Brevet FR2840672A1 — publié le 20031212

pouvant pivoter et etre immobilisee axialement par rapport a l'autre. 1 2840672 SYSTEME D'ACCROCHAGE D'UN MATERIAU REFRACTAIRE NON FACONNE SUR UNE PAROI TUBULAIRE DE CHAUDIERE. La presente invention concerne un systeme d'accrochage d'un materiau refractaire non faconne, notamment de beton refractaire, sur une paroi tubulaire de chaudiere. On salt que les chaudieres de recuperation de chaleur et en particulier celles des fours d/incineration comprennent des parois constituees d'un ensemble de tubes paralleles, dans lesquels circule un fluide caloporteur, qui vent relies entre eux par des ailettes faisant saillie lateralement dans un plan diametral. Ces parois doivent etre protegees de facon efficace par un revetement refractaire du cote du foyer et de la chambre de post-combustion de la chaudiere, car la combustion des elements gazeux et solides provenant du four produit des composes chimiques tres agressifs, qui, a haute temperature, peuvent provoquer la destruction des tubes s'ils ne vent pas proteges. Divers systemes de protection ont deja ete proposes dans la technique, mais ils presentent tous un certain nombre d'inconvenients, que l'on va exposer ci-apres, en se referent pour plus de clarte aux dessins schematiques annexes. Sur ces dessins: 2 0 La figure 1 est une vue schematique d ' un four d' incineration equipe d'une chaudiere de recuperation de chaleur; La figure 2 est une coupe transversale des tubes constituent une partie au moins des parois de cette chaudiere; La figure 3 est une vue schematique analogue a la figure 2, illustrant un premier mode de protection usuel des tubes de parois de chaudiere a ['aide de pieces refractaires preformees; La figure 4 est une vue schematique analogue a la fgure 2, illustrant un autre mode de protection usuel des tubes de parois de chaudieres a ['aide d'un materiau non faconne, avec des organes d'ancrage de ce materiau; La figure 5 est une vue analogue a la figure 4, illustrant aussi un mode de protection usuel des tubes de parois de chaudieres a ['aide d'un materiau non faconne, avec des organes d'ancrage de ce materiau differents de ceux de la figure 4; La figure 6 illustre la degradation sous l'effet des produits de la combustion de ['ensemble de protection de la figure 4; La figure 7 est une vue analogue a la figure 2 illustrant la 2 2840672 protection des tubes d'une paroi de chaudiere conformement a ['invention; La figure 8 est une coupe a plus grande echelle suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7. La figure 1 illustre de facon schematique un four 1 d'incineration, alimente par une tremie 2 en produits a incinerer, qui se deversent sur une grille inclinee 3, a travers laquelle est injecte a partir d'une enceinte 4 de l'air primaire destine a assurer la combustion, cet air etant introduit dans l'enceinte 4 par un conduit 5. Les produits de la combustion progressent jusqu'a l'extremite inferieure de la grille et tombent sous forme de machefer sur un convoyeur continu 6, qui les evacue vers le pare a machefer. Les gaz de combustion et les flammes du four 1 s'elevent dans la chaudiere 7 en lechant au moins la partie inferieure 8 des parois et les gaz vent evacuee en 9 vers un dispositif de traitement des fumees. De l'air secondaire est introduit en 10 a la base de la chaudiere 7. Il est clair que les parois 8 de la chaudiere vent soumises a des conditions tres astreignantes de temperatures, comprises entre 800 et 1200 C, et a ['action corrosive des gaz de combustion, issus de 2 0 reactions chimiques tres agressives. C'est toutefois par ces parois 8 que s'effectue par echange thermique la recuperation de la chaleur du four et, a cet effet, elles vent constituees de tubes 11 (voir figure 2) dans lesquels circule un fluide caloporteur, ces tubes 11 etant disposes en parallele et relies entre eux par des fers plats 12 dits ailettes, qui font saillie lateralement par rapport aux tubes 11, dans des positions diametralement opposees, et qui vent soudes entre eux. Il est done imperatif de proteger les tubes 11 d'un contact direct avec les produits de combustion du four et, dans ce but, ils vent revetus, du cote tourne vers l'interieur de la chaudiere, d'un materiau refractaire. Selon un premier mode de protection connu dans la technique, illustre par la figure 3, on utilise des pieces refractaires preformees 13, de forme complementaire d'une partie des tubes 11, qu'elles viennent coiffer suivant une partie de leur peripherie. Ces pieces 13 protegent chacune deux ou trots tubes 11, et elles en vent rendues solidaires par des supports metalliques, non representes, engages dans des 3 2840672 ouvertures 14 et soudes sur les ailettes 12 ou sur les tubes 11. Les pieces 13 vent montees avec un jeu de dilatation et les ouvertures 14 doivent etre remplies d'un produit refractaire souple et compressible formant joint, pour eviter tout contact entre les gaz environnants et les tubes 11. Ce mode de protection presente, dans la pratique, trots contraintes majoures: - les supports metalliques doivent etre positionnes de facon extremement precise, afin de respecter en tout point le jeu de l o dilatation; - cette technique ne s'accommode pas de defauts de planeite des parois de la chaudiere et elle est done difficilement utilisable avec des installations ayant fonctionne pendant plusieurs annees et presentant par consequent des deformations des faisceaux de tubes; - enfin, les joints se degradent rapidement, ce qui implique un entretien annuel pour eviter la corrosion a ce niveau. Une autre technique de protection, illustree par les figures 4 et 5, ne fait plus appel a des pieces refractaires preformees, mais a un materiau refractaire non faconne, tel que du beton refractaire coule ou projete sur la paroi tubulaire, ou une masse a damer. Deux modes d'accrochage de la masse de materiau refractaire aux parois tubulaire vent habituellement utilises, dans le cas ou le materiau non fac onne depasse d'environ 20 a 70 mm la generatrice la plus proche des tubes. Dans le cas de la figure 4, des pieces d'ancrage 15, en forme de V ou de Y. vent noyees dans la masse 16 du materiau refractaire avec la pointe du V ou l'extremite libre du Y soudee sur les ailettes 12 des tubes 11 et avec ltextremite des branches du V ou du Y situee aux deux tiers de la distance 1 separant la generatrice contigue des tubes de la surface libre du materiau refractaire. Les pieces d'ancrage 15 vent realisees en acier inoxydable refractaire et leur densite d' implantation est comprise entre 50 et 70 pieces par metre carre. Les extremites des branches du V ou du Y vent coiffees par des capuchons 23 en matiere plastique, qui fondent des la premiere montee en temperature et laissent ainsi un espace permettant a l'ancrage de se dilater sans exercer une poussee sur le beton. 4 2840672 Les branches de l'ancrage vent soumises sur une grande partie de leur longueur a des temperatures elevees, qui favorisent l'oxydation et la corrosion du metal. Dans un autre mode d'accrochage du materiau non faconne 16 aux tubes 11, des ronds en acier ou "studs" 17, de 8 a 12 mm de diametre, vent soudes sur les tubes 11 (voir figure 5). Ces pieces d'ancrage 17 vent reparties de facon sensiblement homogene sur les tubes 11 et, pour assurer un maintien satisfaisant du materiau non faconne, il est necessaire d'en utiliser entre 600 et 1500 par metre 1 0 carre. Les modes d'ancrage du materiau non faOconne illustres par les figures 4 et 5 presentent un certain nombre dtinconvenients. Dans le cas de la figure 4, la degradation rapide des pieces d'ancrage 15 en V ou en Y entrane leur rupture et ['apparition de fissures 18 dans le materiau 16 (voir figure 6), avec pour consequence une desolidarisation et la chute de panneaux entiers du materiau refractaire 16, laissant les tubes 11 apparents. Seul le materiau 16 situe entre les tubes 11 demeure en place, retenu par la base 15a des pieces 15 en V ou en Y. de sorte que, pour remettre en etat le revetement protecteur de la paroi, il est necessaire de proceder a la depose du materiau subsistent, ce qui est une operation particulierement delicate et fastidieuse. Dans le cas de la figure 5, la soudure des pieces d'ancrage 17 oblige a prendre de serieuses precautions, pour ne pas endommager les tubes 11. En outre, le nombre important de ces pieces implique des durees d'intervention particulierement longues et rend leur demontage pratiquement impossible, de sorte que, lorsqu'il est necessaire de remplacer le materiau refractaire, il n'est pas possible de mettre a nu les tubes 11. On doit alors proceder a l'echange standard des panneaux 3 o de tubes de chaudieres, ce qui est une operation complexe et tres onereuse. Les etudes effectuees conjointement par les Demanderesses les ont amenees a etablir que, dans le cas des materiaux refractaires non faconnes, la deterioration rapide des pieces d'ancrage metallique est due a la propagation d'agents corrosifs, depuis la chaudiere jusqu'a ces pieces, a travers les pores du materiau, et que la taille de ces pores a une importance essentielle sur la cinetique de la corrosion. 2840672 Pour resoudre ce probleme, les Demanderesses ont done ete amenees a concevoir un systeme d'accrochage du materiau refractaire non faconne sur les parois tubulaires d'une chaudiere, dans lequel les organes metalliques d'ancrage ne vent plus noyes directement dans le materiau refractaire, mais vent loges dans des pieces auxiliaires d'ancrage, elles-memes incorporees dans le materiau refractaire. L' invention a par consequent pour obj et un systeme d' accrochage d'un materiau refractaire non faconne sur une paroi de chaudiere comprenant des tubes disposes en parallele et reunis entre eux par des o ailettes faisant saillie lateralement par rapport a ces tubes en des positions diametralement opposees, ce systeme comprenant des organes metalliques de support soudes sur lesdites ailettes et etant caracterise en ce que chaque organe de support est coiffe par une partie evidee d'une piece d'ancrage en un materiau ceramique qui prend appui sur les ailettes sur lesquelles il est soude, cette piece d'ancrage etant solidaire de l'organe de support associe par un melange refractaire a prise chimique qui emplit la partie evidee dans laquelle est loge cet organe, les pieces d'ancrage etant en forme de contre-depouille et affleurant la surface du materiau refractaire tournee vers l'interieur de la chaudiere. Avec ce systeme d' accrochage, le s organe s de support fixes sur les ailettes des tubes vent done proteges des produits agressifs de la combustion par la ceramique de la piece d'ancrage, d'une part, et par le melange refractaire a prise chimique dans lequel ils vent noyes, d'autre 2 5 part. Ces organes de support peuvent avoir toute forme appropriee, mats, dans une forme de mise en ceuvre preferee de ['invention, ils ont une forme en U. dont la base est soudee sur les ailettes associees et dont le s branches vent dispo see s dan s un plan perpendiculaire a ces ailettes, a egale distance des axes des tubes contigus. Les branches du U vent de preference inclinees par rapport aux ailettes d'un angle compris entre 60 et 80 C. Les pieces d'ancrage et de support vent ainsi calees parfaitement les unes par rapport aux autres et il n'est pas necessaire de positionner les supports metalliques avec une grande precision, ce qui facilite leur mise en place. La forme et les dimensions des pieces d'ancrage peuvent etre 6 2840672 adaptees a la configuration de la paroi tubulaire (diametre des tubes, largeurs des ailettes), a ltepaisseur desiree pour le materiau refractaire et aux contraintes d'implantation (voute de chaudiere, plan incline, collecteurs etc..). Wiles assurent l'accrochage du materiau refractaire a la paroi tubulaire, mais leurs dimensions et leur forme peuvent etre telles que leur nombre soit relativement faible, de l'ordre de 8 a 15 au metre carre. La progression, vers la partie metallique de l' ancrage, de s gaz de combustion par diffusion et des composes condenses par capillarite, est o fortement ralentie, voire stoppee au niveau de ['interface baton-piece ceramique, a cause du phenomene de discontinuite des milieux. Cependant, la piece ceramique aura de preference une porosite ouverte, mesuree selon la norme PRE R9, suffisamment basset En regle generale, celle-ci se situera entre 10 et 20%. Si besoin est. cette porosite peut etre reduire ou supprimee, par exemple en choisissant une composition refractaire developpant un verre a basse temperature, et en impregnant les pieces, si necessaire sous vice et sous pression, par un compose chimique approprie. Les melanges refractaires a prise chimique assurant la solidarisation des supports metalliques et des pieces d'ancrage doivent etre susceptibles, par action de surface, de modifier les proprietes metallocristallographiques du support, afin de creer une derriere barriere anticorrosion. Parmi les agents chimiques les plus efficaces utilisables, ceux de la famille des phosphates vent les plus reconnus et particulierement le monophosphate d'aluminium. Une forme de mise en ccuvre de ['invention est representee sur les figures 7 et 8 des dessins annexes et va maintenant etre decrite plus en detail a titre d'exemple. Sur ces figures, les tubes des parois de la chaudiere vent a nouveau designee par la reference 11, les ailettes par la reference 12 et le materiau refractaire non faconne, du beton refractaire par exemple, par la reference 16. Un support metallique 20 en forme de U aux branches inclinees par rapport a sa base est dispose dans un plan perpendiculaire aux ailettes 12 entre deux tubes 11, a egale distance de leurs axes, et il est soude par sa base contre les ailettes 12. Une piece d'ancrage en ceramique 21 coiffe par une partie evidee 7 2840672 22 en forme de U le support metallique 20 et est rendue rigidement solidaire de celui-ci par un melange refractaire a prise chimique emplissant la partie 22. La piece d'ancrage vient en appui sur les ailettes 12 et affleure la surface libre du materiau refractaire 16, au voisinage de laquelle elle comporte une partie 21a de plus grande section transversale que le reste de la piece, pour assurer le maintien du materiau refractaire. La surface externe des pieces d'ancrage 21 devant etre apparente, la mi se en place du materiau refractaire et le po sitionnement de s coffrages correspondents en vent facilites. Ces pieces d'ancrage servent en outre de temoins d'usure du materiau refractaire. On notera que les pieces 21 peuvent etre, suivant les contraintes pratiques et economiques, constituees d'une seule ou de plusieurs parties. Leurs formes et leurs dimensions dependent naturellement des caracteristiques de la chaudiere et du materiau refractaire auxquels elles vent destinees. On notera que le systeme d'accrochage conforme a ['invention est compatible avec la plupart des materiaux refractaires non faconnes et leurs moyens de mise en ceuvre. Il est. en outre, d'une grande simplicite 2 o et d'un cout parfaitement competitif avec ceux de la technique anterieure, tout en etant beaucoup plus gable que ceux-ci. 8 2840672 REVENDICATIONS 1. Systeme d'accrochage d'un materiau refractaire (16) non faconne sur une paroi de chaudiere comprenant des tubes (11) disposes en parallele et reunis entre eux par des ailettes (12) faisant saillie lateralement par rapport a ces tubes en des positions diametralement oppo sees, ce systeme comprenant de s organes metalliqu e s de support (20) soudes sur lesdites ailettes ( 12) et etant caracterise en ce que chaque organe de support (20) est colffe par une partie evidee (22) d'une piece d'ancrage (21) en un materiau ceramique qui prend appui sur les lo ailettes (12) sur lesquelles il est soude, cette piece d'ancrage (21) etant solidaire de l'organe de support (20) associe par un melange refractaire a prise chimique qui emplit la partie evidee (22) dans laquelle est loge cet organe, les pieces d'ancrage (21) etant en forme de contre-depouille et affleurant la surface du materiau refractaire ( 16) tournee vers l'interieur de la chaudiere. 2. Systeme d'accrochage selon la revendication 1, caracterise en ce que les organes de support (20) ont la forme d'un U dont la base est soudee sur les ailettes (12) reunissant deux tubes (11) et dont les branches vent situees dans un plan perpendiculaire a ces ailettes et a egale distance des axes de ces tubes (11). 3. Systeme d'accrochage selon la revendication 2, caracterise en ce que les branches du U des organes de support (20) vent inclinees par rapport aux ailettes (12) dont ces organes vent solidaires d'un angle compris entre 60 et 80 degree. 4. Systeme d'ancrage selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que la partie des pieces d'ancrage (21) affleurant la surface du materiau refractaire (16) tournee vers l'interieur de la chaudiere a une section transversale superieure a celle du reste de la piece. 3 0 5. Systeme d'ancrage selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que le melange refractaire a prise chimique est un