Analyse des causes des problèmes de qualité dans les échangeurs de chaleur à tubes en U

I. Inspection, analyse des causes racines et solutions concernant l’aplatissage des tubes en U

1. Analyse et traitement après le formage en U des tubes en U

A. Inspection

À la suite du cintrage des tubes en U, l’inspection visuelle a révélé que les tubes en U présentant des rayons de courbure plus faibles subissaient un aplatissement de la section transversale et, dans certains cas, des fissures au niveau du coude.

B. Analyse des causes

D’un point de vue analytique fondé sur le processus, il apparaît que, lors du cintrage d’un tube, la paroi externe de la couche neutre subit une déformation en traction et s’amincit, tandis que la paroi interne est soumise à une déformation en compression et s’épaissit. En outre, pour des coudes en U de faible rayon de courbure, si aucune mesure appropriée n’est mise en œuvre, la section transversale au niveau du coude se déforme en une forme approximativement elliptique. Les contraintes de compression dans la paroi interne dépassent alors la limite d’élasticité du matériau, ce qui entraîne l’aplatissement du tube en U et une instabilité se manifestant par l’apparition de plis.

C. Solution

A. Pour les tubes à coude en U dont le rayon de courbure est inférieur à 2,5 fois le diamètre nominal, afin d’éviter l’aplatissement du tube, celui-ci doit être emballé avant le cintrage avec un matériau tamisé, lavé et séché, exempt de terre, de limaille de fer, d’autres impuretés et de sable.

B. Utilisez une cintreuse à tuyaux à commande manuelle équipée d’une clé dynamométrique, et déterminez la force de cintrage appropriée par essais, en fonction de la limite d’élasticité du tube et du rayon de courbure souhaité. Lors du cintrage, fixez la roue mandrin fixe (la plus grande) sur l’établi à l’aide d’une goupille ou d’un boulon. Afin de compenser le retour élastique après le cintrage, ajustez le rayon de la grande roue à 0,8 à 0,95 fois le rayon de courbure prévu. Choisissez le rayon de la roue mandrin mobile (la plus petite) en fonction du rayon de courbure minimal du tube en forme de U, en veillant à ce que la petite roue tourne librement dans le cadre du poussoir et ne se bloque pas, ce qui pourrait entraîner l’aplatissage du tube.

C. Lors du cintrage de tubes de type C, en raison de l’épaisseur relativement faible de leur paroi, procédez à un chauffage localisé à la flamme oxy‑acétylénique au niveau du coude afin de limiter le phénomène d’aplatissement. Pendant le chauffage, veillez à ne pas dépasser une température trop élevée, car cela pourrait modifier la microstructure de l’acier inoxydable.

D. Après le relâchement de l’effort externe appliqué sur le tuyau cintré, le coude reprend sa forme initiale avec un retour élastique compris entre 3° et 5°. Avant le cintrage définitif, un essai de cintrage doit être réalisé afin de déterminer précisément l’angle de retour élastique du tuyau, ce qui permet la fabrication de conduites en forme de U conformes aux spécifications requises.

E. Après le cintrage, le tube doit être soumis à un essai de passage d’une bille ; en règle générale, le diamètre de la bille est égal à 0,75 fois le diamètre intérieur du tube, les exigences spécifiques étant définies par les prescriptions de conception. Pour les coudes en forme de U, l’écart de rondeur ne doit pas dépasser 10 % du diamètre extérieur nominal du tube d’échangeur ; pour les sections cintrées…

2. Analyse et traitement des fissures au niveau du coude des tuyaux en forme de U

1. Inspection

Lors de l’inspection visuelle et des essais hydrostatiques des sections coudées des tubes en U du Groupe 1, des fissures ont été détectées au niveau des coudes des tubes.

2. Analyse des causes

A. Lors de la pose des blocs de renforcement de soudure sur les sections en U, une manipulation inadéquate a soumis le tube cintré à des contraintes thermiques et mécaniques pendant le soudage, réduisant ainsi la résistance à la corrosion sous contrainte de la zone affectée par la chaleur et entraînant des fissures de corrosion sous contrainte le long des bords longitudinaux du bloc de renforcement.

B. Sur la base d’une analyse des fissures observées dans les tubes en U d’autres équipements, lorsque la paroi supérieure d’un tube en U présentant un faible rayon de courbure s’amincit, sa résistance à la corrosion sous contrainte pendant le fonctionnement diminue, ce qui peut entraîner des fissures de corrosion sous contrainte.

C. L’acier 0Cr18Ni10Ti est un acier inoxydable austénitique stabilisé au titane ; après traitement de stabilisation, il présente une excellente résistance à la sensibilisation et à la fissuration sous contrainte par corrosion. Lors du soudage, la température aux extrémités des tubes dépasse largement la température du traitement thermique de stabilisation, ce qui entraîne inévitablement la sensibilisation du matériau dans la zone de soudure. En outre, aucun traitement thermique de détensionnement n’a été effectué après l’assemblage soudé entre les tubes d’échangeur de chaleur et les blocs de renfort, ce qui augmente considérablement le risque de propagation de fissures intergranulaires.

3. Solution

A. Lorsque la réduction de l’épaisseur de paroi au rayon de courbure minimal d’un tube en U dépasse 10 % de l’épaisseur initiale, le tuyau doit être renforcé soit en augmentant son épaisseur de paroi, soit en posant des plaques de renforcement soudées (généralement au moyen de plaques de renforcement soudées).

B. Pour les blocs de renforcement des tubes en forme de U, il convient d’employer le soudage par points, avec un courant de soudage inférieur d’environ 15 % à celui utilisé pour le soudage conventionnel. Des techniques de soudage symétriques doivent être adoptées afin de minimiser la sensibilisation dans la zone affectée thermiquement.

C. Analyser l’environnement de travail et le procédé de fabrication des coudes à tube en U afin de vérifier l’adéquation du processus de fabrication.

D. L’utilisation de blocs de rigidification aux dimensions et aux configurations structurelles plus adaptées permet de réduire les concentrations de contraintes dans la zone affectée par la chaleur de la soudure.

E. Après le soudage d’angle du tuyau sur le bloc de renforcement, un traitement de détensionnement des contraintes doit être effectué afin de réduire les contraintes résiduelles de soudage.

II. Inspection, analyse et mesures correctives des fuites au niveau de la jonction entre les tubes en U et les plaques à tubes

1. Inspection

Après avoir réalisé le jointoiement par expansion des tubes en U du Groupe 1, un essai de pression d’eau a mis en évidence des fuites au niveau des joints expansés.

2. Analyse des causes

A. La différence de dureté entre la plaque à tubes et les tubes d’échangeur est insuffisante. Conformément aux réglementations pertinentes, lors de l’exécution des joints d’expansion par expansion mécanique, la dureté de la plaque à tubes doit être supérieure d’au moins HB30 à celle des tubes d’échangeur. L’inspection a révélé que la plaque à tubes (en forgé 16Mn) présente, dans l’état normalisé, une dureté réelle comprise entre HB148 et HB158, tandis que les tubes d’échangeur en 0Cr18Ni10Ti, dans leur état de livraison standard (après traitement de solution), affichent une dureté comprise entre HB150 et HB167. Autrement dit, les tubes d’échangeur sont plus durs que la plaque à tubes. Par conséquent, lorsque les tubes subissent une déformation plastique lors de l’expansion, la plaque à tubes se déforme également. Dans de telles conditions, il est intrinsèquement difficile d’assurer la qualité du joint d’expansion.

B. L’interstice entre le diamètre extérieur des tubes en U de l’échangeur de chaleur et le diamètre intérieur des trous de la plaque à tubes est prévu à 1 mm ; toutefois, dans la pratique, certains jeux dépassent 1,5 mm. Afin d’assurer une liaison par expansion solide entre les tubes et la plaque à tubes, les tubes doivent subir une déformation importante ; or, compte tenu de l’épaisseur réduite de leurs parois, une déformation d’expansion excessive peut facilement entraîner la fissuration des tubes.

C. Les surfaces internes de certains trous de la plaque à tubes présentent des bavures, des taches de rouille, des limailles de fer, une contamination par l’huile et d’autres défauts similaires.

D. La profondeur et la largeur des rainures à l’intérieur des trous de la plaque à tubes sont incohérentes, et certaines présentent des rayures verticales.

3. Solution

A. Augmenter la dureté de la plaque à tubes. Selon la norme JB 4726‑94, la dureté des pièces forgées en 16Mn dans l’état normalisé est comprise entre HB 121 et HB 178. En mettant en œuvre les mesures appropriées, soit sur le site du fabricant, soit sur le chantier, il est possible d’élever la dureté de la pièce forgée, à l’état normalisé, jusqu’à ou près de la limite supérieure. Pour les aciers inoxydables austénitiques, la dureté doit être maintenue inférieure à HB 150 afin d’améliorer la fiabilité des joints de dilatation.

B. Polissez les ouvertures des tubes présentant des bavures ou des taches de rouille.

C. Aux endroits où la profondeur et la largeur des rainures dans les trous de la plaque à tubes sont incohérentes, utiliser un outil d’usinage des rainures pour usiner ces rainures et éliminer les éventuelles rayures.

D. Calculer le taux d’expansion en fonction du jeu entre le diamètre extérieur du tube en U et le diamètre intérieur des trous de la plaque à tubes, en veillant à ce que ce taux d’expansion ne soit pas inférieur à 1,9 %. Dans les cas où le jeu dépasse la valeur limite spécifiée, appliquer de la résine époxy dans les trous de la plaque à tubes ; après obtention d’une adhérence suffisante, insérer les tubes et procéder à l’expansion.

E. Un dilatateur tubulaire électrique est utilisé pour la réalisation des joints de dilatation, ce qui permet de réduire les phénomènes de sous‑dilatation et de sur‑dilatation des tubes en U dus à l’expansion manuelle. À la suite de ces améliorations, les tubes en U dilatés ont été soumis à un essai de pression hydrostatique, et aucune fuite n’a été détectée au niveau des joints de dilatation.