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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
3Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
4Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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, ….
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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)
14Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Test cryogénique à 80K
Vidange 35 m3 LN2
16Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
17Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
18Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
• 6 réponses:
REPARTITION DES OFFRES
020406080
100120140160180200220240
candidats
SimicDCNSociété 3Société 4Société 5Société 6
• Véto des partenaires allemands sur DCN
• Expertise + Audit
• Décision
19Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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)
20Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
21Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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%)
22Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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 !
23Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
24Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
26Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
27Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
28Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Joints 0MEGA
• Contrainte maxi dans le ressort UBe2:
1200 Mpa
• pour écrasement de 0,4mm
29Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
30Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Manutention des joints 0MEGA
Grand joint Ø 4,4 m sur outillage
Petit joint Ø 1,2m
31Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
5 – Difficultés relatives au dossier de définition:
• Équipe réduite
• Nombreuses révisions des plans en cours de fabrication:
• demandes supplémentaires CERN
• corrections
• compléments de définition
• Joints froids:• manque de connaissance• manque de validation
• Butées axiales
32Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
33Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
5 – Difficultés relatives au dossier de définition:
• Équipe réduite
• Nombreuses révisions des plans en cours de fabrication:
• demandes supplémentaires CERN
• corrections
• compléments de définition
• Joints froids:• manque de connaissance• manque de validation
• pas de remontage du dossier de plans: ! des surprises !
• Butées axiales
34Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
36Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Certificat nominatif de qualification d’un soudeur
37Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Certificat de contrôle des soudures par RX
38Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
2. Défauts de préparation:
6 – Difficultés relatives à la réalisation
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
39Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Non-conformité majeure:
• 72 trous taraudés sur le cylindre
• 71 trous sur la bride du cône !
42Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
43Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
3. Manque d’expérience de l’entreprise dans la maîtrise d’œuvre:
6 – Difficultés relatives à la réalisation
1. Apprentissage soudure alu
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
44Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
4. Assurance qualité insuffisante:
6 – Difficultés relatives à la réalisation
1. Apprentissage soudure alu
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
45Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
46Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
7 – Difficultés relatives à la gestion de projet
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
47Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
7 – Difficultés relatives à la gestion de projet
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
48Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
50Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
8 – Traitement des non-conformités
• 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
51Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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 ?
52Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Rupture du disque de découpe
Essai de redressage par vérin
Les ennuis se succèdent !
54Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Ré-assemblage virole froide
Virole froide terminée
55Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
8 – Traitement des non-conformités
• 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 ?
56Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
57Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Modèle du cryostat complet
en coque 3D pour étude sismique
58Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
9 – Tâches effectuées par le LAL
1. calculs et simulations
2. instrumentation
Centrale de mesure
59Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
9 – Tâches effectuées par le LAL
1. calculs et simulations
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
60Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
- 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
61Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Vérin 100 T
Bras FARO
test en charge enceinte à vide:
62Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
- 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)
63Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
- test de charge sur palonnier
Charge d’épreuve 325 T
64Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
- test cryogénique: 35 m3 LN2
Contrôle des températures
65Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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
66Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
9 – Tâches effectuées par le LAL
1. calculs et simulations
2. Instrumentation
3. Tests
4. coordination de la collaboration:- liaisons alu/inox
- joints froids OMEGA (CERN)
- raccords cryogéniques
- contrôle dimensionnel
67Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Liaisons alu / inox
( Russie)
Raccords cryogéniques( ISNG)
68Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
• Métrologie au théodolite (CERN)
• collage de jauges d’extensométrie
69Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
9 – Tâches effectuées par le LAL
1. calculs et simulations
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
70Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
9 – Tâches effectuées par le LAL
1. calculs et simulations
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
71Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
Cryostat C équipé des traversées électriques
72Journées "Mécanique" IN2P3 - Lyon 12 et 13 mai 2003 S. Prat
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