Une platine de raccordement intermédiaire permet aux raffineries de souder de nouveaux thermocouples sur celui-ci plutôt que directement sur le tube nu du four, car des soudures répétées nuisent à l’intégrité du tube. Cependant, l’utilisation de ce recouvrement de soudure affecte la précision des relevés de température.
WIKA a effectué une série de scans IR, de simulations CFD et de tests pour quantifier les écarts de température causés par l’utilisation d’une platine de raccordement intermédiaire avec des thermocouples tubeskin.
Le contrôle de la température est essentiel au fonctionnement efficace des fours à flamme. Des relevés de température précis permettent aux raffineries de fonctionner avec des tubes de four très proches du fluage et de minimiser l’encrassement et la cokéfaction à l’intérieur de ces tubes.
La manière la plus efficace d’obtenir des relevés de température précis des tubes de four est d’utiliser des thermocouples de surface, qui présentent des avantages par rapport aux pyromètres. Grâce à des tests approfondis, le centre de R&D de WIKA a vérifié que les lectures des thermocouples de surface sont des représentations fidèles de la température réelle du métal du tube, mesurée par des thermocouples de référence installés.
Thermocouples de peau, problèmes de soudure et de platine de raccordement intermédiaire
Les thermocouples sont des capteurs de température précis et durables. Toutefois, comme les thermocouples de peau (TSTC) sont soumis à des températures extrêmes, leur fiabilité est limitée à quelques cycles de rotation, après quoi ils doivent être remplacés. C’est là que réside le problème :
- Les TSTC sont généralement soudés à la surface du tube.
- Les TSTC de remplacement doivent être installés à proximité de l’emplacement des TSTC défaillants.
- La métallurgie de certains tubes ne permet pas de les souder après une utilisation prolongée.
Par conséquent, les raffineries sont limitées dans leur capacité à souder de nouveaux thermocouples directement sur des tubes nus lorsque les anciens thermocouples sont défectueux.
L’un des moyens de surmonter les limites métallurgiques du tube de four est l’utilisation d’une platine de raccordement intermédiaire. Il s’agit d’une épaisseur prédéfinie de matériau de soudure installée sur la surface du tube. Le nouveau TSTC est alors monté sur cette couche de soudure plutôt que sur le tube nu, ce qui permet d’éviter tout problème d’intégrité du tube ou de traitement thermique post-soudure (PWHT).
Cependant, l’utilisation d’une platine de raccordement intermédiaire pose ses propres problèmes. Nous voulions comprendre l’impact de cette couche supplémentaire de métal sur la précision de la mesure de la température.
Méthodologie : Test de la précision des thermocouples de peaux installés sur une platine de raccordement intermédiaire
WIKA dispose d’un centre de R&D à Houston avec un chauffage de 9,6 millions de BTU qui peut reproduire une variété de conditions de process. Cette unité d’essai nous permet de déterminer la précision des TSTC installés sur les platines de raccordement.
platine de raccordement intermédiaire installée radialement (longitudinalement)
platine de raccordement intermédiaire installée dans le sens circonférentiel (transversal)
Les variables de ce projet :
- Matériau de soudure de dimension et d’épaisseur fixes, installé de manière circonférentielle (transversale) ou radiale (longitudinale).
- Différentes valeurs d’émissivité de la platine
- Produits thermocouples installés sur un tube nu ou sur une platine de raccordement
- Conditions de fonctionnement différentes
Thermocouples de référence
Comme référence, nous avons installé des thermocouples testés dont la précision est connue. Le pelage est l’une des méthodes les plus courantes pour installer des TSTC de référence, car il permet d’obtenir les températures du tube les plus exactes. Cependant, le nombre d’essais que nous avions prévu nécessiterait de nombreux changements et perçages, ce qui rendrait cette méthode irréalisable.
La méthode de décharge de capacité pour fixer les thermomètres de référence à la surface est une alternative à la méthode de l’encapsulage. Nous avons testé cette méthode alternative en comparant ses relevés de température à ceux d’un thermocouple intégré, et nous avons constaté que l’écart de température moyen entre les deux était d’environ 0,5 °C (1,1 °F) dans diverses conditions de cuisson et de traitement. Comme cet écart est faible, nous avons utilisé en toute confiance la méthode de décharge de capacité pour souder les thermocouples de référence à la platine de raccordement.
Remarque : Le four du centre R&D de WIKA est reproductible à 0,5°C près, d’après les nombreux tests d’étalonnage et de profilage effectués sur cette unité.
Résultats du test : Platine de raccordement sur tube nu
Platines de raccordement transversaux (à gauche) et longitudinaux sur les tubes de four, thermographie IR
Avant de tester les TSTC installés sur un butter-pad, nous devions d’abord comprendre la distribution de la température des butter-pads eux-mêmes. En utilisant le balayage infrarouge (IR), nous avons constaté que la température à la surface du revêtement de soudure est systématiquement supérieure d’environ 2,2°C (4°F) à celle du tube nu (voir figure 1). Les résultats des simulations de la dynamique des fluides numérique (CFD) correspondaient étroitement aux données d’essai (voir tableau 1).
Tableau 1 : Température du tube nu vs. Platine de raccordement, thermographie IR et simulation CFD
| N° | Cuisson (MMBtu/hr) | Référence (tube nu) | Platine (IR) | Platine (CFD) |
| 1 | 6,9 | 405°C | 407°C | 407°C |
| 2 | 5,9 | 390°C | 392°C | 392°C |
| 3 | 4,6 | 371°C | 373°C | 372°C |
La température de la surface de la platine de raccordement était plus basse que prévu pour un métal d’une épaisseur de 0,196″ (5 mm). Le balayage IR a révélé une valeur d’émissivité de 0,67 correspondant à la température, ce qui a été validé par le modèle CFD de l’installation. Le CFD a été exécuté à nouveau, cette fois avec une émissivité de 0,45 et 0,85, toutes deux au taux de cuisson maximal, afin de comprendre l’impact de l’émissivité sur la température de surface.
Comme prévu, lorsque la platine est plus polie que le tube nu, sa valeur d’émissivité plus faible se traduit par une température de surface plus froide. L’inverse est vrai : une surface moins polie (valeur d’émissivité plus élevée) se traduit par une température de surface plus élevée (voir tableau 2).
Tableau 2 : Température de la platine de raccordement en fonction des valeurs d’émissivité, simulation CFD
| N° | Valeur d’émissivité de la Platine | Température de la platine* | Déviation de la température de la platine |
| 1 | 0,45 | 390°C | −33°C |
| 2 | 0,67 | 407°C | -16°C |
| 3 | 0,85 | 418°C | -5°C |
*Au centre
Nous avons trouvé intéressant que la température de la platine de raccordement ne soit pas uniforme sur toute sa surface. Au contraire, la température avait tendance à être plus élevée sur les bords et plus froide vers le centre (voir figure 2).
Températures des platines en fonction de l’orientation et des valeurs d’émissivité, simulation CFD
| Variation longitudinale avec ε | Variation transversale avec ε |
|
|
La dernière simulation CFD que nous avons réalisée visait à comprendre l’impact de conditions de cuisson plus chaudes sur la température de la platine de raccordement par rapport à la température de la surface nue (voir tableau 3).
Tableau 3 : Températures du tube nu et de la platine à différentes cuissons, simulation CFD
| N° | Cuisson (MMBtu/hr) | Tube nu | Platine de raccordement |
| 1 | 6,9 (Chaleur normale) | 425°C | 427°C |
| 2 | 12,7 (Chaleur élevée) | 538°C | 539°C |
Le modèle CFD validé a été utilisé pour simuler les conditions d’essai pour lesquelles des données d’essai du produit sont disponibles pour l’installation de tubes nus.
Résultats des essais : Thermocouple installé sur une platine de raccordement intermédiaire
Après avoir analysé et validé les données ci-dessus, nous avons effectué des simulations et des essais réels sur les performances de notre thermocouple soudé sur la platine. Cela nous a permis de comprendre l’impact de la platine sur la précision du capteur. Les points d’essai en MMBtu/heure sont restés les mêmes afin de conserver une base de comparaison similaire.
Tout d’abord, nous avons testé le produit, non blindé et blindé, sur un tube nu (voir tableau 4).
Tableau 4 : Écart de température du TSTC non blindé par rapport au TSTC non blindé sur un tube nu
| N° | Cuisson (MMBtu/hr) | Température tube nu | Température de lecture | Déviation de la température | |||||||
| 1 | 6,9 | 425°C |
|
|
| ||||||
| 2 | 12,7 | 538°C |
|
|
|
Les données montrent que les capteurs, qu’ils soient blindés ou non, sont précis dans les limites de tolérance des thermocouples pour un dégagement de chaleur normal ou élevé.
Deuxièmement, nous avons testé le produit, non blindé et blindé, installé sur une platine de raccordement (voir tableau 5).
Tableau 5 : Écart de température du TSTC non blindé par rapport au TSTC non blindé sur une platine de raccordement
| N° | Cuisson (MMBtu/hr | Température tube nu | Température de lecture | Déviation de la température | |||||||
| 1 | 6,9 | 425°C |
|
|
| ||||||
| 2 | 12,7 | 538°C |
|
|
|
À en juger par les données, le produit non blindé et le produit blindé affichent une température supérieure à -7°C lorsqu’ils sont installés sur une platine par rapport à un tube nu. Il convient de mentionner que les produits particuliers utilisés dans ces tests sont très précis lorsqu’ils sont installés sur des tubes nus ; les thermocouples moins précis présenteraient un écart de température encore plus important, en fonction de leur conception.