Un échangeur à plaques tubulaires fixes a fonctionné pendant environ 18 mois avant qu'une fuite mineure n'apparaisse à la sortie de la calandre. L'inspection n'a révélé aucune corrosion dans la plaque tubulaire et les tubes étaient intacts, mais le centre de la plaque tubulaire avait visiblement gonflé et plusieurs joints dilatés à proximité s'étaient desserrés. Les certificats de matériaux et les enregistrements de soudage étaient en ordre. Le problème ne venait pas de la fabrication. C'était la combinaison de charges : la pression différentielle, la dilatation thermique différentielle et la charge des boulons s'étaient alignées au même endroit et avaient dépassé l'hypothèse sur laquelle la plaque tubulaire avait été vérifiée — la seule pression.
Cet article ne liste pas les modes de défaillance. Il répond aux trois questions que les ingénieurs posent sur site, et chaque réponse remonte à une combinaison des cinq charges agissant sur chaque plaque tubulaire : pression différentielle côté tube et côté calandre, contrainte axiale et circonférentielle due à la pression, décalage de dilatation thermique, contrainte thermique due à la différence de température entre la plaque tubulaire et la calandre, et charge des boulons de bride.
Le symptôme est familier : un gonflement près du centre, une fuite au joint tube-plaque tubulaire, une lente perte de précharge des boulons. Trois charges se combinent pour le produire.
La pression différentielle crée une charge de flexion transversale, résistée par la rigidité en flexion de la plaque tubulaire et par les tubes comme fondation élastique. La différence de température entre la plaque tubulaire et la calandre ajoute un moment de flexion en bord à cette jonction, et les boulons de bride ajoutent un troisième par compression du joint. Agissant dans une direction, ces trois forces poussent la contrainte de flexion au-delà de la limite admissible ; là où la plaque tubulaire est trop mince pour la charge combinée, la déformation ouvre un chemin de fuite au niveau du joint du tube. C'est la défaillance en service la plus courante, un problème d'épaisseur et de combinaison de charges, pas de matériau.
Ici, la plaque tubulaire est intacte et les tubes sont les dommages visibles : courbés, gonflés au milieu du faisceau, parfois effondrés les uns contre les autres. La cause est la seule charge qu'une conception à plaque tubulaire fixe ne peut pas libérer.
Lorsque la calandre et les tubes fonctionnent à des températures matériellement différentes, ils se dilatent différemment. Une conception à plaque tubulaire fixe ne peut pas absorber cette différence par un mouvement relatif, elle la convertit donc en contrainte axiale dans les tubes et la calandre ; au-delà de la valeur critique de flambage, les tubes se courbent. Les conceptions à tête flottante ou à tubes en U la soulagent en permettant au faisceau de bouger. La vérification qui la détecte est un calcul explicite de la contrainte axiale des tubes et du flambage critique — la flexion de la plaque tubulaire seule ne suffit pas.
Le tube glisse hors du trou de la plaque tubulaire, le joint fuit, l'extrémité du tube se trouve sous la face de la plaque tubulaire. La cause est la force axiale sur le tube dépassant la capacité de maintien du joint dilaté.
Cette force additionne les charges axiales dues à la pression et à la dilatation thermique. Lorsque la somme dépasse la capacité du joint, le tube se retire. Le retrait est autant un problème de conception du joint qu'un problème de charge : la longueur de dilatation, le degré de dilatation, la géométrie de la rainure et l'épaisseur de la paroi du tube déterminent la force de maintien, et il n'est pas prédit par la contrainte de flexion de la plaque tubulaire — il nécessite une vérification séparée de la capacité du joint.
Pour les ingénieurs d'approvisionnement et de projet, l'examen se résume à trois questions sur le dessin : quelle combinaison de charges régit l'épaisseur de la plaque tubulaire, le cas de flambage de la plaque tubulaire fixe a-t-il été vérifié, et à quelle charge axiale correspond la capacité du joint ? Lorsque ces réponses existent, la conception de la résistance est vérifiable, pas seulement plausible.
La pression différentielle, la contrainte thermique de jonction et la charge des boulons peuvent agir dans une direction ; une plaque tubulaire trop mince se déforme alors et ouvre un chemin de fuite au niveau du joint du tube.
La différence de température entre la calandre et les tubes crée une contrainte axiale de compression que les plaques tubulaires fixes ne peuvent pas libérer ; au-delà de la valeur critique de flambage, les tubes se courbent. Les conceptions à tête flottante et à tubes en U la soulagent.
La force axiale due à la pression plus la dilatation différentielle dépasse la capacité du joint, déterminée par la longueur de dilatation, le degré de dilatation, la géométrie de la rainure et l'épaisseur de la paroi du tube.
La pression différentielle interagissant avec la dilatation différentielle : chacune peut être acceptable seule, mais ensemble elles peuvent dépasser la contrainte de flexion admissible ou la capacité du joint.
