Qu'est-ce que les tubes de chaudière ?
Dans toutes les chaudières, la chaleur est transférée de l'intérieur des tubes vers l'extérieur (chaudières à tubes de fumée), ou de l'extérieur des tubes vers l'intérieur (chaudières à tubes d'eau). Le nombre de tubes dans une chaudière varie de centaines à milliers dans une seule chaudière, selon la taille et la conception de la chaudière. Le but principal des tubes de chaudière est de transférer la chaleur produite par la combustion du carburant en eau ou en vapeur.
Tubes de Chaudière à Tubes de Fumée et à Tubes d'Eau
Bon à savoir – ‘tube d'eau’ peut aussi s'écrire ‘tube-d'eau’, ou ‘tubed'eau’, mais les différentes variations signifient la même chose.
Bon à savoir – ‘tube de fumée’ peut aussi s'écrire ‘tube-de-fumée’, ou ‘tubedefumée’, mais les différentes variations signifient la même chose.
Note - pour faciliter la compréhension et la familiarisation, cet article utilise un mélange d'orthographes pour les chaudières à tubes de fumée et à tubes d'eau.
Types de Tubes de Chaudière
Une chaudière peut avoir plusieurs types de tubes pour répondre à divers besoins de chauffage. Le type de tube utilisé dépend de la conception de la chaudière et de la position du tube dans la chaudière.
- Tubes économiseurs – pour préchauffer l'eau d'alimentation.
- Tubes surchauffeurs – pour surchauffer la vapeur au-delà de son point de saturation.
- Tubes évaporateurs – pour la conversion de l'eau en vapeur (où se produit l'évaporation).
- Tubes de maintien – pour le transfert de chaleur et pour ajouter de la résistance structurelle à la chaudière.
- Tubes à ailettes – pour augmenter la surface de transfert de chaleur.
Bon à savoir – le terme ‘surchauffe’ désigne le processus de transfert de chaleur sensible à la vapeur saturée afin d'augmenter sa température et donc la quantité d'énergie que contient la vapeur.
Bon à savoir – les tubes de maintien sont spécialement conçus pour non seulement transférer la chaleur mais aussi pour renforcer la structure interne de la chaudière. Les tubes de maintien sont plus épais que les tubes ordinaires, fournissant un support structurel supplémentaire à la chaudière.
Désignations des Tubes de Chaudière à Tubes d'Eau
Conception des Tubes de Chaudière
Les tubes de chaudière sont conçus pour répondre à des normes rigoureuses de sûreté et d'efficacité, nécessitant des exigences spécifiques en termes de conception et de matériaux. Contrairement aux tuyaux ordinaires, les tubes de chaudière ont souvent des parois plus épaisses et n'ont pas de soudures longitudinales, ce qui améliore leur résistance et leur intégrité sous des conditions de haute pression et de haute température. Les tubes de chaudière sont généralement fabriqués sans soudures pour éviter les points faibles qui pourraient entraîner des défaillances sous contrainte. Les tubes de chaudière sont fabriqués en stricte conformité avec des normes internationales spécifiques. Par exemple, ASTM A192 fournit des spécifications standard pour les tubes en acier au carbone haute pression.
Conceptions de Chaudières à Tubes d'Eau et à Tubes de Fumée
Disposition des Tubes de Chaudière
La disposition des tubes dans une chaudière est choisie en fonction de divers facteurs, y compris le taux de transfert de chaleur, la perte de charge, la complexité de fabrication, et l'efficacité souhaitée.
Disposition des Tubes de Chaudière à Tubes d'Eau
Voici quelques dispositions courantes de tubes de chaudière :
- Disposition en quinconce – cette configuration place les tubes en quinconce, améliorant le taux de transfert de chaleur grâce à une turbulence accrue dans l'écoulement du fluide.
- Disposition en ligne ou en grille – les tubes sont disposés en grille régulière. Bien qu'elle offre une facilité de fabrication et de nettoyage, elle peut entraîner une efficacité de transfert de chaleur inférieure par rapport aux dispositions en quinconce.
- Disposition carrée tournée – les tubes sont placés en motif carré mais tournés à un angle. Cette disposition peut améliorer le transfert de chaleur en perturbant l'écoulement du fluide plus efficacement qu'une disposition en grille standard.
- Disposition en pas triangulaire – les tubes sont disposés en motif triangulaire, ce qui maximise le nombre de tubes dans une zone donnée, conduisant à des taux de transfert de chaleur plus élevés.
Exemples de Pas de Tubes
Comparaison des Tubes de Chaudière et des Tuyaux
Les tubes de chaudière diffèrent significativement des tuyaux standards de plusieurs manières :
- Épaisseur de paroi – les tubes de chaudière ont généralement des parois plus épaisses pour résister aux grandes pressions internes auxquelles ils seront soumis (les chaudières de centrales électriques fonctionnent généralement à des pressions supérieures à 160 bars (2 400 psi) et à des températures supérieures à 540°C (1 000°F).
- Mesure – contrairement aux tuyaux, qui sont mesurés par leur diamètre interne, les tubes de chaudière sont mesurés par leur diamètre externe.
Tuyau Avec Une Soudure Longitudinale
Causes de Défaillance des Tubes de Chaudière
Les défaillances des tubes de chaudière sont parmi les principales causes d'arrêts de chaudière, avec plusieurs raisons sous-jacentes :
- Surchauffe – la cause la plus courante de défaillance des tubes. Elle peut se produire en raison de l'accumulation de tartre à l'intérieur des tubes, agissant comme une couche isolante, ou, en raison d'un débit d'eau ou de vapeur insuffisant (refroidissement inadéquat), ou, d'erreurs opérationnelles comme la surchauffe, où un excès de carburant augmente la température de la chaudière au-delà des limites de sécurité.
Tartre à l'Intérieur d'un Tube de Chaudière
Bon à savoir – le tartre à l'intérieur des tubes de chaudière à tubes d'eau provoque un écoulement du fluide de procédé (eau ou vapeur) à une vitesse accrue, tout en réduisant le taux de transfert de chaleur du tube. Une réduction du taux de transfert de chaleur entraîne une réduction de l'efficacité et une probabilité accrue de surchauffe localisée (les tubes de chaudière à tubes d'eau et à tubes de fumée sont refroidis par le fluide de procédé).
- Corrosion – peut dégrader le métal du tube à la fois à l'intérieur et à l'extérieur, déclenchée par des facteurs tels que un mauvais traitement de l'eau ou une exposition environnementale à des produits chimiques et des gaz.
- Érosion – use le matériau du tube par une exposition continue à des fluides en mouvement ou à des matières particulaires, en particulier dans les chaudières à charbon à haute teneur en cendres.
- Stress mécanique – causé par la pression, l'expansion thermique, et les vibrations, ce qui peut entraîner une fatigue et une défaillance éventuelle des tubes de chaudière.
- Défauts de matériau – défauts de fabrication ou incohérences matérielles peuvent entraîner une défaillance prématurée des tubes de chaudière sous des contraintes opérationnelles normales.
Réparation et Entretien des Tubes
Le processus de réparation des tubes de chaudière implique généralement la soudure (une technique utilisée pour fusionner le métal ensemble par une chaleur intense). Étant donné la complexité et la compétence élevée requises, la soudure est généralement effectuée par des soudeurs certifiés.
Différents Types de Soudure
Types de Réparation des Tubes de Chaudière
Les quatre méthodes les plus courantes de réparation des tubes de chaudière sont :
- Rechargement – cela implique d'appliquer une couche de matériau de soudure pour épaissir et renforcer les zones affaiblies.
- Fermeture de rupture – en cas de rupture de tube, la zone endommagée est souvent soudée après réalignement des bords.
- Réparation de fenêtre – une section gravement endommagée du tube peut être découpée et remplacée par une nouvelle pièce, garantissant la continuité et l'intégrité.
- Bouchage – effectué dans les cas où les dommages sont impossibles à réparer par d'autres moyens. Avec cette méthode, des bouchons en matériau approprié sont insérés aux deux extrémités du tube endommagé, l'isolant ainsi hydrauliquement.
IMPORTANT : Il n'est pas recommandé de faire fonctionner une chaudière avec plus de 10% de ses tubes bouchés.
Entretien Préventif des Tubes de Chaudière
Respecter le plan d'entretien préventif recommandé par le fabricant de la chaudière est important pour maintenir la chaudière et ses pièces internes en condition optimale. Les plans d'entretien préventif incluent généralement les éléments suivants :
- Contrôle de la chimie de l'eau et de la vapeur (très important !)
- Inspections visuelles externes à intervalles programmés, par exemple toutes les 4 heures ou quotidiennement, etc.
- Inspections visuelles internes à intervalles programmés, par exemple tous les 6 mois.
- Inspections des tubes de chaudière et mise à jour des cartes des tubes de chaudière (celles-ci listent l'état de chaque tube dans la chaudière).
- Échantillonnage de carburant.
- Échantillonnage des gaz de combustion.
- Inspections thermographiques.
- Inspections des réfractaires.
Veuillez noter que ce ne sont que quelques-unes des tâches nécessaires pour maintenir une chaudière industrielle en bon état de fonctionnement !