Brevet FR2748099A1 — publié le 19971031

PLAQUE DE SUPPORT DE TUBES ECHANGEURS DE CHALEUR ET PROCEDE POUR SA FABRICATION CONTEXTE DE L'INVENTION La présente invention concerne un échangeur de chaleur qui peut être utilisé dans des centrales électrothermiques, nucléaires et des usines de produits chimiques. Plus particulièrement, la présente invention concerne une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur et un procédé de fabrication d'une telle plaque, dans lesquels la plaque de support de tubes comporte un revêtement ou un procédé de réduction de l'incidence exercée par le dépôt d'oxyde de fer, tel que de la magnétite en provenance de l'eau. Dans les échangeurs de chaleur utilisés dans les centrales électrothermiques, nucléaires et les usines de produits chimiques etc., la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur disposée à l'intérieur de ceux-ci est habituellement placée de manière horizontale pour supporter les tubes échangeurs de chaleur disposés de manière verticale. Les matières généralement utilisées pour fabriquer la plaque de support de tubes d'un échangeur de chaleur sont l'acier au carbone et l'acier inoxydable SUS. La figure 6 représente un exemple montrant l'intérieur d'un échangeur de chaleur à cellules et à tubes vertical classique 10, ayant une enveloppe extérieure Il. L'intérieur de l'échangeur oornporte un faisceau de tubes échangeurs de chaleur 3. Les tubes eo:aneurs ce chaleur 13 sont disposés de telle arçon SI le faisceau de tubes échangeurs de chaleur est supporté par une pluralité de plaques tubulaires 18. Les tubes échangeurs de chaleur 13 sont en forme de U et les deux extrémités de chaque tube sont insérées dans une plaque à tubes 12. La plaque à tubes 12 est réalisée solidaire de la surface extérieure, c'est-à-dire de l'enveloppe extérieure 11. Un fluide d'entrée chaud 14 à 150"C jusqu'à 350"C s'écoule dans un réservoir d'eau 15 et traverse les tubes échangeurs de chaleur 13, cédant de la chaleur ainsi qu'il est décrit ci-après. Le fluide se refroidit ainsi à une température inférieure et s'écoule hors du réservoir d'eau 16 sous la forme d'un fluide plus froid 14'. De nombreux tubes échangeurs de chaleur 13 ayant des rayons de courbure différents constituent le faisceau de tubes échangeurs de chaleur qui est enfermé à l'intérieur d'une enceinte à garnissage 17. En même temps, ce faisceau est supporté par une pluralité de plaques de support de tubes 18 sensiblement horizontales. L'eau d'alimentation 20 s'écoule à l'intérieur par l'intermédiaire d'une buse d'entrée 19 et s'écoule entre l'enceinte à garnissage 17 et l'enveloppe extérieure 11. L'eau d'alimentation change ensuite de direction au niveau de la surface supérieure de la plaque à tubes 12 et remonte le long des tubes échangeurs de chaleur 13. A ce moment-là, l'eau d'alimentation extrait de la chaleur du fluide chauffé 14 s'écoulant dans les tubes 13, par échange thermique, monte en température, entre en ébullition et se transforme en vapeur. La vapeur 21 sort par une buse à vapeur 25 et des tuyères, par exemple, à destination d'une turbine à gaz. Les plaques de support de tubes échangeurs de chaleur 18 doivent faire preuve de la rigidité et de la résistance mécanique qui permettent aux plaques de supporter les tubes échangeurs de chaleur 13. Néanmoins, l'eau d'alimentation 20 rencontre peu de résistance lorsqu'elle est pompée vers le haut depuis la plaque 12 en direction de la buse à vapeur 25. Ordinairement, l'eau d'alimentation contient une certaine proportion d'oxyde de fer (calamine), tel que de la rouille, généré dans le système, et la calamine se dépose progressivement sur les plaques de support de tubes 18. Ceci réduit les sections transversales des trous de passage 36 de l'eau d'alimentation (se reporter à la figure 1 décrite plus loin) Les plaques de support de tubes échangeurs de chaleur classiques sont fabriquées en acier au carbone, en acier inoxydable etc. Le film réalisé sur la surface de l'acier au carbone ou de l'acier inoxydable est constitué de cristaux cubiques ayant une structure spinelle. L'oxyde de fer (calamine), tel que Fe:O1, contenu dans l'eau d'alimentation de l'échangeur de chaleur, est également constitué de cristaux ayant une structure spinelle. En conséquence, ceux-ci ont tendance à se lier l'un à l'autre. L'expérience a montré que le fer contenu dans l'eau d'alimentation se déposait sur la surface des plaques de support sous la forme de calamine. La quantité déposée augmentera à mesure que l'échangeur de chaleur fonctionnera durant des laps de temps prolongés. Dans la plaque de support de tubes de l'échangeur de chaleur se trouvent de nombreux trous ayant un diamètre de, par exemple, 15 mm environ. Au fil du temps, la calamine précitée se dépose dans les trous et réduit notablement la section transversale des trous de passage. Ceci se traduit par un débit d'écoulement d'eau réduit, un niveau d'eau d'alimentation instable en raison de la différence des surfaces transversales de passage de l'eau d'alimentation, et similaires. RESUME DE L'INVENTION Un objet de la présente invention consiste à résoudre ces problèmes. Selon les principes de la présente invention, une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur est fournie comportant des moyens ou un procédé de réduction de l'incidence du dépôt d'oxyde de fer, qui est extrêmement efficace. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, un échangeur de chaleur est fourni comportant des tubes échangeurs de chaleur et au moins une plaque de support de tubes pour supporter de tels tubes, plaque de support de tubes qui est chromée. Dans un autre mode de réalisation, la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur chromée est revêtue d'un revêtement d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale. Un autre mode de réalisation encore de la présente invention comprend un échangeur de chaleur ayant un corps muni d'une buse d'entrée pour l'eau d'alimentation et d'une buse de sortie pour la vapeur. Le corps de l'échangeur de chaleur comprend également un réservoir de fluide d'entrée et un réservoir de fluide de sortie. Une pluralité de tubes échangeurs de chaleur sont prévus, montés dans le corps, chacun des tubes ayant respectivement une première extrémité communiquant avec le réservoir d'entrée, et une seconde extrémité communiquant avec le réservoir de sortie. Des moyens pour introduire du fluide chauffé dans le réservoir d'entrée sont également inclus, de telle sorte que le fluide chauffé s'écoule dans les premières extremités respectives des tubes échangeurs de chaleur et sort par les secondes extrémités dans le réservoir de sortie, ce qui fait que la chaleur du fluide chauffé chauffe l'eau d'alimentation en passant par les tubes et transforme l'eau d'alimentation en vapeur mise à l'échappement par la buse de sortie. Il est également prévu au moins une plaque de support de tubes pour supporter la pluralité de tubes dans le corps, la plaque de support de tubes étant chromée. Dans un mode de réalisation construit selon les principes de la présente invention, un échangeur de chaleur est fourni ayant une pluralité de tubes échangeurs de chaleur disposés sensiblement de manière verticale et une plaque de support de tubes disposée de manière sensiblement horizontale. La plaque de support de tubes est chromée. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, un échangeur de chaleur comporte une plaque de support de tubes comportant au moins un trou au travers duquel l'eau d'alimentation passe lorsqu'elle se déplace entre les buses d'entrée et de sortie. La présente invention a également pour objet de présenter un procédé pour fournir un revêtement de protection pour une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur. Un tel procédé comprend les étapes consistant à chromer la plaque dans un bain de métallisation ayant une concentration en fer de 0,5 gramme par litre ou moins. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé qui comprend l'étape supplémentaire consistant à oxyder la plaque de support de tubes chromée pour obtenir une couche d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale. Encore un autre objet consiste à effectuer cette étape supplémentaire à une température de 200"C durant deux heures. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les objets, caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, de la présente invention deviendront plus évidents à la lecture de la description détaillée qui va suivre, effectuée en se reportant aux dessins ci-annexés, sur lesquels: la figure l(a) est une vue du dessus d'une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur selon un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure l(b) est une vue en coupe transversale de la figure l(a) prise suivant la ligne B-B; et la figure l(c) est une coupe transversale agrandie d'une plaque de support de tubes revêtue de chrome; la figure 2 est un diagramme montrant les résultats d'un essai comparatif de calaminage par de la magnétite de la plaque de support de tubes chromée représentée sur la figure l(c) et d'une plaque classique; la figure 3 est une vue en coupe transversale agrandie d'une plaque de support de tubes revêtue d'oxyde de chrome, selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est un diagramme montrant les concentrations en fer comparatives d'un bain de chromage par rapport à la teneur en fer de la couche de chrome obtenue par un troisième mode de réalisation de la présente invention, comparativement aux procédés classiques; la figure 5 est un diagramme comparant la quantité de calamine déposée sur une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur chromée, selon le troisième mode de réalisation de la présente invention, et une plaque classique; et la figure 6 est une vue en coupe illustrant de manière conceptuelle la structure interne d'un échangeur de chaleur à cellules et à tubes vertical. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES En se reportant aux dessins et plus particulièrement aux figures l(a) à l(c), la figure l(a) est une représentation schématique du dessus d'une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur 35 qui peut être l'une d'une pluralité de plaques de support de tubes échangeurs de chaleur telles que les plaques 18 représentées sur la figure 6. Sur les figures l(a) et 1 (b), la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur 35 est munie de trous 36 au travers desquels passe l'eau d'alimentation, telle que l'eau d'alimentation 20 sur la figure 6. Les tubes échangeurs de chaleur 37 passent au travers de et sont supportés par la plaque 35. L'échangeur de chaleur est rempli avec l'eau du système, ainsi qu'il est montré sur la figure 6, dans une fourchette de 250"C à 350 C à l'intérieur pour assurer un transfert d'énergie thermique. EXEMPLE N" l Dans l'exemple N" 1, incorporant les principes de la présente invention, la totalité de la surface de la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur 35 de l'échangeur de chaleur avec laquelle le liquide entre en contact, est revêtue d'une couche de chrome 40, telle qu'elle est illustrée sur la figure l(c) (épaisseur: 25 + 5 um) . Dans l'exemple No. 1, la couche de chrome 40 est fabriquée en utilisant une solution de chromage dur (solution "sergeant") comme solution de métallisation, avec une densité de courant de 0,2 A/cm2, une température de 50"C et un temps de métallisation de 1,5 heures. Après avoir réalisé la couche de chrome 40 de cette manière, un essai de calaminage par de la magnétite a été effectué sur la couche de chrome 40 de la plaque de support de tubes 35 dans des conditions simulées d'eau d'alimentation de centrale énergétique (285"C; 60 atm; NH3: 0,5 ppm; N.H: 0,5 ppm). La couche de chrome 40 n'a pratiquement pas présenté de calaminage par de la magnétite, tandis qu'une plaque en acier inoxydable du type AISI 304 a présenté un calaminage qui était dix (10) fois plus important que le calaminage observé sur la plaque de support 35, revêtue de la manière décrite dans l'exemple N" 1. Ceci se voit parfaitement sur la figure 2, qui est un tracé représentant l'importance du calaminage relative en fonction du temps pour l'essai de calaminage. Sur la figure 2, on peut voir que le tracé représentant la plaque de support de tubes chromée indiquait une quantité de calaminage sensiblement nulle, tandis que le tracé représentant la plaque en acier inoxydable de type AISI 304 classique indiquait une proportion de calaminage relative dix (10) fois plus élevée. Dans l'exemple N" 1, l'épaisseur de chrome pour revêtir la surface d'une plaque de support de tubes en acier au carbone ou en acier inoxydable est de préférence de 5 um à 100 um et on peut appliquer le chromage général comme revêtement. EXEMPLE N" 2 Le deuxième exemple incorporant les principes de la présente invention est décrit en faisant référence à la figure 3. Sur la figure 3 est représentée une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur 45; le repère 46 désigne une couche de revêtement de chrome; et la couche 47 est une couche d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale. Cette couche d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale 47 est obtenue en oxydant la couche de chrome 40 précitée illustrée sur la figure l(c) à 2000C durant 2 heures. Son épaisseur était d'environ 0,1 um. Un essai de calaminage par de la magnétite a été effectué sur la couche d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale 47 dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple N" 1. La couche de chrome 47 ne présentait pratiquement pas de calaminage par de la magnétite même au bout de 9000 heures, qui correspondait à un cent cinquantième (1/150) de celui observé sur une plaque en acier inoxydable du type AISI 304. En d'autres termes, dans l'exemple NO 1, l'importance du calaminage par de la magnétite de la couche de chrome 40, au bout de 2000 heures, était de 0,05 mg/cm2 ou moins, ce qui représentait environ un dixième (1/10) de l'importance du calaminage observé sur une plaque en acier inoxydable du type AISI 304 (0,52 mg/cm2). Dans l'exemple N" 2, l'importance du calaminage par de la magnétique sur la couche d'oxyde de chrome à structure hexagonale cristalline 47 était de 10 pg/cm2 même au bout de 9000 heures, ce qui correspondait à environ un cent cinquantième 1/150 de celle observée sur une plaque en acier inoxydable du type AISI 304 (1,5 mg/cm2). L'épaisseur de chrome pour le revêtement de la surface de la plaque de support de tubes se situe dans la même plage que ci-dessus. L'épaisseur de la pellicule de chrome de l'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale déposé sur la couche de chrome précitée se situe de préférence entre 0,01 um et 1,0 um Cet oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale peut être constitué en oxydant de manière appropriée la couche de chrome préalablement déposée. La mince couche superficielle de chrome appliquée sur la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur se transforme naturellement en oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale. De plus, en oxydant le chrome déposé sur la plaque de support de tubes, une couche d'oxyde de chrome plus épaisse que la couche d'oxyde de chrome naturellement créée peut être constituée sur celle-ci. Ces couches d'oxyde de chrome existantes peuvent fournir une contre-mesure ou un procédé pour réduire l'incidence du dépôt de cristaux d'oxyde de fer à structure cristalline cubique (calamine). Il s'ensuit que les variations de surfaces, telles que des sections transversales réduites ou différentes au niveau du passage d'écoulement de l'eau d'alimentation d'une plaque de support de tubes provoquées par des dépôts de calamine sur la plaque de support de tubes, peuvent être réduites ou évitées, assurant ainsi un échange thermique stable. EXEMPLE NO 3 En général, le chromage utilise des conditions telles qu'une concentration en fer de 6 g/litre ou moins; une densité de courant de 0,1 A/cm2 à 0,4 A/cm2; une température de 30"C à 60 C; une concentration en anhydride d'acide chromique de 200 g/litre à 250 g/litre; et une concentration en sulfate de 2,2 g/litre à 2,5 g/litre. Cependant, selon le principes de la présente invention, une concentration en fer de 0,01 g/litre; une concentration en anhydride d'acide chromique de 240 g/litre; une densité de courant de 0,2 A/cm2; et une température de 50"C ont été utilisées. Un temps de traitement de une (1) heure a été utilisé pour métalliser une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur. Il s'ensuit qu'il n'a pas eté mesuré de fer dans la couche chromée obtenue. A titre d'échantillon de référence, une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur a été chromée en utilisant le même bain de chromage qu'indiqué cidessus, sauf que la concentration an fer était de 6 g/litre, les autres conditions demeurant inchangées. La figure 4 illustre les valeurs relevées pour les conditions pratiquées pour l'exemple N 3 et pour l'exemple de référence comparatif. La figure 4 montre clairement qu'il n'a pas été mesuré de fer dans la couche de chrome obtenue à partir du bain de chromage dont la concentration en fer était de 0,5 g/litre ou moins, alors qu'une certaine teneur en fer a été relevée dans la couche de chrome obtenue à partir du bain de chromage dont la concentration en fer était supérieure à 0,5 g/litre. En outre, la figure 5 illustre une comparaison relative du calaminage de la plaque de support de tubes sur un laps de temps prolongé dans les conditions de l'Exemple N" 3 et de l'échantillon de référence. La figure 5 montre bien que le procédé utilisé dans l'Exemple N" 3, détaillé ci-dessus, a réduit dans une proportion importante la quantité de calamine déposée sur la plaque de support de tubes. Ainsi, on voit sur la figure 5 que le calaminage relatif pour une concentration en fer de 0,01 g/litre d'un bain de métallisation était pratiquement inexistant même au bout de 750 heures. D'autre part, pour une concentration en fer de 6 g/litre d'un bain de métallisation, le calamine relatif était quinze (15) fois plus élevé. De plus, le calamine relatif de l'échantillon de référence a continué à augmenter dans le temps au-delà de 750 heures, tandis que le calaminage relatif en employant le procédé incorporant les principes de la présente invention a continué à rester à un niveau sensiblement nul. En résumé, la plaque de support de tubes échangeurs de chaleur, plaque de support de tubes qui est traitée selon les principes de la présente invention, empêche dans une proportion notable le calaminage par des oxydes de fer tels que de la magnétite, assurant ainsi toujours un échange d'énergie thermique stable dans un échangeur de chaleur équipé d'une telle plaque de support de tubes. De plus, les conditions d'exécution du chromage selon les principes de la présente invention suppriment le fer dans la couche chromée, fournissant ainsi un procédé de fabrication d'une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur qui peut réduire ou empêcher dans une proportion importante le calaminage. Différentes modifications deviendront possibles pour les spécialistes de la technique après avoir reçu les enseignements correspondant à la présente description, sans sortir du cadre de objet de celleci. REVENDICATIONS 1. Dans un échangeur de chaleur (10) comprenant des tubes échangeurs de chaleur (13) et au moins une plaque de support de tubes (35) pour supporter lesdits tubes, l'amélioration consistant en ce que ladite plaque de support de tubes (35) est chromée. 2. Plaque de support de tubes échangeurs de chaleur (35) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite plaque de support de tubes chromée (35) est revêtue d'un revêtement d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale (41). 3. Echangeur de chaleur comprenant: un corps (11) muni d'une buse d'entrée (19) pour l'eau d'alimentation (20) et d'une buse de sortie pour la vapeur (25), ledit corps comprenant un réservoir de fluide d'entrée (15) et un réservoir de fluide de sortie (16); une pluralité de tubes échangeurs de chaleur (13) montés dans ledit corps (11), chacun desdits tubes (13) ayant respectivement une première extrémité communiquant avec ledit réservoir d'entrée (15), et une seconde extrémité communiquant avec ledit réservoir de sortie (16); des moyens pour introduire du fluide chauffé dans ledit réservoir d'entrée, de telle sorte que ledit fluide chauffé s'écoule dans lesdites premières extrémités respectives desdits tubes échangeurs de chaleur et sort par lesdites secondes extrémités dans ledit réservoir de sortie, ce qui fait que la chaleur dudit fluide chauffé chauffe ladite eau d'alimentation (20) en passant par lesdits tubes (13) et transforme ladite eau d'alimentation en vapeur mise à l'échappement par ladite buse de sortie (25); et au moins une plaque de support de tubes (35) pour supporter ladite pluralité de tubes (13) dans ledit corps (11), ladite plaque de support de tubes (35) étant chromée. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite plaque de support de tubes chromée (35) est revêtue d'un revêtement d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale (41). 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pluralité de tubes échangeurs de chaleur (13) est disposée de manière sensiblement verticale et ladite plaque de support de tubes (35) est disposée de manière sensiblement horizontale. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pluralité de tubes échangeurs de chaleur (13) est disposée de manière sensiblement verticale et ladite plaque de support de tubes (35) est disposée de manière sensiblement horizontale. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite plaque de support de tubes (35) comporte au moins un trou (36) en elle, au travers duquel ladite eau d'alimentation (20) passe lorsqu'elle s'écoule entre ladite buse d'entrée (19) et ladite buse de sortie (25). 8. Procédé destiné à fournir un revêtement de protection pour une plaque de support de tubes échangeurs de chaleur (35) comprenant les étapes consistant à chromer ladite plaque dans un bain de métallisation ayant une concentration en fer de 0,5 g/litre ou moins. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant l'étape supplémentaire consistant à oxyder ladite plaque de support de tubes chromée (35) pour obtenir une couche d'oxyde de chrome à structure cristalline hexagonale. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape supplémentaire est effectuée à une température de 200"C durant deux heures. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu une pluralité de plaques de support de tubes (35) est prévue pour supporter ladite pluralité de tubes échangeurs de chaleur (13), chacune desdites plaques de support de tubes (35) étant chromée.