Brevet FR2570187A1 — publié le 19860314

Procédé et disPositif de détection et de localisation des fuites dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire à l'arrét L'invention concerne la détection et la locali sa tion des fuites dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, à l'aide d'un gaz traceur qui sera en règle générale l'hélium. Une application particulierement importante de l'invention est constituée par la détection des tubes présentant des fuites dans un échangeur de chaleur entre le réfrigérant primaire d'un réacteur, tel qu'un réacteur à eau sous pression ou PWR, et 1 eau en phase liquide et vapeur constituant le ré- frigérant secondaire. On connait déjà de nombreux procédés de recherche et de localisation des fuites dans les échangeurs de chaleur. Beaucoup utilisent le contrôle ultrasonore. D'autres (demande de brevet FR 83 00458) utilisent la mesure du bruit provoqué par un écoulement de fuite à travers la paroi d'un tube. Ces solutions ont l incon- vénient de ne pas fournir directement d'indication sur l'importance du débit de fuite et d étire essentiellement qualitatives. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de détection des fuites des tubes d'un échangeur, permettant de repérer rapidement les tubes fuitards en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, aisément adaptables à la localisation approximative de l'emplacement de la fuite le long d un tube. Dans ce but, l'invention propose un procédé suivant lequel on remplit la partie secondaire de l échan- geur d'un mélange homogène et sous pression de gaz vecteur et d'hélium, on balaie l'ensemble des tubes de la partie primaire de l'échangeur par un débit constant du gaz vecteur sous une pression inférieure à celle qui règne dans la partie secondaire, et on cherche la présence d'hélium a la sortie de chaque tube et sa teneur. Le gaz vecteur sera généralement de l'air directement prélevé à l'atmosphère, dans des conditions telles qu'il ne soit pas chargé en hélium. Grâce au balayage, on évite l'accumulation d'hélium dans les tubes non fuitards et dans les boites à eau ; on peut mesurer le débit de fuite du fait que la concentration d'hélium à la sortie de chaque tube provient du mélange du débit d'air de balayage et du débit de gaz de fuite ; et on peut modifier la sensibilité de la mesure en faisant varier le débit de balayage. Le balayage permet également de localiser approximativement la position d'une fuite détectée sur un tube, en mesurant le temps necessaire pour qu'une augmentation brutale de la teneur en hélium due à une variation du débit de balayage se répercute à la sortie du tube. L'invention propose également un dispositif de détection de tubes fuitards dans un échangeur de chaleur tubulaire, comprenant des moyens pour remplir la partie secondaire de 1 échangeur, dans laquelle baignent les tubes, d'un mélange sous pression d'air et d'un gaz traceur, généralement de l'hélium ; des moyens pour balayer l'ensemble des tubes par un débit d'air ; et des moyens pour mesurer la teneur en gaz traceur de l'air à la sortie des tubes individuels. Les moyens de mesure opèrent avantageusement par spectrographie de masse. On peut notamment utiliser plusieurs spectrographes de masse associés chacun à un système de prélèvement ou "renifleur" porté par un embout permettant de le placer successivement à la sortie de chaque tube en l'isolant de l'air de balayage débouchant des tubes voisins. Dans son application à un réacteur dont 1 échan- geur de chaleur comporte un faisceau de tubes en U reliant une boite à eau "chaude" et une boite à eau "froide", les moyens de balayage comportent avantageusement un diffuseur débouchant dans la boite à eau froide et alimenté par une source d'air sous pression stabilisée et les moyens de mesure comportent un engin télécommandé placé dans la boite à eau chaude (la disposition des moyens de mesure et des moyens de balayage pouvant être inversée) portant les renifleurs et permettant de les présenter en regard de la partie terminale de plusieurs tubes, les renifleurs étant reliés à des spectrométres respectifs par des tubes souples. L'engin télécommandé peut notamment être du type décrit dans la demande de brevet FR-A-2 309 314. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif suivant l'invention destiné à localiser les fuites éventuelles des tubes d'un échangeur de chaleur à tubes en U - la Figure 2 est une vue de détail, en coupe, d'un embout de prélèvement avec son renifleur utilisa bleus dans le dispositif de la Figure 1. L'échangeur de chaleur montré en Figure 1 est d'un type couramment utilisé dans les réacteurs à eau sous pression. Il comporte une enveloppe 10 qui contient un faisceau de tubes en U 12 dont les parties terminales traversent une plaque tubulaire 14. La plaque 14 déli- mite, avec une cloison 16, une boite à eau froide 18 et une boite à eau chaude 20, munies respectivement d'une conduite de départ et d'une conduite d'arrivée du réfrigérant primaire du réacteur (non représentées). Des vannes, également non représentées, équipent ces conduits et permettent d'isoler la partie du circuit primaire contenue dans l'échangeur et de la vider. La partie de l'échangeur comprise entre les tubes 12 et l'enveloppe 10 est occupée, lors du fonctionnement, par le réfrigérant secondaire du réacteur et appartient donc au circuit secondaire. Le- dispositif suivant l'invention peut être regardé comme comprenant des moyens pour maintenir, dans la partie secondaire de l'échangeur, un mélange d'air et d'hélium présentant une pression et une concentration en hélium déterminées ; des moyens pour balayer l'ensemble des tubes par un débit déterminé d'air ; et et des moyens de mesure. Ces divers moyens seront maintenant successivement décrits. Les premiers moyens, destinés à établir dans la partie secondaire une atmosphère à pression et de composition bien déterminées, comportent un circuit mélangeur relié par une vanne 22 à la partie secondaire. Cette vanne peut par exemple être placée sur l'un des trous d'oeil ou de poing dont sont habituellement munies les enveloppes, ou bien une vanne d'un des circuits normalement en liaison avec cette partie secondaire. Le circuit est muni d'un manomètre 24 de précision, permettant de mesurer la pression qui règne dans la partie secondaire. Il suffit en général d'un manometre ayant une plage de mesures allant de O à 10 bars. Le circuit mélangeur présente deux branches destinées, l'une à l'amenée d'air comprimé, l'autre à l'amenée d'hélium. Chacune de ces branches comporte un manomètre 26, un débitmètre 28 et une vanne de réglage 30. En cas d'application à un échangeur du type couramment utilisé à l'heure actuelle, il suffit de prévoir des débitmètres allant de 20 à 200 Nm3 1h pour l'air et 3 à 30 Nm3/h pour l'hélium. Les moyens de balayage comprennent un diffuseur 32, qui sera généralement prévu pour être monté sur le trou d'homme 34 de la boite à eau froide. Le diffuseur 32 est destiné à assurer une répartition homogène du débit de balayage dans la boite à eau 18. Ce diffuseur est alimenté par un circuit ayant une constitution similaire a celle des premiers moyens, comportant une vanne de réglage et d'arrêt 36, un débitmètre 37, un manomètre 38 et une source d'air comprime 40. Toujours dans le cas de l'application à un échangeur de réacteur nucléaire de type courant, le débitmètre pourra etre 3 prévu pour un débit allant de 12 à 120 Nm /h. La boite à eau chaude est de son côté fermée par une tape 42, prévue pour livrer passage aux conduites de liaison entre les embouts de prélèvement et les spectrographes appartenant aux moyens de détection et de mesure, ainsi qu'aux conduites et câbles nécessaires au fonctionnement de l'engin télécommandable. Cette tape permet de limiter les effets des variations de la pression extérieure sur le débit de balayage dans le faisceau de tubes 12. Les moyens de mesure comportent, dans le mode de réalisation représenté, quatre chaines de mesure comportant chacune un embout de prélèvement 44 ou renifleur, un spectromètre de masse 46 et un enregistreur 48. Un enregistreur multiple pourrait évidemment être utilisé au lieu de plusieurs enregistreurs distincts. Chaque embout 44 est relié à un spectromètre de masse correspondant par une conduite souple 50. Ces quatre conduites sont réunies dans un câble au passage de la tape 42. Les embouts 44 sont avantageusement portés par un engin télécommandable, pouvant se déplacer sur la plaque tubulaire 14 et présenter les embouts contre des tubes successifs. L'engin peut notamment être du type couramment dénommé "araignée". On trouvera des constitutions possibles d'araignée en se reportant notamment au document US-A-4 018 345 (COMBUSTION ENGINEERING) et FR A-2 309 314 (FRAMATOME). Ces engins comprennent une table à mouvements croisés portant des doigts expansibles insérables dans la partie terminale de tubes et pouvant insérer des embouts dans la partie terminale d'autres tubes. Les différents déplacements de 1 araignée sont commandés depuis un pupitre de commande 52 d un automate 51 relié aux moteurs de l'araignée par des conducteurs électriques ou pneumatiques qui peuvent emprunter le câble qui contient également les conduites 50. Les embouts 44 peuvent avoir la constitution montrée en Figure 2, c' est-à-dire un tube guide évasé 64, un renifleur 57 et une pièce porte-renifleur 60. L'élément d'étanchéité 55 et le tube évasé 66 permettent d'isoler le renifleur 57 du gaz vecteur de balayage sortant des tubes voisins. Le renifleur 57 est constitué d'une tige métallique creuse, terminée à une extrémité par une pastille 58 de matériau très dur (rubis synthétique par exemple) percée d'un orifice de faible diamètre (environ 50 hum). Une petite quantité de gaz vecteur sortant du tube de l'échangeur est donc aspirée par l'orifice de la pastille 58 vers le spectrographe de masse associé, qui réalise alors en permanence la mesure de la concentration de gaz traceur contenue dans cet échantillon. Pour éviter l'obturation de l'orifice de prélèvement du renifleur par des poussières, un filtre 59 est placé à l'extrémité du renifleur, devant la pastille 58. L'autre extrémité du renifleur est raccorde à un tuyau souple 50 de faible diamètre 140 mm environ), lui-meme raccordé au spectrographe de masse associé. Les tubes 64 sont fixés sur l'engin télécommandable tandis que les renifleurs 57 sont placés dans une pièce porte-renifleur 60 que l'on peut monter ou démonter rapidement sur le tube 64 grâce à un système d'encliquetage à bille effaçable (61 et 62). On remarquera que la pièce porte-renifleur 60 est percée à son extrémité inférieure de façon à permettre la libre circulation du gaz vecteur de balayage sortant du tube de 1 échangeur. Le filtre 59 est placé légèrement en retrait de la pièce d'étanchéité 55. L'évasement du tube 64 est tel que celui-ci englobe la zone de raccordement de chaque tube de l'échangeur avec la plaque tubulaire 14, quand l'embout h4 est presenté contre un débouché de tube. Ces deux dispositions permetten-t notamment de détecter des fuites lorsqu'elles sont situées entre le tube 12 de l'échangeur et la plaque tubulaire 14, sans que le tube 12 soit lui-meme percé. Un ressort 56 permet l'effacement du renifleur, ce qui évite sa détérioration lorsqu'il est présenté sur un obstacle émergeant (bouchon d'un tube obturé par exemple). Le procédé est mis en oeuvre de la façon suivante à l'aide du dispositif qui vient d'être décrit. Détection des fuites La partie secondaire de l'échangeur est d'abord isolée et rendue étanche. Si nécessaire, les organes d'isolement mécaniques peuvent etre complétés par des bouchons d'eau. Cette partie secondaire est ensuite remplie d'air sous une pression déterminée, puis isolée. La diminution de pression en fonction du temps est détectée, pour déterminer l'importance des fuites éventuelles. Dans la pratique, on considérera que l'étanchéité est suffisante si la perte de pression d'air est au plus égale a 25 mbars/h pour une pression d'origin-e de 5 bars au-dessus de la pression atmosphérique. La partie secondaire est ensuite purgée d'air, puis remplie d'un mélange homogène d'air et d'hélium sous une pression bien déterminée, 5 bars par exemple. On peut notamment utiliser, pour la détection des fuites, une teneur de lOX en volume d'hélium, ce qui a l'avantage de constituer un mélange encore respirable (19Z d'oxygène). Une fois l'homogénéité obtenue, on balaie les tubes avec de l'air prélevé à l'extérieur et non pollué en hélium. A l'aide de la vanne 36, on maintient un débit d'air de balayage déterminé, sous une pression généralement voisine de la pression atmosphérique ou, du moins, qui doit être inférieure à la pression qui règne dans la partie secondaire. Dés qu'un régime permanent s'est etabli, on mesure la concentration d'hélium en sortie de quatre tubes (ce nombre pouvant être augmenté encore pour diminuer le temps d'ex- ploration ou, au contraire, réduit pour des raisons de simplicité).Le temps nécessaire à cette mesure est de l'ordre de 5 a 10s ; il est du meme ordre que le temps de repose des spectrographes et de leurs renifleurs associés. Une plaque tubulaire de 3400 tubes est explorée en moins de 24 heures. Les signaux fournis par les spectromètres 46 sont enregistrés en permanence, en même temps, que les signaux identifiant la position des embouts, Le déplacement de l engin transportant les embouts peut être commandé par un automate et, dans ce cas, il y a simultanément enregistrement des signaux fournis par les spectromètres et par l'automate. il suffit que ce dernier applique les embouts autour des tubes pour mesurer la concentration d'hélium avec une précision acceptable. La présence naturelle d'hélium dans l'air de balayage donne une indication stable et n'empêche pas une sensibilité élevee de mesure. Il est possible de déceler des variations de concentration d'hélium de l'ordre de 0,2 ppm, donc des fuites de gaz du secondaire 3 vers le primaire de l'ordre de 0,02 cm /h, équivalant à une fuite du primaire vers le secondaire de l'ordre de 1 3 cm 1h en ordre de marche. La présence d'une fuite se caractérisera toujours par une augmentation stable de la concentration en hélium mesurée dans l de balayage, au debouché du tube 12 fuitard. Localisation des fuites Une fois l'exploration systématique de la plaque tubulaire 14 terminée, on peut entreprendre la localisation approximative des fuites le long des tubes précédemment repérés. Pour cela, on fait varier brutalement le débit de balayage, en agissant sur la vanne de reglage 36. Dans la pratique, une variation d'au moins 20X du débit de balayage sera préférable. Cette variation entraine, de façon pratiquement instantanée, une variation du débit de balayage dans tous les tubes et, en conséquence, une variation de la concentration en hélium dans l'air de balayage au niveau des fuites, dans les tubes fuitards. On mesure alors le temps que cette variation met pour atteindre le renifleur 57 du spectrométre de masse. Pour déduire de ce temps l empla- cement de la fuite, il est nécessaire de connaitre la vitesse de déplacement de l'air de balayage dans les tubes 12. Cette vitesse est mesurée en injectant, par exemple avec une seringue, une masse localisée d'hélium dans l'air de balayage, par exemple au niveau du diffuseur 34. On mesure alors de nouveau le temps nécessaire pour que cette bouffée arrive au renifleur 57, l'injection s'effectuant sans modifier le débit de balayage. La mesure du temps de parcours complet permet de déterminer la vitesse de balayage et donc de déterminer l emplace- ment de la fuite le long du tube. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection et de localisation des fuites dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, à l'aide d'un gaz traceur, caractérisé en ce qu'on remplit la partie secondaire de l'échangeur d'un mélange homogène de gaz vecteur et d'hélium constituant le gaz traceur, on balaie l'ensemble des tubes (12) de la partie primaire de l'échangeur par un débit constant du gaz vecteur sous une pression inférieure à celle qui règne dans la partie secondaire, et on recherche la présence d'hélium à la sortie de chaque tube à son tour et la teneur en hélium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz vecteur est de l'air préleve à l'atmosphère et non chargé en hélium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce qu'on localise la position d'une fuite détectée sur un tube (12) en mesurant le temps nécessaire pour qu'une augmentation brutale de la teneur en hélium dans la partie secondaire se répercute à la sortie du tube. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la détection de la présence d'hélium et la mesure de la teneur sont réalisées par spectromètrie de masse. 5. Dispositif de détection de tubes fuitards dans un échangeur de chaleur tubulaire, caractérisé en ce qu il comprend des moyens (22-30) pour remplir la partie secondaire de l'échangeur, dans laquelle baignent les tubes, d'un mélange sous pression déterminée d'air et d'un gaz traceur, des moyens (32-40) pour établir dans l'ensemble des tubes un courant de balayage d'air, et des moyens (44-50) pour mesurer la teneur en gaz traceur de l'air à la sortie des tubes individuels. 6. Dispositif selon la revendication 5, destiné à un échangeur qui comporte un faisceau de tubes en U reliant une boite à eau "chaude" et une boite a eau "froide" , caractérisé en ce que les moyens de balayage comportent un diffuseur débouchant dans la boite à eau froide et alimenté par une source d'air sous pression stabilisée et en ce que les moyens de mesure comportent un engin télécommandé placé dans la boite à eau chaude, portant les embouts insérables dans la partie terminale de plusieurs tubes. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont consti-tués par un ou plusieurs spectrométres de masse. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac térisé en ce que les spectromètres de masse sont reliés à des embouts respectifs par des conduites souples traversant l'enveloppe de l'échangeur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens pour remplir l'échangeur comportent un circuit mélangeur muni de moyens d'alimentation en air et en hélium sous pression, et des moyens de réglage et de mesure de débit et de pression.