Brevet FR2539507A1 — publié le 19840720

Procédé et dispositif de localisation de fuite sur échangeur de chaleur tubulaire L'invention concerne la localisation des fuites sur les échangeurs de chaleur tubulaires, comportant un faisceau de tubes, droits ou en épingle à cheveux, -destinés à être parcourus par un fluide-sous pression et à le séparer d'un fluide contenu da-ns un espace entourant les tubes. Bien que l'invention soit susceptible de'nombreuses applications, elle présente un intérêt tout particulier dans les centrales qui comportent des échangeurs à t-ubes de grande longueur, dépassant fréquemment dix mètres. On rencontre cette situation notamment dans les centrales nucléaires à eau sous pression, qui comportent des échangeurs primaires dans lesquels toute fuite provoque un mélange d'eau circulant dans le réacteur et d'eau du circuit seconaire, ainsi que des sécheurs surchauff-eurs alimentés en vapeur vive. Il est souhaitable de détecter, avant mise en service ou au cours d'un arrêt, ceux des tubes qui présentent des fuites, ce qui permet d'obturer ces tubes et d'éviter ultérieurement un mélange des fluides. Il est souvent utile de localiser les emplacements de fuites, afin de déceler les faiblesses systématiques éventuelles des tubes qui se traduisent par un emplacement plus fréquent des fuites. On connatt déjà de nombreux procédés de vérification des tubes d'un échangeur de chaleur, utilisant une sonde à courant de Foucault. Cette méthode est très lente. Si elle permet de détecter des fissures, elle se prête mal à la détection de microfuites en trous d'épingle. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, permettant de détecter rapidement ceux des tubes d'un échangeur qui pré-sentent une fuite significative. Pour cela, l'invention utilise le fait que, lorsqu'on soumet un tube d'échange à une différence de pression, toute fuite provoque un bruit de jet, dont le niveau augmente avec la section de passage offerte par la fuite, bruit qui ne s'atténue que progressivement lors de sa propagation dans le tube. Pour utiliser cette constatation, l'invention propose un procédé suivant lequel on mesure le bruit de fond qui règne à la sortie des tubes et on compare le niveau sonore provenant de chaque tube à son tour au br,uit de fond, après avoir mis l'espace qui entoure les tubes à une pression différente de celle qui règne à l'intérieur des tubes, avantageusement en surpression. Dans un certain nombre de cas, la localisation se limite a l'identification des tubes présentant une fuite. Dans ce cas, il suffit de presenter une sonde, généralement constituée par un microphone, au débouché de chaque tube à son tour. Si on cherche simplement à identifier les fuites notables (typiquement présentant un diamètre équivalent dépassant 1 mm et situé à moins de 11 m du point de mesure)-, il suffit de présenter le microphone à quelques centimètres au plus de l'ouverture de chaque tubè à son tour. Si on recherche une précision plus élevée (correspondant pratiquement à des fuites de diamètre environ dix fois plus faible), on utilise une méthode un peu plus lente, consistant à introduire la sonde dans la partie terminale de chaque tube à son tour, en évitant tout contact entre la sonde et les parois. Pour améliorer la détection, il est souhaitable de soumettre le signal provenant de la sonde à un filtrage d'élimination des fréquences basses. Dans la pratique, la meilleure solution consistera généralement à utiliser un filtre passe-bande centré sur 3150 Hz environ, d'une largeur totale approximative d'un tiers d'octave. Le choix de ce tiers d'octave dépend du diamètre du tube à examiner Lorsqu'on cherche non seulement à détecter les tubes présentant une fuite, mais aussi à localiser exactement l'emplacement de la fuite, on fait circuler un microphone port par un câble semi-rigide dans le tube, on détecte la crête de signal, et on déduit l'emplacement de la fuite de la longueur de câble engagée. L'invention propose également un dispositif de localisation de fuites permettant notamment de déterminer l'emplacement d'une fuite dans un tube, comprenant une sonde microphonique portée par la partie terminale d'un câble semi-rigide gradué, et un sonomètre relié au câble, muni de moyens de réglage d'atténuation du signal et de moyens de filtrage, ainsi que de moyens de visualisation. Un ampli-ficateur fournissant la valeur efficace du signal sera généralement interposé entre le câble et les moyens de visualisation. Ce dispositif comportera avantageusement des moyens supplémentaires permettant de brancher un enregistreur graphique et/ou un casque de détection auditive directe L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes~particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs.La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe montrant un tube d'échangeur tubulaire auquel est applicable 1 'inven- tion - la Figure 2 est une vue simplifiée en perspective d'un appareil utilisable pour la localisation des tubes présentant des fuites de l'échangeur de la Figure 1 - les Figures 3. et 4 indiquent deux modes d'exploration possibles de tubes de l'échangeur de la Figure 1 lors de la mise en oeuvre de l'invention ; - la Figure 5 montre les courbes de variation de la pression acoustique reçue par un microphone circulant dans un tube en fon-ction de la distance d'enfon-cement dans letube, lorsque ce dernier présente une fuite faible (courbe A) ou forte (courbe B) ;; - la Figure t est un schéma en perspective d'un dispositif permettant de localiser l'emplacement exact d'une fuite dans un tube - la Figure 7 est un synoptique de l'électronique du dispositif de la Figure 6. A titre d'exemple, on-décrira la mise en oeuvre du procédé en vue de la détection des tubes présentant des fuites dans un échangeur tubulaire à tubes en épingle à cheveux utilisable comme sécheur-surchauffeur de vapeur. La Figure 1 montre la partie terminale d'un tel échangeur comportant une enveloppe 10 munie d'une pla-que tubulaire transversale 12 limitant une boîte à eau et trayersée par la partie terminale des tubes, visible en 14. La boîte. à eau est. séparée par une plaque 16 en deux compartiments munis chacun d'un trou d'homme 18 permettant de pénétrer dans la boîte à eau. Des baudruches (non visibles sur la Figure 1) sont prévues pour obturer les ouvertures ménagées dans l'enveloppe 10, donnant accès à l'espace situé entre les tubes et l'enveloppe, qu'on considérera comme étant l'espace secondaire de l'échangeur. Cet échangeur n'ayant pas de moyens propres d'isolement, on utilise des baudruches pour assurer cette fonction. Un dispositif permettant de localiser ceux des tubes 14 qui présentent des fuites peut avoir la constitution montrée en Figure 2. Ce dispositif 20 peut être regardé comme comportant un appareil de mesure et une sonde microphonique 22 reliés par un câble flexible 24. La sonde microphonique 22 représentée comporte, dans un bottier prévu pour être tenu à la main, un microphone 26, de diamètre suffisamment faible pour qu'on puisse l'introduire facilement dans un tube sans risque de toucher les parois, un préamplificateur 30 et un adaptateur 28 de passage du diamètre du microphone 26 à celui du préamplificateur.. Un bourrelet d'étanchéité'32, de diamètre supérieur à celui des tubes, est placé à l'arrière du préamplificateur, c'est-à-dire à quelques centimètres du microphone, dans un but qui sera exposé plus loin. L'appareil de mesure peut être constitué par un sonomètre classique. Il comporte, dans un boîtier, un circuit atténuateur permettant de modifier le signal d'entrée de l'appareil, à niveau de bruit donné, par exemple par modifi cation de la tension de polarisation du microphone 26. L'appareil comporte de plus. des filtres passe-bande ayant des fréquences de coupure différentes, ainsi qu'un amplificateur fournissant, à un vu-mètre-, une tension représentative de la valeur efficace du signal filtré qu'il reçoit. Le boîtier de l'appareil (Figure 2) porte un bouton de sélection d'atténuateur 34, un commutateur 36 de sélection de filtre et le cadran 38 du vu-mètre, ainsi que'des interupteurs de commande, notamment marchelarrêt et, éventuellement, des prises de raccordement d'autres appareils de présentation ou d'enregisrement de données. Avant de décrire le processus de mise en oeuvre de l'invention à l'aide du dispositif de la Figure 2, il est utile de donner quelques indications sur le bruit dû à l'écoulement d'air à travers une fuite, lorsque le secondaire de l'échangeur est en surpression. Pour évaluer la possibilité de détection à partir de la boite à eau, il faut prendre en considération le rapport entre le niveau sonore émis par la fuite et le bruit de fond et l'atténuation du son au cours de sa propagation dans le tube. Le son émis par la fuite a un niveau qui est directement relié à la différence de pression entre les deux faces du tube. On a donc intérêt à créer une différence de pression aussi élevée que possible. Mais, au moins dans le cas des sécheurs-surchauffeurs, la configuration des circuits impose à la différence de pression une limite qui, dans la plupart des cas, est de l'ordre de 1,2 bar, par suite notamment de l'emploi de baudruches d'obturation de-grand diamètre sur lesquelles les efforts dûs à la pression deviennent trop importants au-delà. Mais, chaque fois que cela est possible, il est souhaitable d'adopter une différence de pression plus élevée, si possi-ble dépassant 1,9 bar, car au-delà de cette valeur apparaissent des ondes de choc qui augmentent notablement le niveau sonore émis par la fuite. Dans la pratique, on a cependant constaté qu'une diff6- rence de pression de l'ordre de 1,2 bar est suffisante, en dépit dufiltrage et de l'atténuation importante dûs à la propagation du son dans le tube, pour localiser les tubes présentant des fuites significatives. Dans une première variante de réalisation, où on admet un risque d'absence de détection de microfuites situées loin de l'entrée des tubes, on peut adopter un procédé de mise en oeuvre rapide, comportant les étapes suivantes. La première étape consiste à mesurer le bruit de fond filtré régnant dans les compartiments de la boîte à eau. Pour cela, on obture les trous d'homme afin d'atténuer les bruits d'origine externe, puis on effectue plusieurs mesures dans chaque compartiment, en tenant le microphone à quelques dizaines de centimètre de la plaque tubulaire 12 et en enfonçant le microphone dans quelques uns des tubes, situés à la périphérie et au centre. La moyenne des vale-urs relevées constitue une référence. Le choix du filtre utiIisé peut s'effectuer après les premières mesures de brui-t de fond, la détermination de la référe-nce devant être faite après choix d'un filtre qui sera conservé pour les étapes suivantes. Sur un sécheur-surchauffeur type, présentant des tubes de 10 mm de diamètre intérieur, on sera généralement amené à choisir un filtre présentant une bande passante de un tiers d'octave centrée sur 3150 Hz. On met ensuite en surpression, à l'aide d'un compresseur, l'espace compris entre l'enveloppe 10 et les tubes 14, c'est-à-dire le secondaire de l'échangeur, en obturant les ouvertures à l'aide de baudruches. Le compresseur est arrêté lorsqu'on passe à la troisième étape, afin d'éviter qu'il n'apporte une contribution au bruit détecté par le microphone. Cette troisième étape consiste à déplacer le microphone devant les débouchés des tubes en le tenant à quelques centimères (typiquement 2 à 3 cm) de la plaque tubulaire, perpendiculairement à cette dernière. Il est nécessaire de bien passer en face des tubes, de préférence en marquant un temps d'arrêt à chaque fois. Cette opération s'effectue facilement de façon manuelle, comme indiqué sur la Figure 3. Cette étape exige deux personnes, dont l'une déplace la sonde microphonique 22 tandis que la seconde surveille l'aiguille sur le cadran 38 du sonomètre. L'absence diaugmentation de niveau permet d'affirmer qu!il n'y a-pas de fuite importante. Dans la pratique, on a constaté que cette variante permettait de déceler l-es fuites d'un diamètre équivalent de 1 mm quel que soit leur emplacement sur des tubes en épingle à cheveux ayant une longueur totale d'environ 20 m, et des fuites beaucoup plus faibles lorsqu'elles sont à proximité du débouché du tube. Une seconde variante, qui permet d'augmenter considérablement le rapport signal/bruit et en conséquence de déceler des fuites beaucoup plus faibles, se différencie de la précédente en ce que, au cours de la troisième étape, on enfonce le microphone 26 dans chaque tube -à son tour. Le champ acoustique est ainsi notablement plus élevé. Comme le montre la Figure 4, le manchon d'étanchéité 32 permet d'atténuer considérablement l'action sur le microphone du bruit qui règne dans la boîte à eau. Il est essentiel d'éviter de mettre en contact le microphone 26 avec la paroi du tube.Cette variante permet, dans le cas d'un échangeur du même type que-celui envisagé plus haut, de détecter toutes les fuites de diamètre équivalent supérieur à 0,1 mm, au prix d'un allongement notable de l'opération, la durée de la troisième étape étant approximativement quadruplée. La localisation exacte d'un trou dans un tube utilise le fait que, à la hauteur d'un trou, dans le-tube soumis à une différence de pression, existe un jet d'air dans lequel la fluctuation de pression est très importante -comparée aux fluctuations de pression statique, ce qui provoque un pic de bruit notable lors du passage d'un microphone. L'enregistrement de la variation du niveau de pression acoustique p reçu par le microphone en fonction de la distance d d'enfoncement de ce dernier, non seulement permet de connaître l'emplacement de la fuite avec une précision qui est d'environ + 2 cm, mais aussi donne une indication sur la taille de la fuite.En effet, une fuite de faible diamètre équivalent (jusqu'à 3 mm environ), fait apparaître un pic de pression acoustique qui se détache très nettement du bruit régnant dans le tube, bruit qui reste à un niveau peu élevé (courbe A sur la Figure 5). Par contre, une fuite importante se traduit par un bruit de fond dans le tube qui est élevé et s'atténue progressivement lors de sa propagation (courbe B). Le pic, plus élevé que dans le cas d'une faible fuite, se détache cependant moins nettement du fait de l'intensité du bruit de fond. La localisation peut être réalisée en utilisant un dispositif constituant une variante de celui de la Figure 2. Ce dispositif comporte encore un appareil fixe de mesure et une sonde microphonique 22a reliés par un câble 24a, de constitution semi-rigide pour permettre' d'enfoncer la sonde 22a dans un tube (Figure 6). Le microphone sera du type à basse impédance, typiquement à électrets (par exemple modèle WNO 64 de- NATIONAL PANASONIC). Ce microphone est soudé à l'extrémité d'un coaxial recouvert d'une gaine semi-rigidé en plastique constituant le câble 24a. L'extrémité du câble 24a opposée au microphone est munie d'une fiche de raccordement à une prise 40 portée par le boîtier de l'appareil. Ce bottier contient une alimentation autonome et divers circuits qui peuvent être organisés suivant le synoptique-de la Figure 7. Dans ce cas, le microphone 26a attaque un atténuateur 42 ajustable à l'aide du bouton 34a suivi d'un préamplificateur 44. Le signal de sortie du préamplificateur est appliqué à un filtre passe-haut 46. Ici, la fonction de filtrage est utilisée pour se soustraire aux bruits mécaniques engendrés par le frottement du boîtier du microphone sur le tube. Pour cela, un filtre passe-haut 4-6 ayant une fréquence de coupure de 4 kHz donnera généralement des résultats satisfaisants. Afin de limiter l'effet de bruit de fond qui peut être nuisible dans la recherche de la position d'appui dans le tube 14, on utilise un circuit d'accord automatique de fréquence 46a, suivi par un système dit "squelch" de coupure lorsque le niveau d'entrée est inférieur à un seuil prédéterminé, ou combiné avec un tel système. Plusieurs branches de mesure peuvent être placées à la sortie du filtre 46. Dans le cas illustré sur la Figure 7, l'une des branches comporte un-convertisseur 47 donnant la valeur efficace du signal de sortie, relié. au vu-mètre 48. Le cadran de ce dernier sera gradué en échelle logarithmique, typiquement de - 10dB à + 10 dB. Une prisse d'enregistrement, placée sur le panneau avant de l'appareil, permet de relier un enregistreur graphique 52. Une seconde branche de mesure comporte un amplificateur 54 relié à une prise 56 de raccordement d'un casque d'écoute 58. L'atténuateur peut être simplement constitué par un pont de résistances permettant de modifier la polarisation du microphone à électrets 26. Le procédé de localisation est alors mis en oeuvre de la façon suivante : le câble 24a et divers appareils de présentation d'informations étant branchés sur le boîtier, on introduit progressivement la sonde microphonique 22a dans le tube. Le sélecteur d'atténuation est initialement placé de façon à n'avoir qu'un bruit de fond faible, éventuellement nul si l'application d'un signal aux écouteurs est coupée aussi longtemps que le bruit détecté par le microphone ne dépasse pas un seuil déterminé. Il est parfois nécessaire de modifier le réglage de l'atténuateur au cours de l'enfoncement, lorsque l'on se rapproche d'une fuite et que le bruit de fond augmente (courbe B sur la Figure 5). On évite ainsi de saturer appareil de mesure. Lorsque l'enregistreur graphique est monté de façon à se dérouler en fonction de l'enfoncement du câble du microphone, on obtient une courbe du genre montré en Figure 5 permettant de repérer exactement l'emplacement de la fuite. De plus, l'allure de la courbe permet d'obtenir un ordre de grandeur de la dimension de la fuite. REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation de fuites sur les échangeurs de chaleur tubulaires du type comprenant un faisceau de tubes, droits ou en épingle à cheveux, destinés à être parcourus par un fluide sous pression et à le séparer d'un fluide contenu dans un espace entourant les tubes, -procédé caractérisé en ce qu'on mesure le bruit de fond qui règne à la sortie des tubes (14) et on compare le niveau sonore provenant de chaque tube à son tour au bruit de fond, après avoir mis l'espace qui entoure les tubes à une pression nettement différente de la pression à l'intérieur des tubes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure ledit niveau sonore au débouché de chaque tube à son tour. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on mesure le niveau sonore en déplaçant un microphone à quelques centimètres au plus de l'ouverture terminale de chaque tube ou en ce qu'on introduit dans la partie terminale de chaque tube à son tour, sans contact avec le tube. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet le bruit provenant de chaque tube à un filtrage passe-haut ou passebande. 5. Procédé selon la revendication 1 de localisation de l'emplacement d'une fuite dans un des tubes, caractérisé entre qu'on fait circuler un microphone (26a) porté par un câble semi-rigide (24a) dans le tube (14), en ce qu'on détecte la crête de signal et en ce qu'on déduit l'emplacement de. la fuite de la longueur de câble (24a) engagée dans le tube. 6. Dispositif de localisation de fuites permettant de déterminer l'emplacement d'une fuite dans un tube d'échangeur de chaleur tubulaire, caractérisé en ce qu il comprend une sonde microphonique (22a) portée par la partie terminale d'un câble semi-rigide (24a) gradué et un appareil de mesure constituant sonomètre relié au câble, muni de moyens (42) de réglage d'atténuation du signal et de moyens de filtrage (46) ainsi que de moyens de présentation d'informations. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de présentation d'informations comportent au moins un vu-mètre (48) précédé d'un convertisseur (47) destiné à fournir la valeur efficace du signal 8. Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une sortie (56) de branchement d'un casque d'écoute (58). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de filtrage sont constitués par un filtre passe-haut ayant une fréquence de coupure de 4 kHz environ.