Faisceau tubulaire comme assemblage principal de transfert de chaleur
Un faisceau tubulaire est l'assemblage principal de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur multitubulaire. Il se compose de tubes, de plaques tubulaires, de déflecteurs ou de plaques de support, de tiges de serrage, d'entretoises et de composants associés. Le faisceau sépare le fluide côté tube du fluide côté calandre et fournit la surface de transfert de chaleur entre les deux flux.
Un faisceau tubulaire peut être fourni comme faisceau de remplacement, faisceau de rechange ou assemblage complet pour de nouveaux échangeurs de chaleur. Il est conçu et fabriqué selon les normes TEMA Classe C, B ou R, ASME Section VIII Division 1 ou Division 2, et GB/T 151 pour les applications nationales.
Types de faisceaux tubulaires – Classification structurelle
Faisceau à plaques tubulaires fixes (TEMA L / M / N)
Les tubes sont fixés aux deux extrémités dans des plaques tubulaires stationnaires. Les plaques tubulaires sont soudées ou boulonnées à la calandre. La dilatation thermique est compensée par un joint de dilatation sur la calandre lorsque la différence de température entre les tubes et la calandre dépasse la limite admissible pour la combinaison de matériaux.
Application typique : fluides côté calandre propres, différentiel de température modéré, service sans encrassement.
Faisceau à tubes en U (TEMA U)
Les tubes sont courbés en forme de U, et les deux extrémités sont fixées à une seule plaque tubulaire. Chaque tube se dilate indépendamment, de sorte qu'aucun joint de dilatation de calandre n'est requis pour les grandes différences de température.
Application typique : différentiel thermique élevé, service de gaz haute pression, service d'hydrogène, conditions de choc thermique.
Limitation : les tubes individuels ne peuvent pas être nettoyés mécaniquement de l'intérieur ; un nettoyage chimique est requis.
Faisceau à tête flottante (TEMA P / S / T / W)
Une plaque tubulaire est fixe, et l'autre est libre de se déplacer avec la dilatation thermique. La tête arrière est amovible, permettant l'extraction du faisceau pour un nettoyage mécanique.
Application typique : service d'encrassement sévère, grande différence de température, facteur d'encrassement côté calandre élevé.
Composants principaux – Spécifications
Tubes
| Paramètre | Plage | Notes |
|---|---|---|
| Diamètre extérieur du tube | 12,7 mm – 50,8 mm | Diamètre extérieur plus petit pour une pression plus élevée ; diamètre extérieur plus grand pour le service d'encrassement |
| Épaisseur de paroi du tube | 0,9 mm – 5,0 mm | Sélectionné selon ASME VIII-1 UG-27 |
| Longueur du tube | 1,5 m – 12,0 m | Les longueurs standard comprennent 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Pas du tube | 1,25 × – 2,0 × diamètre extérieur du tube | Pas triangulaire pour un transfert de chaleur plus élevé ; pas carré pour le nettoyage mécanique |
| Disposition des tubes | Triangulaire (30°/60°) / Carré (90°/45°) | Le triangulaire donne une surface plus grande par section transversale de la calandre |
Plaques tubulaires
| Paramètre | Plage / Valeur | Notes |
|---|---|---|
| Épaisseur | 15 mm – 350 mm | Selon ASME VIII-1 Annexe AA / TEMA RCB-4.3 |
| Tolérance du diamètre du trou | H11 selon ISO 286 | Exemple : Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Finition du trou | Ra ≤ 1,6 µm pour les joints expansés ; Ra ≤ 3,2 µm pour les joints soudés | Finition plus fine requise pour l'expansion |
| Largeur du ligament | Minimum 0,8 × diamètre du trou | Selon ASME VIII-1 Annexe A |
| Matériau | AC / AS / Duplex / Ti / Alliage / Placage | Correspondant aux fluides côté tube et côté calandre |
Déflecteurs et plaques de support
| Paramètre | Plage / Valeur | Notes |
|---|---|---|
| Type de déflecteur | Segmentaire / Double segmentaire / Hélicoïdal / Support complet | La coupe segmentaire est généralement de 20 % – 35 % |
| Espacement des déflecteurs | 0,2 × – 1,0 × diamètre intérieur de la calandre | Basé sur la longueur de tube non supportée et la vitesse de flux croisé |
| Longueur maximale de tube non supportée | AC : ≤ 36 × diamètre extérieur du tube ; AS : ≤ 30 × diamètre extérieur du tube | Selon TEMA RCB-4.2 |
| Épaisseur du déflecteur | 3,0 mm – 16 mm | Basé sur la différence de pression et la portée de support |
| Diamètre de la tige de serrage | M8 – M24 ou équivalent | Minimum 4 tiges de serrage par faisceau |
Sélection des matériaux – Tubes et plaques tubulaires
Matériaux des tubes
| Matériau | Spécification | Plage de température | Limite de chlorure | Application |
|---|---|---|---|---|
| Acier au carbone | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20°C à +425°C | Non applicable | Eau, huile, vapeur, hydrocarbures propres |
| Acier inoxydable 304L / 304 | ASTM A213 TP304L | -196°C à +600°C | ≤ 200 ppm | Fluides légèrement corrosifs, vapeur propre, qualité alimentaire |
| Acier inoxydable 316L / 316 | ASTM A213 TP316L | -196°C à +500°C | ≤ 200 ppm | Acides organiques, solutions salines, hydrocarbures contenant des chlorures |
| Duplex 2205 | ASTM A789 S32205 | -40°C à +280°C | ≤ 300 ppm à 80°C | Service offshore, eau de mer, CO₂/H₂S |
| Titane Gr.2 | ASTM B338 | -40°C à +230°C | Jusqu'à 20 000 ppm | Eau de mer, saumure, environnements à haute teneur en chlorures |
| Cuivre-nickel C70600 | ASTM B111 | -40°C à +200°C | < 500 ppm | Eau de refroidissement marine, eau saumâtre |
| Alliage 625 / 825 / 800H | ASTM B163 / B444 | -196°C à +600°C | Jusqu'à 500 ppm | Service corrosif à haute température, gaz acide |
Matériaux des plaques tubulaires
Acier au carbone SA-516 Gr.70 pour fluides côté tube non corrosifs
Acier inoxydable plaqué sur acier au carbone pour service corrosif avec haute pression ; épaisseur de placage minimum 3 mm
Acier inoxydable massif 304L / 316L pour service entièrement corrosif
Duplex ou titane pour service offshore et eau de mer
Revêtement en alliage tel que Inconel 625 pour service sévère acide ou chloré
Types de joints tube-plaque tubulaire
| Type de joint | Méthode | Résistance à l'arrachement | Service applicable |
|---|---|---|---|
| Expansé uniquement | Expansion hydraulique à 160–220 MPa, maintien 5–8 s | ≥ 20 MPa pour AC ; ≥ 25 MPa pour AS | Fluides non toxiques, non cycliques, propres |
| Soudé uniquement | Soudure d'angle GTAW, cordon de 1,5–2,0 mm | Rétention mécanique par la soudure uniquement | Gaz haute pression, service d'hydrogène |
| Soudé + expansé | Soudure d'étanchéité plus expansion hydraulique à 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Service thermique cyclique, haute pression, fluides toxiques |
| Soudure à pleine pénétration | GTAW pleine pénétration | ≥ 30 MPa | Pression extrême, hydrogène, facteur de sécurité élevé |
Processus de fabrication – Contrôles clés
Perçage des plaques tubulaires
Taille du foret contrôlée à la tolérance H11 selon ISO 286
Déviation du ligament ≤ ±0,2 mm par rapport au dessin
Finition de surface du trou Ra ≤ 1,6 µm pour les joints expansés
Tous les trous sont ébavurés sur les deux faces et nettoyés avant insertion du tube
Expansion des tubes
Pression d'expansion hydraulique 160–220 MPa ; temps de maintien 5–8 secondes
Profondeur d'expansion minimum 1,5 × diamètre extérieur du tube ou 2 × épaisseur de paroi du tube dans la plaque tubulaire
Contrôle de jauge post-expansion : 100 % des tubes acceptent une bille de jauge 0,5 mm plus petite que le diamètre intérieur du tube
Test d'arrachement sur le premier article par faisceau
Soudage tube-plaque tubulaire
Processus GTAW, automatique ou manuel
Hauteur du cordon de soudure d'angle 1,5–2,0 mm pour soudure d'étanchéité
Pénétration de racine de soudure à pleine pénétration ≥ 0,5 mm dans la paroi du tube
100 % de contrôle par ressuage selon ASME VIII-1 UW-51
Procédure de soudage qualifiée selon ASME Section IX
Traitement thermique post-soudage
Requis lorsque l'épaisseur de la plaque tubulaire en acier au carbone dépasse 38 mm
Requis lorsque le service contient du H₂S humide selon NACE MR0175 / ISO 15156
Cycle PWHT typique : 620°C ± 10°C, maintien 1 heure par 25 mm d'épaisseur, minimum 1 heure
Vitesse de refroidissement contrôlée ≤ 50°C/heure jusqu'à 400°C
Inspection et tests par faisceau
Contrôle dimensionnel
| Article | Tolérance | Méthode |
|---|---|---|
| Diamètre extérieur du tube | ±0,11 mm selon ASTM B730 | Micromètre |
| Épaisseur de paroi du tube | ±10 % de la valeur nominale | Jauge ultrasonique |
| Longueur du faisceau | ±1,5 mm selon TEMA RCB-8 | Mètre ruban ou laser |
| Espacement des déflecteurs | ±1,5 mm | Pied à coulisse ou gabarit |
| Déviation du ligament du trou | ≤ ±0,2 mm | Comparateur optique |
| Rayon de courbure en U | R ≥ 2 × diamètre extérieur du tube | Gabarit de mesure |
Contrôle non destructif
Soudures tube-plaque tubulaire : 100 % de contrôle par ressuage selon ASME VIII-1 UW-51
Revêtement de plaque tubulaire : 100 % de contrôle par ultrasons pour l'intégrité de la liaison selon ASME VIII-1 UW-13
Surface interne du tube : inspection par endoscope sur échantillon aléatoire ; 100 % des tubes passent la bille de jauge
Tubes à ailettes, le cas échéant : inspection visuelle des ailettes desserrées ou manquantes
Tests de pression
Test hydrostatique : 1,3 × pression de conception selon ASME VIII-1 UG-99
Temps de maintien : minimum 30 minutes
Acceptation : aucune chute de pression et aucune fuite visible
Test de fuite pneumatique si spécifié : 0,6 MPa d'air ou d'azote ; détection par bulles de savon
Acceptation du taux de fuite : ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s selon la méthode de l'orifice équivalent
Documentation par expédition
Certificats matière selon EN 10204 3.1 ou 3.2
Rapport de données ASME U-stamp si applicable
Fiche technique TEMA complétée selon la conception
Rapport d'inspection dimensionnelle
Rapport de test hydrostatique avec enregistrement de pression
Rapports CND pour PT, UT, RT ou VT tels qu'effectués
Spécification de procédure de soudage et enregistrement de qualification de procédure
Dessin du faisceau tubulaire tel que construit
Rapport de test d'arrachement de tube pour le premier article
Liste de colisage avec dimensions et poids d'expédition du faisceau
Liste de sélection – Faisceau tubulaire
Type TEMA – Plaque tubulaire fixe / Tube en U / Tête flottante
Diamètre intérieur de la calandre et diamètre de la plaque tubulaire
Diamètre extérieur du tube, épaisseur de paroi et longueur
Pas et disposition des tubes – Triangulaire / Carré
Matériau du tube et matériau de la plaque tubulaire
Type de joint tube-plaque tubulaire – Expansé / Soudé / Combiné
Pression de conception pour le côté tube et le côté calandre
Température de conception pour le côté tube et le côté calandre
Composition des fluides des deux côtés – pour vérifier la compatibilité des matériaux
Marge de corrosion pour les tubes et la plaque tubulaire
Type et espacement des déflecteurs – basé sur la perte de charge admissible et les critères de vibration
Exigences CND et de test selon les spécifications du projet
Exigence PWHT basée sur le matériau et le service
Quantité – faisceau de remplacement, faisceau de rechange ou nouvel équipement
Déclaration de limitation de conception – Faisceau tubulaire
Le faisceau tubulaire est soumis aux limitations suivantes :
Il doit correspondre à la géométrie de la calandre, aux dimensions des plaques tubulaires et au schéma de bride de l'échangeur de chaleur existant.
Il n'est pas conçu pour la pression interne tant qu'il n'est pas assemblé avec la calandre, les canaux et les brides.
Une teneur en solides côté tube supérieure à 2 % en poids n'est pas recommandée sans filtration en amont, en raison du risque d'érosion et de blocage des tubes.
Les joints expansés uniquement ne sont pas recommandés pour les cycles thermiques supérieurs à 500 cycles par an ou pour les services toxiques.
Les faisceaux à tubes en U ne peuvent pas être nettoyés mécaniquement à l'intérieur des tubes ; un nettoyage chimique est requis.
Les faisceaux à plaques tubulaires fixes peuvent nécessiter un joint de dilatation de calandre lorsque la différence de température dépasse la limite admissible.
Pour les services sous vide inférieurs à 1 kPa absolu, un raidissement ou un support supplémentaire peut être requis selon ASME VIII-1 UG-29.
L'eau d'hydrotest pour l'acier inoxydable austénitique doit avoir une teneur en chlorures ≤ 50 ppm pour éviter la fissuration par corrosion sous contrainte.
