FR3104715A1 - Méthode de contrôle non destructif du vieillissement d’un réacteur de reformage. - Google Patents
Méthode de contrôle non destructif du vieillissement d’un réacteur de reformage. Download PDFInfo
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Abstract
L’invention concerne une méthode de suivi du vieillissement par surchauffe d’un réacteur de reformage à la vapeur opérant à des températures très élevées, soit supérieures à 800°C, utilisant une méthode de contrôle non destructif apte à acquérir et traiter au moins une information en liaison avec ledit vieillissement, comprenant les étapes de : (a) acquisition d’au moins une information via au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur de silicium ultra pur d’une fibre optique installée sur la paroi du réacteur et apte à fonctionner aux dites très hautes températures, (b) conversion de l’information acquise par le capteur en une valeur de grandeur physique liée au vieillissement par surchauffe via au moins un interrogateur doté d’une interface, (c) déduction du vieillissement par surchauffe du réacteur à partir de la connaissance des dites valeurs de grandeur acquises.
Description
La présente invention se rapporte à une méthode de contrôle du vieillissement par surchauffe d’un réacteur de reformage à la vapeur opérant des températures très élevées, soient supérieures à 800°C, utilisant une méthode de contrôle non destructif apte à acquérir et traiter au moins une information en liaison avec ledit vieillissement ainsi qu’un dispositif permettant l’acquisition de ladite information et une méthode d’installation dudit dispositif.
A l’heure actuelle, l’hydrogène est encore principalement produit par vaporeformage, opération consistant à transformer les charges légères d’hydrocarbures en gaz de synthèse (mélange H2, CO, CO2, CH4et H2O) par reformage à la vapeur des hydrocarbures via un catalyseur de reformage. Le procédé de reformage à la vapeur est généralement utilisé à des températures très élevées, entre 800°C et 1050°C à pression modérée (de l’ordre de 20 à 30 bars). Le procédé comprend généralement les étapes suivantes :
(1) prétraitement des hydrocarbures, généralement du gaz naturel par hydrodésulfuration (HDS) pour retirer si nécessaire les composés soufrés de la charge et éviter tout empoisonnement ultérieur des catalyseurs de reformage;
(2) reformage des hydrocarbures plus lourds que le méthane dans un pré-reformeur (PR) permettant d’éviter le craquage de ces hydrocarbures lourds dans le réacteur principal;
(3) reformage du méthane à la vapeur dans des réacteurs tubulaires disposés dans un four de reformage (connu aussi depuis plusieurs décennies selon l’acronyme anglais SMR pour «steam methane reformer») produisant un mélange gazeux appelé gaz de synthèse ou syngas contenant majoritairement de l’hydrogène et du monoxyde de carbone;
(4) conversion du monoxyde de carbone en hydrogène et dioxyde de carbone par la réaction du gaz à l’eau (ou WGS: Water Gas Shift en anglais) CO + H2O CO2+ H2, produisant ainsi un gaz de synthèse enrichi en hydrogène;
(5) purification du mélange de gaz pour produire de l’hydrogène à plus de 99.99% de pureté dans une unité de purification par adsorption à modulation de pression (PSA: Pressure Swing Adsorption en anglais) comprenant plusieurs adsorbeurs. Les gaz résiduaires (ou offgas en anglais) de l’unité PSA sont utilisés comme combustible pour le four de reformage pour apporter aux tubes de reformage une partie – souvent majoritaire - de la chaleur nécessaire au reformage du méthane.
Les étapes (1) à (4) ci-dessus sont des étapes nécessitant de la chaleur, elles forment la partie chaude du procédé; l’étape (5) se déroule à température ambiante.
Les étapes (1) à (4) sont réalisées dans différents réacteurs opérés selon un mode quasi statique: la pression y reste constante, la température varie d’un réacteur à l’autre avec une possibilité de gradient de température important entre l’entrée et la sortie, mais en régime établi la cartographie de température évolue peu - sauf en cas d’incidents au cours desquels des points chauds peuvent apparaître localement -, le débit peut cependant varier notablement en fonction de la demande client.
Parmi les éléments constituant la partie chaude de l’installation, ceux qui sont exposés aux plus fortes contraintes sont les réacteurs tubulaires (aussi appelés tubes ou tubes de reformage) présents dans le four de reformage qui sont, comme rappelé ci-avant, opérés à des températures généralement entre 800°C et 1050°C sous des pressions allant typiquement jusqu’à 30 bars.
En raison de ces conditions difficiles, les tubes de reformage qui sont constitués d’alliage métallique font l’objet d’une surveillance périodique particulièrereposant sur une technique de contrôle non destructif (CND) basée sur l’utilisation de courants de Foucault (mesure géométrique permettant de mettre en évidence l’existence d’une cavité dans l’épaisseur du matériau métallique), pouvant être combinée avec la réalisation de répliques en peau externe des tubes qui mettront en évidence une éventuelle dégradation de l’état de santé de surface du(es) tube(s) sélectionné(s). En pratique, cette dernière technique ne peut être mise en œuvre que lors de grands arrêts de l’unité. Les opérateurs choisissent – soit au hasard, soit en appliquant une procédure d’identification des tubes ayant les températures de fonctionnement les plus élevées et donc présentant les risques les plus élevés de défaillance - un échantillonnage de quelques tubes sur lesquels les répliques seront réalisées. Cette technique ne permet donc pas le contrôle direct de l’ensemble des tubes, et l’extrapolation des résultats des répliques à l’ensemble des tubes du four est fortement dépendante de la manière dont l’échantillon des tubes testés a été choisi.
Outre les contrôles décrits ci-avant et réalisés lors d’arrêts de l’unité, les opérateurs des fours de reformage réalisent également des suivis lorsque l’unité est en opération via des mesures périodiques de température de la peau externe des tubes réalisées au moyen d’un pyromètre ou d’une caméra infra-rouge. Un système basé sur l’utilisation de thermocouples soudés sur quelques tubes est aussi utilisé, il permet également un contrôle en continu de la température de peau externe, mais seulement en certains points, et seulement pour certains tubes.
Quelle que soit la technique de contrôle utilisée sur le four en opération, celle-ci ne prévoit que des mesures en quelques points (en général au maximum 3) le long des tubes et ne donne pas accès à un profil continu de leur température de peau. De plus, le contrôle est fait sur certains tubes et non sur l’ensemble des tubes du four.
Le problème est dès lors de proposer un procédé permettant de contrôler le vieillissement des réacteurs de reformage résultant de surchauffes subies par ces réacteurs, qui soit représentatif de ces surchauffes subies dans l’espace et dans le temps y compris en opération, et donc du vieillissement induit. De la sorte, le procédé contrôle de manière plus efficace et plus fiable ce vieillissement et donc l’intégrité des structures suivies.
Par ailleurs, dans les dernières décennies, de nouveaux types de réacteurs tubulaires ont été développés qui se différencient des tubes classiques, c'est-à-dire des réacteurs tubulaires de reformage décrits jusqu’à présent qui font appel à une technologie que l’on peut appeler de «simple passage».
Dans la technologie classique dite de «simple passage», le courant gazeux alimentant le réacteur tubulaire est injecté à une extrémité du tube et traverse le lit catalytique contenu dans ce dernier sur toute sa longueur avant de ressortir après conversion à l’autre extrémité. Le gaz de procédé converti quittant le réacteur tubulaire est à la température du reformage (température de l’ordre en général de 850 à 950°C, mais pouvant dépasser 950°C comme indiqué précédemment). Pour des raisons liées au processus, l’énergie contenue dans ce gaz très chaud n’est en général pas complètement valorisée ce qui donne lieu à une perte d’efficacité du système.
Afin de pallier cette insuffisance de la technologie classique, il a été proposé de faire évoluer la géométrie des réacteurs tubulaires, transformant les réacteurs tubulaires à simple passage en réacteurs tubulaires de type « tube dans tube » ou « réacteur à baïonnette » qui permettent de valoriser une part importante de l’énergie non utilisée ou insuffisamment utilisée dans le cas des tubes classiques. Ces nouveaux réacteurs tubulaires reposent sur un design comportant un tube externe de reformage - comme pour les tubes classiques à simple passage -, avec une extrémité du tube ouverte pour introduire le gaz d’alimentation et l’extrémité opposée fermée, et un ou plusieurs tubes internes qui renvoient le gaz converti très chaud de l’extrémité à partir de laquelle il sortirait d’un tube de design classique vers l’extrémité où le gaz d’alimentation est introduit dans le réacteur tubulaire. Ce passage du gaz converti très chaud à contre-courant du gaz d’alimentation plus froid - à une température de l’ordre de 550 à 650°C permet un échange de chaleur entre ces deux fluides.
L’utilisation de réacteurs de reformage faisant appel à cette nouvelle conception (design) de tube, connu en soi, présente pour ce type d’utilisation un inconvénient lié au phénomène de corrosion à haute température des matériaux métalliques, phénomène de mise en poussière du métal, lui-même bien connu sous sa dénomination anglaise de «metal- dusting». Le metal-dusting (MD) est un phénomène de corrosion complexe et catastrophique qui affecte les alliages métalliques exposés aux gaz de réduction et de carburation dans des gammes de températures entre 400 et 800°C. Ce phénomène peut conduire de manière rapide au percement des tubes internes créant ainsi une dérivation (ou by-pass) qui par effet domino va aboutir à la surchauffe du tube de reformage (tube externe) et à sa détérioration. La connaissance en continu de la composition du gaz dans le tube de reformage (tube externe) accessible à partir de la mesure de la température de reformage ainsi que celle du profil de température de paroi du(es) tube(s) interne(s) doit permettre de connaitre très finement les zones exposées au metal-dusting. A ce jour, aucun système de contrôle en ligne ne permet d’accéder en continu à ces informations.
Compte-tenu du design particulier de ces réacteurs tubulaires, l’inspection périodique du(es) tube(s) interne(s) lors des arrêts est extrêmement délicate. Les techniques disponibles (endoscopie, courant de Foucault etc.) ne permettent pas d’obtenir une information suffisamment pertinente pour quantifier la durée de vie résiduelle des zones endommagées. Faute de connaissance objective de l’évolution de l’état des tubes internes, leurs concepteurs sont donc tenus de prendre des marges de sécurité conséquentes et recommandent des changements de tubes préventifs tous les cinq ans, ce qui correspond à une durée de vie deux fois plus courte pour ces tubes - de type tubes dans tubes - que celle des tubes de reformage classiques à simple passage.
Il existe aussi de nouveaux schémas de réacteurs de reformage qui font appel à la technologie des micros ou milli-réacteurs/échangeurs pour lesquels la conception et le design du four traditionnel sont revus afin d’intensifier le procédé. On entend par micro/milli réacteurs-échangeurs des équipements combinant à la fois les fonctions de réaction et d’échange de chaleur offrant des passages hydrauliques dont les dimensions caractéristiques sont de l’ordre du micromètre ou du millimètre. Des exemples de description détaillée de ce type d’équipement sont présentés dans les documents de l’art antérieur FR3023494A1, FR3032783A1, FR3039888A1. Fortement calorifugé, affecté par le fluage et/ou la fatigue, le bloc réacteur/échangeur a besoin d’être instrumenté afin de pouvoir être exploité en toute sécurité.
Comme rappelé ci-avant, on fait appel à un certain nombre de techniques CND pour le contrôle du vieillissement du four de reformage en fonctionnement. Ces techniques basées sur les courants de Foucault, mais aussi sur les rayons X, les ultrasons ou l’acoustique, entre autres, sont utilisées depuis de nombreuses années mais présentent des faiblesses, parmi lesquelles un manque de sensibilité et/ou de précision, une difficulté de mise en œuvre, un manque de flexibilité, une faible portée (la mesure ne se fait qu’au point où est positionné le capteur), un coût élevé, une utilisation ponctuelle (technique de contrôle au cas par cas). Elles ne sont pas adaptées au contrôle en temps réel des structures car difficilement embarquables, en outre elles ne détectent qu’un type de défaut ou une déformation.
On observe, en référence à ce qui est décrit ci-avantet selon les types de reformeurs, les besoins suivants:
- dans le cadre de l’utilisation de tubes de reformage dits classiques, un besoin pour une technique de contrôle non destructif pouvant être utilisée dans le four de reformage en opération qui permette d’accéder à un profil de la température des tubes, qui soit continu et qui puisse être représentatif de l’état de l’ensemble des tubes de reformage présent dans le fourde reformage;
- dans le cadre de l’utilisation des réacteurs tubulaires de type tube dans tube, le besoin d’une méthode pour un contrôle en continu de l’état des tubes internes et externes, qui soit non destructif et fiable, qui permette de suivre la température des tubes et donc de s’assurer de l’applicabilité de leur durée de vie programmée, et qui permette de s’assurer de l’absence de détérioration existante des tubes, ceci en tous points et à l’aide d’instruments de mesure pouvant être utilisés à très haute température, sous pression et en milieu corrosif;
- dans le cadre de l’utilisation de reformeurs faisant appel à la technologie des micro/milli réacteurs/échangeurs, il y a aussi un besoin d’instrumentation pour le suivi dans le temps des déformations de sorte à pouvoir planifier des interventions de maintenance assurant ainsi la sécurité de l’exploitation et des personnes.
A côté des techniques ou méthodes de contrôle non destructifs considérées ci-avant, on trouve aussi une méthode de diagnostic qui s’appuie quant à elle sur des mesures passives réalisées au moyen de capteurs utilisant une fibre optique équipée de réseaux de Bragg.
L’utilisation de réseaux de Bragg inscrits sur fibre optique est connue dans le cadre des mesures de déformations et de contraintes, pour des structures soumises à des risques de rupture dans des zones de concentration de contrainte comme des pipelines pour le transport de pétrole, gaz naturel ou produits raffinés de pétrole.
Des exemples d’utilisation de la fibre optique munie de réseau de Bragg dans le cadre de contrôles non destructifs sont décrits dans différents document présentés ci-après. Ces réseaux inscrits au cœur de la fibre de silice sont dopés d’éléments photosensibles et permettent –grâce à la particularité de ces composants de réfléchir une certaine longueur d’onde en fonction en particulier du pas du réseau - de mesurer notamment des déformations et contraintes sur des structures soumises à des risques de rupture dans des zones de concentration de contrainte comme des pipelines pour le transport de pétrole, gaz naturel ou produits issus du raffinage de pétrole.
FR2823299A1 décrit un extensomètre à longue base, à fibre optique tendue pourvue d’un réseau de Bragg apte à la surveillance d’ouvrages d’art, ainsi que son procédé de fabrication; la technologie est décrite et l’application ciblée est le contrôle de structure en béton.
EP 2 735 854 A1 décrit un dispositif de mesure de déformation et son implantation dans un élément, le capteur de déformation filiforme étant une FO à réseau de Bragg; l’objectif est de proposer une méthode de mesure de déformation via un dispositif non destructif et faiblement intrusif avec un faible impact sur la structure de l’élément, utilisable pour un élément de fixation, sans impact sur la rigidité de l’assemblage et compatible notamment avec la plupart des applications en aéronautique: les assemblages par ajustement serré, les éléments de fixations emboutis ou sertis, un élément de fixation provisoire ou dans un but d’épinglage. Le document décrit aussi un dispositif permettant d’aider à l’introduction d’une fibre, mais utilisable aussi pour introduire d’autres types de capteur.
FR 2993656, décrit un dispositif de mesure périphérique de contrainte dont le capteur est une FO avec réseau de Bragg utilisé pour assurer la sécurité d’un organe d'accrochage fixé à un appareil de levage. Le capteur est positionné dans un corps annulaire autour de l'organe d'accrochage, il génère un signal de mesure en fonction des contraintes de compression axiale subies par le corps annulaire qui est transmis et analysé. Grace à ce dispositif de faible encombrement, on assure une mesure fiable de l’effort de levage.
L’invention a pour objectif de réaliser des contrôles non destructifs sur les réacteurs de reformage, lesquels fonctionnant à très haute température, sous pression et en atmosphère corrosive sont dans cet environnement hostile - ainsi qu’expliqué ci-avant - soumis à des risques de dégradations majeures.
La solution selon l’invention pourra s’appliquer en particulier aux types de réacteurs cités ci-avant: les réacteurs tubulaires - réacteurs classiques à simple passage ou réacteurs de type tube dans tube (ou réacteurs à baïonnette) - permettant pour ces tubes une mesure en continu des profils de température le long des tubes (classiques et internes), ainsi que les micro/milli réacteurs/échangeurs.
Pour cela, l’invention a pour objet une méthode de suivi du vieillissement par surchauffe d’un réacteur de reformage à la vapeur opérant à des températures très élevées, c’est à dire supérieures à 800°C, utilisant une méthode de contrôle non destructif apte à acquérir et traiter au moins une information en liaison avec ledit vieillissement, dans laquelle ladite méthode de contrôle non destructif comprend les étapes de:
- acquisition d’au moins une information via au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur de silicium ultra pur d’une fibre optique installée sur la paroi du réacteur et apte à fonctionner aux dites très hautes températures,
-conversion de l’information acquise par le capteur en une valeur de grandeur physique liée au vieillissement par surchauffe via au moins un interrogateur doté d’une interface,
- déduction du vieillissement par surchauffe du réacteur à partir de la connaissance des dites valeurs de grandeur acquises.
Selon le mode de réalisation considéré, l’invention peut comprendre l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes:
- la au moins une grandeur physique liée au vieillissement par surchauffe du réacteur est choisie parmi la température de peau et/ou une déformation mécanique;
- on établit un profil longitudinal de la grandeur physique à partir d’informations acquises en installant ladite fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg sur tout ou partie de la longueur du réacteur, en particulier pour un réacteur tubulaire d’une longueur de l’ordre de 5 m ou plus, la partie de la longueur de réacteur équipée de la fibre optique pourra être limitée à la longueur d’un tronçon représentatif du réacteur;
- on établit un profil transversal de la grandeur physique à partir d’informations acquises en installant ladite fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg sur la paroi autour du réacteur, de sorte à entourer le réacteur à un endroit donné sur la longueur du réacteur, de préférence selon une direction perpendiculaire à la longueur;
- on établit unecartographie représentative de la grandeur physique à partir d’informations acquises sur l’ensemble ou sur une partie de la surface du réacteur en y installant ladite fibre optique, de préférence par enroulement hélicoïdal de la fibre optique autour de la surface de l’ensemble du réacteur ou pour un réacteur de grande dimension autour d’une partie choisie de la surface du réacteur, en particulier autour d’un tronçon de réacteur dans le cas d’un réacteur tubulaire de grande longueur;
- dans le cas de réacteurs tubulaires, la fibre optique munie de capteurs à réseau de Bragg est installée soit sur la surface externe du réacteur tubulaire dans le cas d’un réacteur tubulaire classique ou est installée sur la surface externe du tube interne dans le cas d’un réacteur de type tube dans tube;
- dans le cas où une pluralité de réacteurs tubulaires sont installés dans la chambre de combustion d’un four de reformage, au moins une fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg est installée sur la paroi d’au moins un réacteur tubulaire, de préférence d’au moins 10% des réacteurs tubulaires installés;
- le réacteur est de type micro ou milli-réacteur/échangeur, et la au moins une fibre optique munie de capteurs à réseau de Bragg est installée sur la paroi externe du réacteur et/ou est installée dans les passages hydrauliques lorsque ceux-ci présentent une section de passage large par rapport au diamètre de la fibre.
L’invention concerne par ailleurs un dispositif pour l’installation d’une fibre optique, à cœur de silicium ultra pur munie d’au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur de ladite fibre optique, sur la paroi d’un réacteur de reformage opérant à des températures très élevées, permettant la mise en œuvre de la méthode de l’invention, comprenantune fibre optique à cœur de silicium de très haute pureté sur lequel ont été inscrits un ou plusieurs réseaux de Bragg, optionnellement, un puit thermique métallique en inox réfractaire dans lequel est insérée la fibre optique, un bouclier thermique destiné à assurer la protection thermique de la fibre optique sur au moins l’ensemble de sa longueur soumise aux très hautes températures comprenant une enveloppe externe métallique réfractaire remplie d’un isolant thermique dans lequel un sillon préalablement créé reçoit la fibre optique, elle-même optionnellement préalablement insérée dans ledit puit thermique.
Le dispositif peut comprendre l’une et/ou l’autre des caractéristiques suivantes:
- il est apte à être installé sur la surface externe d’un réacteur de forme tubulaire par adaptation de la géométrie de l’enveloppe externe du bouclier thermique pour prendre en compte la courbure de la surface dudit réacteur et assurer un contact continu entre le bouclier thermique et le réacteur tubulaire, de préférence l’enveloppe externeest usinée pour s’ajuster à la surface du réacteur tubulaire;
- l’alliage de l’enveloppe métallique réfractaire du bouclier thermique est choisi de sorte à présenter des propriétés voisines de celles de l’alliage composant la paroi du réacteur sur laquelle la fibre optique sera installée.
L’invention concerne aussi une méthode d’installation d’un des dispositifs tels que décrits ci-dessus sur la paroi du réacteur dont on suit le vieillissement par surchauffe par fixation du dispositif sur la paroi par tout moyen compatible avec les conditions opératoires, en particulier par collage, par soudage, à l’aide de cavaliers ou par ligature à l’aide d’un fil métallique de type inox réfractaire ou Inconel®;
Avantageusement, la colle ou le ciment réfractaire utilisé pour la fixation résistera à des températures opératoires supérieures à 800°C, de préférence supérieures à 1000°C, plus préférentiellement le moyen de collage sera résistant jusqu’à 1200°C.
L’installation des fibres optiques peut être faite avec une précision adaptée aux besoins, ce qui est très utile pour obtenir une cartographie. L’enroulement hélicoïdal autour d’un réacteur tubulaire ou d’un réacteur-échangeur permet, avec un pas plus ou moins serré entre les spires, d’obtenir une cartographie de températures, et/ou de déformations et/ou d’autres grandeurs en cas de besoin, et ceci sur l’ensemble de la surface du réacteur ou sur une partie choisie de cette surface en fonction des besoins identifiées.
Grâce à une utilisation judicieuse des capteurs à réseaux de Bragg inscrits sur fibre optique selon l’invention, on peut donc connaître en temps réel les niveaux atteints par les températures de paroi des réacteurs – dite aussi température de peau -,ainsi que les déformations subies par les éléments sous surveillance, via les capteurs qui ont été installés sur les structures à surveiller selon les besoins.
Dans le cas d’un réacteur tubulaire, on pourra ainsi par exemple mettre en évidence une déformation induite par le fluage du tube qui se caractérise par un allongement de la structure déformée. Pour un réacteur tubulaire classique, la fibre optique munie de capteurs à réseau de Bragg sera installée sur la surface externe du tube, tandis que dans le cas d’un réacteur de type tube dans tube, elle sera positionnée sur la surface externe du tube interne; elle pourra être disposée de façon rectiligne le long du tube pour acquérir un profil longitudinal de température. Afin d’obtenir différents profils, plusieurs fibres optiques peuvent être installées sur ou autour du tubeà différentes localisations.
Dans le cas où une pluralité de réacteurs tubulaires sont installés dans la chambre de combustion d’un four de reformage, un nombre plus ou moins important de tubes pourra être équipé de fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg; de préférence au moins 10% des réacteurs tubulairessont équipés de fibre optique. On équipera de préférence les réacteurs tubulaires dont la température est la plus élevée, donc ceux qui risqueront le plus d’être endommagés en cas de surchauffe. Ces tubes dits «les plus chauds» auront été préalablement désignés, comme tels. Leur désignation peut s’appuyer sur le retour d’expérience, sur des mesures réelles de températures préalables, ou elle peut s’appuyer sur des simulations, ou résulter des informations de design du four.
Dans le cas de réacteurs du type micro ou milli-réacteurs/échangeurs, la (au moins une) fibre optique peut être installée sur la paroi externe du réacteur, et/ou être installée dans les canaux de la structure lorsque ceux-ci présentent une section de passage suffisamment large par rapport au diamètre de la fibre. Les fibres optiques peuvent être installées lors de la fabrication du réacteur, positionnées à des endroits stratégiques et de manière précise, elles peuvent ainsi contribuer à optimiser le fonctionnement du réacteur en opération. Les micro ou milli réacteurs/échangeurs sont affectés par le fluage et/ou la fatigue sous contrainte thermomécanique; grâce à l’invention qui permet le suivi dans le temps des températures et de possibles déformations, il sera possible alors d’améliorer le contrôle du vieillissement de l’équipement et de planifier des interventions de maintenance afin d’assurer la sécurité structurelle de l’équipement, et donc des personnes et de l’exploitation.
La connaissance des valeurs des grandeurs physiques acquises lors de ce suivi de la santé structurelle de l’équipement pourra également être avantageusement utilisée pour le pilotage du réacteur/échangeur.
Considérant maintenant l’installation de la fibre optique. Cette fibre optique est à cœur de silicium haute pureté, elle est munie d’au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur, destinée à être installée sur la paroi d’un équipement à contrôler, elle nécessite de disposer d’un dispositif adapté; ce dispositif selon l’invention comprendra:
- une fibre optique compatible avec des températures très élevées, donc à cœur de silicium de très haute pureté sur lequel ont été inscrits, selon les besoins, un ou plusieurs réseaux de Bragg correspondant à une ou plusieurs longueurs d’onde différentes (comprises par exemple dans la plage de 1400 à 1700 nm);
- optionnellement, un puit thermique (doigt de gant) métallique en inox réfractaire, dans lequel est insérée la fibre optique, lui-même étant disposé dans un sillon créé dans un isolant thermique (voir ci-après);
- une gaine formant un bouclier thermique destiné à assurer la protection thermique de la fibre optique sur au moins l’ensemble de sa longueur soumise aux très hautes températures, gaine comprenant une enveloppe externe métallique réfractaire remplie d’un isolant thermique dans lequel un sillon préalablement créé reçoit la fibre optique, laquelle ayant elle-même été optionnellement préalablement insérée dans le puit thermique (voir ci-avant).
Le dispositif est alors apte à être utilisé à très haute température et fixé sur la paroi dont on veut suivre le vieillissement.
L’utilisation préférentielle pour l’enveloppe métallique réfractaire du bouclier thermique d’un alliage qui présente des propriétés voisines de celles de l’alliage de la paroi du réacteur sur lequel la fibre optique doit être installéepermettra de minimiser les risques de différence de dilatation thermique entre les deux équipements en contact.
L’installation du dispositif sur la paroi du réacteur dont on suit le vieillissement doit être réalisée par un moyen compatible avec les conditions opératoires, la fixation sera réalisée en particulier par collage - l’aide d’une colle ou d’un ciment réfractaire résistant aux températures opératoires -, par soudage, à l’aide de cavaliers ou par ligature à l’aide d’un fil métallique de type inox réfractaire ou Inconel ®.
Grâce aux informations transmises en temps réel, on peut connaitre le vieillissement par surchauffe des réacteurs, contrôler leur fonctionnement et permettre à l’installation d’être exploitée avec plus de sécurité. L’exploitant disposera aussi de moyens supplémentaires pour ajuster le fonctionnement de son exploitation afin d’en améliorer l’efficacité.
Par exemple si les températures de peau de réacteur, acquises par la méthode de l’invention sur une sélection de tubes de reformage présents dans un four de reformage sont basses par rapport à la température de design fournie par le fabricant du tube – la notion de «basse par rapport à la température de design étant laissée à l’appréciation de l’homme du métier en charge -, l’opérateur pourra décider, sans craindre la détérioration des tubes, d’opérer le four de reformage à plus haute température pour rendre le procédé plus performant. Au contraire, si une ou plusieurs températures sont trop élevées – plus élevées que la température maximale d’opération de tube admise -, l’opérateur pourra diminuer la puissance des brûleurs pour abaisser les températures des tubes et supprimer la surchauffe, reprenant ainsi le contrôle du vieillissement par surchauffe.
L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif.
Pour être adaptée pour la mise en œuvre de l’invention, la fibre optique doit supporter les températures élevées et les environnements potentiellement corrosifs du reformage à la vapeur, c’est la raison pour laquelle la fibre optique pour la mise en œuvre de l’invention n’est pas une fibre du commerce conventionnelle, mais une fibre optique à haute valeur ajoutée dite à cœur de Silicium (Silicium de haute pureté) sur lequel ont été inscrits préalablement plusieurs réseaux de Bragg correspondant à différentes longueurs d’ondes comprises typiquement dans la plage 1400 / 1700 nm. Chaque réseau délivre une information. On peut ainsi accéder à la mesure de la température du tube SMR et/ou à la déformation en différents points de sa surface.
Actuellement, les fibres optiques conventionnelles en silice commercialisées ne sont pas compatibles avec un environnement dans lequel les températures sont au-delà de 600/650°C car dans ces conditions, la FO conventionnelle perd sa stabilité dans le temps. La fibre optique à cœur de silicium utilisée pour l’invention supporte ces conditions extrêmes.
Dans le cadre de l’exemple ci-dessous, la fibre optique à cœur de silicium est positionnée sur la surface du réacteur tubulaire classique dont on assure le suivi. Dans le cadre de cet exemple, la fibre est plaquée sur la paroi externe (peau) du tube de reformage classique en alliage fortement réfractaire de type Manaurite ®, lui-même placé dans un four de reformage de méthane à la vapeur (SMR). Le chauffage dans le four est assuré par une batterie de brûleurs, les tubes sont chauffés par convection et par rayonnement par les fumées de combustion et par les parois réfractaires du four.
Pour l’installation de la FO, il est nécessaire de définir le mode de fixation de la FO sur la paroi du réacteur, il faut aussi s’assurer que la température mesurée par la fibre optique est représentative de la température du tube et donc pertinente. Pour que cette température ne soit pas biaisée par la température des fumées, un bouclier thermique de la longueur de la fibre est utilisé. Ce bouclier thermique se présente sous la forme d’une gaine constituée d’une enveloppe externe métallique en métal réfractaire (type SS 310, 800H)remplie d’un isolant thermiquequi est de l’Insulmould ® (un ciment réfractaire) dans le cadre de cet exemple, mais on pourra aussi utiliser un isolant de type fibreux. Un sillon y est créé dans lequel la Fibre optique est placée.
Le dispositif est plaqué contre la peau (surface extérieure) du tube où il est fixé par soudage. Le dispositif de l’exemple présente les caractéristiques suivantes:
La fibre optique a un diamètre de 100 à 150 µm. Très fine et fragile, elle est insérée dans un puit thermique ou doigt de gant métallique en Inconel (inox réfractaire) d’un diamètre de 1/16’’ (soit environ 1,6mm).
L’épaisseur de l’enveloppe métallique externe du bouclier est de l’ordre du millimètre (1 à quelques mm), elle entoure l’isolant dont l’épaisseur est de l’ordre du cm (1 à quelques cm).
Le puit thermique est inséré dans le sillon réalisé à cet effet dans le ciment réfractaire.
L’ensemble du dispositif formé par la fibre optique insérée dans le puit thermique, lui-même inséré dans le bouclier thermique constituant est placé au contact du tube de reformage.
Pour cela, l’enveloppe métallique de la gaine est usinée pour prendre en compte la courbure du réacteur tubulaire, assurant ainsi un contact intime entre le dispositif et le tube de reformage.
Le dispositif traverse la sole du four pour permettre d’acheminer la fibre optique jusqu’à l’extérieur du four où elle est connectée à un câble de déport qui conduit l’information mesurée vers un interrogateur placé à distance, par exemple dans la salle de contrôle de l'installation; ce câble de déport pourra pour cela avoir une longueur de l’ordre de 100m ou plus. L’interrogateur, doté d’une interface adaptée convertira l’information mesurée par les réseaux de Bragg en une mesure équivalente (température ou déformation, ou autre grandeur selon les besoins).
Un avantage majeur de la méthode de l’invention est qu’elle permet d’acquérir les informations en tous points de la surface du réacteur où peut être installée la fibre optique. Ainsi, dans une optique d’acquisition d’informations sur la température des tubes de reformage, le capteur (fibre optique à réseau de Bragg munie de son bouclier thermique) est avantageusement installé :
- verticalement le long du tube de reformage pour l’acquisition du profil de température de peau sur la longueur du tube,
- horizontalement sur la circonférence du tube pour acquérir un profil de section,
- selon un enroulement de façon hélicoïdale pour réaliser une cartographie de température du tube.
D’autres positionnements sont bien sûr possibles qui s’adapteront à une autre géométrie de réacteur ou qui auront pour objectif d’acquérir des informations sur une zone particulière d’un reformeur.
L’utilisation d’un bouclier thermique à enveloppe métallique offre certains avantages, notamment la possibilité de fixer le dispositif de captage sur le tube par soudage - l’alliage choisi pour la paroi extérieure du bouclier aura de préférence dans ce cas des propriétés proches de celle de l’alliage constitutif du tube de reformage de sorte à supprimer ou minimiser les risques de dilatation thermique différenciée entre les alliages du bouclier et du tube. En effet, lors du soudage, les contraintes se localisent sur le cordon ou les points de soudure et en cas de contraintes trop importantes, la soudure peut rompre ou le tube peut se fissurer.
Une alternative à la soudure peut être un bouclier thermique constitué d’un matériau réfractaire mis en forme, par exemple du tissu qui viendrait recouvrir le dispositif pour confiner la FO contre la paroi du tube et la protéger d’une exposition directe aux fumées du four. Ce type de tissu doit être un tissu résistant aux températures auxquelles opère le réacteur, on utilisera typiquement un tissu du type NEFATEX 1390 ® (tissu à base de filaments continus d’alumine-silice qui présente une excellente tenue mécanique, une grande flexibilité et une bonne résistance à la corrosion jusqu'à 1390°C et peut être utilisé jusqu'à cette température).
De manière avantageuse, ce tissu peut être découpé en bande afin d’assurer aussi la fonction de bouclier thermique, la fixation sur la paroi du réacteur pouvant être réalisée au moyen de ligatures de même composition et/ou à l’aide d’un fil métallique - de type Inconel ® par exemple- venant encercler le tube de SMR, ou à l’aide de tout autre moyen adapté.
Cette option consistant à utiliser en tant que bouclier thermique un tissu tel que présenté ci-dessus présente l’avantage de supprimer le problème du différentiel de dilatation énoncé précédemment lié à l’utilisation d’un bouclier thermique à enveloppe métallique.
Claims (11)
- Méthode de suivi du vieillissement par surchauffe d’un réacteur de reformage à la vapeur opérant à des températures très élevées, soit supérieures à 800°C, utilisant une méthode de contrôle non destructif apte à acquérir et traiter au moins une information en liaison avec ledit vieillissement, caractérisée en ce que ladite méthode de contrôle non destructif utilise au moins une fibre optique à cœur de silicium ultra pur et comprend les étapes de:
- acquisition d’au moins une information via au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur de silicium ultra pur de la au moins une fibre optique installée sur la paroi du réacteur et apte à fonctionner aux dites très hautes températures,
- conversion de l’information acquise par le capteur en une valeur de grandeur physique liée au vieillissement par surchauffe via au moins un interrogateur doté d’une interface,
- déduction du vieillissement par surchauffe du réacteur à partir de la connaissance des dites valeurs de grandeur acquises. - Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que la au moins une grandeur physique liée au vieillissement par surchauffe du réacteur est choisie parmi la température et/ou une déformation mécanique.
- Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle on établit un profil longitudinal de la grandeur physique à partir d’informations acquises en installant ladite fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg sur tout ou partie de la longueur du réacteur, en particulier, pour un réacteur tubulaire de grande dimension, d’une longueur de l’ordre de 5 m ou plus, la partie de la longueur de réacteur équipée de la fibre optique pourra être limitée à la longueur d’un tronçon représentatif du réacteur.
- Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle on établit un profil transversal de la grandeur physique à partir d’informations acquises en installant ladite fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg sur la paroi autour du réacteur, à un endroit donné sur la longueur du réacteur, de préférence selon une direction perpendiculaire à la longueur.
- Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle on établit une cartographie représentative de la grandeur physique à partir d’informations acquises sur l’ensemble ou sur une partie de la surface du réacteur en installant la fibre optique sur l’ensemble ou sur une partie de la surface du réacteur, de préférence par enroulement hélicoïdal de la fibre autour de la surface de l’ensemble du réacteur ou pour un réacteur de grande dimension autour d’une partie choisie de la surface du réacteur, en particulier autour d’un tronçon de réacteur dans le cas d’un réacteur tubulaire de grande longueur.
- Méthode selon l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que dans le cas de réacteurs tubulaires, la fibre optique munie de capteurs à réseau de Bragg est installée soit sur la surface externe du réacteur tubulaire dans le cas d’un réacteur tubulaire classique ou est installée sur la surface externe du tube interne dans le cas d’un réacteur de type tube dans tube.
- Méthode selon la revendication 6 caractérisée en ce que dans le cas où une pluralité de réacteurs tubulaires sont installés dans la chambre de combustion d’un four de reformage, au moins une fibre optique munie de capteur à réseau de Bragg est installée sur la paroi d’au moins un réacteur tubulaire, de préférence d’au moins 10% des réacteurs tubulaires.
- Méthode selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le réacteur est de type micro ou milli-réacteur/échangeur, et la au moins une fibre optique munie de capteurs à réseau de Bragg est installée sur la paroi externe du réacteur et/ou est installée dans les passages hydrauliques lorsque ceux-ci présentent une section de passage large par rapport au diamètre de la fibre.
- Dispositif d’installation d’une fibre optique munie d’au moins un capteur à réseau de Bragg inscrit dans la matière du cœur de ladite fibre optique sur la paroi d’un réacteur de reformage opérant à des températures très élevées pour la mise en œuvre de la méthode de l’invention, comprenant:
- une fibre optique à cœur de silicium de très haute pureté sur lequel ont été inscrits un ou plusieurs réseaux de Bragg
- optionnellement, un puit thermique métallique en inox réfractaire dans lequel est insérée la fibre optique,
- un bouclier thermique destiné à assurer la protection thermique de la fibre optique sur au moins l’ensemble de sa longueur soumise aux très hautes températures comprenant une enveloppe externe métallique réfractaire remplie d’un isolant thermique dans lequel un sillon préalablement créé reçoit la fibre optique, elle-même optionnellement préalablement insérée dans ledit puit thermique,
- un moyen de fixation de la fibre optique à la paroi du réacteur par collage, par soudage, à l’aide de cavaliers ou par ligature à l’aide d’un fil métallique de type inox réfractaire ou Inconel ®. - Dispositif selon la revendication 9 apte à être installé sur la surface externe d’un réacteur de forme tubulaire par adaptation de la géométrie de l’enveloppe externe du bouclier thermique pour prendre en compte la courbure de la surface dudit réacteur et assurer un contact continu entre le bouclier thermique et le réacteur tubulaire, de préférence, l’enveloppe externeest usinée pour s’ajuster à la surface du réacteur tubulaire.
- Dispositif selon la revendication 9 ou la revendication 10 caractérisé en ce que l’alliage de l’enveloppe métallique réfractaire du bouclier thermique est choisi de sorte à présenter les propriétés thermiques de l’alliage composant la paroi du réacteur sur laquelle la fibre optique sera installée.
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