Guide complet des tubes d'échangeur de chaleur : ASTM A179, A213 et A249

Que sont les tubes d’échangeur de chaleur ?

Les tubes d'échangeur de chaleur sont des tubes en acier spécialisés utilisés dans les équipements d'échange thermique tels que les échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes, les condenseurs, les évaporateurs, les chaudières et autres appareils de transfert de chaleur. Contrairement aux tuyaux standard utilisés pour le transport des fluides, les tubes d'échangeur de chaleur doivent répondre à des exigences strictes en matière de précision dimensionnelle, de qualité de surface et de propriétés de transfert de chaleur. La paroi du tube doit être suffisamment fine pour permettre un transfert de chaleur efficace entre les fluides interne et externe, tout en étant suffisamment solide pour résister à la pression différentielle entre le côté tube et le côté calandre. Les surfaces internes et externes doivent être propres et lisses pour minimiser l'encrassement et maintenir l'efficacité du transfert de chaleur dans le temps.

Les tubes d'échangeurs de chaleur sont utilisés dans un large éventail d'industries : raffineries pétrochimiques (échangeurs de chaleur de procédé, condenseurs, rebouilleurs), centrales électriques (tubes de condenseur, chauffe-eau alimentaire, tubes de chaudière), systèmes CVC (refroidisseurs, serpentins de refroidissement), transformation des aliments (pasteurisateurs, stérilisateurs) et usines de dessalement (réchauffeurs de saumure, condenseurs). Le choix du matériau du tube, de sa taille et de l'épaisseur de sa paroi dépend de la température de fonctionnement, de la pression, de la corrosivité du fluide et des exigences de transfert thermique de l'application spécifique.

ASTM A179 -Tube d'échangeur de chaleur étiré à froid sans soudure

ASTM A179 couvre les tubes en acier à faible teneur en carbone-étirés à froid sans soudure-pour les échangeurs de chaleur, les condenseurs et les appareils de transfert de chaleur similaires. La norme couvre les tubes avec une épaisseur de paroi maximale de 4,2 mm (0,165 pouce) et une épaisseur de paroi minimale de 0,5 mm (0,020 pouce). La composition chimique nécessite du carbone 0,06-0,18 %, du manganèse 0,27-0,63 % et des éléments résiduels contrôlés à de faibles niveaux. La faible teneur en carbone offre une bonne soudabilité et formabilité, tandis que le processus d'étirage à froid produit les tolérances dimensionnelles précises et la finition de surface lisse requise pour l'entretien de l'échangeur de chaleur.

Le processus de fabrication-étiré à froid offre plusieurs avantages pour les tubes d'échangeur de chaleur. L'étirage à travers une matrice à température ambiante produit une excellente précision dimensionnelle : une tolérance OD de ±0,05 mm et une tolérance d'épaisseur de paroi de ±5 % sont standard. L'écrouissage améliore également l'état de surface, avec une rugosité de surface typique Ra inférieure ou égale à 0,8 µm. Après étirage à froid, les tubes sont recuits pour soulager les contraintes internes et restaurer la ductilité. Les tubes peuvent être fournis en longueurs droites (généralement 6-12 mètres) ou sous forme de tubes coudés en U-pour les configurations d'échangeur de chaleur à tubes en U-. Les applications de l'A179 incluent les échangeurs de chaleur à calandre-et tubulaires dans les raffineries, les condenseurs dans les centrales électriques, les refroidisseurs d'huile et les refroidisseurs intermédiaires dans les systèmes de compresseurs.

Tube d'échangeur de chaleur en alliage et acier inoxydable ASTM A213 -

ASTM A213 couvre les tubes de chaudière, de surchauffeur et d’échangeur de chaleur en acier allié ferritique et austénitique sans soudure. Il s'agit de la norme la plus complète pour les tubes d'échangeurs de chaleur à haute-température, couvrant les qualités allant du faible-alliage T11 (1,25Cr-0,5Mo) au haut-alliage T91 (9Cr-1Mo-V) et aux qualités d'acier inoxydable austénitique TP304, TP316, TP321 et TP347. Le préfixe « T » dans la désignation de la qualité indique la forme du tube (par opposition au « P » pour le tuyau dans l'A335). Pour l'acier inoxydable austénitique, les nuances courantes incluent TP304 (résistance générale à la corrosion), TP304L (à faible teneur en carbone pour les applications soudées), TP316 (résistance à la corrosion améliorée avec du molybdène), TP316L (version à faible teneur en carbone), TP321 (stabilisé avec du titane pour un service à haute température) et TP347 (stabilisé avec du niobium).

A213 T11, T22 et T91 sont des tubes en acier allié ferritique utilisés dans les applications d'échangeurs de chaleur à haute température - telles que les surchauffeurs, les réchauffeurs et les réchauffeurs d'eau d'alimentation dans les centrales électriques. Ces qualités conservent leur résistance à des températures élevées grâce à la teneur en alliage de chrome -molybdène. Le T91 est l'option de résistance la plus élevée-, offrant environ trois fois la résistance à la rupture par fluage du T22 à 600 degrés, permettant des parois de tube plus fines et un transfert de chaleur amélioré. La température maximale de service varie de 593 degrés (T11, T22) à 649 degrés (T91, TP304, TP316). Pour des comparaisons détaillées des propriétés des aciers alliés, consultez notreGuide de tuyaux en acier allié.

ASTM A249 - Tube d'échangeur de chaleur en acier inoxydable soudé

ASTM A249 couvre les tubes soudés en acier inoxydable austénitique pour les échangeurs de chaleur, les condenseurs et les chaudières. Les tubes sont fabriqués à partir de bandes ou de plaques d'acier inoxydable laminées plates-qui sont formées en forme de tube et soudées à l'aide d'un processus de soudage automatique (généralement soudage TIG ou à l'arc plasma avec ajout de métal d'apport, ou soudage par induction à haute fréquence-). Après le soudage, les tubes sont étirés à froid ou travaillés à froid pour affiner la microstructure de la zone de soudure et améliorer la précision dimensionnelle, puis recuits en solution pour restaurer la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques.

Les tubes soudés A249 offrent une alternative rentable aux tubes sans soudure A213, dont le coût est généralement 10 à 20 % inférieur pour le même matériau et les mêmes dimensions. Le tube soudé a des propriétés mécaniques comparables à celles sans soudure après un traitement approprié, avec un facteur d'efficacité du joint de soudure généralement compris entre 0,85 et 0,95 en fonction du CND effectué. La norme exige que le cordon de soudure soit inspecté à 100 % par des tests par courants de Foucault (ECT) ou des tests hydrostatiques. L'A249 est disponible dans les mêmes qualités austénitiques que l'A213 (TP304, TP304L, TP316, TP316L, TP321, TP347) avec les mêmes exigences de composition chimique.

Comparaison de trois normes

Dimensions du tube de l'échangeur de chaleur

La plage standard de diamètre extérieur pour les tubes d'échangeur de chaleur va de 6 mm (1/4") à 50,8 mm (2"), bien que des diamètres plus grands soient disponibles pour des applications spécialisées. L'épaisseur de la paroi est généralement spécifiée par le numéro BWG (Birmingham Wire Gauge), où un numéro BWG plus élevé indique une paroi plus fine. Les tailles courantes incluent 10 BWG (3,40 mm), 12 BWG (2,77 mm), 14 BWG (2,11 mm), 16 BWG (1,65 mm) et 18 BWG (1,24 mm). Par exemple, un tube 3/4" OD x 16 BWG a un diamètre extérieur de 19,05 mm et une épaisseur de paroi de 1,65 mm. La longueur est généralement de 6 m ou 12 m pour les tubes droits, avec des tubes coudés en U ayant des rayons de courbure spécifiques en fonction de la conception de l'échangeur de chaleur (généralement 2 à 3 fois le rayon de courbure minimum du tube OD).

Inspection des tubes d’échangeur de chaleur

L'inspection des tubes d'échangeurs de chaleur comprend la vérification dimensionnelle (OD, ID, épaisseur de paroi, rectitude et longueur), les tests par courants de Foucault (ECT) pour détecter les défauts de surface et souterrains, les tests hydrostatiques selon la norme applicable et les tests mécaniques, y compris l'évasement (expansion de l'extrémité du tube pour vérifier la ductilité) et l'aplatissement (écrasement du tube pour vérifier l'intégrité de la soudure des tubes soudés). La propreté des surfaces est vérifiée par inspection visuelle et, pour les applications critiques, par des tests d'huile-et-écouvillons de graisse.

Guide de sélection des tubes

La sélection du tube d'échangeur de chaleur approprié implique d'évaluer la température de fonctionnement (basse-température < 200 degrés, utilisez l'acier au carbone A179 ; température moyenne-température 200-500 degrés, utilisez un alliage faible-A213 T11/T22 ; haute-température > 500 degrés, utilisez de l'acier inoxydable ou T91), corrosivité moyenne. (acier au carbone à usage non corrosif ; acier inoxydable 304/316 à usage corrosif ; usage 316L ou duplex hautement corrosif ou chargé de chlorure) et exigences de transfert de chaleur (des parois plus fines offrent un meilleur transfert de chaleur mais moins de tolérance à la corrosion). L'analyse du coût du cycle de vie doit prendre en compte le coût initial des matériaux ainsi que la maintenance prévue, la fréquence de nettoyage et l'intervalle de remplacement dans l'environnement de service spécifique.

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