Brevet FR2699669A1 — publié le 19940624

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA PROTECTION D'INSTRUMENTS DE MESURE, DANS UNE ATMOSPHERE CORROSIVE CHAUDE, -ET LEURS APPLICATIONS. La présente invention concerne un procédé de protection d'instruments de mesure, dans une atmosphère corrosive et/ou chaude L'invention concerne également les dispositifs utilisés pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne enfin des applications de ce procédé et de ce dispositif. Dans la suite de la présente description, on se référera plus spécifiquement à la protection d'instruments de mesure de température employés dans une atmosphère corrosive et chaude, mais il apparaîtra clairement que l'invention s'applique à la protection de tout autre type d'instrument de mesure, qu'il soit utilisé dans une atmosphère chaude et/ou dans une atmosphère corrosive. Ces atmosphères chaudes et corrosives se rencontrent en particulier dans les fours industriels du type fours de raffineries, fours d'unités chimiques ou pétrochimiques, ou fours de toute autre nature, tels que ceux des cimentiers ou des cokiers, qui utilisent comme moyen de chauffe la combustion de produits carbonés ou hydrocarbonés tels que le charbon, les fiouls et les résidus atmosphériques à hautes teneurs en soufre et en métaux, et dont les oxydes sont très fortement corrosifs à l'égard de métaux ou alliages, à fortes températures. Pour réchauffer, notamment, des fluides liquides d'un certain gradient de température, on emploie des fours à faisceaux de tubes, comprenant plusieurs sections, équipées de brûleurs et correspondant à des circuits parallèles de réchauffage du fluide, qui circule dans ces tubes Le fluide est chauffé par transfert de chaleur à travers la paroi de ces tubes, celle-ci étant elle-même chauffée par les gaz de combustion et même parfois directement par la flamme, si le tube est à proximité immédiate de celle-ci Les exploitants de ce type de four ont comme contraintes d'homogénéiser la température de sortie du fluide à la sortie de toutes les sections, de façon à obtenir la température correcte et nécessaire aux traitements ultérieurs du fluide, et de contrôler la température des gaz de combustion s'échappant à la tête du four. Deux types de températures sont généralement suivis par l'exploitant: les températures de peau des tubes contenus dans le four, à l'entrée et à la sortie du fluide à réchauffer, et les températures de rayonnement et/ou de fumées des gaz de combustion. La mesure de la température de peau permet de vérifier que celle-ci n'atteint pas la température critique du métal ou de l'alliage dont sont constitués les tubes et qu'il n'y a pas de point chaud dans ceux-ci, traduisant ou se traduisant par un dépôt provenant du fluide à l'intérieur du tube Une bonne mesure de la température de peau permet donc de suivre et de régler l'augmentation de température du fluide dans le tube, en jouant sur le débit de ce dernier et sur la quantité de combustible brûlé, et, en conséquence, de diminuer les risques de bouchage des tubes et d'augmenter par conséquent la fiabilité et la sécurité de ces fours. Pour mesurer en continu la température de peau de ces tubes, on utilise des thermocouples, que l'on soude à l'extérieur des tubes et qui sont reliés à un indicateur de mesure et de commande, extérieur au four. Les thermocouples usuels utilisés dans cette application se présentent sous la forme de câbles blindés, de faible diamètre, flexibles et robustes Ils comprennent deux fils métalliques constituant le couple thermoélectrique, une gaine métallique continue, entourant le couple et assurant la protection mécanique et chimique du couple, et, entre la gaine et les fils métalliques, un isolement thermique minéral, en poudre, très fortement comprimé, qui assure à la fois le maintien des fils conducteurs et un bon isolement Une extrémité des fils et de la gaine sont soudés sur le tube dont on désire connaître la température et, à leur autre extrémité, le thermocouple est relié à un câble de compensation adapté au couple thermoélectrique, par l'intermédiaire d'une tête de raccordement, qui est elle-même reliée à l'indicateur de température, de type galvanomètre ou micromètre électronique. En contact avec les gaz de combustion et parfois même avec la flamme des brûleurs du four, ces thermocouples ont une durée de vie très limitée, parfois inférieure à un mois, et il faudrait les remplacer trop fréquemment Outre le coût de ces capteurs, leur remplacement nécessite un arrêt prolongé de l'installation et engendre donc des frais considérables, ce qui est impossible à réaliser au niveau industriel, puisqu'une durée de cycle pour un tel four est d'environ trois ans, et qu'on tend à augmenter cette durée Cependant, lorsque les thermocouples sont cassés ou donnent des résultats erronés, du fait de l'amincissement de la gaine, l'exploitant n'a plus de moyen de contrôle de la température du fluide, et des incidents risquent de se produire. En fait, ce ne sont pas tant les fils métalliques formant le couple thermoélectrique qui posent problème au niveau de leur soudure sur le tube, car, refroidie par le fluide à réchauffer qui circule dans le tube, cette soudure résiste généralement bien aux conditions d'environnement auxquelles elle est soumise En revanche, les défaillances des thermocouples sont dues la plupart du temps à la gaine de protection, qui, hormis son extrémité non soudée sur le tube, est à une température beaucoup plus élevée A cette température, les gaz de combustion sont très corrosifs et les risques de rupture de la gaine du thermocouple sont très grands. Des problèmes du même ordre se rencontrent pour les thermocouples destinés à mesurer la température des fumées en sortie des fours Le couple thermoélectrique est, dans ce cas, logé dans un tube fermé, dit "puits thermométrique",, qui fait saillie à partir de l'une des parois du four et est disposé sur le trajet des fumées de combustion Dans de telles conditions d'utilisation, les puits thermométriques se corrodent très rapidement et doivent être remplacés fréquemment. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients de la technique antérieure. Un premier but de l'invention est donc d'assurer une meilleure protection des instruments de mesure utilisés dans une atmosphère chaude et/ou corrosive. Un autre but de l'invention est d'accroître la durée de vie des instruments de mesure utilisés dans une telle atmosphère, afin d'améliorer la fiabilité de la mesure et surtout la sécurité d'exploitation de ces fours, et de limiter ainsi la fréquence de remplacement de ces thermocouples et le coût qui en résulte. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de protection d'un instrument de mesure, dans une atmosphère chaude et/ou corrosive, caractérisé en ce qu'on loge au moins partiellement l'instrument de mesure dans un fourreau, qui est séparé de cet instrument de mesure par un espace annulaire et dont une extrémité libre débouche dans l'atmosphère corrosive dans laquelle est effectuée la mesure, et en ce que l'on fait circuler dans l'espace annulaire séparant le fourreau et l'instrument de mesure un gaz inerte vis-à-vis de l'instrument de mesure, qui, après avoir refroidi l'instrument de mesure et le fourreau, est évacué dans ladite atmosphère. L'invention a également pour objet un dispositif pour la protection d'un instrument de mesure opérant dans une atmosphère chaude et/ou corrosive, ce dispositif comportant un fourreau qui entoure au moins partiellement l'instrument de mesure, en étant séparé de lui par un espace annulaire, ce fourreau débouchant par une de ses extrémités dans l'atmosphère dans laquelle la mesure est effectuée, tandis que son autre extrémité est raccordée à un moyen d'alimentation en un gaz inerte vis-à-vis de l'instrument de mesure, de manière à pouvoir faire circuler ledit gaz entre le fourreau et ledit instrument avant de le rejeter dans ladite atmosphère. Une présente invention n'a pas seulement pour effet de protéger l'instrument de mesure d'une corrosion par l'atmosphère environnante, mais aussi de diminuer considérablement la vitesse de corrosion du fourreau protecteur, généralement constitué d'acier adapté aux températures ambiantes, par refroidissement interne de celui-ci par le gaz circulant dans la cavité annulaire. L'instrument de mesure proprement dit, un couple thermoélectrique par exemple, pourra faire saillie dans l'atmosphère corrosive à l'extrémité libre du fourreau, pour effectuer les mesures nécessaires sans être perturbé par le gaz qui circule dans celui-ci Dans le cas d'un thermocouple destiné à mesurer la température de peau d'un tube dans un four, ce thermocouple pourra ainsi être soudé de façon usuelle sur le tube. Le gaz circulant dans le fourreau pourra être tout gaz inerte vis-à-vis de l'instrument de mesure Dans le cas d'un thermocouple destiné à mesurer des températures dans un four, ce gaz pourra être simplement de l'air ou de l'azote. Le débit de gaz pourra être relativement faible et compris par exemple entre 600 et 2000 litres par heure. Dans le cas de thermocouples utilisés dans des fours à des températures comprises entre 600 et 9000 C, la Demanderesse a ainsi établi qu'un débit aussi faible que 1 200 1/h est suffisant pour éviter toute défaillance de l'instrument de mesure, en multipliant sa durée de vie par un facteur de 10. Dans une telle application, l'espace annulaire séparant la face interne du fourreau de l'instrument de mesure pourra être de l'ordre de 1 mm, ce qui signifie que l'encombrement de l'instrument de mesure n'en sera par majoré de façon significative. Avantageusement, le fourreau entourant l'instrument de mesure pourra être lui-même revêtu d'une gaine en un matériau thermiquement isolant, par exemple en fibres de céramique, en laine de roche ou autres, pour limiter encore ses risques de corrosion. On pourra naturellement donner au fourreau, revêtu ou non, toute forme adaptée à celle de l'instrument de mesure à protéger. Les dessins schématiques annexés illustrent deux applications de l'invention Sur ces dessins: La figure 1 illustre la mise en oeuvre de l'invention pour la protection d'un thermocouple utilisé pour mesurer, dans un four, la température de peau d'un tube logé dans ce four et dans lequel circule un fluide à réchauffer. La figure 2 illustre la mise en oeuvre de l'invention pour la protection d'un thermocouple utilisé, dans un four, pour mesurer la température des fumées en sortie du four. On se référera d'abord à la figure 1, sur laquelle on voit la paroi 1 d'un four, dans lequel sont brûlés des combustibles produisant des gaz à haute température, comprenant des composés corrosifs Dans ce four sont logés des tubes 2, exposés au rayonnement thermique, aux fumées de la combustion, et même parfois à la flamme, et dans lesquels circule le fluide à réchauffer, qui récupère, par échange thermique, une partie des calories absorbées par le tube. Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, il est important de connaître en continu la température de surface ou "température de peau" de ces tubes, afin, notamment, de pouvoir régler le débit du fluide à réchauffer et celui du combustible. A cet effet, on utilise des thermocouples, dont la gaine 3, fixée par des cavaliers 4 sur les tubes, traverse la paroi 1 et est connectée par un raccord 5 à une centrale de contrôle L'extrémité de chaque gaine 3 en contact avec le tube 2 et le couple thermoélectrique qui y est logé est soudée en 6 sur le tube 2 Ce sont ces gaines, soumises à une température de plusieurs centaines de degrés C, pouvant atteindre 9000 C, qui baignent dans une atmosphère très corrosive, et qui se corrodent et se brisent très rapidement. Pour remédier à cet inconvénient, conformément à l'invention, on entoure les gaines 3, sur toute leur longueur dans le four, à l'exception de la partie en contact avec le tube 2 associé, par un fourreau 7, en laissant subsister un espace annulaire entre ce fourreau 7 et la gaine 3, et l'on connecte le fourreau 7, à l'extérieur du four, à l'aide d'un raccord en 8, à un détendeur 9 d'une source d'un gaz sous pression, inerte vis-à-vis de la gaine et du fourreau Ce gaz circulera dans l'espace annulaire séparant le fourreau 7 de la gaine 3 et sera évacué dans l'atmosphère du four, par l'extrémité libre du fourreau, au voisinage immédiat du tube 2. Comme représenté sur la figure 1, le fourreau 7 peut lui-même être revêtu d'un manchon 10 en un matériau ayant de bonnes qualités d'isolation thermique, par exemple en fibres de céramique ou en laine de roche On pourra envisager de recouvrir la partie de la gaine du thermocouple maintenue le long du tube par un morceau de manchon 11, de même composition que le fourreau 7 et maintenu par au moins un collier 12 sur le tube Seule l'extrémité du thermocouple soudée en 6 doit rester découverte. Le gaz injecté dans le fourreau 7 pourra être tout gaz inerte vis-à-vis de la gaine du thermocouple et compatible avec l'atmosphère de l'enceinte dans laquelle il est rejeté Dans le cas d'un four, on pourra utiliser de l'air, mais aussi, souvent, de l'azote. Le gaz sera simplement à la température régnant à l'extérieur du four et, comme il a été indiqué ci-dessus, il pourra être injecté sous un faible débit, qui suffira néanmoins à assurer le refroidissement et la protection de la gaine 3, dont la durée de vie pourra être égale à dix fois celle d'un thermocouple non protégé conformément à l'invention De même, ce gaz permettra de limiter la vitesse de corrosion du fourreau 7, par refroidissement interne. La figure 2 illustre une autre application de l'invention à la protection des dispositifs de mesure de la température des fumées des fours, en particulier au voisinage de l'orifice d'évacuation de ces fumées On utilise habituellement dans ce but un "puits thermométrique", c'est-à-dire un manchon fermé dans lequel est logé un thermocouple, et l'on rencontre des problèmes analogues à ceux que posent les thermocouples destinés à mesurer la température de peau des tubes. Pour remédier à cet inconvénient, conformément à la présente invention, on n'utilise plus un puits thermométrique, mais on le remplace par un fourreau 14, dans lequel on loge le thermocouple 13 Ce fourreau 14 traverse une paroi 15 du four et une bague de maintien 16, en laissant subsister un espace annulaire entre la gaine du thermocouple et le fourreau Comme décrit en relation avec la figure 1, le thermocouple 13 est connecté, par la tête de raccordement 17, au câble de compensation conduisant l'information à l'indicateur de température, non représenté sur la figure, tandis que le fourreau 12 est relié par un raccord en T, 18, à un détendeur ou rotamètre 19 d'une source d'air ou d'azote sous pression. Comme précédemment, ce gaz circule dans l'espace annulaire séparant le fourreau 14 de la gaine du thermocouple 13, en protégeant celle-ci, et est rejeté dans le four par l'extrémité libre du fourreau La gaine du thermocouple fait saillie de quelques millimètres en dehors de cette extrémité du fourreau et baigne ainsi dans l'atmosphère du four, dont la température peut donc être mesurée de façon usuelle, mais sans risque de rupture rapide de la gaine du thermocouple ni même du fourreau, comme dans la technique antérieure. L'invention apporte donc un moyen simple et facile à mettre en oeuvre pour protéger et prolonger la durée de vie d'instruments de mesure appelés à fonctionner à haute température dans une enceinte à atmosphère corrosive. Naturellement, l'invention s'applique à tous les types d'instruments de mesure et n'est pas limitée à des thermocouples destinés à effectuer des mesures de températures dans des fours. REVENDICATIONS 1 Procédé de protection d'un instrument de mesure, dans une atmosphère chaude et/ou corrosive, caractérisé en ce qu'on loge au moins partiellement l'instrument de mesure ( 3, 13) dans un fourreau ( 7, 14), qui est séparé de cet instrument de mesure par un espace annulaire et dont une extrémité libre débouche dans l'atmosphère corrosive dans laquelle est effectuée la mesure, et en ce que l'on fait circuler dans l'espace annulaire séparant le fourreau et l'instrument de mesure un gaz inerte vis-à-vis de l'instrument de mesure, qui, après avoir refroidi l'instrument de mesure et le fourreau, est évacué dans ladite atmosphère. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit du gaz inerte est compris entre 600 et 2000 1/h. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'instrument de mesure ( 3, 13) fait saillie en dehors du fourreau ( 7, 14), à l'extrémité de celui-ci par laquelle ledit gaz inerte est rejeté dans l'atmosphère corrosive. 4 Dispositif pour la protection d'un instrument de mesure ( 3, 13) opérant dans une atmosphère chaude et/ou corrosive, ce dispositif comportant un fourreau ( 7, 14) qui entoure au moins partiellement l'instrument de mesure, en étant séparé de lui par un espace annulaire, ce fourreau ( 7, 14) débouchant par une de ses extrémités dans l'atmosphère dans laquelle la mesure est effectuée, tandis que son autre extrémité est raccordée à un moyen d'alimentation ( 9, 18) en un gaz inerte vis-à-vis de l'instrument de mesure, de manière à pouvoir faire circuler le gaz inerte contre le fourreau et ledit instrument avant de le rejeter dans ladite atmosphère. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fourreau ( 7, 14) protège l'instrument de mesure dans l'atmosphère o s'effectue la mesure suivant sensiblement toute sa longueur dans cette atmosphère. 6 Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'instrument de mesure ( 3, 13) fait saillie en dehors de l'extrémité du fourreau ( 7, 14) par laquelle le gaz inerte est rejeté dans l'atmosphère o s'effectue la mesure. 7 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la source ( 9, 19) du gaz inerte est située à l'extérieur de l'enceinte dans laquelle s'effectue la mesure. 8 Utilisation d'un dispositif selon la revendication 6, pour la protection d'un thermocouple utilisé pour la mesure de la température de peau d'un tube ( 2) logé dans un four, caractérisé en ce que la partie du thermocouple ( 3) faisant saillie en dehors du fourreau ( 7) est appliquée contre le tube ( 2) et en ce que l'extrémité du fourreau ( 7) par laquelle le gaz inerte est rejeté dans le four est disposée au voisinage immédiat de ce tube. 9 Utilisation d'un dispositif selon la revendication 6, pour la protection d'un thermocouple ( 13) utilisé pour la mesure de la température des fumées d'un four, caractérisé en ce que le fourreau ( 14) fait saillie dans le four à partir d'une paroi ( 15) de celui- ci et en ce que le thermocouple ( 13) fait lui-même saillie sur le trajet des fumées en dehors de l'extrémité du fourreau ( 14) par laquelle le gaz inerte est rejeté dans le four.