Brevet FR2938640A1 — publié le 20100521

DISPOSITIF ET PROCEDE D'EVALUATION DE L'EPAISSEUR RESIDUELLE D'UN TUBE OU D'UN ELEMENT CYLINDRIQUE. L'invention est relative à un dispositif d'évaluation indirecte de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, exposé à une 5 usure ou une corrosion externe. La plupart des appareils thermiques tels que les chaudières, les condenseurs et les échangeurs de chaleur, sont constitués d'une multitude de tubes disposés en faisceaux ou reliés entre eux par des plats soudés pour former une paroi membrane. io Dans les chaudières équipées de foyers pour la combustion de combustibles solides, les tubes des échangeurs de chaleur sont soumis à l'érosion des particules solides et à la corrosion des gaz acides. II en résulte une perte d'épaisseur progressive des tubes et un endommagement irrémédiable causé par un éclatement du tube. En général, la perte d'épaisseur 15 des tubes n'est pas uniforme, elle impacte prioritairement les zones d'attaque des gaz et celles soumises à la température la plus élevée. Pratiquement, l'étendue angulaire de la perte d'épaisseur est inférieure à une demi-circonférence. Certaines zones sont plus impactées par l'abrasion des particules 20 solides, notamment lorsque les vitesses de gaz sont importantes ou lorsque la concentration des particules solides est élevée, par exemple dans les foyers à lit fluidisé dense ou circulant. Un contrôle périodique d'épaisseur des tubes est effectué systématiquement pendant les arrêts, afin d'éviter des fuites fortuites des 25 échangeurs qui peuvent avoir pour conséquence l'endommagement des tubes avoisinants et un arrêt de l'installation. Selon les résultats du contrôle, les tubes trop affaiblis sont réparés ou changés. Cette opération de contrôle est menée in situ, notamment à l'intérieur de la chaudière à l'arrêt. L'opération est délicate et demande du temps en 30 raison du nombre de tubes et de leur longueur développée très importante, pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres dans une chaudière. Les appareils généralement utilisés jusqu'à présent pour contrôler l'épaisseur des tubes permettent essentiellement des mesures ponctuelles d'épaisseurs, qui ne peuvent être automatisées ni répétées de nombreuses fois en raison d'un 35 temps limité accordé au contrôle. II peut en résulter que certaines zones amincies ne sont pas détectées. Le contrôle ponctuel statistique présente donc une fiabilité relative face au risque de fuite sur un tube localement aminci. En outre, la mesure de l'épaisseur des tubes, en particulier avec des appareils à ultrasons, nécessite une préparation de surface soignée de manière à éliminer les dépôts rémanents tels que les particules, les oxydes métalliques et les composés chimiques incrustés qui dépendent de la nature chimique des gaz. Le contrôle d'usure ou de corrosion peut aussi être effectué par gammagraphie externe réalisée par une source radiative. Mais le coût d'une gammagraphie, et la procédure de sécurité qui est associée à cette opération, ne sont pas compatibles avec un examen généralisé de contrôle des épaisseurs résiduelles des tubes d'un appareil thermique tel que chaudière, condenseur ou échangeur de chaleur. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif qui permet d'évaluer rapidement une diminution d'épaisseur d'un tube sans avoir à exécuter une préparation soignée de la surface du tube et qui permet d'effectuer un contrôle quasi-continu le long du tube en un temps réduit. Selon l'invention, un dispositif d'évaluation indirecte de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, exposé à une usure externe est caractérisé en ce qu'il comprend : - un gabarit présentant une surface concave ajustée au diamètre externe initial du tube, propre à être appliqué en cavalier contre le tube pour délimiter avec le tube une fente en forme de ménisque convergent, - un moyen pour débiter sous pression constante un courant de gaz 25 à travers le ménisque ainsi formé, - et un moyen de mesure du débit de gaz de fuite à travers la ou les fentes en forme de ménisque, la valeur du débit de fuite permettant d'évaluer la perte d'épaisseur externe du tube. De préférence, le gaz débité est de l'air sous pression. 30 Le gabarit peut être constitué par un corps creux, en forme de boîtier ouvert du côté à appliquer contre le tube, ce boîtier comportant deux parois d'extrémité distantes présentant chacune un bord concave en arc de cercle au diamètre initial du tube, les deux bords concaves constituant la surface concave du gabarit à appliquer contre le tube, le gabarit comportant deux parois 35 latérales propres à s'appliquer de manière étanche contre le tube, et une paroi opposée à la face ouverte du gabarit. La surface concave du gabarit, notamment les bords concaves des parois d'extrémité, s'étendent selon un arc de cercle inférieur à 180°. Le volume intérieur du gabarit est relié à une conduite d'alimentation en gaz, et un régulateur de pression de gaz est prévu sur le dispositif ou sur la conduite d'alimentation. Avantageusement, un moyen d'éclairage interne est prévu dans le corps creux du gabarit pour permettre un contrôle visuel de la perte d'épaisseur par éclairage du ménisque, ce contrôle visuel complétant le contrôle par débit de fuite et permet d'ajuster le calibre selon la zone la plus affectée. Le moyen de mesure du débit d'air de fuite peut être incorporé dans le gabarit et être constitué notamment par une microturbine, un fil chaud, ou un ~o venturi. De préférence, le profil concave du gabarit est interchangeable pour être adapté selon les diamètres de tube à vérifier. Un moyen d'étanchéité peut être prévu selon les génératrices d'appui du gabarit contre le tube. Le dispositif peut comprendre un moyen is d'enregistrement du signal de sortie fourni par un convertisseur de la mesure de débit. Un grattoir pivotant ou rétractable peut être incorporé au gabarit. Au moins un aimant permanent peut être incorporé au gabarit pour assurer son maintien sur un tube en acier, sans application manuelle. 20 Une valve à fermeture automatique peut être incorporée dans le gabarit ou la conduite d'alimentation en gaz, afin de limiter le débit de gaz lorsque le gabarit n'est plus appliqué sur le tube. L'invention concerne également un procédé d'évaluation de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, à l'aide d'un 25 dispositif tel que défini précédemment, procédé selon lequel on réalise un étalonnage du débit de fuite, par rapport à l'épaisseur résiduelle, sur des tubes au profil calibré. On peut en outre effectuer une mesure en continu par un balayage régulier du gabarit le long d'un tube, avec enregistrement numérique du débit 30 de gaz de fuite, et éventuellement enregistrement du déplacement par une molette rotative fixée sur le calibre et appliquée sur le tube, ce qui permet de tracer le profil de la perte d'épaisseur du tube au cours du trajet du gabarit. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus 35 explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin : Fig. 1 est une coupe horizontale de tubes verticaux d'écran membrane d'une chaudière avec application d'un dispositif d'évaluation selon 4 l'invention contre l'un des tubes. Fig.2 est une coupe horizontale de tubes verticaux disposés en faisceau, dans un surchauffeur ou dans un vaporisateur. Fig. 3 est une coupe horizontale à plus grande échelle d'un tube 5 vertical en cours de vérification à l'aide du dispositif selon l'invention, et Fig. 4 est une vue schématique en perspective du dispositif de contrôle appliqué contre un tube vertical. En se reportant à Fig. 1, on peut voir en coupe horizontale trois tubes verticaux la, lb, 1c d'écran membrane de chaudière. Les tubes sont disposés to parallèlement avec leurs axes géométriques dans un même plan, et sont reliés sur toute leur longueur par des ailettes métalliques 2a, 2b, 2c soudées aux tubes selon des génératrices dans le plan commun des axes des tubes. Une séparation étanche est ainsi formée entre deux zones Z1, Z2 situées de part et d'autre de la cloison formée par les ailettes 2a, 2b et 2c et par les tubes. La 15 zone Z1 est située du côté du foyer de la chaudière et est exposée aux gaz de combustion et fumées. La surface des tubes correspondant sensiblement à la moitié de la section circulaire tournée vers la zone Z1 est soumise à l'érosion de particules solides et à la corrosion de gaz chauds, d'où une perte d'épaisseur progressive de cette demi-section. 20 Les tubes la, lb, 1 c sont parcourus par de l'eau ou de la vapeur surchauffée et leur paroi interne ne subit pratiquement pas d'usure. Il en est de même pour la demi-section des tubes tournée vers la zone Z2 dans laquelle ne pénètrent pas les gaz de combustion. Fig.2 représente des tubes la disposés en faisceau dans un 25 surchauffeur, ou un vaporisateur, soumis également à une érosion externe. Pour contrôler périodiquement la perte d'épaisseur d'un tube, dans la zone exposée aux gaz de combustion, l'invention propose un dispositif A d'évaluation indirecte de l'épaisseur résiduelle d'un tube. Le dispositif A constitue un appareil portatif mobile permettant une mesure physique 3o aéraulique du débit de fuite par l'ouverture en forme de ménisque qui est en relation avec la perte d'épaisseur du tube, et qui permet d'en déduire par corrélation l'épaisseur résiduelle. Le dispositif A comprend un gabarit de forme 3 ajusté au diamètre externe initial du tube la (oui b, 1c) et présentant une surface concave 4, ou 35 profil, propre à être appliquée en cavalier contre le tube pour délimiter une fente 5 (Fig.3) en forme de ménisque convergent dans la zone externe usée du tube. Le rayon de courbure de la surface concave 4 est de préférence égal au rayon initial du tube la de sorte que la surface 4 s'applique exactement contre la surface externe d'un tube neuf, sans usure, l'épaisseur de la fente 5 étant nulle. Toutefois, la surface concave 4 pourrait avoir un rayon plus petit que le rayon du tube à évaluer, auquel cas il suffirait, lors de l'évaluation, de tenir compte, comme référence initiale, de la fuite obtenue avec un tube neuf. s Du fait de l'usure de la paroi externe, il apparaît sur Fig.3 que le contour externe de la section du tube la n'est plus formée par un arc de cercle admettant le même centre que le contour de la paroi interne, mais par une courbe convexe 6 dont la courbure est moindre, le rayon de courbure étant supérieur à celui de la surface externe initiale. w L'étendue angulaire ci de l'arc de la surface concave 4 de centre O est inférieure à 180°. Le gabarit 3 est avantageusement réalisé sous forme d'un boîtier ou corps creux 7 comportant deux parois d'extrémité 8a, 8b parallèles, distantes présentant chacune un bord concave 9a, 9b en arc de cercle au diamètre initial du tube. Les deux bords 9a, 9b constituent la surface concave 4. 1s Lorsque le gabarit 3 est placé en cavalier sur le tube, les parois 8a, 8b sont orthogonales aux génératrices du tube. Le boîtier 7 comporte deux parois latérales 10, 11 orthogonales aux parois 8a, 8b. Les parois latérales 10, 11 sont propres à s'appliquer de manière ajustée contre le tube 1 a, suivant une génératrice de ce tube. Le boîtier 7 20 comporte en outre une paroi 12, orthogonale aux parois latérales, propre à fermer le boîtier du côté opposé au tube. La face du boîtier 7 tournée vers le tube la est ouverte et comprise longitudinalement entre les bords 9a, 9b. Le volume intérieur du boîtier creux 7 est relié à un moyen 13 propre à débiter de l'air comprimé sous une pression constante régulée. Le moyen 13 25 est relié par exemple par une conduite souple 14 à un orifice prévu, selon Fig.3, dans la paroi latérale 10 du boîtier 7 ou, selon Fig.4, dans la paroi 12. L'air insufflé s'échappe à travers la fente 5 entre les deux bords 9a, 9b et le tube. En variante, l'un des bords 9a, 9b pourrait être muni d'un moyen d'étanchéité compressible de sorte que la fuite n'aurait lieu qu'à travers une 30 seule des fentes 5. A pression constante à l'intérieur du calibre, le débit d'air est quasi proportionnel à la surface de la fuite par les fentes 5, ce qui permet une évaluation de l'usure. Un moyen 15 de mesure du débit d'air est prévu, de préférence sur le boîtier 7, à l'orifice d'entrée de l'air dans le boîtier. Le moyen de mesure 15 35 est avantageusement formé par un débitmètre à fil chaud, avec indicateur 16 du débit d'air, l'ensemble étant alimenté par une batterie 17, par exemple de 12 V, avec convertisseur et enregistreur. En variante, le débitmètre 15 pourrait être installé sur la conduite flexible 14. Une valve 18 est avantageusement prévue sur la conduite 14 (ou sur le boîtier 7) pour permettre de limiter, ou même d'arrêter, le débit d'air lorsque le gabarit n'est plus appliqué sur le tube. La fermeture ou l'ouverture de la valve 18 peut être commandée par un palpeur mécanique (non représenté) sensible 5 au contact du tube à contrôler. Le maintien du boîtier 7 sur des tubes en acier peut être assuré par un ou plusieurs aimants permanents liés aux parois du boîtier 7, permettant d'éviter un maintien manuel du gabarit en place sur le tube. Avantageusement, une source lumineuse 19, par exemple une diode Io électroluminescente, est prévue à l'intérieur du boîtier 7, cette source lumineuse étant alimentée par une pile ou une batterie qui peut être située à l'extérieur du boîtier. L'allumage de la source lumineuse 19, alors que le gabarit est en position contre le tube, permet de visualiser la zone de perte d'épaisseur, par éclairage du ménisque, et de percevoir le degré de cette perte d'épaisseur ou 15 d'ajuster la position du calibre selon la zone la plus affectée. Les parois 8a, 8b comportant le profil concave 9a, 9b, pour application en cavalier contre le tube, peuvent être interchangeables. On peut ainsi choisir, selon les diamètres de tubes à examiner, les parois d'extrémité 8a, 8b dont les bords concaves 9a, 9b correspondent au diamètre initial du tube, 20 tout en conservant le reste du boîtier 7. Un grattoir attaché au gabarit (non représenté) peut être prévu pour éliminer des dépôts rémanents qui gêneraient la précision de l'évaluation. Ceci étant, pour évaluer l'usure d'un tube la, avec le dispositif de l'invention, on procède de la manière suivante. 25 On réalise tout d'abord un étalonnage du débit de fuite, par rapport à l'épaisseur résiduelle de tubes étalons dont la perte d'épaisseur a été évalués de manière précise. Cet étalonnage est effectué en appliquant le dispositif A sur les tubes au profil calibré et en relevant le débit d'air de fuite pour une perte d'épaisseur nulle et pour des pertes d'épaisseur localisées déterminées allant 30 jusqu'à une épaisseur résiduelle proche de 0 mm. On effectue ensuite une préparation simplifiée de la surface des tubes consistant simplement à éliminer les dépôts rémanents. Le dispositif d'évaluation A, équipé des profils concaves 9a, 9b correspondant au diamètre initial du tube contrôlé, est appliqué en position de 35 cavalier sur le tube la comme illustré sur Fig. 4. L'air est envoyé sous pression constante, par la conduite 14, à l'intérieur du boîtier 7 pour fuir par les fentes 5 en forme de ménisque. A partir de l'étalonnage effectué précédemment, on peut évaluer par corrélation l'épaisseur résiduelle du tube dans la zone considérée. La mesure peut être effectuée localement, ou en continu par un déplacement régulier de l'appareil A le long du tube. Le débit d'air de fuite est enregistré numériquement, ce qui permet de tracer le profil de la perte d'épaisseur du tube au cours du trajet du gabarit. On peut également prévoir un enregistrement du déplacement du gabarit à l'aide d'un capteur de déplacement installé sur le boîtier 7 et relié à un appareil d'enregistrement du déplacement. La mesure physique aéraulique réalisée avec l'appareil est en relation avec la perte d'épaisseur du tube et permet d'en déduire par corrélation io l'épaisseur résiduelle. Le dispositif permet de contrôler rapidement par une mesure indirecte la perte d'épaisseur des tubes, sans nécessité d'une préparation soignée de la surface des tubes, et également visuellement grâce à la source lumineuse 19 prévue dans le boîtier. 15 Le déplacement de l'appareil d'évaluation le long des tubes permet de balayer rapidement les zones à risque. Compte tenu des tolérances et des surépaisseurs de construction des échangeurs, ce dispositif d'évaluation indirecte de la perte d'épaisseur des tubes sera la plupart du temps largement suffisant pour déterminer le type 20 d'intervention nécessaire : remplacement, protection par coquilles, ou rechargement. Les applications du dispositif d'évaluation selon l'invention sont nombreuses et concernent : - les chaufferies industrielles pour toutes énergies fossiles et biomasse, 25 - les unités d'incinération de déchets ménagers et spéciaux, - les structures tubulaires soumises à érosion ou corrosion, - les contrôles d'arbres de rotation ou de pièces cylindriques soumises à érosion localisée. REVENDICATIONS1. Dispositif d'évaluation indirecte de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, exposé à une usure externe, caractérisé en ce qu'il 5 comprend : - un gabarit (3) présentant une surface concave (4) ajustée au diamètre externe initial du tube (la), propre à être appliqué en cavalier contre le tube pour délimiter avec le tube une fente (5) en forme de ménisque convergent, - un moyen (13) pour débiter sous pression constante un courant de gaz, à to travers le ménisque ainsi formé, - et un moyen de mesure (15) du débit de gaz de fuite à travers la ou les fentes (5) en forme de ménisque, la valeur du débit de fuite permettant d'évaluer la perte d'épaisseur externe du tube. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz débité est de l'air sous pression. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gabarit (3) est constitué par un corps creux, en forme de boîtier (7) ouvert du côté à 20 appliquer contre le tube, ce boîtier comportant deux parois d'extrémité (8a, 8b) distantes présentant chacune un bord concave (9a, 9b) en arc de cercle au diamètre initial du tube, les deux bords concaves constituant la surface concave (4) du gabarit à appliquer contre le tube, le gabarit comportant deux parois latérales (10 ,11) propres à s'appliquer de manière étanche contre le tube, et 25 une paroi (12) opposée à la face ouverte du gabarit. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface concave (4) du gabarit s'étend selon un arc de cercle inférieur à 180°. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume intérieur du gabarit est relié à une conduite (14) d'alimentation en gaz, et un régulateur de pression de gaz est prévu sur le dispositif ou sur la conduite d'alimentation. 35 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un moyen d'éclairage interne (19) est prévu dans le corps creux du gabarit pour permettre un contrôle visuel de la perte d'épaisseur par éclairage du ménisque, ce contrôle visuel 30complétant le contrôle par débit de fuite. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil concave (9a, 9b) du gabarit est interchangeable s pour être adapté selon les diamètres de tube à vérifier. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'enregistrement du signal de sortie fourni par un convertisseur de la mesure de débit. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une valve (18) à fermeture automatique est incorporée dans le gabarit ou la conduite d'alimentation en gaz, afin de limiter le débit de gaz lorsque le gabarit n'est plus appliqué sur le tube. 10. Procédé d'évaluation de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, à l'aide d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise un étalonnage du débit de fuite, par rapport à l'épaisseur résiduelle, sur des tubes au profil calibré. 20 11. Procédé d'évaluation de l'épaisseur résiduelle d'un tube, ou d'un élément cylindrique, à l'aide d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce l'on effectue une mesure en continu par un balayage régulier du gabarit le long d'un tube, avec enregistrement numérique du débit 25 de gaz de fuite. 10 15