Le risque de fatigue du bord de contact
Le point où un tube d'échangeur de chaleur en PTFE traverse une plaque de support est une concentration de contraintes. Le tube prend appui contre le bord de la plaque. Sous une charge cyclique-vibration due à l'agitation, au mouvement induit par l'écoulement-, aux cycles de dilatation thermique-, le tube fléchit au point de contact. La flexion répétée crée une contrainte de fatigue à la surface du tube, concentrée au niveau du bord de contact.
Après des milliers ou des millions de cycles, des micro-fissures se forment au niveau du bord de contact sur la surface du tube. Les fissures sont orientées circonférentiellement-perpendiculairement à l'axe du tube-en suivant le modèle de la contrainte de flexion maximale. Ils commencent superficiellement et grandissent en continuant à faire du vélo. S’ils ne sont pas détectés, ils pénètrent dans la paroi du tube et provoquent une fuite.
Le diagnostic consiste à détecter les fissures à un stade précoce et à évaluer si le tube peut continuer à fonctionner en toute sécurité.
Les méthodes de détection
Le ressuage est la principale méthode de détection. La surface du tube au niveau du bord de contact de la plaque de support est nettoyée, un pénétrant est appliqué, et après le temps de séjour, l'excédent est éliminé et un révélateur est appliqué. Toute fissure qui brise la surface fait sortir le pénétrant, produisant une indication visible. La méthode détecte des fissures aussi petites que 0,05 mm.
L'inspection visuelle avec grossissement est un écran préliminaire. La surface du tube au niveau du bord de contact est examinée avec une loupe 10× ou un endoscope. Les fissures de fatigue apparaissent sous forme de fines lignes sombres orientées circonférentiellement. La méthode visuelle est moins sensible que le ressuage mais permet une évaluation rapide.
Les tests par ultrasons détectent les fissures plus profondes qui se sont propagées dans la paroi du tube. La fissure reflète l'impulsion ultrasonore, produisant un signal indiquant la profondeur de la fissure.
| Méthode d'inspection | Fissure minimale détectable | Temps par tube | Risque de faux négatif |
|---|---|---|---|
| Visuel (grossissement 10×) | Ouverture superficielle de ~0,1 mm | 2-3 minutes | Modéré |
| Pénétrant | Ouverture superficielle de ~0,05 mm | 5-8 minutes | Faible |
| Impulsion ultrasonique-écho | Fissures plus profondes que 0,2 mm | 5 à 10 minutes | Faible |
L'évaluation de la gravité des fissures
Les fissures détectées sont évaluées en termes de profondeur et d'orientation. Une fissure peu profonde (moins de 0,2 mm de profondeur) et orientée circonférentiellement peut permettre un service continu avec une fréquence d'inspection accrue. Une fissure plus profonde ou présentant un changement d'orientation (tournant axialement) indique une condition plus grave nécessitant le remplacement du tube.
Le taux de croissance des fissures est estimé à partir de l’historique des inspections. Si la fissure s’est agrandie d’une inspection à l’autre, le taux de croissance est calculé et utilisé pour prédire la durée de vie restante. Un tube présentant une fissure stable (aucune croissance après deux inspections) peut probablement continuer à fonctionner en toute sécurité.
Les mesures préventives
La cause première de la fissuration par fatigue est la flexion cyclique au niveau du contact du support. Les mesures préventives concernent la flexion : réduction de l'amplitude des vibrations (par conditionnement du flux ou amortissement), augmentation de la surface de contact de la plaque de support (par des bords de contact arrondis ou des inserts en élastomère) ou réduction de la portée non supportée (par le biais de plaques de support supplémentaires). Le bord de contact arrondi répartit la contrainte d'appui sur une plus grande surface, réduisant ainsi la concentration des contraintes. L'insert en élastomère amortit le contact et absorbe l'énergie vibratoire.
Résumé
Les fissures de fatigue au niveau des bords de contact de la plaque de support de l'échangeur thermique en PTFE sont détectées par ressuage et évaluées pour leur profondeur et leur taux de croissance. Des fissures peu profondes et stables permettent un service continu avec surveillance. Les mesures préventives réduisent la contrainte de flexion cyclique au point de contact. Le diagnostic permet de détecter précocement la fissure-avant qu'elle ne pénètre dans le mur-et de planifier la maintenance plutôt que de la réactiver.
Une assistance technique pour l’évaluation et la prévention des fissures de fatigue est disponible sur présentation de la conception de la plaque de support, des conditions de vibration, de l’historique des inspections et des photographies de fissures.
