Serpentin de tube comme surface de transfert de chaleur primaire
Un serpentin de tube de réchauffeur à feu est l'ensemble tubulaire continu à travers lequel le fluide de procédé s'écoule lorsqu'il est chauffé par les gaz de combustion dans un réchauffeur à feu. Le serpentin de tube est la surface de transfert de chaleur primaire du réchauffeur à feu, absorbant l'énergie thermique du rayonnement de flamme (section radiante) et de la convection des gaz de combustion chauds (section de convection).
Le réchauffeur à feu est un appareil de chauffage à combustion directe dans lequel le fluide de procédé s'écoule à l'intérieur des tubes tandis que la combustion du combustible se produit à l'extérieur des tubes. Le serpentin de tube est le composant critique de confinement de pression du réchauffeur à feu et est conçu et fabriqué selon API 560 (Réchauffeurs à feu pour service général de raffinerie), ASME B31.3 (Tuyauterie de procédé) et GB/T 16507 (Chaudières à tubes d'eau) pour les applications domestiques.
Sections de réchauffeur à feu – Configuration du serpentin par emplacement
Serpentin de section radiante
La section radiante (foyer) est l'endroit où le fluide de procédé reçoit la majeure partie de sa charge thermique par rayonnement de flamme directe. Les tubes de la section radiante sont exposés au flux de chaleur et aux températures du métal des tubes les plus élevés.
Disposition des tubes : Verticale (hélicoïdale ou serpentine) ou horizontale (rangée simple ou multiple)
Support de tube : Les tubes radiants sont supportés par des crochets de tubes, des supports guides ou des ancrages réfractaires
Flux de chaleur : Le transfert de chaleur radiatif prédomine ; la température du métal des tubes est généralement de 50°C à 100°C supérieure à la température de sortie du fluide de procédé
Configurations courantes :
Serpentin hélicoïdal : Tubes en spirale autour de la circonférence du foyer ; courant dans les réchauffeurs cylindriques
Serpentin : Tubes disposés en plusieurs passes horizontales ou verticales avec des coudes de retour reliant les tubes adjacents
Serpentin à passage unique : Chaque tube va de l'entrée à la sortie sans coudes intermédiaires
Serpentin à passages multiples : Le fluide de procédé effectue plusieurs passes à travers la section radiante via des coudes de retour
Serpentin de section de convection
La section de convection est située au-dessus de la section radiante, où le transfert de chaleur se produit principalement par convection forcée à partir des gaz de combustion chauds. Les tubes de la section de convection fonctionnent à un flux de chaleur et à des températures du métal des tubes plus faibles.
Disposition des tubes : Rangées horizontales ou verticales avec un pas de tube décalé ou en ligne
Surface étendue : Les tubes de convection sont souvent dotés d'ailettes ou de goujons pour augmenter la surface de transfert de chaleur
Tubes de blindage : Les 2 à 3 premières rangées de tubes de convection exposées à la chaleur radiante du foyer sont généralement nues (sans ailettes) pour éviter d'endommager les ailettes en cas d'exposition à haute température
Types de tubes courants : Tube nu, tube à ailettes, tube à goujons (tube à picots)
Tuyauterie de transition / de raccordement
La tuyauterie de raccordement relie la sortie de la section de convection à l'entrée de la section radiante (ou vice versa), généralement située à l'extérieur du carter du réchauffeur. La tuyauterie de raccordement doit tenir compte de la dilatation thermique entre les sections.
Paramètres de conception du serpentin – Selon API 560 / ASME B31.3
| Paramètre | Plage | Norme / Note |
|---|---|---|
| OD du tube | 50,8 mm – 273,1 mm (2" – 10,75") | Selon API 560 Tableau 4 |
| Épaisseur de paroi du tube | 3,0 mm – 25,0 mm | Selon API 530 (calcul d'épaisseur de tube) |
| Longueur du tube (par section droite) | 3,0 m – 15,0 m | Limité par le transport et la manutention |
| Pression de conception | Jusqu'à 35 MPa | Selon ASME B31.3 / API 560 |
| Température de conception (métal du tube) | Jusqu'à 590°C | Dépendant du matériau ; Cr-Mo pour > 425°C |
| Marge de corrosion | Selon API 560 7.1.2 | Minimum selon les spécifications de l'acheteur |
| Pas de tube (axe à axe) | 2 × OD du tube (rayon court standard) | Selon API 560 Tableau 4 |
| Flux de chaleur maximal admissible | Selon la conception de la section radiante / API 560 | Détermine la température du métal du tube |
Sélection des matériaux – Matériaux des serpentins de tubes (Selon API 560 Tableau 5)
Aciers au carbone
| Qualité | Spécification | Température max. | Application |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Service général de raffinerie, température modérée |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Service de chaudières et de réchauffeurs |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Norme domestique pour le service de craquage pétrolier |
Aciers alliés au chrome-molybdène
| Qualité | Composition | Température max. | Application |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0,5Cr-0,5Mo | ~540°C | Température élevée modérée |
| SA-213 T11 | 1,25Cr-0,5Mo | ~590°C | Tubes de réchauffeur de raffinerie ; résistance modérée au fluage |
| SA-213 T22 | 2,25Cr-1Mo | ~590°C | Hydrocraqueur, reformeur, haute température/haute pression |
| SA-213 T5 | 5Cr-0,5Mo | ~590°C | Service corrosif à haute température |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590°C | Service érosif à haute température |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590°C | Service avancé à haute température et à fluage |
Aciers inoxydables austénitiques
| Qualité | Température max. | Application |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600°C | Température élevée, résistance à la corrosion, résistance au fluage |
| TP316L | ~450°C | Service contenant des chlorures (modéré) |
| TP347H | ~600°C | Résistance au fluage à haute température ; qualité stabilisée |
| SUS310S | ~700°C | Résistance extrême à l'oxydation à haute température |
Alliages de nickel
| Qualité | Température max. | Application |
|---|---|---|
| Alliage 800H / 800HT | ~600°C | Service corrosif à haute température ; gaz acide |
Configuration du serpentin – Supports et guides de tubes
Selon API 560, des supports de tubes sont nécessaires pour maintenir l'alignement des tubes et éviter leur affaissement ou leur vibration :
Section radiante : Crochets de tubes (pour tubes verticaux), supports guides (pour tubes horizontaux) ou ancrages réfractaires
Section de convection : Plaques de support ou plaques tubulaires avec des trous percés pour recevoir les tubes
Espacement des supports : Déterminé par la taille, le matériau et la température de fonctionnement du tube – généralement 1,5 m à 3,0 m
Guides de tubes : Permettent la dilatation thermique axiale tout en limitant le mouvement latéral
Gestion de la dilatation thermique
Les serpentins de réchauffeurs à feu subissent une dilatation thermique importante en raison des différences de température entre les conditions de démarrage et de fonctionnement
La dilatation est compensée par :
Coudes de retour : Raccords en forme de U qui absorbent la dilatation différentielle entre les tubes adjacents
Boucles de dilatation : Configurations de tuyauterie qui absorbent la dilatation axiale
Supports guidés : Permettent aux tubes de glisser axialement tout en maintenant l'alignement
Collecteurs flottants : Collecteurs qui se déplacent avec le serpentin pour absorber la dilatation
Surface étendue – Ailettes et goujons (Section de convection)
Pour augmenter le transfert de chaleur dans la section de convection, les tubes sont souvent dotés d'une surface étendue :
| Type de surface étendue | Description | Application |
|---|---|---|
| Tube à ailettes | Ailettes hélicoïdales soudées ou extrudées sur l'OD du tube | Section de convection ; augmente la surface de 5 à 10 fois |
| Tube à goujons (tube à picots) | Goujons (picots) soudés à la surface du tube | Service d'encrassement ; permet le soufflage de suie sans endommager les ailettes |
| Ailette dentelée | Ailette fendue ou dentelée pour un coefficient de transfert de chaleur plus élevé | Service de convection à haute efficacité |
Paramètres typiques des ailettes/goujons :
Hauteur de l'ailette : 12 mm – 25 mm
Pas de l'ailette : 4 à 12 ailettes par pouce (FPI)
Matériau de l'ailette : Acier au carbone, acier inoxydable ou acier allié
Matériau du goujon : Généralement le même que le matériau du tube ou un alliage compatible
Coudes de retour – Connexions du serpentin
Les coudes de retour relient les tubes adjacents dans les serpentins à passages multiples, inversant le sens d'écoulement de 180° :
Emplacement : À l'intérieur du foyer (section radiante) ou à l'intérieur d'une boîte de collecteur (compartiment isolé à l'extérieur du foyer)
Pression et température de conception : Coudes de retour à l'intérieur du foyer – identiques aux tubes de connexion ; à l'intérieur de la boîte de collecteur – même pression de conception, température du fluide +30°C
Épaisseur : Au moins la même épaisseur que les tubes de connexion
Raccords : Les raccords soudés longitudinalement ne doivent pas être utilisés
Normes : SH/T 3065 (Coudes de retour de réchauffeur tubulaire pétrochimique), ASME B16.9
Dimensions axe à axe des coudes de retour (selon API 560 Tableau 4) :
| OD du tube (mm) | Axe à axe du collecteur (mm) |
|---|---|
| 60,3 | 101,6 |
| 73,0 | 127,0 |
| 88,9 | 152,4 |
| 101,6 | 177,8 |
| 114,3 | 203,2 |
| 127,0 | 228,6 |
| 141,3 | 254,0 |
| 152,4 | 279,4 |
| 168,3 | 304,8 |
| 193,7 | 355,6 |
| 219,1 | 406,4 |
| 273,1 | 508,0 |
Collecteurs et distributeurs
Les collecteurs (collecteurs d'entrée et de sortie) distribuent le fluide de procédé vers et depuis le serpentin de tube :
Collecteurs à bouchon : Bouchons amovibles pour l'accès aux tubes ; utilisés pour les services propres
Collecteurs à plaque de couverture : Couvercle boulonné pour un accès complet aux tubes ; utilisés pour les services d'encrassement
Collecteurs de tuyauterie : Construction soudée ; utilisés pour les services à haute pression
Pression de conception : Identique à celle des tubes de connexion
Température de conception : Température du fluide à cet endroit +30°C pour l'installation dans une boîte de collecteur
Processus de fabrication – Assemblage du serpentin de tube
Préparation des tubes : Tubes coupés à la longueur ; extrémités chanfreinées selon ASME B16.25 pour soudage bout à bout
Fixation des coudes de retour : Coudes de retour soudés aux extrémités des tubes (cordon GTAW + remplissage SMAW) selon ASME Section IX
Soudage d'ailettes/goujons : Ailettes ou goujons soudés aux tubes de convection (soudage haute fréquence ou soudage par résistance)
Assemblage du serpentin : Tubes assemblés en rangées et fixés aux supports
Fixation du collecteur : Collecteurs soudés à l'entrée/sortie du serpentin
PWHT : Requis pour les alliages Cr-Mo et les sections en acier au carbone à paroi épaisse (selon ASME B31.3 / API 560)
Test hydrostatique : 1,5 × pression de conception (selon API 560 / ASME B31.3)
Application de réfractaire/isolation : Appliquée au carter et aux supports de tubes (installée sur site)
Inspection et tests (Selon API 560 / ASME B31.3)
Examens non destructifs (END)
| Examen | Méthode | Portée | Critères d'acceptation |
|---|---|---|---|
| Surface du tube | PT ou MT | 100% des soudures et des coudes | Selon ASME / API 560 |
| Soudures bout à bout | RT ou UT | 100% (selon API 560 / ASME B31.3) | Selon ASME Section VIII / B31.3 |
| Soudures de coudes de retour | PT + RT | 100% | Selon SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Soudures d'ailettes/goujons | Visuel + test de traction | Échantillon par lot | Pas de fissures ; résistance à la traction ≥ spécifiée |
| Dimensionnel | Gabarit / CMM | Selon le dessin du serpentin | Selon ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | Spectromètre XRF | 100% des lots de matériaux | Correspond au certificat matériau |
Test hydrostatique
Pression d'essai : 1,5 × pression de conception (selon API 560 / ASME B31.3)
Milieu d'essai : Eau propre avec inhibiteur de corrosion
Temps de maintien : ≥ 30 minutes
Acceptation : Aucune chute de pression ; aucune fuite visible à aucune soudure ou raccord
Test d'étanchéité pneumatique (si spécifié)
Pression d'essai : 0,6 MPa d'air ou d'azote
Détection de fuite : Bulle de savon ou spectrométrie de masse à l'hélium
Acceptation : Aucune bulle ; taux de fuite ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Profils d'application – Configurations de serpentins par type de réchauffeur
Réchauffeur cylindrique (vertical)
Type de serpentin : Serpentin radiant hélicoïdal (spiralé) + serpentin de convection horizontal
Disposition des tubes : Tubes verticaux en cercles concentriques ; coudes de retour en haut et en bas
Application : Petits et moyens réchauffeurs de raffinerie ; rebouilleurs ; réchauffeurs de procédé
Réchauffeur en caisson (horizontal)
Type de serpentin : Serpentin radiant (passes horizontales ou verticales) + serpentin de convection horizontal
Disposition des tubes : Tubes en plusieurs rangées ; coudes de retour dans des boîtes de collecteur à l'extérieur du foyer
Application : Grands réchauffeurs de raffinerie ; réchauffeurs de brut ; réchauffeurs sous vide
Réchauffeur à double feu / multicellulaire
Type de serpentin : Doubles sections radiantes partageant une section de convection commune
Disposition des tubes : Tubes chauffés des deux côtés
Application : Réchauffeurs de raffinerie à haute capacité ; fours de reformage
Réchauffeurs spécialisés
Four de reformage : Tubes remplis de catalyseur (verticaux) avec coudes en U ; matériaux alliés haute température
Four de craquage d'éthylène : Tubes à haute teneur en alliage avec géométrie de serpentin spécialisée
Four de production d'hydrogène : Tubes de reformage avec catalyseur ; service d'hydrogène à haute pression
Documentation par expédition
Certificats de test matériau (EN 10204 3.1 ou 3.2) – tubes, raccords, collecteurs, ailettes/goujons
Fiche technique API 560 / ASME B31.3
Rapport d'inspection dimensionnelle (OD tube, épaisseur de paroi, pas, rayon de courbure, axe à axe)
Rapports END – PT/MT/RT/UT/PMI selon le cas
Rapport de test hydrostatique (avec enregistrements de pression et de temps)
Rapport de test d'étanchéité pneumatique (si effectué)
Spécification de procédure de soudage (WPS) et enregistrement de qualification de procédure (PQR)
Graphique PWHT (enregistrement temps-température) – si effectué
Dessin du serpentin tel que construit – avec nombre de tubes, configuration des passes, dimensions des collecteurs
Procédure de soudage d'ailettes/goujons et enregistrements de tests de traction (si ailetté/goujonné)
Liste de sélection – Serpentin de tube de réchauffeur à feu
Type de réchauffeur – Cylindrique / Caisson / Double feu / Reformeur / Craquage
Section du serpentin – Radiante / Convection / Les deux
OD et épaisseur de paroi du tube – Selon API 560 / ASME B31.3
Qualité du matériau du tube – CS / Cr-Mo / SS / Alliage – selon API 560 Tableau 5
Pression et température de conception – Selon API 560 / ASME B31.3
Configuration du serpentin – Serpentine / Hélicoïdal / Passage unique / Multi-pass
Nombre de passes – Détermine la quantité et la disposition des coudes de retour
Surface étendue requise – Nue / Ailettée / Goujonnée – spécifier les paramètres d'ailettes/goujons
Type de coude de retour – Rayon court (2 × OD du tube) / Rayon long (3 × OD du tube)
Type de collecteur – Bouchon / Plaque de couverture / Collecteur de tuyauterie
Marge de corrosion – Selon API 560 7.1.2
Exigence PWHT – Basée sur le matériau et l'épaisseur
Exigence END – Selon API 560 ou spécification du projet
Méthode de nettoyage – Décalaminage vapeur-air / Décalaminage mécanique – affecte la conception du serpentin
Déclaration de limitation de conception – Serpentin de tube de réchauffeur à feu
Le serpentin de tube de réchauffeur à feu est soumis aux limitations suivantes :
Il est classé uniquement pour la pression et la température de conception spécifiées sur la fiche technique ; le fonctionnement en dehors de ces limites annule la conception
La température du métal du tube ne doit pas dépasser la température de service maximale admissible du matériau à la pression de conception spécifiée
Les raccords soudés longitudinalement (coudes de retour) ne doivent pas être utilisés conformément à l'API 560 8.3.4
Le serpentin doit être conçu pour la dilatation thermique ; une accommodation inadéquate de la dilatation entraîne une déformation du tube, des dommages au support ou une rupture de soudure
Ne convient pas aux fluides à haute teneur en solides (> 2% en poids) sans sélection de matériau résistant à l'érosion ou augmentation de l'épaisseur de paroi
Les tubes à ailettes/goujons dans les sections de convection nécessitent un soufflage de suie ou un nettoyage pour maintenir les performances ; l'encrassement augmente la perte de charge et réduit le transfert de chaleur
Le remplacement du serpentin nécessite une adaptation minutieuse à la géométrie existante du réchauffeur (pas de tube, configuration des passes, dimensions des collecteurs) – les modifications sur site peuvent nécessiter une nouvelle classification
