Les tubes d'échangeur de chaleur droits et en U influencent la manière dont un échangeur absorbe la dilatation thermique, la manière dont ses surfaces peuvent être nettoyées et la manière dont les tubes endommagés sont inspectés ou remplacés.
Les tubes droits permettent un accès direct à travers l'alésage et peuvent être utilisés dans plusieurs configurations d'échangeur. Les tubes en U offrent un chemin de retour continu et permettent au faisceau tubulaire d'absorber la dilatation thermique différentielle dans une conception conventionnelle à tubes en U.
Le choix approprié dépend de la configuration complète de l'échangeur, des conditions de fonctionnement et de la stratégie de maintenance. Pour l'approvisionnement, ces exigences doivent être traduites en dimensions claires, spécifications de matériaux, exigences de formage et critères d'inspection.
Un tube droit décrit la forme d'un composant. Il n'identifie pas la manière dont le faisceau tubulaire est supporté ni comment le mouvement thermique est absorbé.
Les tubes droits peuvent être installés dans des échangeurs à plaques tubulaires fixes et à tête flottante. Dans un échangeur conventionnel à tubes en U, chaque tube a deux branches droites reliées par un coude de retour, les deux extrémités se terminant sur la même plaque tubulaire.
ASHRAE décrit les agencements de tubes droits avec des faisceaux fixes ou amovibles, ainsi que des faisceaux de tubes en U amovibles. Cette distinction est essentielle lors de la comparaison de l'accès de maintenance et du comportement de dilatation thermique.
| Considération de conception | Tubes droits : plaques tubulaires fixes | Tubes droits : tête flottante | Tubes en U : faisceau conventionnel à tubes en U |
|---|---|---|---|
| Disposition des tubes | Tubes droits entre plaques tubulaires fixes | Tubes droits avec une extrémité pouvant bouger dans la configuration à tête flottante | Deux branches reliées par un coude de retour |
| Dilatation thermique différentielle | Doit être évalué ; une disposition de dilatation peut être nécessaire | Absorbée par la configuration à tête flottante | Absorbée par la configuration à tubes en U |
| Nettoyage côté tube | Accès direct à l'alésage lorsque les têtes sont accessibles | Accès direct à l'alésage lorsque les têtes sont accessibles | La limite de courbure restreint l'accès avec des outils rigides |
| Nettoyage mécanique côté calandre | Généralement restreint par le faisceau fixe | Le retrait du faisceau permet l'accès | Le retrait du faisceau permet généralement l'accès |
| Remplacement de tube individuel | Souvent pratique, sous réserve de la conception du joint et de l'accès | Souvent pratique après démontage approprié | Peut être difficile, surtout pour les rangées intérieures |
| Accent sur l'approvisionnement | Longueur droite, état de l'extrémité et ajustement de la plaque tubulaire | Dimensions du tube et compatibilité avec l'ensemble amovible | Géométrie de la courbure, paroi finie, identification de la rangée et manipulation |
La documentation du fabricant confirme ces distinctions pratiques, y compris le nettoyage restreint côté calandre pour les conceptions à plaques tubulaires fixes et les limitations sur le remplacement de tubes individuels dans les faisceaux à tubes en U.
La calandre et les tubes peuvent fonctionner à des températures différentes et avoir également des coefficients de dilatation thermique différents. Leur croissance thermique libre peut donc différer.
Dans un échangeur à plaques tubulaires fixes, la restriction de ce mouvement peut générer des charges dans les tubes, la calandre, les plaques tubulaires et les joints. La conception doit évaluer les conditions de fonctionnement et transitoires pertinentes.
Une configuration conventionnelle à tubes en U permet à l'extrémité courbée de bouger lorsque les tubes se dilatent et se contractent. Xylem identifie l'absorption de la dilatation différentielle entre la calandre et les tubes, et entre les tubes individuels, comme une caractéristique de sa construction à tubes en U.
Cette flexibilité est particulièrement utile lorsque le mouvement thermique est une préoccupation de conception importante. Le démarrage, l'arrêt et le chauffage inégal nécessitent toujours une évaluation.
La forme du tube seule n'établit pas une classification de pression.
La conception de la pression dépend du matériau, de la température, des dimensions, de la paroi minimale disponible, de l'état de fabrication et des règles de construction applicables. Pour les tubes en U, l'évaluation doit tenir compte de la géométrie finie de la courbure et de tout amincissement de paroi introduit pendant le formage.
La pression extérieure compte également. Un tube peut subir une pression plus élevée à l'extérieur qu'à l'intérieur pendant le fonctionnement, l'arrêt ou les essais.
Les tubes droits et en U nécessitent un support adéquat contre les vibrations induites par le flux.
Pour les faisceaux de tubes en U, la région de courbure mérite une attention particulière car sa géométrie et sa disposition de support diffèrent de celles des branches droites. Les normes TEMA comprennent des dispositions concernant les supports dans la zone de courbure en U, renforçant la nécessité de traiter cette région comme une considération de conception spécifique.
Les exigences de maintenance doivent être établies avant la sélection de la configuration des tubes.
Les tubes droits offrent un chemin direct pour un équipement de nettoyage approprié lorsque la configuration du canal ou de la tête permet l'accès. Cela peut être précieux lorsque les dépôts nécessitent un retrait mécanique régulier.
Un outil de nettoyage rigide ne peut pas suivre un coude en U. Cependant, les tubes en U ne sont pas universellement limités au nettoyage chimique. Des lances flexibles appropriées et des outils spécialisés à jet d'eau peuvent nettoyer certaines géométries de tubes en U. StoneAge, par exemple, propose des outils destinés aux faisceaux de tubes en U et aux passages de petit diamètre contenant des courbures.
La couverture de nettoyage réalisable dépend de :
Diamètre intérieur du tube.
Rayon de courbure minimum.
Dimensions de l'outil et du tuyau.
Type et gravité des dépôts.
Accès par le canal.
Compatibilité du processus de nettoyage avec le matériau du tube.
Spécifiez la méthode de nettoyage prévue et confirmez qu'elle peut atteindre les surfaces requises.
L'accès côté calandre dépend principalement de la démontabilité du faisceau, de la disposition des tubes et de l'espace disponible entre les tubes.
Un faisceau de tubes en U amovible peut donner accès aux surfaces externes des tubes. Un faisceau à tête flottante à tubes droits peut également fournir cet accès.
Pour l'une ou l'autre configuration, un espacement étroit des tubes et des composants de support peut restreindre les outils de nettoyage. Le retrait du faisceau seul ne garantit pas l'accès à toutes les surfaces.
L'accès d'inspection à travers un coude en U dépend de la sonde et de la géométrie réelle du tube.
Des sondes à courants de Foucault flexibles sont disponibles pour examiner les tubes en U appropriés, y compris l'acier inoxydable austénitique. Leur disponibilité signifie que l'inspection des courbures peut être réalisable, mais le passage de la sonde et les performances d'examen doivent être confirmés pour l'alésage et le rayon sélectionnés.
Un plan d'inspection utile identifie les régions inaccessibles et les méthodes utilisées pour les évaluer.
Les tubes droits offrent souvent une voie de remplacement plus directe, sous réserve de la construction du joint et de l'espace de retrait adéquat.
Dans les faisceaux de tubes en U, les tubes voisins peuvent obstruer le retrait d'un tube individuel, en particulier dans les rangées intérieures. La planification de la maintenance doit déterminer si les tubes endommagés peuvent être remplacés, si une stratégie de bouchage conçue est acceptable et quand le remplacement du faisceau devient nécessaire.
Ni la géométrie droite ni la géométrie en U ne garantissent de meilleures performances thermiques.
La comparaison doit utiliser le devoir requis, les propriétés des fluides, les débits, les hypothèses d'encrassement et les pertes de charge admissibles. La surface d'échange thermique, la vitesse côté tube, la distribution du flux côté calandre et la configuration des passes influencent tous le résultat.
Un tube en U conventionnel fournit un chemin d'écoulement aller et retour. Les échangeurs à tubes droits peuvent également utiliser plusieurs passes côté tube à travers leur arrangement de tête et de partition.
Pour les conceptions à tubes en U, l'évaluation hydraulique doit inclure la perte du coude de retour et la longueur réelle du chemin d'écoulement. Différentes rangées de courbure peuvent également avoir des longueurs de chemin différentes.
Pour les comparaisons d'approvisionnement, exigez que les deux conceptions proposées répondent aux mêmes cas de fonctionnement et critères de performance. Un diamètre extérieur de tube égal ou une surface nominale égale n'établissent pas une performance d'échangeur égale.
Une demande telle que « Tube en U de 19,05 mm, 6 m de long » laisse plusieurs dimensions indéfinies.
Le dessin doit distinguer la longueur de la branche droite, l'encombrement général et la longueur développée du tube.
| Dimension | Définition |
|---|---|
| Diamètre extérieur, D | Diamètre extérieur du tube |
| Épaisseur de paroi, t | Paroi spécifiée avec sa base nominale, minimale ou moyenne |
| Rayon de courbure de la ligne médiane, R | Rayon mesuré jusqu'à la ligne médiane du tube |
| Longueurs des branches droites, L₁ et L₂ | Longueurs depuis les extrémités coupées respectives jusqu'aux points de tangente de la courbure |
| Espacement des lignes médianes des branches | Distance entre les lignes médianes des branches parallèles |
| Encombrement général | Dimensions externes maximales du composant fini |
| Longueur développée | Longueur mesurée le long de la ligne médiane du tube |
Pour une courbure semi-circulaire idéale de 180° dans un plan avec des branches parallèles :
Espacement des lignes médianes des branches = 2R
Longueur développée géométrique = L₁ + L₂ + πR
Le rayon intérieur de la courbure est inférieur au rayon de la ligne médiane de la moitié du diamètre extérieur du tube. Ces définitions de rayon doivent être clairement identifiées sur le dessin.
Supposons :
Diamètre extérieur du tube : 19,05 mm.
Rayon de courbure de la ligne médiane : 75 mm.
Longueur de la branche droite de chaque extrémité coupée à son point de tangente : 6 000 mm.
Branches égales avec leurs extrémités coupées dans le même plan.
| Dimension calculée | Résultat |
|---|---|
| Espacement des lignes médianes des branches | 150,00 mm |
| Largeur extérieure à travers la courbure | 169,05 mm |
| Longueur de l'arc de la ligne médiane semi-circulaire | 235,62 mm |
| Longueur développée géométrique | 12 235,62 mm |
| Encombrement axial général, du plan d'extrémité coupée à la couronne de courbure extérieure | Environ 6 084,53 mm |
Un tube avec deux branches droites de 6 m a donc une longueur développée géométrique d'environ 12,236 m.
Le fabricant doit établir la longueur de la pièce brute de départ réelle, y compris les ajustements de coupe et les tolérances de processus. Le calcul ci-dessus décrit une géométrie idéale et n'est pas une instruction de coupe ou une tolérance de formage.
Pour un faisceau contenant plusieurs rayons, fournissez un tableau de courbure indiquant chaque rangée, rayon, longueur de branche et quantité.
Les spécifications courantes pour les tubes d'échangeur de chaleur en acier inoxydable comprennent :
| Spécification | Portée du produit pertinente |
|---|---|
| ASTM A213/A213M | Tubes de chaudière, de surchauffeur et d'échangeur de chaleur sans soudure, y compris les nuances d'acier inoxydable spécifiées |
| ASTM A249/A249M | Tubes austénitiques soudés et fortement travaillés à froid pour chaudières, surchauffeurs, échangeurs de chaleur et condenseurs |
| ASTM A688/A688M | Tubes d'échangeur de chaleur d'alimentation en eau en acier inoxydable austénitique sans soudure et soudés, y compris les tubes en U lorsqu'ils sont spécifiés |
A213 comprend la fourniture à paroi minimale et, sur commande, à paroi moyenne. A249 utilise une base de paroi nominale dans sa portée. A688 traite spécifiquement des tubes d'échangeur de chaleur d'alimentation en eau. Ces spécifications doivent être sélectionnées en fonction du produit et du service plutôt que traitées comme des étiquettes interchangeables.
Indiquez séparément le code de construction applicable. La section VIII du code ASME BPVC traite de la conception, de la fabrication, de l'inspection et des essais des récipients sous pression dans sa portée. Les exigences TEMA et API 660 peuvent également s'appliquer lorsqu'elles sont spécifiées pour l'échangeur et l'industrie concernée.
Le bon de commande doit identifier les éditions applicables et établir comment les exigences contradictoires seront résolues.
Le traitement thermique post-courbure dépend de la nuance du matériau, de la quantité de travail à froid, des conditions de service et des exigences applicables.
Le fait que le tube de départ ait été fourni recuit n'établit pas l'état requis après la courbure. De même, le terme « tube en U » seul n'établit pas un cycle de traitement thermique obligatoire.
Les fabricants proposent différents traitements selon la spécification et la nuance. Alleima liste le recuit de mise en solution, la détente et la stabilisation parmi ses capacités de traitement de tubes en U ; TPS distingue également les options de traitement par matériau.
Lorsque le traitement est requis, définissez :
L'état final requis du matériau.
La courbure et les régions de branche adjacentes à traiter.
La procédure de chauffage et de refroidissement approuvée.
Protection de surface et nettoyage ultérieur.
Enregistrements de température requis et tests de vérification.
Des termes tels que « recuit après courbure » doivent être étayés par une procédure identifiable.
L'inspection du tube droit de départ et l'acceptation du tube en U fini servent des objectifs différents.
Les enregistrements du matériau de départ établissent l'identité et la conformité du tube fourni. L'inspection du composant fini doit tenir compte des changements introduits par la courbure, le traitement thermique, la coupe et le nettoyage.
| Article d'inspection | Focus sur le tube droit | Focus supplémentaire sur le tube en U |
|---|---|---|
| Identification du matériau | Nuance, numéro de coulée et traçabilité du certificat | Traçabilité maintenue tout au long du formage et de l'allocation des rangées |
| Dimensions | Diamètre extérieur, épaisseur de paroi, rectitude et longueur finie | Rayon, espacement des branches, longueurs des branches, parallélisme et alignement du plan de courbure |
| Épaisseur de paroi | Conformité avec la base de paroi commandée | Paroi minimale dans la courbure formée |
| Forme de la section transversale | Exigences de rondeur applicables | Ovalidité ou aplatissement de la courbure |
| État de surface | Rayures, bosses, état de l'extrémité et propreté | Plis, marques de formage et état de surface lié au traitement thermique |
| Contrôle non destructif | Méthode, couverture et critères d'acceptation requis | Adéquation à la géométrie de courbure et aux régions inaccessibles |
| Test de pression ou d'étanchéité | Exigences applicables du produit et de la commande | Étape de test requise après formage et traitement |
| Documentation | Enregistrements des matériaux et des tests | Tableau de courbure, enregistrements dimensionnels et enregistrements de traitement |
Le plan d'inspection doit définir l'échantillonnage, les emplacements de mesure et les limites d'acceptation. Même des termes tels que « ovalidité » et « aplatissement » nécessitent la spécification de la méthode de calcul, car différents documents peuvent utiliser des définitions différentes.
Les fabricants identifient l'inspection dimensionnelle, les contrôles de paroi de courbure, les tests d'étanchéité, l'examen au pénétrant et les contrôles de passage parmi les contrôles de tubes en U disponibles. La combinaison requise doit être établie dans la commande.
Un test de passage vérifie qu'une jauge spécifiée peut traverser le tube. Il n'établit pas l'intégrité de la paroi. De même, les tests au pénétrant traitent des indications de surface et ne remplacent pas un examen volumétrique requis.
Lorsque des tests de pression ou d'étanchéité post-courbure sont requis, identifiez explicitement la procédure, les critères d'acceptation et les exigences de rapport.
Une RFQ techniquement complète devrait permettre aux fournisseurs de chiffrer le même composant fini.
| Article RFQ | Informations à fournir |
|---|---|
| Portée de l'approvisionnement | Tubes droits, tubes en U finis, tubes de remplacement ou faisceau assemblé |
| Matériau | Nuance, spécification du produit, édition et état requis |
| Dimensions du tube | Diamètre extérieur, épaisseur de paroi, base de paroi et tolérances |
| Longueur du tube droit | Longueur finie et toute tolérance de fabrication convenue |
| Géométrie du tube en U | Dessin approuvé, rayon de la ligne médiane, longueurs des branches, espacement et tolérances |
| Quantité | Quantité de pièces finies et répartition par rangée de courbure |
| Acceptation du formage | Paroi minimale de courbure finie, limites d'ovaleur ou d'aplatissement, exigences de surface |
| Traitement thermique | Procédure requise, région traitée et enregistrements |
| Extrémités des tubes | Préparation des extrémités, ébavurage, propreté et exigences liées aux joints |
| Inspection | Méthodes, couverture, échantillonnage, critères d'acceptation et points de témoin |
| Documentation | Certificats, traçabilité, rapports dimensionnels et enregistrements de tests |
| Emballage | Disposition de support, identification, protection des extrémités et exigences de déchargement |
Un tube en U fini a deux branches et deux extrémités ouvertes.
Par exemple, une commande de 200 tubes en U finis représente 400 extrémités de tubes. Le bon de commande, le tableau de courbure et la liste d'emballage doivent distinguer de manière cohérente les pièces finies des branches, des extrémités et des mètres développés totaux.
L'emballage des tubes en U doit supporter les branches droites et protéger les courbures contre la déformation et les dommages de contact.
Le tri des tubes par rayon ou par rangée aide à l'inspection à la réception et à l'assemblage. TPS décrit l'emballage basé sur le rayon avec des supports qui sécurisent les tubes et permettent le retrait dans l'ordre d'assemblage.
Convenez d'une identification qui reste lisible après le déballage. Protégez les extrémités des tubes et maintenez la propreté interne spécifiée pendant le transport et le stockage.
Un devis de tube en U fini peut inclure le formage, l'inspection supplémentaire, le traitement thermique, le tri et l'emballage spécialisé.
Au niveau de l'échangeur, une conception conventionnelle à tubes en U peut simplifier la construction de l'extrémité arrière, tandis qu'une disposition à tubes droits peut offrir des avantages de maintenance.
Comparez la fabrication, l'installation, l'accès d'inspection, le nettoyage, les options de réparation et les temps d'arrêt prévus aux côtés du prix d'achat initial.
La sélection dépend de la dilatation thermique différentielle, de la capacité du matériau, de la pression, du cyclage et des exigences de maintenance. La haute température seule ne détermine pas la configuration de tube préférée.
Certains peuvent être nettoyés à l'aide d'équipements flexibles appropriés ou d'outils spécialisés à jet d'eau. Confirmez le passage à travers l'alésage réel et le rayon de courbure minimum, ainsi que la capacité à éliminer les dépôts attendus.
Aucun rayon minimum unique ne s'applique à tous les matériaux, diamètres, épaisseurs de paroi et processus de formage. Le rayon spécifié doit satisfaire aux exigences de conception et à la capacité démontrée du fabricant tout en respectant les limites de paroi finie et de forme.
Oui, si les tubes de départ sont spécifiés pour l'opération de formage prévue. Confirmez une longueur de départ suffisante, une marge de paroi, l'état du matériau, la traçabilité et la responsabilité du traitement et de l'inspection post-courbure avant l'achat.
Le remplacement dépend de son emplacement, des tubes voisins, des supports et de la construction du joint. Les tubes des rangées intérieures peuvent être particulièrement difficiles à retirer, la stratégie de maintenance doit donc être établie lors de la sélection de l'échangeur.
Choisissez la configuration de l'échangeur en fonction du mouvement thermique, de l'encrassement, de l'accès d'inspection et des exigences de réparation. Spécifiez ensuite la géométrie du tube, l'état du matériau et les critères d'acceptation nécessaires pour soutenir ce choix.
Pour l'approvisionnement en tubes en U, un dessin approuvé et un tableau de courbure par rangée sont particulièrement précieux. Associés à une inspection post-formage définie et à un emballage protecteur, ils rendent les tubes finis plus faciles à vérifier et à installer.
