Une plaque tubulaire est le composant principal de confinement de pression d'un échangeur de chaleur à calandre et tubes qui sépare le fluide côté tube du fluide côté calandre et assure le support structurel du faisceau tubulaire. C'est une plaque circulaire plate percée d'un motif de trous pour accueillir les tubes, qui sont ensuite dilatés, soudés, ou les deux pour former le joint tube-plaque tubulaire.
La plaque tubulaire fonctionne comme :
Une frontière de pression entre le côté tube et le côté calandre (doit supporter la pression la plus élevée des deux ou la pression différentielle)
Un support structurel pour le faisceau tubulaire (transmet les charges des tubes à la bride de calandre)
Un distributeur de flux (les piquages d'entrée/sortie dirigent le fluide vers des rangées de tubes spécifiques)
Ce produit est conçu et fabriqué selon ASME Section VIII Division 1 ou Division 2, TEMA Classe R (raffinerie), B (chimique), ou C (commercial), et GB/T 151 pour les applications domestiques. Les plaques tubulaires sont fournies sous forme de plaques forgées ou laminées autonomes, ou dans le cadre d'un ensemble de faisceau tubulaire complet.
La plaque tubulaire est soudée ou boulonnée directement à la calandre des deux côtés
Les tubes sont fixés aux deux plaques tubulaires ; la calandre est solidaire des plaques tubulaires
Compensation de la dilatation thermique : Nécessite un joint de dilatation sur la calandre lorsque la différence de température (ΔT) entre le tube et la calandre dépasse la valeur admissible (typiquement > 60°C pour l'acier au carbone ; > 40°C pour l'acier inoxydable)
Application : Fluides côté calandre propres, faible différence de température, service sans encrassement
Limitation : Le nettoyage côté calandre n'est pas possible sans retirer le faisceau entier ; pas d'accès au nettoyage mécanique côté calandre
Une plaque tubulaire est fixée (stationnaire) à la bride de calandre ; l'autre est libre de bouger (flottante) pour accommoder la dilatation thermique
La plaque tubulaire flottante n'est pas soudée à la calandre – permet le mouvement axial du faisceau
Application : Grande différence de température (ΔT > 60°C), service avec encrassement nécessitant le retrait du faisceau
Limitation : Nécessite un dispositif d'étanchéité supplémentaire (couvercle de tête flottante) qui augmente le coût et la complexité de la maintenance
Une seule plaque tubulaire supporte les deux extrémités des tubes en forme de U
Tous les tubes sont courbés en forme de U et les deux extrémités des tubes sont dilatées/soudées dans la même plaque tubulaire
Pas de dilatation thermique différentielle entre les tubes et la calandre – chaque tube se dilate indépendamment
Application : Forte différence thermique (ΔT jusqu'à 200°C), service de gaz haute pression, service hydrogène, choc thermique
Limitation : Les tubes ne peuvent pas être nettoyés mécaniquement (nettoyage chimique uniquement) ; le rayon de courbure minimum du U limite la sélection du diamètre extérieur des tubes
| Paramètre | Plage | Standard / Note |
|---|---|---|
| Diamètre (DE) | 200mm – 4 000mm | Limité par la capacité de forgeage/laminage et le transport |
| Épaisseur | 15mm – 350mm | Déterminé par ASME VIII-1 UG-34 / TEMA RCB-4.3 |
| Diamètre du cercle de boulons | Correspond à la bride de calandre ou à la bride de canal | Selon ASME B16.5 / B16.47 |
| Nombre de trous de boulons | Correspond à la norme de bride | Selon ASME / TEMA |
| Diamètre des trous de boulons | Diamètre du boulon + 1.5mm – 3.0mm de jeu | Selon la norme de bride |
| Surface d'appui du joint | Face surélevée (RF) ou joint annulaire (RTJ) | Selon ASME B16.5 |
| Paramètre | Plage | Standard / Note |
|---|---|---|
| Diamètre du trou | DE du tube + 0.2mm – 0.5mm (pour les joints dilatés) | Selon TEMA RCB-4.3 / GB/T 151 |
| Tolérance du diamètre du trou | H11 (par exemple, Ø25.2mm +0.13/0) | Selon ISO 286 / Norme TEMA |
| Finition du trou (Ra) | ≤ 1.6μm (dilaté) / ≤ 3.2μm (soudé) | Pour dilatation : une finition plus fine assure la résistance à l'arrachement |
| Largeur du ligament (pont) | Minimum 0.8* diamètre du trou | Selon ASME VIII-1 Annexe A – empêche la rupture du ligament |
| Déviation du ligament par rapport au dessin | ≤ ±0.2mm | Selon TEMA RCB-4.3 |
| Perpendicularité du trou par rapport à la surface | ≤ 0.5° | Empêche le mauvais alignement du tube lors de l'insertion |
| Motif | Description | Application |
|---|---|---|
| Triangulaire (30° ou 60°) | Tubes disposés en triangles équilatéraux | Densité de tubes maximale ; surface d'échange thermique la plus élevée par section transversale de la calandre |
| Carré (90°) | Tubes disposés en rangées droites, perpendiculaires | Permet l'accès au nettoyage mécanique (tige/brosse) par les allées de tubes |
| Carré tourné (45°) | Motif carré tourné de 45° | Densité de tubes plus élevée que le carré ; accès modéré au nettoyage |
Pas triangulaire : 1.25* – 1.5* DE du tube (minimum)
Pas carré : 1.5* – 2.0* DE du tube (minimum)
Tolérance de pas : ±0.5mm (trous adjacents) / ±1.0mm (accumulation de pas globale)
| Grade | Spécification | Plage de température | Application |
|---|---|---|---|
| SA-516 Gr.60 / 65 / 70 | ASTM A516 | -20°C à +425°C | Service général de récipient sous pression – fluides côté tube non corrosifs |
| SA-266 Gr.2 / 3 / 4 | ASTM A266 | -20°C à +425°C | Plaques tubulaires forgées pour service haute pression |
| Q345R / 16MnR | GB 713 | -20°C à +400°C | Équivalent domestique de la norme SA-516 |
| 20# / 16Mn | GB 711 | -20°C à +400°C | Plaques tubulaires forgées ou laminées |
| Grade | Spécification | Plage de température | Application |
|---|---|---|---|
| SA-387 Gr.11 (1.25Cr-0.5Mo) | ASTM A387 | -20°C à +540°C | Température élevée (hydrocraquage, hydrotraitement) – service chlorure/H₂S |
| SA-387 Gr.22 (2.25Cr-1Mo) | ASTM A387 | -20°C à +540°C | Service à plus haute température (reformage catalytique, synthèse d'ammoniac) |
| SA-336 Gr.F11/F22 | ASTM A336 | -20°C à +540°C | Plaques tubulaires forgées pour service haute température |
| Grade | Spécification | Plage de température | Limite de chlorure | Application |
|---|---|---|---|---|
| 304L / 304 | ASTM A240 / A182 | -196°C à +425°C | ≤ 200ppm | Légèrement corrosif, vapeur propre, alimentaire/pharmaceutique |
| 316L / 316 | ASTM A240 / A182 | -196°C à +425°C | ≤ 200ppm | Acides organiques, solutions salines, chlorures (modérés) |
| 321 / 347H | ASTM A240 / A182 | -196°C à +540°C | ≤ 200ppm | Service à haute température (> 425°C) – nuances stabilisées |
| Duplex 2205 | ASTM A240 / A182 | -40°C à +280°C | ≤ 300ppm à 80°C | Hydrocarbures contenant des chlorures, offshore |
| Super Duplex 2507 | ASTM A240 / A182 | -40°C à +250°C | ≤ 500ppm à 60°C | Service sévère aux chlorures, eau de mer |
| Grade | Spécification | Plage de température | Application |
|---|---|---|---|
| Titane Gr.2 | ASTM B265 / B381 | -40°C à +230°C | Eau de mer, saumure, service à haute teneur en chlorures |
| Alliage 625 (Inconel) | ASTM B443 / B564 | -196°C à +540°C | Gaz acide, corrosif haute température, unités d'amine |
| Alliage C276 (Hastelloy) | ASTM B575 / B564 | -196°C à +400°C | Service sévère aux acides et chlorures |
| Cuivre-nickel C70600 | ASTM B171 | -40°C à +200°C | Eau de refroidissement marine, eau saumâtre |
Pour service corrosif, la plaque tubulaire peut être fournie avec une couche d'alliage résistant à la corrosion (CRA) plaquée ou soudée sur la surface exposée au procédé. Les méthodes de placage comprennent :
Plaque plaquée par explosion: Matériau de base (AC) + couche CRA liée métallurgiquement par détonation explosive
Plaque plaquée par laminage: Laminée à chaud sous pression pour former une liaison entre l'AC et le CRA
Soudage par recouvrement (placage par bande): Matériau CRA déposé sur la surface de l'AC en bandes superposées
Soudage de remplissage: Couche CRA appliquée sur la surface de la plaque tubulaire par soudage, puis usinée à plat
| Paramètre | Plage / Valeur | Standard / Note |
|---|---|---|
| Matériau de placage | 304L / 316L / Duplex / Ti / Alliage 625 / Alliage C276 | Selon la corrosivité du fluide de procédé |
| Épaisseur du placage | 2mm – 6mm (minimum 3mm selon ASME VIII-1 UW-13) | L'épaisseur du placage est exclue du calcul de pression sauf si entièrement liée |
| Résistance au cisaillement de la liaison (plaqué par explosion) | ≥ 140 MPa | Selon ASTM B898 |
| Liaison de la zone plaquée | ≥ 99% de surface liée | Taches individuelles non liées ≤ 100mm² ; total ≤ 1% |
| Épaisseur du soudage par recouvrement | Minimum 3mm – 6mm | Mesuré après usinage à la surface finale |
| Finition de surface après placage | Ra ≤ 1.6μm (pour joints dilatés) / Ra ≤ 3.2μm (pour joints soudés) | Selon TEMA |
L'épaisseur minimale requise d'une plaque tubulaire est calculée selon ASME VIII-1 Annexe A ou TEMA RCB-4.3. Formules simplifiées pour le dimensionnement préliminaire :
t = F * (P * D) / (2 * S * E – 0.2 * P) * C (correction pour l'efficacité du ligament des trous de tube)
Où : F = facteur de conception (typiquement 1.0 – 1.5 selon le type de joint tube-plaque tubulaire), P = pression de conception (la plus élevée du côté tube ou côté calandre, ou différentielle), D = diamètre de la plaque tubulaire, S = contrainte admissible à la température de conception, E = efficacité du ligament (aire du ligament / aire de pas totale)
Efficacité du ligament η = (p – d) / p (pour pas triangulaire), où p = pas, d = diamètre du trou
t = d * sqrt(C * P / S * E)
Où : d = diamètre de la plaque tubulaire (pour plaques circulaires), C = facteur de contrainte de bord (0.3 – 0.5 selon la condition de support)
Pour les joints de tubes dilatés : Épaisseur minimale de la plaque tubulaire ≥ 1.5* DE du tube ou ≥ DE du tube + 20mm (le plus grand des deux)
Pour les joints de tubes soudés : Épaisseur minimale ≥ 1.0* DE du tube ou ≥ 20mm (le plus grand des deux)
Pour les joints combinés (soudé + dilaté) : Épaisseur minimale ≥ DE du tube + 15mm
| Méthode | Tolérance | Application typique |
|---|---|---|
| Perçage CNC | ±0.05mm – ±0.10mm | Haute précision, motifs multi-trous, grandes plaques tubulaires |
| Perçage radial | ±0.1mm – ±0.2mm | Fabrication conventionnelle, tolérances modérées |
| Perçage profond | ±0.025mm | Trous profonds (> 5* diamètre), haute précision |
| Perçage laser | ±0.02mm | Plaques tubulaires minces (≤ 20mm) |
Pour les joints dilatés : Finition de surface du trou Ra ≤ 1.6μm – assure une friction adéquate pour la prise mécanique
Pour les joints soudés : Finition de surface du trou Ra ≤ 3.2μm – moins strict ; la fusion de la soudure nécessite la propreté
Pour les joints combinés : Ra ≤ 1.6μm (partie dilatation) / Ra ≤ 3.2μm (zone de soudure)
Ébavurage : Tous les trous doivent être ébavurés des deux côtés – les bavures causent des difficultés d'insertion du tube et des défauts de joint
Nettoyage des trous : Soufflage d'air comprimé ou rinçage au solvant pour éliminer les copeaux et les résidus de fluide de coupe
100% des trous vérifiés pour le diamètre avec un calibre tampon (GO/NOGO) – le calibre GO doit passer ; le calibre NOGO ne doit pas passer
100% des trous vérifiés pour les dimensions du ligament (pont) – tolérance ±0.2mm
Échantillon (5%) de trous vérifiés pour la finition de surface par comparateur – comparaison visuelle avec la norme
Vérification de la perpendicularité des trous : Indicateur à cadran sur la face de la plaque tubulaire – déviation maximale ≤ 0.5°
| Type de joint | Méthode | Résistance à l'arrachement (min) | Service applicable | Inspection |
|---|---|---|---|---|
| Dilaté uniquement | Dilatation hydraulique à 160–220 MPa, maintien 5–8s ; ou dilatation par rouleau | ≥ 20 MPa (AC) / ≥ 25 MPa (AI) | Fluides non toxiques, non cycliques, propres | Test d'hydrostatique + test d'arrachement du premier article |
| Soudé uniquement (soudure d'étanchéité) | Soudure d'angle GTAW (TIG), cordon 1.5–2.0mm | N/A (rétention mécanique par la soudure uniquement) | Gaz haute pression, service hydrogène, fluides toxiques | 100% PT selon ASME VIII-1 UW-51 |
| Soudure + dilatation (combiné) | Soudure d'étanchéité + dilatation hydraulique à 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Thermique cyclique (> 500 cycles/an), haute pression, toxique | 100% PT + test d'hydrostatique + test d'arrachement |
| Soudé (pénétration complète) | Soudure à pénétration complète GTAW, joint complet | ≥ 30 MPa | Pression extrême (> 15 MPa), hydrogène, facteur de sécurité élevé | 100% PT + 100% RT (ponctuel) |
| Examen | Méthode | Portée | Critères d'acceptation (selon ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Lamination (plaque) | UT (faisceau droit) | 100% de la surface de la plaque (avant perçage) | Laminations ≤ 20mm² par 100cm² ; pas de lamination de bord |
| Fissures de surface | PT (liquide pénétrant) | 100% de la face percée + surface de placage | Pas de fissures ; porosité ≤ 0.8mm ; pas de porosité groupée |
| Intégrité de la liaison plaquée (si plaqué) | UT (onde de cisaillement / scan de liaison) | 100% de la surface plaquée | Pas de délaminage > 20mm ; pas d'indications groupées |
| État de la paroi du trou | Borescope (visuel) | 5% – 10% des trous (aléatoire) | Pas de rayures, éraflures > 0.1mm de profondeur |
| Soudure plaque tubulaire-calandre (si soudée) | RT / MT / PT | Selon UW-51 (complet) ou UW-52 (ponctuel) | Selon ASME VIII-1 UW-51 / UW-52 |
| Paramètre | Tolérance | Méthode |
|---|---|---|
| Diamètre du trou (ID) | H11 selon ISO 286 (par exemple, Ø25.2mm +0.13/0) | Calibre tampon / micromètre d'alésage |
| Déviation du ligament de trou (pont) | ≤ ±0.2mm | Comparateur optique / MMT |
| Accumulation de pas (sur une portée de 1m) | ≤ ±1.0mm | MMT / comparateur optique |
| Planéité de la face de la plaque tubulaire | ≤ 1mm par 1 000mm de diamètre | Indicateur à cadran / règle |
| Rugosité de surface (plaqué ou AC) | Ra ≤ 1.6μm (dilaté) / ≤ 3.2μm (soudé) | Comparateur de surface / profilomètre |
| Variation d'épaisseur totale | ±3% de l'épaisseur nominale | Micromètre (à 5 points) |
| Diamètre du cercle de boulons | Selon la norme de bride ASME B16.5 | Gabarit / MMT |
| Alignement des trous de boulons | ≤ 1.0mm de déviation par rapport au dessin | Gabarit / MMT |
Si la plaque tubulaire est fournie en tant que composant autonome (non assemblée à la calandre), l'essai hydrostatique est généralement effectué après l'assemblage de l'échangeur de chaleur complet. Cependant, les vérifications intermédiaires suivantes sont effectuées :
Test d'étanchéité des trous de tube : Appliquer de l'air basse pression (0.2 MPa) à chaque trou (avec un tube factice inséré) – vérification à l'eau savonneuse pour les fuites – acceptation : pas de bulles
Pour les plaques tubulaires plaquées : Hydrotest léger (0.5 MPa) sur la surface plaquée – vérifier les cloques ou le délaminage du placage – acceptation : pas de cloques visibles
Test de pression des trous de boulons (pour les plaques tubulaires connectées par bride) : Vérification de l'intégrité des trous de boulons – pas de fuite du trou de boulon vers le trou de tube sous 0.6 MPa d'air
Certificats de contrôle des matériaux (EN 10204 3.1 ou 3.2) – plaque de base, matériau de placage, matériaux d'apport
Rapport de données ASME U-stamp (si applicable) – y compris les calculs de conception
Fiche technique TEMA (Classe R/B/C) – si applicable
Rapport d'inspection dimensionnelle (diamètre des trous, pas, déviation du ligament, planéité, épaisseur)
Rapports CND – UT (lamination), UT (liaison plaquée), PT (surface), borescope
Rapport de test de résistance au cisaillement de la liaison plaquée (si plaqué – plaqué par explosion ou laminé)
Rapport de finition de surface des trous de tube (enregistrements de profilomètre – échantillon 5% des trous)
Spécification de procédure de soudage (WPS) et enregistrement de qualification (PQR) – si placage par recouvrement ou soudures plaque tubulaire-calandre appliquées
Graphique de traitement thermique post-soudage (PWHT) – si effectué (enregistrement temps-température)
Dessin (tel que construit) – avec coordonnées du motif des trous, pas et dimensions
Lors de la commande d'une plaque tubulaire (neuve, de remplacement ou de rechange), fournissez :
Type de plaque tubulaire– Fixe / Flottante / en U
ID de la calandre et ID du canal– détermine le diamètre de la plaque tubulaire
Nombre de tubes et motif de disposition des tubes– Triangulaire / Carré / Carré tourné
DE et épaisseur de paroi du tube– détermine le diamètre du trou et le pas
Pas des tubes– (distance centre à centre) – selon TEMA ou GB/T 151
Diamètre du trou de tube– Tolérance H11 selon ISO 286
Type de joint tube-plaque tubulaire– Dilaté / Soudé / Combiné / Pénétration complète
Épaisseur de la plaque tubulaire– selon ASME VIII-1 Annexe A ou TEMA RCB-4.3
Matériau de la plaque tubulaire– AC / AI / Duplex / Ti / Alliage (plein ou plaqué)
Exigence de placage– (le cas échéant) – matériau, épaisseur, méthode (plaqué par explosion / laminé / par recouvrement)
Pression de conception– côté tube et côté calandre (spécifier également la pression différentielle)
Température de conception– côté tube et côté calandre
Type de connexion de bride– RF (face surélevée) ou RTJ (joint annulaire) – si la plaque tubulaire est bridée
Norme de perçage de bride– ASME B16.5 / B16.47 ou HG/T 20615
Exigence de PWHT– basé sur l'épaisseur du matériau et le service (selon UCS-56)
Exigence de CND– selon ASME VIII-1 ou spécification du projet
Traitement de surface– (si requis) – décapage / passivation / revêtement / électropolissage
La plaque tubulaire en tant que produit autonome est soumise aux limitations suivantes :
Elle n'est pas homologuée pour la pression interne tant qu'elle n'est pas assemblée avec la calandre, les tubes et les brides – la classification du récipient complet s'applique
Elle doit correspondre au motif de boulonnage de la bride de calandre et à la surface d'appui du joint ; des trous de boulons ou un profil de joint non conformes empêcheront une étanchéité correcte
Pour les plaques tubulaires plaquées, la température de service est limitée par la température de service maximale la plus basse du matériau de base ou du matériau de placage (par exemple, base AC + placage Ti → max 230°C en raison de la limite du Ti)
Ne convient pas aux fluides côté tube ou côté calandre qui dépassent la résistance à la corrosion du grade de matériau sélectionné – vérifier avec le tableau de sélection
Pour les diamètres très importants (> 3 000 mm) ou les sections très épaisses (> 300 mm), la disponibilité de plaques forgées ou plaquées laminées peut être limitée – consulter le fabricant pour les délaisLes plaques tubulaires avec placage soudé nécessitent un PWHT soigné pour éviter la fissuration par l'hydrogène dans le matériau de base et la sensibilisation dans le placage (pour le placage en acier inoxydable, un recuit de mise en solution peut être requis après soudage)
