

Résultat: 185 K€ soit près de 6% du marché !

Pourquoi ?

• contrat avec CERN à prix fixe non révisable

!!!! Surprise des physiciens !


Indice de révision hors approvisionnements

0,980

1,000

1,020

1,040

1,060

1,080

1,100

1,120

1,140

janv-98 avr-98 juil-98 nov-98 févr-99 mai-99 août-99 déc-99 mars-00

juin-00 oct-00 janv-01 avr-01 juil-01 nov-01 févr-02 mai-02 sept-02

date

vale

ur

Ind


5 – Difficultés relatives au dossier de définition:

• Équipe réduite: - 1 seul projeteur

- 1 ingénieur calcul

! oblige à faire des impasses

• Nombreuses révisions des plans en cours de fabrication:

• demandes supplémentaires CERN

• corrections

• compléments de définition

• Joints froids:• manque de connaissance• manque de validation


Coupe du cryostat Endcap


Joint HELICOFLEX

Ø 556, corde 5mm initial

Fuite lors de la 2° épreuve hydraulique

La déformation élastique de l’enceinte froide est supérieure à la course élastique du joint

!!!! Réparation:

Passage à un joint de corde 7mm

- réusinage portée de joint (délicat car sous-ensemble assemblé)

- répétition de l’épreuve hydraulique

- coût, retard


Joints 0MEGA

Caractéristiques:

• épaisseur: 23mm

• écrasement: 0,4mm

• force d’écrasement: 260 N/mm

• réutilisable

2 doubles joints:

• grand couvercle: Ø 4391 mm

Ø 4344

• petit couvercle: Ø 1280

Ø 1233


Joints 0MEGA

• Contrainte maxi dans le ressort UBe2:

1200 Mpa

• pour écrasement de 0,4mm


Joints 0MEGA

Difficultés:

• fuites sur les joints lors de l’épreuve de pression hydraulique

!!!! Réparation:

Augmentation du serrage des joints par enlèvement de matière sur les faces d’appui

- usinage délicat

- répétition de l’épreuve hydraulique

- coût, retard

Raison:

La déformation élastique de l’enceinte froide est supérieure à la course élastique des joints:

- inadéquation de la conception des joints (CERN) avec le dossier de définition (LAL)

- manque de validation par des essais


Manutention des joints 0MEGA

Grand joint Ø 4,4 m sur outillage

Petit joint Ø 1,2m



• Équipe réduite



• corrections



• Butées axiales


Butées axiales

91 butées

Fonctions:

• appui mécanique axial entre les 2 enceintes:

- effort axial 6 T , épreuve 18 T

• minimiser la conduction thermique:

- max 1 W (entre parois à 80K et 300K)

Version initiale:

• verre-époxy

• inox

• appui Permaglide sur alu

Version modifiée:

• verre-époxy

• inox

• appui PEEK sur inox

• bague en polycarbonate

Anomalies:

• décollements

• indentation de la face d’appui



• Équipe réduite



• corrections



• pas de remontage du dossier de plans: ! des surprises !

• Butées axiales


6 – Difficultés relatives à la réalisation

1. Apprentissage soudure alu:• 6 mois

• essais avec 100% Ar: mauvaise résistance en froid

! choix de 70% Ar + 30% He

• procédures de soudage

• qualifications par coupons et tests

• validation par l’Institut de soudure italien

• qualification des soudeurs

• 100% radiographie RX des soudures


Procédure spécifique de soudage


Certificat nominatif de qualification d’un soudeur


Certificat de contrôle des soudures par RX


2. Défauts de préparation:


1. Apprentissage soudure alu

• l’entreprise manque de moyens en méthodes

• le dossier de définition a été pris comme dossier de fabrication sans passer par la phase de vérification et de préparation

• erreurs de compréhension du dossier

(technique, langue)

• erreurs d’usinage:

•100 trous décalés angulairement de 0.35°

• 71 trous sur une bride au lieu de 72

• enveloppe d’emballage insuffisante (déchirée par le vent le 1er jour)

• défauts de soudures sur tubes inox:

! Remplacement des échangeurs LN2 au CERN


Non-conformité majeure:

• 72 trous taraudés sur le cylindre

• 71 trous sur la bride du cône !



Après réparation:


Anomalies de soudures sur les échangeurs

• RX faits sur 10% ! OK

• RX refaits au CERN sur 100%:

!80% non-acceptables ! (rochage)

• défaut matière: 19x22 au lieu de 20x22


3. Manque d’expérience de l’entreprise dans la maîtrise d’œuvre:



2. Défauts de préparation et méthodes

• pas de planning cohérent

• manque d’organisation des opérations

• manque d’encadrement

• pas de comptes-rendus d’activité

• manque d’habitude dans la gestion des sous-traitants:

• difficultés avec les pièces en verre-époxy

• erreurs de fabrication des soufflets

• erreur de matière pour tubes inox 20x22

• erreur de matière pour tube alu 5083

• coordination difficile avec AIR LIQUIDE, JEHIER, SNER


4. Assurance qualité insuffisante:



2. Défauts de préparation et méthodes

3. Manque d’expérience dans ma maîtrise d’œuvre

• absence de plan qualité

• manque de moyens en personnel

• difficultés à obtenir les rapports de n-c


7 – Difficultés relatives à la gestion de projet

Gestion administrative:• interlocuteurs multiples avec l’entreprise:

• LAL

• CERN

• sous-traitants

• documents:

• traitement des n-c

• dossier pour le CERN

• 3 Avenants:

• négociations difficiles

• lourdeur de la rédaction et des rapports justificatifs

• traitement de la facturation:

• rédaction de PV de constats

• 93 factures à vérifier

• révision des prix à contrôler



Usure des volontés:

• projet assez long:

- études et suivi de dossier: depuis 1993

- réalisation: 53 mois

!!!! Il faut rester motivé jusqu’au bout !

Dysfonctionnement: entre CERN et LAL• Résistances chauffantes commandées par CERN• câblage conseillé par CERN, réalisé par LAL• tableau de contrôle conçu et réalisé par LAL• pas de responsabilité bien définie:! section inadaptée des câbles! courts-circuits! utilisation impossible des résistances



Relations humaines:difficultés des relations humaines avec l’entreprise:

• changement du responsable LAL de suivi de fabrication• changement de responsable dans l’entreprise en cours de projet sur demande du LAL• échange de courrier déplaisant

• problèmes dus à l’éloignement:

• présence en pointillés

• des événements incontrôlables interviennent quand on n’est pas là

• pas la même culture: labo / entreprise

• labo: souci de qualité et bas coût

• entreprise: rentabilité, moindre effort


8 – Traitement des non-conformités

• rapport d’anomalie:- notifié par l’entreprise par fax

- accepté ou pas par LAL

- action de résolution

- fermeture et classement




• rapport d’anomalie

• non-conformité majeure:- la 1ère virole froide hors tolérance

- pourquoi?

- mauvaise évaluation du retrait de soudure, plus grand que prévu

- retrait supplémentaire dû au traitement thermique

- déformation non-uniforme: éviter des soudures de surfaces multi-connexes

- la réparation s’impose, mais comment ?

! plusieurs mois d’hésitations

et de perte de temps


Plan de soudure de la virole froide

• préparation des pièces à la cote moyenne• retrait de soudure:

! déformation locale! hors tolérance minima! défaut de cylindricité

Comment réparer ?


Rupture du disque de découpe

Essai de redressage par vérin

Les ennuis se succèdent !


2 coques

2 poutres

fond et bride


Ré-assemblage virole froide

Virole froide terminée



• rapport d’anomalie

• non-conformité majeure

• défaillance après réception:

Les butées axiales se décollent au CERN

!Le CERN impose la réparation:

- découpe des traversées LN2 et LAr

- extraction de l’enceinte froide

- modification des pièces

- remontage et collage

- réinsertion

- soudure orbitale des traversées

! retard, surcoût, responsabilité ?


9 – Tâches effectuées par le LAL

1. calculs et simulations:

• Note de calculs préliminaires pour différents cas de charge

• Calcul des efforts de liaisons

• Calculs sismiques ( ! efforts sur les supports et butées )

• Contraintes sous pression interne, vide inter-enceintes et précontrainte centrale

• Déformations au niveau des joints froids

• Contraintes dans les joints froids OMEGA

• Flambage de la structure centrale


Modèle du cryostat complet

en coque 3D pour étude sismique



1. calculs et simulations

2. instrumentation

Centrale de mesure




2. Instrumentation

3. Tests et essais:

- Essai et validation du PERMAGLIDE

- Essais composites verre-époxy

- Tests des butées axiales

- Essais de traction visserie Al 2024

- Détermination couples de serrage

- Test de soufflets sous pression et traction

- Mesures de déformations et contraintes durant:

- Mise en précontrainte

- Épreuve hydraulique


- test en charge des pieds époxy

• charge nominale: 70 T

• Après 3 heures dans bain LN2:

- élastique linéaire !!!! 210 T

- rigidité: 280 T/mm

- craquements à 370 T

- à 500 T: pas de rupture


Vérin 100 T

Bras FARO

test en charge enceinte à vide:


- épreuve en pression hydraulique

FRONT BOTTOM DISPLACEMENTS

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0,9 1,4 1,9 2,4 2,9

Absolute pressure at top [bar]

Dis

plac

emen

ts fo

rwar

ds [

mm

]

c1c2c3c4c5

0,000,501,001,502,002,503,003,50

00 01 02 03 04 05

Temps (heures)

P (b

ar)

0,000,501,001,502,002,503,003,504,00

Vide

(10-

3 m

bar)


- test de charge sur palonnier

Charge d’épreuve 325 T


- test cryogénique: 35 m3 LN2

Contrôle des températures


Chocs axe vertical

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

5/3/020:00

7/3/020:00

9/3/020:00

11/3/020:00

13/3/020:00

15/3/020:00

17/3/020:00

19/3/020:00

21/3/020:00

23/3/020:00

Date

g

Enregistrement des chocs pendant le transport

Surveiller le colis pendant le transport




2. Instrumentation

3. Tests

4. coordination de la collaboration:- liaisons alu/inox

- joints froids OMEGA (CERN)

- raccords cryogéniques

- contrôle dimensionnel


Liaisons alu / inox

( Russie)

Raccords cryogéniques( ISNG)


• Métrologie au théodolite (CERN)

• collage de jauges d’extensométrie




2. Instrumentation

3. Tests

4. coordination de la collaboration

5. suivi industriel:- 90 missions en Italie

- 80 rapports d’avancement

- comptes-rendus au CERN: 12 missions




2. Instrumentation

3. Tests

4. coordination de la collaboration

5. suivi industriel

6. intégration au CERN:- test de réception

- intégration des traversées (25 x 1600 contacts)

- conception et fabrication d’un châssis d’insertion des roues de détecteurs

- participation à l’insertion des détecteurs


Cryostat C équipé des traversées électriques


10 – Personnel du LAL ayant contribué au projet

Conception et réalisation de projet: Guy MacéComité franco-allemand: Jean-Jacques VeilletEtudes: Pierre Delebecque

Patrick PetitProjeteurs: Emmanuel Beraudo

Didier LaporteChristian BourgeoisMarc Courtois

Calculs: Julien BonisEmmanuelle Vernay

Outillages: Aboud FallouInstrumentations: Alice ThiébaultCâblage: Patrick Cornebise

Michèle QuentinSuivi industriel: Gilles Bellot

Marc BlaquièreFrédéric BogardSerge Prat

Sous-traitance: Didier RichardSecrétariat: Sandrine AuffretFinances: Marie-Odile PerretContrat: Brigitte RenardMissions: Anne-Marie CaudanChauffeurs: Fabrice Dupuis

André Schleich

Documents

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