Présentation d’une approche non-intrusive de surveillance de l’encrassement dans les systèmes thermiques industriels

CONFIDENTIEL INDUSTRIE
Présentation d’une approche non-intrusive
de surveillance de l’encrassement dans les
systèmes thermiques industriels
Note technique de synthèse
Référence : AC01_NT_DIF_1539
DIFFUSION
ATISYS Concept :
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ATISYS CONCEPT .
Date: 26/06/2013
Exemplaire :
Aff : 517
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CONFIDENTIEL INDUSTRIE
Technique non-intrusive pour le diagnostic
d’encrassement d’échangeurs thermiques
ACM01_NT_DIF_1539
Note Technique
Date de création
17/09/2012
Date de dernière modification
26/06/2013
Auteur(s)
PE
Rédacteur
ESPARCIEUX Ph.
Nom
Vérificateur
BAUP O.
Approbateur
ESPARCIEUX Ph.
Date
Visa
Modifications
Indice
Date
Auteur
1.0
26/06/2013
PE
Pages modifiées
Reproduction, duplication, communication interdites sauf autorisation écrite de ATISYS CONCEPT
Modifications
Version initiale
1
CONFIDENTIEL INDUSTRIE
Technique non-intrusive pour le diagnostic
d’encrassement d’échangeurs thermiques
ACM01_NT_DIF_1539
2
SOMMAIRE
1.
INTRODUCTION............................................................................................................................. 3
1.1.
BASE CONTRACTUELLE ................................................................................................................ 3
1.2.
BASE THEORIQUE ......................................................................................................................... 3
1.3.
BASES EXPERIMENTALES ............................................................................................................. 3
2.
PRESENTATION DE DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ........................................................ 4
2.1.
ECHANGEUR A FAISCEAUX DE TUBES ........................................................................................... 4
2.2.
ECHANGEUR A PLAQUES .............................................................................................................. 5
2.3.
CONTENU DU PROGRAMME D’ESSAIS ........................................................................................... 5
2.4.
PRINCIPE DE L’ANALYSE DES ESSAIS ............................................................................................ 6
3.
RESULTATS DES ESSAIS ............................................................................................................. 7
3.1.
ESSAIS SUR BOUCLE OSCAR ....................................................................................................... 7
3.1.1.
Rupture des modes acoustiques .......................................................................................... 7
3.1.2.
Matrice de transmissions .................................................................................................... 8
3.2.
ESSAIS SUR ECHANGEUR A PLAQUE .............................................................................................. 9
4.
PERSPECTIVES FUTURES ......................................................................................................... 10
5.
CONCLUSION ............................................................................................................................... 11
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Technique non-intrusive pour le diagnostic
d’encrassement d’échangeurs thermiques
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1. INTRODUCTION
1.1. Base contractuelle
Le présent document décrit une méthode nouvelle et non intrusive de diagnostic d’encrassement des échangeurs
de chaleur.
Il fait suite à une étude conduite dans le cadre du FITT (région Rhône-Alpes) et qui s’est déroulée en 2 phases :

Une phase théorique ;

Une phase expérimentale.
Les techniques d’ores et déjà exploitées utilisent l’analogie entre l’encrassement et la perte d’efficacité des
échangeurs d’un point de vue thermique. La plupart de ces techniques sont intrusives, c'est-à-dire qu’elles
nécessitent un accès aux grandeurs fluides à l’intérieur du/des circuit(s) fluide(s).
Le chalenge de la présente étude était de mettre en évidence une faisabilité de technique non-intrusive.
1.2. Base théorique
L’approche vibro-acoustique est abordée dans le cadre de cette étude. Elle repose sur le fait que l’encrassement
affecte les propriétés de propagation des ondes acoustique :

en introduisant de l’amortissement (du point de vue vibro-acoustique) ;

avec le fait que la présence de concrétions d’encrassement favorise la génération de turbulences, et donc
de bruit au sein même de l’échangeur.
1.3. Bases expérimentales
2 approches expérimentales ont été envisagées :

en examinant la rupture (en mode encrassé) des modes acoustiques présents en eau propre ;

par mise en évidence d’une perte de qualité de répartition linéaire des signaux vibro-acoustiques en
configuration « encrassée ».
L’encrassement était de type gravitationnel au CaCO3 (carbonate de calcium) en eau. Les essais ont été conduits
au CEA/DRT/LITEN/DSEN/GREThE sur 2 échangeurs :

échangeur didactique « OSCAR » à tubes & calandre ;

échangeur à plaques.
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2. PRESENTATION DE DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
2.1. Echangeur à faisceaux de tubes
Des essais ont été réalisés sur un exemple didactique d’échangeur à tube en plaçant une instrumentation de
capteurs acoustiques (hydrophones) et vibratoires (accéléromètres) dans les zones respectivement amont et avale
de l’échangeur.
(a)
Figure 1 : Principe d’implantation des capteurs de pression acoustique (boucle OSCAR)
Figure 2 : Instrumentation vibro-acoustique (boucle OSCAR)
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2.2. Echangeur à plaques
La Figure 3 présente l’instrumentation du dispositif expérimental constituée d’un échangeur à plaques. Des
capteurs accélérométriques de vibrations sont montés de part et d’autre de l’échangeur, et on analyse la
transmission acoustique linéaire entre les diverses zones d’implantation de ces capteurs.
L’instrumentation est composée de 6 accéléromètres répartis sur 3 faces de l’échangeur.
Figure 3 : illustration de l’instrumentation d’un cas test d’échangeur thermique
2.3. Contenu du programme d’essais
Le programme des essais pour les 2 dispositifs s’est déroulé en plusieurs étapes :

Essais préliminaires et mesures en eau propre ;

Essais en situation encrassée ;

mesures en eau propre après nettoyage.
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2.4. Principe de l’analyse des essais
Chaque essai donne lieu à la constitution d’un fichier de 4 voies de mesure comprenant :

pour l’échangeur tubulaire, les signaux de pression AM et AV (voies 2 et 3), les voies
accélérométriques AM et AV (voies 1 et 4 pour les essais en continu) ;

pour l’échangeur tubulaire, les signaux des voies accélérométriques.
La concaténation de plusieurs fichiers et un seul permet de constituer un fichier unique à partir des données de
2 essais similaires effectuées en conditions « eau propre » et « encrassée ».
En particulier, on constitue une matrice de transferts unique qui permet l’examen comparatif immédiat des
échanges et transmissions linéaires au sein du système dans les 2 situations : « eau propre » puis « encrassé ».
L’identification de transmission élevée (sombre) révèle les interactions au sein d’un même bloc, et permet ainsi
une interprétation qualitative immédiate des échanges énergétiques linéaires au sein du système mécanique lors de
cet essai.
L’exemple ci-dessous présente la comparaison de 2 essais similaires et qui correspondent aux conditions « eau
propre » puis « encrassées ».
Essai A
(eau propre)
Essai B
(encrassé)
Figure 4 : Présentation d’une matrice de transferts comparant 2 essais similaires
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3. RESULTATS DES ESSAIS
3.1. Essais sur boucle OSCAR
3.1.1. Rupture des modes acoustiques
En pratiquant des essais de choc, échangeur à l’arrêt, on constate que l’encrassement brise le comportement
« modal » de l’acoustique interne, dans l’échangeur. Ce comportement est conforme aux prévisions théoriques.
L’exemple ci-dessous présente la comparaison des pressions acoustiques de 2 essais similaires de chocs et qui
correspondent aux conditions « eau propre » puis « encrassées » (Figure 5).
P-am __ eau propre
__ encrassé
P-av
__ eau propre
__ encrassé
(a)
(b)
Figure 5 : Comparaison des spectres de pression acoustique (a):choc en zone amont ; (b): choc en zone avale
De même, le transfert entre pressions acoustiques de part et d’autre de l’échangeur présente une
différence notoire sur le premier mode, comme prévu (Figure 6).
Transf __ eau propre
__ encrassé
Figure 6 : Comparaison des transferts entre pressions acoustiques amont-aval
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3.1.2. Matrice de transmissions
En mode continu, la boucle est en fonctionnement normal et les voies captées sont les signaux acoustiques en
amont et en aval (en voie 2 et 3), ainsi que les signaux accélérométriques en zones amont et avale (en voies 1 et
4).
La Figure 7 ci-après présente des fonctions spectrales traduisant les transmissions vibroacoustiques entre
plusieurs voies de mesure dans les conditions « nettoyée » et « encrassée ». On note d’une manière générale que
les transmissions entre voies en mode « nettoyé » sont largement supérieures à celle observée en mode
« encrassé ». La Figure 8 ci-dessous illustre une représentation synthétique des matrices de transmission
Figure 7 : Comparaison des transmissions ___ mode « encrassé » avec ___ mode « nettoyé »
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Nettoyé
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encrassé
Figure 8 : matrices de transmissions (FUSION2203_S22bis_S3_circul_cal_full_decr_5k)
3.2. Essais sur échangeur à plaque
Cette plate-forme offre l’avantage d’une situation proche d’une configuration industrielle et constituent ainsi un
exemple de simulation d’un « monitoring on-line » réaliste.
Nettoyé
encrassé
Figure 9 : matrices de transmissions (échangeur à plaques)
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4. PERSPECTIVES FUTURES
Dès lors qu’il a été montré la faisabilité de distinguer entre « échangeur propre » et « échangeur encrassé », on
envisage la constitution d’un « indicateur » de niveau d’encrassement qui pourrait être corrélé avec une perte de
rendement de l’échangeur (Figure 10).
Fouling level (real)
acceptable
t
induction
warning
fouling
?
t
Fouling indicator
critical
t
Figure 10 : Indicateur de niveau d’encrassement
Un tel outil permettrait une approche conditionnelle des interventions de maintenance (voir maintenance
conditionnelle des machines tournantes), et de ce fait pourrait constituer un outil d’aide à la décision pour une
approche optimisé des interventions.
Ceci est d’autant plus vrai pour des dispositifs complexes (multiplicité des échangeurs sur chaînes de production,
par exemple en pétrochimie) où cohabitent plusieurs systèmes thermiques montrant des cinétiques
d’encrassement différentes.
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5. CONCLUSION
Les résultats expérimentaux obtenus en comparant les 2 situations « encrassée » et « nettoyée » corroborent les
prévisions théoriques, et la faisabilité de diagnostic d’encrassement par technique d’analyse vibroacoustique non-intrusive est avérée.
Les techniques d’identification de présence d’encrassement peuvent judicieusement donner lieu à un programme
de caractérisation en vue de diagnostiques le niveau d’encrassement.
La question est d’autant plus pertinente que ce type de technique intéresse les industriels concernée par des
processus de production mettant en jeu une multiplicité d’échangeurs thermiques, en réseau.
La technique connait donc 2 voies d’amélioration possibles :

Recueil de données de mesure sur divers types d’échangeurs en vue de constituer une base de
connaissance et un retour d’expérience en concertation avec des industriels ;

Suivi de quelques échangeurs industriels « types » en vue de travailler sur des techniques de
caractérisation de niveaux d’encrassement.
De tels travaux pourront donner lieu à l’élaboration d’un système d’aide à la maintenance conditionnelle des
échangeurs thermiques industriels, et donc constituent la base d’un enjeu économique significatif.
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