Procédure d'entretien et de révision des échangeurs de chaleur en graphite

Dans les unités de synthèse chlore-alcali et chlorure d'hydrogène, des échangeurs de chaleur en graphite sont utilisés pour refroidir l'acide chlorhydrique, le chlore gazeux humide et récupérer la chaleur issue de la dilution de l'acide sulfurique ; les fluides en jeu sont généralement des acides forts à haute température. Dans les échangeurs de chaleur en graphite à blocs perforés, des canaux entrecroisés sont percés dans un bloc de graphite massif, tandis que les échangeurs de chaleur en graphite à calandre et tubes sont constitués d'un faisceau tubulaire composé de tubes en graphite et de plaques tubulaires. La maintenance de ces deux types d'échangeurs repose sur le démontage, le nettoyage, l'inspection, la réparation, le remontage et les essais de pression, bien que les étapes opérationnelles précises diffèrent. La révision d'un échangeur de chaleur en graphite ne se limite pas à un simple nettoyage ; il s'agit d'une procédure complète incluant le contrôle des dimensions, l'évaluation des obstructions des tubes et la réparation des surfaces d'étanchéité, ce qui constitue le cœur de la réparation des échangeurs de chaleur en graphite. Les données réelles des usines de chlore-alcali européennes montrent que l'intervalle de révision des échangeurs de chaleur en graphite est généralement de 2,5 à 4 ans, selon la température de l'anolyte dans les cellules d'électrolyse et la quantité de brouillard acide entraînée. Lors du choix d'un fabricant d'électrolyseurs , il est essentiel de connaître la température du chlore gazeux en sortie, la teneur en brouillard acide et la concentration en sel de la solution caustique à pleine charge. Ces paramètres déterminent directement si un échangeur de chaleur en graphite nécessite une révision complète tous les 3 ou 5 ans. Bien qu'il existe de légères différences dans les charges nominales des cellules d'électrolyse japonaises et allemandes, les canaux en blocs de graphite se corrodent plus rapidement dans les installations où le contrôle du brouillard acide est insuffisant ; par conséquent, les plans du fabricant d'origine doivent être vérifiés avant chaque révision d'un échangeur en graphite.

Procédures de maintenance des échangeurs de chaleur en graphite de type bloc et de type calandre-tubes

La révision complète d'un échangeur de chaleur en graphite de type bloc commence par le démontage de ce dernier. Il faut d'abord retirer les fonds supérieur et inférieur, puis desserrer les boulons de fixation de la calandre pour extraire cette dernière du bloc de graphite en une seule pièce, et hisser le bloc jusqu'à la zone de maintenance. Pour le nettoyage, privilégiez le nettoyage à l'eau haute pression des canaux de process et de refroidissement ; en cas de dépôts tenaces, utilisez un lavage à l'acide en contrôlant rigoureusement la concentration et la température de l'acide. Après le nettoyage, effectuez des inspections visuelles, un contrôle par ressuage et un contrôle par ultrasons, en portant une attention particulière aux fissures et perforations aux intersections des canaux. Les canaux défectueux ne peuvent être remplacés individuellement ; il convient alors de boucher un petit nombre de canaux à l'aide d'un mastic graphite résistant à l'acide et de bouchons en graphite. Si les fissures affectent l'ensemble du bloc porteur ou si la proportion de canaux bouchés dépasse les spécifications du fabricant, procédez directement au remplacement complet du bloc. Les surfaces d'étanchéité sont rectifiées et le joint entre le bloc de graphite et la calandre est remplacé.

Lors du remontage, les composants sont serrés dans l'ordre inverse du démontage, suivis de tests d'étanchéité hydrostatique et à l'air. Ce processus en boucle fermée est indispensable à la réparation complète d'un échangeur de chaleur en graphite. Les révisions majeures des échangeurs de chaleur tubulaires en graphite débutent par l'extraction du faisceau tubulaire. Après avoir retiré les fonds, utilisez un équipement de levage spécialisé ou une machine d'extraction de noyau pour extraire lentement l'ensemble du faisceau de tubes en graphite de la calandre. Compte tenu de la grande fragilité des tubes en graphite, il est impératif de ne pas les extraire par sections. Une fois l'extraction terminée, la force exercée doit être enregistrée ; une force anormalement élevée indique la présence de tartre dans la calandre ou de chicanes bloquées. Après l'extraction, effectuez un nettoyage hydrodynamique du faisceau tubulaire, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur, et nettoyez séparément la calandre.

Lors de l'inspection, effectuez individuellement des mesures d'épaisseur de paroi, un contrôle par ressuage et un contrôle par courants de Foucault sur chaque tube en graphite. Utilisez un test de passage de bille pour détecter les obstructions. Si possible, bouchez les tubes endommagés en insérant un bouchon conique en graphite à leur extrémité. En cas de tubes multiples endommagés ou si la surface d'étanchéité de la plaque tubulaire est endommagée, procédez directement au remplacement du faisceau de tubes en graphite, plus fiable que le remplacement individuel des tubes. La réparation de l'étanchéité de la plaque tubulaire se concentre sur le joint entre les tubes en graphite et la plaque, en utilisant l'adhésif recommandé par le fabricant ou des joints toriques en graphite comprimé.

Lors de la réinstallation, le faisceau de graphite doit être réinséré lentement dans l'enveloppe afin d'éviter tout contact avec les chicanes. Enfin, les essais de pression pour la révision de l'échangeur de chaleur en graphite des deux types d'équipements doivent être réalisés selon les mêmes normes ; les exigences ne doivent pas être abaissées sous prétexte que les échangeurs de chaleur à calandre et tubes présentent moins de points de fuite potentiels, car la réparation de l'échangeur de chaleur en graphite nécessiterait probablement une reprise.

Tableau récapitulatif comparatif de deux types d'échangeurs de chaleur en graphite

Le tableau ci-dessous présente la terminologie utilisée pour les mêmes procédures de maintenance dans les deux types de structures, afin de faciliter la concordance entre les ordres de travail sur site et la documentation en anglais. La principale source de confusion lors de la révision des échangeurs de chaleur en graphite réside dans l'utilisation interchangeable des termes désignant les configurations « à blocs et trous » et « à calandre et tubes », ce qui peut entraîner la commande de pièces détachées incorrectes. Sur site, le démontage des échangeurs à blocs de graphite est souvent désigné par le terme « levage des blocs », et l'extraction des faisceaux de graphite par « extraction du noyau ». Toutefois, tout ordre de travail relatif à la réparation d'un échangeur de chaleur en graphite doit impérativement utiliser la terminologie anglaise complète.

Précautions générales pour la révision des échangeurs de chaleur en graphite

Qu'il s'agisse d'échangeurs à blocs et trous ou à calandre et tubes, les principaux risques lors de la révision d'un échangeur de chaleur en graphite sont les chocs et les contraintes localisées. Le graphite résiste à la compression mais pas à la traction ; par conséquent, il est impératif d'utiliser des élingues en nylon larges ou des supports spécifiques pour le levage, et il est strictement interdit de fixer directement le corps en graphite avec des câbles d'acier. Le choix des matériaux d'étanchéité est plus critique qu'il n'y paraît ; en présence d'acide chlorhydrique ou de chlore humide, il est indispensable d'utiliser des joints en élastomères fluorés ou en composite de graphite flexible – les joints en caoutchouc ordinaire ne peuvent être utilisés. L'essai hydrostatique doit être réalisé à une pression de 1,3 à 1,5 fois la pression nominale. La pression doit être augmentée lentement et maintenue pendant au moins 30 minutes. De l'eau dessalée ou à faible teneur en chlore doit être utilisée pour l'essai.

La documentation technique d'Euro Chlor indique que le cycle de révision des échangeurs de chaleur en graphite utilisés pour le refroidissement du chlore gazeux par voie humide doit être évalué en fonction de la teneur en brouillard acide et de la concentration en chlore libre, et non uniquement en fonction des heures de fonctionnement. Les manuels de maintenance de Mersen et de SGL précisent que les tests d'étanchéité aux gaz après révision d'un échangeur de chaleur en graphite sont plus critiques que les tests hydrostatiques ; ils recommandent de vérifier d'abord l'absence de microfuites à l'aide d'azote à une basse pression de 0,2 MPa avant d'augmenter la pression jusqu'à la pression d'essai. Lors de la réparation d'un échangeur de chaleur en graphite, le revêtement anticorrosion de la paroi interne de l'enveloppe et les anodes sacrificielles doivent également être inspectés, car la corrosion côté enveloppe est souvent négligée. Le serrage des boulons de bride doit être effectué symétriquement en trois étapes, conformément aux spécifications du fabricant ; un serrage excessif peut entraîner la fissuration des brides en graphite. L'expérience sur le terrain montre que les causes les plus fréquentes d'échec de révision sont l'endommagement des tubes en graphite par levier lors du retrait du cœur, un choix inapproprié des joints et la présence d'eau résiduelle insuffisamment évacuée après l'essai de pression, ce qui provoque des fissures dues au gel en hiver. Lors du choix d'un fabricant de cellules électrolytiques, privilégiez ceux qui peuvent fournir des informations complètes sur les limites de fonctionnement des échangeurs de chaleur en graphite et les intervalles de révision recommandés ; évitez les représentants commerciaux qui ne fournissent que des données sur la consommation d'énergie et qui éludent les problèmes liés aux brouillards acides et à l'entartrage.

Procédures d'entretien détaillées pour les échangeurs de chaleur en graphite

Chacune des étapes suivantes constitue une action contrôlée du processus de révision de l'échangeur en graphite et ne doit pas être omise. Le tableau ci-dessous répertorie les principaux termes anglais relatifs aux échangeurs à blocs et à tubes, facilitant ainsi leur utilisation directe lors de la création d'ordres de travail et de demandes de pièces détachées. (Pour les pièces remplacées, vous pouvez contacter un recycleur de métaux précieux afin de les faire analyser.)

Avant de commencer la phase 0 de la révision de l'échangeur de graphite, un permis de travail doit être obtenu et les procédures de consignation/déconsignation doivent être mises en œuvre. Après la dépressurisation du système, vidangez le fluide et purgez-le à l'azote jusqu'à ce que les tests de détection de gaz combustibles et toxiques soient concluants. Lors de la révision de l'échangeur de graphite, la phase 1 consiste à démonter la structure : pour les unités à blocs et trous, retirez d'abord les bouchons d'extrémité, puis poussez la calandre et extrayez les blocs de graphite. Il est essentiel, lors du démontage d'un échangeur à blocs de graphite, de noter l'épaisseur initiale du joint et la position relative de la calandre et des blocs de graphite ; à défaut, un désalignement peut survenir lors du remontage. Pour l'extraction du faisceau de graphite des unités à calandre et tubes, l'adhérence du faisceau tubulaire à la calandre doit être vérifiée avant l'extraction du noyau ; si nécessaire, trempez-le dans l'eau ou utilisez un chauffage à la vapeur pour le ramollir. Le nettoyage de la phase 2 utilise des jets d'eau à haute pression, généralement entre 500 et 800 bars ; les buses en acier ne doivent pas être utilisées dans les canaux en graphite. L'inspection de phase 3 doit inclure des mesures dimensionnelles et la détection des fissures de surface ; pour les échangeurs à calandre et tubes, chaque tube en graphite doit être numéroté. Lors de la phase de réparation d'un échangeur en graphite, les décisions dépendent du nombre de fuites et des risques liés à la pression ; pour les échangeurs à blocs et trous, si plus de 5 % des canaux sont obstrués ou si des fissures traversent plusieurs trous, l'ensemble de l'unité doit être remplacé ; pour les échangeurs à calandre et tubes, si plus de 10 % des tubes sont obstrués ou si la surface d'étanchéité de la plaque tubulaire est endommagée, l'ensemble du faisceau tubulaire doit être remplacé. Lors de la phase 5 (remontage), le principal point critique est le contact direct entre les blocs de graphite ou les faisceaux tubulaires et la calandre ; des tiges de guidage doivent être utilisées. Lors de la phase 6 de la révision de l'échangeur de chaleur en graphite, des essais de pression doivent être réalisés séparément pour l'étanchéité hydrostatique et à l'air ; un essai d'étanchéité à l'air seul ne peut se substituer à un essai hydrostatique.

Après la réparation de l'échangeur de chaleur en graphite, mettez à jour les dossiers de maintenance et archivez les emplacements des tubes obstrués, les numéros de série des pièces remplacées et les courbes des tests de pression. La réussite d'une révision d'échangeur de chaleur en graphite ne se mesure pas à la propreté apparente de la surface de l'équipement, mais à l'absence de fuites à tous les points d'étanchéité pendant 48 heures après la mise en marche et au maintien des pertes de charge dans la plage nominale. Après la réparation de l'échangeur de chaleur en graphite, mettez à jour le dossier de maintenance et archivez les emplacements des tubes obstrués, les numéros de série des pièces remplacées et les courbes des tests de pression. La réussite d'une révision d'échangeur de chaleur en graphite ne se mesure pas à la propreté de la surface de l'équipement, mais à l'étanchéité de tous les points d'étanchéité pendant 48 heures après la mise en marche et au maintien des pertes de charge dans la plage nominale. Lors du choix d'un fabricant de cellules électrolytiques, j'exige qu'il fournisse des rapports de révision d'échangeurs de chaleur en graphite provenant d'installations similaires en Europe ou en Amérique du Nord, en fonctionnement continu depuis au moins trois ans. J'accorde une attention particulière à l'efficacité du laveur de brouillard acide et aux variations d'acidité de l'anolyte, car ces indicateurs révèlent si la cellule électrolytique est compatible avec les équipements en aval – et c'est le facteur fondamental pour prolonger le cycle de révision de l'échangeur de chaleur en graphite.