Construction de chaudière PDF: Support, isolation, fabrication - SAE

Construction de la chaudière Ce document couvre les aspects clés de la construction des chaudières, notamment le support, l'isolation, la fabrication des tubes et des ballons, ainsi que l'assemblage sur site. Il fournit des informations détaillées sur les techniques et les exigences du Code ASME pou...

Construction de la chaudière Ce document couvre les aspects clés de la construction des chaudières, notamment le support, l'isolation, la fabrication des tubes et des ballons, ainsi que l'assemblage sur site. Il fournit des informations détaillées sur les techniques et les exigences du Code ASME pour la construction de chaudières industrielles modernes. FL par francois lajoie-levesque Support des chaudières Les grandes unités de production de vapeur sont généralement soutenues par le haut à l'aide de colonnes en acier reposant sur des piliers de fondations massifs. La structure métallique supporte les différentes composantes de la chaudière, permettant leur dilatation vers le bas. Le ballon de vapeur principal est fixé en premier et sert de point d'ancrage pour les autres éléments. Dans les chaudières soutenues par le bas, le ballon inférieur et les collecteurs reposent sur des fondations en acier. Les tubes eux-mêmes supportent le ballon supérieur. Des supports latéraux sont prévus pour les parois du foyer. Il est crucial de prévoir des tolérances pour la dilatation thermique de tous les composants. Des supports à ressort et des joints de dilatation sont utilisés pour la tuyauterie et les conduits. Isolation et matériaux réfractaires L'isolation des chaudières sert à protéger le personnel et à réduire les pertes de chaleur. Différents types d'isolants sont utilisés selon les températures : Matelas de laine minérale (jusqu'à 650°C) Blocs de laine minérale (jusqu'à 1000°C) Blocs de silicate de calcium (jusqu'à 650°C) Plastique à haute température (jusqu'à 1050°C) Fibre de céramique (au-delà de 1650°C) Le matériau réfractaire, semblable à du ciment, est utilisé dans les zones de très haute température comme le col de mélangeur du brûleur. Il protège l'isolation contre la chaleur directe du foyer. Le gainage ou revêtement extérieur en acier galvanisé ou aluminium protège l'isolation contre les intempéries. Fabrication des tubes de chaudière Les tubes de chaudière peuvent être soudés ou sans soudure. Les tubes soudés sont formés à partir de bandes d'acier laminées et soudées par résistance électrique. Les tubes sans soudure sont fabriqués par perçage à chaud d'une billette d'acier, suivi d'un laminage et d'un étirage. Le procédé d'extrusion est une autre méthode pour produire des tubes sans soudure. Une billette creuse chaude est comprimée entre une matrice et un mandrin par un piston-plongeur. Tous les tubes subissent des essais hydrostatiques ou non destructifs conformément au Code ASME. Les matériaux et dimensions sont également spécifiés par le Code. Fabrication des ballons de chaudière Les ballons sont fabriqués à partir de plaques d'acier épaisses, laminées à la forme cylindrique requise. Pour les grands ballons, des demi-cylindres sont soudés longitudinalement. Les fonds sont formés par pressage à chaud de plaques plates. Le soudage automatique à l'arc submergé est utilisé pour les soudures longitudinales et circonférentielles. Un préchauffage et un traitement thermique post-soudage sont appliqués pour éviter les contraintes nuisibles. Les trous pour les tubes et les tubulures sont percés dans le ballon. Les tubulures sont forgées à chaud et soudées au ballon. Inspection et essais des ballons Les ballons subissent plusieurs inspections et essais rigoureux : Examen radiographique des soudures longitudinales et circonférentielles Essai hydrostatique à 1,5 fois la pression de calcul Inspection visuelle interne et externe Vérification des dimensions et de l'alignement Ces contrôles sont effectués conformément aux exigences du Code ASME et de la norme CSA B51. Ils garantissent l'intégrité et la sécurité du ballon avant son installation. Fixation des tubes aux ballons et collecteurs Deux méthodes principales sont utilisées pour fixer les tubes : 1. Dilatation : Les extrémités des tubes sont dilatées dans les trous à l'aide d'un mandrin spécial. Cette méthode est courante pour les tubes de production de vapeur. 2. Soudage : Les tubes sont soudés à des manchons préalablement soudés aux collecteurs ou au ballon. Cette méthode est souvent utilisée pour les tubes de surchauffeur. Le choix de la méthode dépend de la pression de service et de l'emplacement dans la chaudière. Pour les hautes pressions, une combinaison de dilatation et de soudage peut être utilisée. Fixation des tubulures aux ballons et collecteurs Les tubulures sont des raccords forgés à chaud qui permettent de relier le ballon aux tubes et à la tuyauterie externe. Elles sont soudées au ballon par soudage manuel à l'arc métallique. Après le soudage, le ballon entier subit un traitement thermique de détente des tensions. Ce processus consiste à chauffer uniformément l'ensemble à une température spécifique pour relâcher les contraintes induites par le soudage. Les exigences précises pour ce traitement thermique sont détaillées dans le Code ASME, Section I, paragraphe PW- 39. Elles spécifient les températures et les durées de maintien en fonction des matériaux utilisés. Trous d'homme et trous de poing Les trous d'homme et les trous de poing sont des ouvertures d'accès essentielles dans les ballons et collecteurs. Ils permettent l'inspection, le nettoyage et les réparations. Le Code ASME spécifie les dimensions minimales : Trous d'homme elliptiques : 280 mm x 380 mm ou 250 mm x 410 mm Trous d'homme circulaires : 380 mm de diamètre minimum Trous de poing : 70 mm x 89 mm minimum Ces ouvertures nécessitent un renforcement, généralement sous forme de bride ou de bâti soudé, pour compenser l'affaiblissement de la structure. Installation des trous d'homme Les couvercles des trous d'homme s'ajustent à l'intérieur du ballon et sont maintenus en place par des boulons et des étriers. La pression interne de la chaudière en fonctionnement aide à maintenir le couvercle contre la bride. Pour l'installation : 1. Le couvercle est inséré par l'ouverture (pour les trous elliptiques) 2. Il est centré soigneusement dans l'ouverture 3. Les étriers sont mis en place et les boulons serrés selon les spécifications du fabricant 4. Des garnitures sont utilisées pour assurer l'étanchéité (type compressé pour les basses pressions, métallique pour les hautes pressions) Après un essai hydrostatique, les garnitures sont souvent remplacées car elles ont été comprimées au-delà de leur épaisseur normale. Trous de poing et leur installation Les trous de poing sont utilisés lorsque des ouvertures plus petites suffisent pour l'inspection et le nettoyage. Deux types principaux existent : 1. Trous de poing boulonnés : Utilisés pour des pressions jusqu'à 8370 kPa et des températures jusqu'à 454°C. Le couvercle ovale est inséré par l'ouverture et serré contre l'intérieur avec un étrier et un boulon. 2. Trous de poing soudés : Pour des pressions et températures plus élevées. Le couvercle circulaire est inséré par une ouverture plus grande puis soudé en place. Pour les trous boulonnés, un couple de serrage d'environ 400 N·m est appliqué. Pour les trous soudés, un épaulement usiné assure la résistance mécanique, tandis qu'une soudure d'étanchéité garantit l'herméticité. Préparation du site et fondations L'assemblage sur place d'une grande chaudière commence par la préparation des fondations. Celles-ci doivent être terminées avant l'installation de la structure en acier. Les étapes comprennent : 1. Coulage de grandes quantités de béton pour supporter le poids de la chaudière et de ses équipements auxiliaires 2. Intégration de certaines parties de la chaudière, comme le cendrier, dans la fondation 3. Vérification de la solidité et du nivellement des fondations Une fois les fondations prêtes, la structure en acier peut être érigée. Cette structure peut faire partie intégrante du bâtiment ou être indépendante. Installation des composantes sous pression L'installation des composantes sous pression suit généralement cet ordre : 1. Mise en place du ballon de vapeur, soigneusement positionné et mis de niveau 2. Installation des collecteurs (surchauffeur, économiseur, etc.) 3. Montage des modules de surchauffeur, réchauffeur et économiseur 4. Installation des panneaux de tubes de parois du foyer 5. Raccordement des tubes aux ballons et collecteurs par soudage et/ou dilatation Une fois l'assemblage terminé, un essai hydrostatique à 1,5 fois la pression de calcul est effectué pour vérifier l'étanchéité de tous les raccords. Assemblage de l'équipement auxiliaire L'installation de l'équipement auxiliaire se déroule souvent en parallèle de celle des composantes sous pression. Les principaux équipements comprennent : Réchauffeurs d'air Équipement de combustion Ventilateurs Conduits Enveloppes de chaudière L'ordre d'installation est important. Par exemple, les réchauffeurs d'air doivent être en place avant l'installation des grands conduits d'air, et les pulvérisateurs de charbon sont installés tôt pour permettre la mise en place de la tuyauterie à charbon. Finition : matériau réfractaire, isolation et revêtement Les étapes finales de l'assemblage comprennent : 1. Application du matériau réfractaire : Principalement dans les zones de pénétration des parois, les joints de portes et les joints de boîte de paroi. 2. Installation de l'enveloppe intérieure : Plaques d'acier soudées pour empêcher les fuites d'air et servir de base pour l'isolation. 3. Application de l'isolation : En blocs ou en matelas, appliquée à l'extérieur des parois à membrane et sur tous les conduits et tuyaux chauds. 4. Installation du revêtement : Couche métallique de faible épaisseur sur l'isolation, étanche à l'eau pour les installations extérieures. Ces étapes sont cruciales pour l'efficacité thermique et la sécurité de la chaudière. Une attention particulière est portée à l'étanchéité et à la protection contre les dommages physiques et les intempéries.