Brevet FR2661244A1 — publié le 19911025

L'invention est relative à un embout de protection pour tube de chaudière ainsi que son procédé de fabrication. Elle trouvera notamment son application pour équiper les échangeurs de générateurs thermiques chez les constructeurs ou exploitants. Les chaudières de générateurs thermiques comprennent principalement aeux parties : un brûleur, qui assure la combustion d'un combustible gazeux ou liquide et dont le rôle est de dégager une quantité maximale de calories avec un rendement de combustion optimum; ainsi qu'un échangeur thermique dont le rôle est de transférer les calories produites par le brûleur vers un circuit totalement dépendant de fluide caloporteur, ce dernier caloporteur permettant de récupérer les calories du générateur thermique sous une forme exploitable. L'échangeur thermique doit posséder différentes propriétés pour effectuer correctement son office. Tout d'abord, il doit être totalement étanche pour exclure tout contact direct entre les fumées de combustion et le fluide caloporteur. Ensuite, il doit permettre de récupérer un maximum de calories dans les gaz de combustion avant que ceux-ci ne soient ensuite évacués dans l'atmosphère. A ce sujet, l'échangeur thermique doit également ne pas gêner le dégagement des fumées afin de ne pas perturber la combustion en amont. Pour répondre à ces différents objectifs, les échangeurs se présentent actuellement sous la forme d'un ensemble de tubes, destinés à être parcourus intérieurement par les fumées chaudes de combustion alors que l'extérieur des tubes est en contact avec le fluide caloporteur. Cet ensemble de tubes est interposé entre deux plaques tubulaires perforées sur lesquelles les tubes sont emmanchés et soudés pour cloisonner un volume étanche apte à renfermer le fluide caloporteur. La plaque tubulaire, ainsi que l'extrémité des tubes dirigés du côté amont de l'écoulement des gaz de combustion, sont soumis à des gradients de température très élevés. En effet, il est courant que la température des fumées de combustion atteignent 1.000 OC, alors que la température du fluide caloporteur, quant à elle, n'excède rarement 200 "C. Si la chaudière fonctionne par intermittence, ce qui est souvent le cas, les montées en température rapides des pièces ajoutent à leur usure. Ces contraintes thermiques très importantes sensibilisent la chaudière à ce niveau et occasionnent de nombreux incidents de fonctionnement précisément localisés au niveau de la jonction des tubes sur la plaque tubulaire d'entrée. La convection thermique due aux passages des gaz de combustion dans les tubes est très importante, ce qui occasionne une élévation des températures à l'extrémité des tubes. Les hautes températures rencontrées finissent par jouer sur le métal qui perd ses propriétés chimiques et mécaniques, et il apparaît des micro-fissures provoquées par un appauvrissement du carbone et un désordre dans la structure cristalline du métal. Ces fissures peuvent se développer le long du tube d'où un risque de perte d'étanchéité et une obligation de retuber la chaudière. Puisque cette dégradation est essentiellement localisée au niveau de l'entrée des tubes et de leur raccordement sur la plaque tubulaire, les constructeurs ont désiré spécialement protéger cette zone. Pour cela, ils ont créé des embouts réfractaires de protection qui se placent à l'entrée du tube dans lequel ils s ' emboîtent et qui sont munis d'une collerette périphérique qui vient recouvrir en totalité la jonction soudée du tube avec la plaque tubulaire. Ces embouts réfractaires sont efficaces et permettent de prolonger sensiblement la durée de vie des tubes de la chaudière. En effet, ils absorbent une forte partie des contraintes thermiques, ce qui protège efficacement les tubes. On connaît les embouts de protection en fonte réfractaire qui, malheureusement, n'offrent qu'un faible degré d'efficacité, du fait notamment de leur conductivité thermique élevée, mais ce matériau est usinable, ce qui le rend particulièrement intéressant pour des petites séries ou des cas particuliers. Les embouts réfractaires les plus courants sont de type céramique. Ce matériau présente l'avantage de pouvoir résister mécaniquement à des températures très élevées. Par contre, la céramique est très fragile et demande des précautions particulières. En outre, un collage individuel de chacun des embouts de protection est nécessaire pour assurer son maintien en place et lors de chaque visite périodique obligatoire, il faut procéder au décollage des embouts préalablement au nettoyage de chacun des tubes. La réutilisation des embouts de protection n'est pas toujours possible, ce qui entraîne un coût d'utilisation élevé. Sur le plan de la fabrication, la céramique est moulée, puis cuite, et un tel procédé n' est rentable économiquement que pour des grandes séries. Il est, à ce sujet, à noter la difficulté d'obtention des embouts en céramique cuite du fait de leur forme et de la finesse des parois. Le but principal de la présente invention est de présenter un 'embout de protection pour tube de chaudière, qui, d'une part, offre les mêmes garanties d'efficacité que les embouts en céramique moulés traditionnels, c'est-à-dire une bonne tenue à très haute température tout en offrant également l'avantage de pouvoir être usiné, et être autrement compatible avec tout type de configuration, et qui, d'autre part, ne soit pas fragile d'où facilité d'utilisation, moindre risque et possibilité de réutilisation. Un autre but de la présente invention est de présenter un procédé de fabrication d'un embout de protection pour tube de chaudière qui soit économique et qui permette d'obtenir un produit très polyvalent. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n' est cependant donnée qu'à titre indicatif. Selon l'invention, l'embout de protection pour tube de chaudière, qui trouvera son application dans les échangeurs de générateurs thermiques, est caractérisé par le fait qu'il est confectionné en matériau céramique tendre. Le procédé de fabrication de l'embout de protection pour tube de chaudière de l'invention se caractérise en ce qu'on forme l'embout par moulage par aspiration sous vide de fibres céramiques réfractaires dispersées dans un bain d'eau et de liant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels - la figure 1 schématise la structure interne d'un générateur thermique, selon un mode de réalisation, - la figure 2 représente un embout de protection pour tube de chaudière selon la présente invention, - la figure 3 schématise la mise en place de l'embout de protection sur un tube de chaudière. La présente invention vise un embout de protection pour tube de chaudière ainsi que son procédé de fabrication, et trouvera notamment son application pour équiper les échangeurs de générateurs thermiques chez les constructeurs et exploitants. Il est courant d'équiper les tubes d'échangeurs thermiques de chaudière pour prolonger la durée de vie des tubes qui, même dans des conditions normales d'exploitation, sont soumis à des chocs thermiques intenses. En effet, les tubes se voient attaqués à la fois mécaniquement, par abrasion, et chimiquement, par des modifications de structures cristallines au sein de l'acier. De plus, les fortes élévations de température provoquent des phénomènes. Le phénomène s'amplifiant, il apparaît des craquelures au sein de l'échangeur thermique qui perd son étanchéïté dloù perturbation de fonctionnement, avarie et nécessité d'intervention rapide avec perte d'exploitation. Par ailleurs, on assiste également de plus en plus fréquemment à une transformation des chaudières notamment pour changer le combustible et passer du fuel au gaz. Cette transformation joue également sur la flamme dont la température augmente ainsi que la longueur. La zone amont de l'échangeur thermique en souffre davantage et certaines mesures doivent être prises. La première possibilité consiste à déclasser la chaudière pour en réduire la puissance de 15 à 30 %.Bien souvent l'exploitant ne peut se satisfaire de cette solution qui le pénalise fortement. Il est également possible de modifier le bout des tubes de l'échangeur thermique. Toutefois, cette transformation est très coûteuse. Le plus économique est de mettre en place des embouts de protection sur les tubes afin qu'ils puissent supporter le choc thermique engendré par le brûleur. Actuellement, les embouts de protection pour tubes de chaudières se présentent, soit sous la forme d'embouts en fonte réfractaire usinable, mais peu efficace, ou encore sous forme d'embouts en céramique dur très performant sur le plan de la résistance mécanique et thermique à haute température, mais très fragile car cassant et non usinable. L'embout céramique dur doit être retiré lors de chaque visite périodique de la chaudière. Par ailleurs, les techniques connues de moulage d'embouts céramiques durs obligent, pour être rentables, la réalisation de très grandes séries or, chaque constructeur de chaudière utilise des dimensions qui lui sont propres d'où la nécessité de créer de multiples moules pour satisfaire un large éventail de configuration rencontré avec des coûts unitaires de production élevés. L'embout de protection pour tube de chaudière de la présente invention a précisément pour objet d'offrir un degré de protection thermique au moins comparable aux embouts en céramique dur, et même nettement supérieur, avec des facilités d'usinage et de fabrication qui en abaissent singulièrement le prix de revient. La figure 1 schématise un générateur thermique 1 de type connu qui comprend un brûleur 2 fonctionnant à partir d'un combustible liquide ou gazeux pour produire une flamme 3 dégageant un maximum de calories dans des conditions de combustion optimum. Les fumées de combustion 4, élevées à haute température, sont dirigées vers un échangeur thermique 5 formé de plaques tubulaires 6 traversées par un ensemble de tubes 7 dont l'intérieur est parcouru par les fumées de combustion et l'extérieur baigne dans le fluide caloporteur chargé de récupérer les calories des fumées 4. La zone de l'échangeur 5 la plus sensible se situe au niveau de l'entrée 12 des fumées de combustion 4 dans les tubes 7. La température des gaz de combustion peut atteindre voire dépasser 1.000 "C et ils peuvent être chargés en particules abrasives. Pour assurer la longévité de l'échangeur thermique 5, il convient par conséquent de protéger tout particulièrement la zone d'entrée des tubes 7. C'est le rôle de l'embout de protection de la présente invention tel qu'illustré à la figure 2 sous le repère 8. Cet embout de protection est confectionné dans un matériau céramique tendre. Il est donc peu cassant et parfaitement adapté pour encaisser les chocs thermiques. En effet, la fibre céramique est parfaitement à même à supporter des températures de l'ordre de 1.260 "C. L'embout de protection peut en outre être usiné pour s'adapter selon les besoins. De préférence, l'embout thermique 8 est formé d'une collerette 9 périphérique et d'un corps 10 de révolution, notamment légèrement conique. La cônicité permet à l'embout de protection de s'adapter à différents diamètres de tubes susceptibles d'être rencontrés. A titre indicatif, un embout de protection en fibre céramique peut couvrir une plage d'environ 5 mm de variation au diamètre de tube. La figure 3 montre la mise en place de l'embout de protection 8 à l'extrémité d'un tube 7, lui-même fixé sur une plaque tubulaire 6 par l'intermédiaire d'un cordon de soudure périphérique 11. La collerette 9 recouvre largement le cordon de soudure 11 qui se trouve ainsi bien protégé. La fibre céramique tendre s'adapte parfaitement au diamètre intérieur du tube 7 et sa fixation est assurée par l'intermédiaire d'un collage à base de colle au silicate. Dans certaines applications, par exemple lorsque la vitesse des gaz est très élevée, il peut être intéressant de durcir l'embout de protection de la présente invention. Ceci peut être obtenu grâce à une imprégnation par un gel de silice à l'issue de la fabrication de l'embout de protection 8. Du fait qu'il est réalisé en matière tendre, l'embout de protection de la présente invention s'insère facilement à l'intérieur du tube et se colle parfaitement car il est susceptible de suivre les faibles déformations du tube 7. L'embout tendre 8 peut suivre les dilatations du métal et reste donc bien fixé à l'usage. En ce qui concerne sa fabrication, selon le procédé de la présente invention, on utilise des fibres céramiques réfractaires, en vrac ou en nappe, constituée à partir de silice et d'alumine (50% SiO2 + 50% Au202 par exemple), et on forme l'embout dans un moule par aspiration sous vide des fibres céramiques dispersées dans un bain d'eau et de liant. Cette technique de façonnage est économique même pour des petites séries. On pourra durcir éventuellement l'embout de protection mis en place sur le tube par imprégnation d'un gel de silice. D'autres mises en oeuvre de la présente invention à la portée de l'homme de l'art auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Embout de protection pour tube de chaudière qui trouvera son application dans les échangeurs de générateurs thermiques, caractérisé par le fait qu'il est confectionné dans un matériau céramique tendre. 2. Embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est confectionné en fibres de céramique. 3. Embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est formé d'une collerette (9) et d'un corps de révolution (10). 4. Embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est collé sur le tube (7), notamment sur sa face intérieure, à l'aide d'une colle à base de silicate. 5. Embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est durci par un gel de silice. 6. Procédé de fabrication d'un embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme l'embout par moulage par aspiration sous vide de fibres céramiques réfractaires dispersées dans un bain d'eau et de liant. 7. Procédé de fabrication d'un embout de protection pour tube de chaudière selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on durcit l'embout (8) mis en place sur le tube (7) par imprégnation de la fibre avec un gel de silice.