Fagot de tubes TEMA pour échangeurs de chaleur multitubulaires

Le faisceau tubulaire est le cœur de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur multitubulaire : l'assemblage des tubes, plaques tubulaires, déflecteurs, tiges de serrage et entretoises à l'intérieur de la calandre. Construit selon les règles de construction TEMA — Classe R, C ou B — le faisceau détermine les performances thermiques et reste la pièce qui s'use, s'encrasse et est finalement remplacée.

Les faisceaux sont fournis à la fois comme composants pour de nouveaux échangeurs construits selon l'API 660 et comme unités de remplacement pour les calandres existantes. Pour les travaux de remplacement, le faisceau doit correspondre au diamètre intérieur de la calandre d'origine, à la longueur de face du faisceau et aux positions des piquages ; la disposition des tubes, le pas et le matériau suivent les conditions de service de l'unité installée.

TEMA et API 660 traitent de différentes couches. TEMA fixe les détails de construction — épaisseur minimale des plaques tubulaires, exigences relatives aux déflecteurs et aux tiges de serrage, tolérances — tandis que l'API 660 ajoute des exigences de conception, d'inspection et de documentation par-dessus. Un faisceau de remplacement cité "selon TEMA" doit indiquer explicitement la classe (R, C ou B), car la classe détermine l'épaisseur de paroi et la couverture d'examen.

Configurations de faisceaux

Quatre configurations couvrent la plupart des applications, identifiées par la lettre de la tête arrière TEMA :

• Plaques tubulaires fixes (têtes arrière L, M, N)— plaques tubulaires soudées à la calandre. Le faisceau n'est pas amovible ; le nettoyage est limité au côté tube ou au nettoyage chimique du côté calandre. Coût le plus bas, adapté aux services propres avec un différentiel de température modéré.
• U-tube (U)— une plaque tubulaire, tubes courbés à 180°. Dilatation thermique libre et retrait complet du faisceau. Le nettoyage mécanique côté tube est peu pratique au niveau des coudes ; adapté aux fluides propres côté tube et aux différentiels de température élevés.
• Tête flottante à anneau fendu (S)— plaque tubulaire flottante maintenue par un anneau de support fendu. Le faible jeu entre le faisceau et la calandre maintient les performances élevées du côté calandre ; le faisceau est amovible et les deux côtés sont nettoyables.
• Tête flottante à passage (T)— plaque tubulaire flottante traverse la calandre. Le jeu plus important coûte de la surface de transfert de chaleur mais permet le retrait du faisceau et l'inspection de la tête sans ouvrir le joint de la calandre ; adapté aux services encrassants et nécessitant un entretien fréquent.

Pour les projets de remplacement, le type de tête arrière existant définit la construction du faisceau. Un faisceau à anneau fendu ne peut pas être simplement substitué par une conception à passage sans modifier le couvercle de la calandre et la géométrie du joint.

Composants et construction du faisceau

Tubes.— Acier au carbone sans soudure selon SA179, SA192 ou SA210 Gr.A1 ; acier inoxydable soudé et sans soudure selon SA249 / SA213 ; duplex et titane pour service corrosif. Les diamètres extérieurs de 19,05 mm (¾") et 25,4 mm (1") couvrent la plupart des dispositions.

Plaques tubulaires.— Plaques forgées selon SA266 Gr.2 ou SA182, ou plaques d'acier au carbone avec revêtement soudé résistant à la corrosion (316L, Alloy 625) lorsque le côté procédé l'exige. L'épaisseur est prise comme la plus grande des résultats de calcul TEMA et ASME.

Déflecteurs et plaques de support.— Déflecteurs segmentaux avec une coupe typique de 20 à 25 % et un espacement dimensionné pour la vitesse et la perte de charge côté calandre. Des déflecteurs double segmentaux, disques et anneaux, et des déflecteurs à tiges sont utilisés lorsque les vibrations ou l'encrassement sont déterminants. Dans les condenseurs, les plaques de support remplacent les déflecteurs lorsque la perte de charge est la contrainte.

Tiges de serrage et entretoises.— La quantité et le diamètre suivent les tables TEMA par rapport au diamètre de la calandre ; ils maintiennent la position des déflecteurs et maintiennent la rigidité du faisceau pendant la manipulation.

Protection contre l'impact.— Une plaque d'impact ou un arrangement de tubes factices est fourni lorsque les conditions d'entrée côté calandre dépassent les limites TEMA, ou lorsque le fluide est érosif ou biphasique.

Disposition et pas des tubes.— Les dispositions triangulaires à 30° permettent de loger plus de surface dans une calandre donnée ; les dispositions carrées à 90° ouvrent des voies de nettoyage d'au moins 6 mm pour le nettoyage mécanique du côté calandre. Le choix est fixé par la tendance à l'encrassement du fluide côté calandre.

Joints tube-plaque tubulaire

Le joint est l'endroit où les faisceaux échouent, et TEMA/API 660 le traitent en conséquence. Trois niveaux de connexion existent, souvent combinés :

• Expansion seule— Expansion mécanique ou hydraulique dans le trou rainuré de la plaque tubulaire. Utilisé pour des pressions et températures modérées.
• Expansion plus soudure d'étanchéité— La soudure empêche les fuites ; l'expansion supporte la charge. Standard pour le service de raffinerie Classe R.
• Soudure de résistance— La soudure seule supporte la charge, utilisée pour les services sévères ou lorsque l'expansion est impraticable (mince paroi, titane).

L'expansion hydraulique est préférée pour les tubes à paroi mince et non ferreux : elle évite l'écrouissage et les contraintes résiduelles que le laminage mécanique introduit, ce qui est important dans les services chlorés et H₂S humides. Les procédures de soudage sont qualifiées selon la section IX de l'ASME._GammeComposant

Matériaux courants

Paramètre_GammeDiamètre du faisceau (ID de la calandre)

DN150 – DN2000

— le dessin de disposition des tubes d'origine, lorsqu'il est disponible, définit le nombre de tubes, le pas, l'espacement des déflecteurs et les tolérances. C'est la voie préférée ; la déviation dimensionnelle est limitée aux tolérances TEMA documentées.

Selon mesure

— lorsque les dessins sont perdus, le faisceau ou la calandre est mesuré sur site : ID de la calandre, longueur de face du faisceau, nombre de tubes, diamètre extérieur et pas des tubes, nombre et espacement des déflecteurs, positions des piquages. La disposition reconstruite est confirmée avec l'acheteur avant fabrication.

• Pour les faisceaux re-tubés réutilisant les plaques tubulaires existantes, l'état des trous de tubes et le type de joint doivent être vérifiés avant que les nouveaux tubes ne soient laminés ou soudés.Informations requises pour un devis de faisceau
• Diamètre intérieur de la calandre et longueur de face du faisceauType de tête arrière (fixe, U-tube, S ou T) et classe TEMA

Nombre de tubes, diamètre extérieur, pas et angle de disposition — ou le dessin d'origine

Matériaux pour les tubes, plaques tubulaires et déflecteurs, plus toute exigence de revêtement ou NACE

1. Type de joint : expansion, soudure d'étanchéité ou soudure de résistance
2. Données de fonctionnement — fluides, températures, pression de conception — lorsque les performances thermiques doivent être vérifiées, pas seulement la géométrie
3. Les devis de remplacement basés uniquement sur la géométrie peuvent être répondus à partir des éléments 1 à 5. Lorsque l'acheteur s'attend à ce que le remplacement corrige une insuffisance thermique, l'élément 6 est requis — un faisceau qui correspond dimensionnellement à l'ancien correspondra également à ses limites de performance.
4. Considérations de maintenance
5. Les faisceaux amovibles (types U-tube, S et T) permettent le nettoyage mécanique du côté calandre ; les dispositions à pas carré maintiennent les voies de nettoyage ouvertes. Les faisceaux à plaques tubulaires fixes limitent le nettoyage aux méthodes chimiques côté calandre. Après chaque retrait, les joints tube-plaque tubulaire doivent être vérifiés pour les fuites avant le rechargement — un joint qui a passé le test hydrostatique sur banc peut se détendre en service lorsque la calandre et le faisceau subissent des cycles thermiques.