Brevet FR2890162A1 — publié le 20070302

Dispositif réducteur d'encrassement d'un échangeur thermique tubulaire. La présente invention concerne un nouveau dispositif réducteur d'encrassement de tubes dans lesquels circule un fluide, notamment de tubes d'un échangeur thermique, du type comportant un élément rotatif générateur de turbulences, utilisé dans l'industrie, notamment pétrolière ou pétrochimique. On connaît depuis une vingtaine d'années environ, des dispositifs installés de manière mobile en rotation à l'intérieur de tubes d'échangeurs de chaleur dans le but de prévenir un éventuel encrassement dû, par exemple, à des impuretés en suspension ou à des dépôts de sels minéraux dissous dans le fluide, à du coke en formation dans un procédé de craquage thermique ou à des espèces soufrées solubles dans des hydrocarbures. Ces impuretés ou ce coke qui ont tendance, dans certaines conditions de température et de pression, à se déposer sur les parois internes des conduits empruntés par le fluide, provoquent ainsi des restrictions de débit préjudiciables au bon fonctionnement du procédé situé en aval ou, plus grave, des points chauds sur la surface interne du tube, pouvant entraîner une détérioration de sa structure métallique et provoquer ainsi des fuites de produits. De tels dispositifs sont décrits par exemple dans les demandes EP 0 174 254, EP 0 233 092, FR 2 637 659, EP 0 282 406, EP 0 369 851 et EP 1 227 292 de la Demanderesse. Ils ont en commun un élément mobile, généralement en forme d'hélice, fixé à l'extrémité amont du tube de manière à pouvoir tourner librement dans celui-ci sous l'effet de l'écoulement du fluide. Dans les dispositifs décrits dans les documents cités précédemment, les dimensions de l'élément mobile et de l'intérieur du tube sont telles que l'élément mobile ne racle pas de façon continue la paroi interne du tube, afin d'éviter toutes conséquences néfastes sur la durée de vie du tube et/ ou de l'élément mobile. L'effet de la réduction de l'encrassement des tubes est principalement dû à l'augmentation de la turbulence du fluide qui empêche la formation des points chauds et la formation de dépôts, grâce à un effet d'homogénéisation thermique, et aussi, à un effet de cisaillement important à proximité de la paroi, permettant de décrocher des dépôts faiblement attachés à cette même paroi. 2890162 2 La Demanderesse décrit en outre dans la demande EP 0 369 851, un élément mobile comportant, dans toutes ses sections transversales, au moins une arête vive conformée spécifiquement pour qu'elle puisse racler la surface interne du tube. Le seul point fragile des dispositifs de l'état de la technique est leur système d'attache et plus précisément le tourillon par lequel l'élément mobile est retenu dans sa partie fixe servant à l'accrochage du dispositif à l'extrémité amont du tube. En effet, l'élément mobile qui peut mesurer plusieurs mètres, et qui est entraîné en rotation par le fluide, est généralement plusieurs dizaines de fois plus grand et lourd que le tourillon, exerçant ainsi sur celui-ci une force de traction considérable. Cette force de traction, associée à des vitesses de rotation importantes de l'ordre de 500 à 2000 tours par minute, expose le système d'attache à des frottements importants qui entraînent une usure rapide des pièces en mouvement. Les systèmes d'attache utilisés actuellement dans les échangeurs de chaleur des raffineries ont une durée de vie comprise en moyenne, entre 12 et 36 mois. On souhaite bien entendu allonger cette durée car le remplacement de ces systèmes impose l'ouverture de l'échangeur de chaleur, pouvant entraîner l'arrêt complet de l'installation dans laquelle il fonctionne, provoquant de facto des dépenses et un manque à gagner pour l'exploitant. La Demanderesse a par conséquent entrepris des recherches visant à mieux comprendre et à surmonter les problèmes d'usure des pièces métalliques formant les systèmes connus pour attacher des éléments mobiles en rotation dans des tubes traversés par un fluide. Ces recherches ont montré que les phénomènes d'usure étaient les plus importants au niveau du tourillon, et en particulier aux endroits où celui-ci était en contact de frottement avec des arêtes vives du palier ou d'une rondelle d'usure, éventuellement présente. Ce profil d'usure est attribué au fait que l'élément mobile, qui est entraîné en rotation par le fluide et qui présente généralement un diamètre extérieur plus faible que le diamètre intérieur du tube, décentre le tourillon de son axe de rotation et lui impose un mouvement de rotation décrivant un cône de révolution. La Demanderesse a également constaté que la ou les premières spires de l'hélice sont également usées, en dépit du fait qu'elles ont un 2890162 3 diamètre externe inférieur au diamètre intérieur du tube ce qui devrait, en principe, empêcher tout frottement contre la paroi du tube. La Demanderesse s'est donc fixé pour but de réduire le plus possible les phénomènes de frottement et d'usure décrits ci-dessus afin de prolonger de manière significative la durée de vie des systèmes d'attache portant les éléments mobiles des dispositifs de nettoyage connus. Ce but a été atteint grâce à un système d'attache qui comporte un raccord souple reliant le tourillon de l'élément mobile à la partie, généralement hélicoïdale, s'étendant le long d'une partie du tube et entraînée en rotation par l'écoulement du fluide. La présente invention a par conséquent pour objet un dispositif réducteur d'encrassement d'un tube traversé par un fluide, du type comportant au moins un élément générateur de turbulences, ledit dispositif étant constitué d'un élément rotatif mobile et d'un élément fixe formant palier, apte à être rendu rigidement solidaire de l'extrémité amont du tube, caractérisé en ce que: - l'élément mobile, rattaché à l'élément fixe, comporte une partie amont formant un tourillon et une partie aval, génératrice de turbulences, conformée de manière à être entraînée en rotation par l'écoulement du fluide dans le tube, et en ce que, - les parties amont et aval sont reliées l'une à l'autre par un raccord souple longiligne, déformable sur toute sa longueur. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes traversés par un fluide, caractérisé en ce qu'un tel dispositif réducteur d'encrassement est fixé à l'extrémité amont d'au moins un de ces tubes Le raccord souple entre le tourillon et la partie hélicoïdale entraînée en rotation par le fluide permet un certain découplage de ces deux pièces. Elles tournent, certes, toujours à la même vitesse l'une et l'autre mais la contrainte de décentrage que la partie hélicoïdale exerçait auparavant sur l'extrémité aval du tourillon est sensiblement réduite, car elle est amortie désormais par toute la longueur du raccord. Dans les systèmes d'attache à raccord souple selon l'invention, le cône de révolution décrit par le tourillon est par conséquent réduit au minimum voire inexistant, et le tourillon tourne sensiblement parallèlement à l'axe géométrique du tube. 2890162 4 Le raccord souple utilisé dans la présente invention peut être en n'importe quel matériau pourvu qu'il présente une résistance chimique et mécanique suffisantes dans les conditions de fonctionnement du dispositif. Le raccord souple est de préférence en métal, en particulier en acier, et tout particulièrement en acier inoxydable, ou encore en plastique, en fibres de carbone, en fibres synthétiques, en élastomère ou en un matériau composite constitué d'une association de plusieurs de ces matériaux Le raccord souple peut être, par exemple, un câble formé de brins tressés ou torsadés, une chaîne formée d'anneaux entrelacés ou encore un tube annelé formé par une succession d'anneaux articulés les uns aux autres. Lorsque le raccord souple est de type câble tressé ou torsadé, il comprend de préférence un nombre de brins compris entre 1 et 100, de préférence entre 1 et 50. Pour un élément mobile de 10 mètres, on préférera un raccord souple ayant une longueur comprise entre 1 cm et 5 cm, et de préférence, entre 2 et 4 cm. Son diamètre sera compris entre 2 et 10 mm et de préférence entre 4 et 8 mm. Ce raccord souple est fixé entre l'extrémité aval du tourillon et l'extrémité amont de la partie entraînée en rotation. La fixation à ces deux pièces peut se faire selon des techniques connues, par exemple par soudage, sertissage ou vissage, ou encore par collage. La partie entraînée en rotation peut en principe avoir n'importe quelle forme asymétrique appropriée permettant au fluide qui s'écoule à travers le tube de l'entraîner en rotation autour de l'axe dudit tube. La forme la plus efficace, créant une turbulence maximale pour une perte de charge minimale, est l'hélice qui est de ce fait utilisée dans la quasi-totalité des dispositifs du type décrit en introduction et est également préférée pour la présente invention. Cette hélice doit avoir un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du tube pour ne pas racler en continu la paroi interne de celuici. Le diamètre extérieur de l'hélice doit toutefois être suffisamment proche du diamètre intérieur du tube pour créer, en plus des turbulences, des forces de cisaillement suffisantes à proximité de la surface du tube, pour décrocher des dépôts ou particules faiblement fixés à la paroi. On obtient généralement des effets de turbulence et de 2890162 5 cisaillement satisfaisants pour des systèmes où le rapport du diamètre extérieur de l'hélice au diamètre intérieur du tube est compris entre 0,5 et 0,9, de préférence entre 0,6 et 0,8. Des rapports compris entre les fourchettes ci-dessus se sont avérés suffisamment faibles pour empêcher un contact de frottement entre le tube et l'hélice sur presque toute la longueur de celle-ci, à l'exception de la ou des première(s) spire(s) de l'hélice. Comme indiqué précédemment, la Demanderesse a constaté en effet que, pour les rapports du diamètre extérieur de l'hélice au diamètre intérieur du tube compris dans les fourchettes indiquées ci-dessus, au moins la première spire de l'hélice, et parfois également les deux ou trois spires suivantes, pouvait présenter des traces d'usure par frottement. Bien que ce phénomène soit atténué pour les systèmes d'attache à raccord souple tels que décrits dans la présente demande, il peut néanmoins persister dans certaines conditions de fonctionnement du dispositif selon l'invention. Ce problème a pu être résolu grâce à l'utilisation d'une hélice dans laquelle le diamètre extérieur de la première spire, ou des premières spires, est inférieur au diamètre extérieur des autres spires de l'hélice. Le nombre de premières spires concernées par cette diminution de diamètre ne dépasse généralement pas 1 à 5 % de la totalité des spires de l'hélice. Pour ces spires, le rapport de leur diamètre extérieur au diamètre intérieur du tube est compris entre 0,1 et 0,6, de préférence entre 0,2 et 0,6. Lorsque plusieurs spires sont concernées, leur diamètre extérieur augmente de préférence progressivement de l'amont vers l'aval. L'élément fixe formant palier, destiné à recevoir et à supporter le tourillon, peut présenter une grande variété de formes, dans la mesure où il remplit deux fonctions qui sont d'une part, d'assurer la robustesse de l'attache à l'extrémité du tube d'échangeur, et d'autre part, de minimiser les restrictions à l'écoulement du fluide. Il a de préférence la forme d'un étrier comportant une partie centrale percée d'un orifice destiné à recevoir le tourillon de l'élément mobile, et deux branches, symétriques l'une à l'autre, ayant une forme permettant de les fixer sur l'extrémité amont du tube. Cette forme en étrier de la pièce formant palier est connue et est décrite par exemple dans les demandes EP 0 233 092, EP 0 282 406, et EP 0 369 851 de la Demanderesse. Il peut 2890162 6 s'agir par exemple d'un étrier dont les extrémités forment un cylindre creux destiné à enserrer l'extrémité du tube, tel que décrit dans EP 0 233 092, ou, de préférence, d'un étrier en un matériau rigide mais élastique, dont les extrémités des deux branches puissent être engagées de force dans l'extrémité amont du tube pour prendre élastiquement appui contre la paroi interne de celui-ci. L'invention englobe toutefois également tout autre système permettant de rendre une partie formant palier rigidement solidaire de l'extrémité amont du tube. Dans un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, le tourillon est retenu dans l'orifice du palier grâce à une première butée prévue à son extrémité amont et solidaire de celle-ci. Une deuxième butée, tubulaire, est prévue sur la partie centrale de l'étrier en prolongement de l'orifice destiné à recevoir le tourillon de l'élément mobile. Cette deuxième butée, solidaire du palier, a une fonction de maintien du tourillon dans l'axe de rotation de l'élément mobile et est de ce fait de préférence relativement longue. Lorsque l'élément mobile est entraîné en rotation par le fluide qui traverse le tube, la première butée solidaire du tourillon vient en contact de frottement avec la deuxième butée, tubulaire, solidaire de l'élément fixe. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif de la présente invention, une ou plusieurs rondelles d'usure sont prévues entre la première butée et la deuxième butée. Cette rondelle d'usure est libre, c'est-à-dire solidaire ni de l'élément mobile ni de l'élément fixe. Elle est constituée de préférence d'un matériau différent ou de dureté différente, ou encore de type anti-friction à très faible coefficient de frottement, généralement plus tendre que les matériaux des première et deuxième butées. On peut citer à titre d'exemples de tels matériaux, les aciers, notamment les aciers traités thermiquement, les alliages cuivreux, les céramiques, ainsi que les graphites. Les rondelles d'usure connues par exemple de EP 0 233 092, EP 2 637 659 et EP 0 282 406, ont des surfaces de frottement plates ou complémentaires à la surface de frottement de la butée. De préférence, on cherchera à réduire le plus possible les surfaces en contact par l'adoption de formes spécifiques aux rondelles d'usure et/ou aux butées tubulaires. La présente invention est illustrée à présent en référence aux figures ciaprès dans lesquelles 2890162 7 La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un tube avec un dispositif de nettoyage selon l'invention fixé à l'extrémité amont de ce tube. La figure 2 montre une vue d'un mode spécifique de réalisation du dispositif d'attache de l'élément mobile dans le tube. La figure 1 montre un dispositif de réduction d'encrassement selon l'invention avec une partie mobile 3 et une partie fixe 2, fixé au niveau de l'extrémité amont d'un tube 1. Dans l'ensemble de la présente demande, les termes amont et aval sont définis par rapport à la direction d'écoulement du fluide qui traverse le tube 1, représentée par la flèche B. La partie fixe 2 du dispositif a la forme d'un étrier constitué d'un plateau 7 percé d'un orifice central, et de deux branches 8, en principe symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe du tube, dont les extrémités viennent s'appuyer contre la paroi interne du tube. La partie fixe comprend en outre une butée tubulaire 10 solidaire du plateau 7. Le canal de cette butée 10 est aligné avec l'orifice du plateau et forme avec celui-ci un canal unique assez long qui sert principalement à maintenir le tourillon 4 dans l'axe de rotation de l'élément mobile 3. Dans la partie fixe 2 est montée, libre en rotation, l'élément mobile 3. Cet élément mobile est constitué, en partant de l'extrémité amont de celui-ci, d'une butée 9, d'un tourillon 4 solidaire de la butée 9, d'un raccord souple 6 en câble acier inox, et enfin de la partie hélicoïdale 5 entraînée en rotation, dans la direction de la flèche A, par l'écoulement du fluide. On remarquera que toutes les spires de l'hélice n'ont pas la même taille mais que les deux premières ont un diamètre extérieur inférieur à celui des spires suivantes. Par ailleurs, une rondelle d'usure 11 est prévue entre la butée 9 solidaire du tourillon et la butée 10 solidaire de l'étrier. La figure 2 montre un agrandissement de la partie amont du dispositif selon la présente invention. La différence par rapport à la figure 1 réside dans le fait que le tourillon métallique 4 est remplacé par un prolongement du raccord souple 6 dont l'extrémité aval est rendue solidaire de la butée 9. Bien sûr, toutes les configurations possibles de la rondelle d'usure 11 et de la butée 10 décrites ci-dessus, s'appliquent à cette application particulière de la présente invention. L'invention est illustré à présent à l'aide de l'exemple de réalisation suivant. 2890162 8 Exemple Pour tester l'efficacité du dispositif selon l'invention, la Demanderesse a utilisé les conditions de fonctionnement de l'échangeur thermique de l'exemple de la demande EP 1 227 292. Ces conditions sont les suivantes: Echangeur thermique d'une raffinerie dans lequel est réchauffé jusqu'à 260 C, par l'intermédiaire d'un résidu de distillation, un pétrole brut de type arabe léger non dépourvu de ses sels minéraux (pas de déssalage) ; Diamètre intérieur des tubes de l'échangeur: 20,2 mm; Longueur des tubes: 6100 mm; Dans chacun des 564 tubes est monté un dispositif réducteur d'encrassement conforme à la présente invention. L'élément mobile du dispositif réducteur d'encrassement a un diamètre de 1,2 mm et est constitué d'un alliage contenant 64,9 % de nickel, 8,75 % de molybdène et 26,35 % de fer. Le raccord souple utilisé est un câble constitué de 50 brins en acier inox enroulés dans le sens de rotation de l'élément mobile. La longueur du raccord souple est de 1,5 cm, son diamètre est de 5 mm. Le rapport du diamètre extérieur des spires de l'élément générateur de turbulences au diamètre intérieur du tube est égal à 0,65. Les trois premières spires ont un diamètre inférieur à celui des spires suivantes. Le rapport du diamètre de ces trois premières spires au diamètre intérieur du tube varie de 0,2 à 0,5. Dans les conditions ci-dessus, la durée de vie de plus de 99% des dispositifs réducteurs d'encrassement passe de 2 ans à 4 ans. La durée de vie du système d'attache du dispositif de réduction d'encrassement est donc très significativement améliorée. De plus, les traces d'usure par frottement observées à sur la paroi intérieure du tube sont nettement moins accentuées que celles enregistrées avec les dispositifs réducteurs de l'encrassement de l'état de la technique. Les premières spires ne présentent quasiment plus de traces d'usure sur leur partie extérieure. 2890162 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif réducteur d'encrassement d'un tube (1) traversé par un fluide, du type comportant au moins un élément générateur de turbulences, ledit dispositif étant constitué d'un élément rotatif mobile (3) et d'un élément fixe (2) formant palier, apte à être rendu rigidement solidaire de l'extrémité amont du tube (1), caractérisé en ce que: -l'élément mobile (3), rattaché à l'élément fixe (2), comporte une partie amont (4) formant un tourillon et une partie aval (5), génératrice de turbulences, conformée de manière à être entraînée en rotation par l'écoulement du fluide dans le tube (1), et en ce que, - les parties amont (4) et aval (5) sont reliées l'une à l'autre par un raccord souple longiligne (6) déformable sur toute sa longueur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord souple (6) est un câble constitué de brins tressés ou torsadés, une chaîne ou un tube annelé. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le raccord souple (6) est en métal, de préférence en acier, et en particulier en acier inoxydable, ou en plastique, en fibres de carbone, en fibres synthétiques, en élastomère ou en un matériau composite constitué d'une association de plusieurs de ces matériaux. 4. Dispositif selon les revendications 2, caractérisé en ce que le câble comprend un nombre de brins compris entre 1 et 100 et de préférence entre 1 et 50. 5. Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du raccord souple (6) est comprise entre 1 cm et 5 cm, et de préférence, entre 2 cm et 4 cm. 6. Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du raccord souple est compris entre 2 et 10 mm, et de préférence entre 4 et 8 mm. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie aval (5) génératrice de turbulences est en forme d'hélice. 8. Dispositif selon les revendications 7, caractérisé en ce que le rapport du diamètre extérieur de l'hélice au diamètre intérieur du tube est compris entre 0,5 et 0,9, de préférence entre 0,6 et 0,8. 2890162 10 9. Dispositif selon les revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la première spire ou des premières spires de l'hélice est inférieur au diamètre extérieur des autres spires de l'hélice. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport du diamètre extérieur de la première spire, ou des premières spires, au diamètre intérieur du tube est compris entre 0,1 et 0,6, de préférence entre 0,2 et 0,6. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément fixe (2) formant palier est un étrier comportant une partie centrale (7) percée d'un orifice destiné à recevoir le tourillon (4) de l'élément mobile (3), et deux branches (8), symétriques l'une à l'autre, ayant une forme permettant de les fixer sur l'extrémité amont du tube (1). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'une première butée (9) est prévue à l'extrémité du tourillon (4) et qu'une deuxième butée (10), tubulaire, est prévue sur la partie centrale (7) de l'étrier en prolongement de l'orifice destiné à recevoir le tourillon de l'élément mobile, formant avec celui-ci un canal de maintien du tourillon. 13. Echangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes (1) traversés par un fluide, caractérisé en ce qu'un dispositif réducteur d'encrassement selon l'une quelconque des revendications précédentes, est fixé à l'extrémité amont d'au moins un de ces tubes.