Fiabilisation et appel d'offres pour un échangeur de chaleur (TLX)

Projet mené dans le cadre d’un contrat de professionnalisation sur la plateforme pétrochimique de Gonfreville-l’Orcher, au sein du département de maintenance en charge des fours de vapocraquage.

Contexte

Un TLX (échangeur à plaque tubulaire) refroidit les gaz issus du craquage à l’aide d’eau sous pression (120 bars) : les gaz entrent à 470 °C, traversent environ 290 tubes refroidis, et ressortent à 350 °C. Chaque four de l’unité est équipé d’un TLX.

Au début des années 2010, plusieurs de ces échangeurs ont présenté des perçages de tubes causés par la corrosion. Un plan de remplacement progressif a été engagé.

Figure 1 - Échangeur à faisceau tubulaire : le faisceau est maintenu à chaque extrémité par une plaque tubulaire, et les déflecteurs forcent l’écoulement côté calandre à le traverser. Schéma issu de [1].

Une corrosion qui persiste

Des mesures par ultrason sur un échangeur déjà remplacé ont révélé des corrosions locales encore importantes, avec une vitesse de perte d’épaisseur estimée à 0,1 mm/an. Les tubes, installés à 4,2 mm d’épaisseur, présentaient déjà par endroits des valeurs inférieures aux seuils calculés par les fabricants.

En m’appuyant sur ces dernières visites d’inspection, j’ai rédigé le cahier des charges du prochain appel d’offres en y ajustant les exigences techniques : notamment une surépaisseur de corrosion sur les tubes du prochain TLX à remplacer.

Une nouvelle vision sur la conception

Une fois l’appel d’offres lancé, plusieurs échanges de clarification technique avec les fournisseurs ont fait apparaître une anomalie : les épaisseurs de tubes proposées variaient fortement d’un fournisseur à l’autre, sans que cela ne corresponde à une différence de conception.

Pour comprendre pourquoi, j’ai refait les calculs de dimensionnement des tubes en pression externe. Les tubes sont dimensionnés selon l’ASME VIII-1. L’ASME propose aussi des Code Cases — des règles de calcul alternatives pour des cas particuliers — qui donnent ici une épaisseur minimale requise nettement plus faible que la méthode classique.

En reproduisant ces calculs, j’ai identifié que certains fournisseurs avaient simplement utilisé cet écart pour répondre à l’appel d’offres : en gardant l’épaisseur installée de 4,2 mm et en calculant via le Code Case, l’exigence de surépaisseur apparaît déjà respectée — sans rien changer à la conception.

L’enjeu de conception devenait alors de prouver que les tubes, qui servent aussi à raidir les plaques tubulaires contre la déformation sous les pressions de service, seraient structurellement résistants avec une telle épaisseur. Une étude préliminaire a été menée pour vérifier ce point.

Ce que révèle l’étude

Le Code Case tient-il mécaniquement ?

Un calcul fourni par un fabricant, en supposant une perte d’épaisseur généralisée sur toute la longueur des tubes, a montré que la contrainte dans les plaques restait sous la limite admissible définie par l’ASME Section VIII, Division 2 (Partie 5) — la division utilisée pour la vérification par éléments finis, à distinguer de la Division 1 (UG-28) utilisée pour le calcul d’épaisseur des tubes.

• La plaque de sortie est la plus sollicitée, notamment aux connexions avec les tubes
• En supposant une évolution linéaire des contraintes (simplification), la marge disponible dépasserait largement la contrainte de surépaisseur exigée — un résultat indicatif, calculé sur peu de points
• Les échangeurs à plaque mince déjà installés pourraient rester en service au moins deux cycles de plus

Le choix final

Cette conception n’était pas la seule proposée : d’autres fournisseurs avaient bel et bien soumis des versions techniquement renforcées, plus coûteuses. Pour trancher entre les offres, j’ai établi les critères de sélection puis, avec le service, pondéré le poids décisionnel de chaque critère technique et commercial. La conception standard a été retenue plutôt que la version renforcée : celle-ci offrait plus de garanties techniques, mais l’étude de marge menée sur le Code Case montrait que la conception standard répondait déjà à l’exigence de surépaisseur — sans surcoût ni délai de validation supplémentaire.

Ce que ça a changé pour le service

• Prochain remplacement sécurisé, avec une exigence de surépaisseur de corrosion réellement justifiée techniquement
• Meilleure compréhension des limites de la méthodologie de dimensionnement des fournisseurs (rôle structurel des tubes, portée réelle des Code Cases)
• Une base d’analyse coût/bénéfice réutilisable pour les futurs arbitrages de conception sur ce type d’équipement

Références

[1] TotalEnergies, « Échangeur thermique : fonctionnement, types et efficacité ». Consulté le: 9 septembre 2026. [En ligne]. Disponible sur: https://www.totalenergies.fr/particuliers/parlons-energie/dossiers-energie/chauffage-et-climatisation/echangeur-thermique-fonctionnement-types-et-efficacite