Meilleures Pratiques De Filtrage Pour Une Mesure Précise Des Tubes Des Fours À Combustion

L'imagerie thermique est un outil idéal d'inspection sans contact des tubes à l'intérieur d'un four de raffinage du pétrole en fonctionnement, mais la mesure de la température à travers les flammes est un défi. Heureusement, de nouvelles techniques de filtrage permettent d'améliorer la précision de ces mesures.

L'inspection des tubes à l'intérieur d'un four de raffinage du pétrole en fonctionnement est essentielle pour optimiser la sécurité, l'efficacité et la durée de vie. Mais la réalisation d'une imagerie infrarouge (IR) et d'une mesure de température à travers les gaz chauds d'un four en fonctionnement est un défi. La solution, face à cette difficulté, est l’utilisation une caméra optique d'imagerie des gaz équipée d'un filtre spécial qui permet aux inspecteurs de prendre des mesures précises à l'intérieur des fours biens.

Dans l'industrie pétrochimique, la transformation du pétrole brut en d'autres produits implique de le chauffer à des températures supérieures à 400 °C à l'aide de fours. Cette action consiste généralement à pomper le pétrole dans des tubes à l'intérieur des fours, où les brûleurs chauffent les tubes et donc le pétrole qu'ils contiennent. Il est essentiel d'avoir un bon contrôle de la température de surface le long des tubes. Si certaines partiessont juste 50 °C trop chaudes, des tubes conçus pour durer 20 à 25 ans pourraient tomber en panne au bout de cinq ans. D'autre part, l’exploitation d'un four trop froid peut réduire considérablement l'efficacité du système, ce qui entraîne une diminution de la capacité.

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VOIR DANS UN FOUR

Il est donc important de regarder au-delà du gaz chaud et de mesurer la température des tubes. L’une des façons de mesurer la température des tubes est d'utiliser un thermocouple, un capteur de température fixé au tube. Bien qu'ils fournissent des informations utiles, les thermocouples ne peuvent mesurer que la température de l'endroit où ils sont fixés. Vous devez avoir la certitude que la  température reste constante autour du thermocouple car il ne détectera pas les pics de chaleur à proximité (voir figure 1).

Fig. 1. Les thermocouples des tubes ne détectent pas les zones plus chaudes situées à proximité, lesquelles apparaissent plus brillantes sur cette image, car ils ne mesurent que la température de leur propre point local

Une caméra du four peut visualiser une plus grande surface de tubes et mesurer la chaleur dans la zone d'imagerie. S'il y a des variations de température d'une partie du tube à l'autre, la caméra peut les détecter.

Les brûleurs qui chauffent un four génèrent des vapeurs et des gaz à travers lesquels la plupart des caméras IR ne peuvent voir clairement. Mais des caméras thermiques spéciales équipées de filtres spectraux sont capables de voir à travers ces vapeurs et gaz, en mesurant les variations de température sur les tubes derrière elles.

À L’INTÉRIEUR ET À L’EXTÉRIEUR

Quelles pourraient être les causes de ces variations ? Deux processus peuvent interférer avec le transfert régulier de la chaleur des flammes du brûleur, à travers le tube, vers le pétrole à l'intérieur. L'un d’eux est appelé mise à l’échelle, lorsque la chaleur excessive entraîne la formation d'une couche d'oxyde sur la surface externe du tube. Ces couches d'oxyde peuvent varier en émissivité, être fines ou épaisses, absorber la chaleur et avoir une mauvaise conductivité, ce qui limite le transfert de chaleur dans les tubes. Ces zones semblent plus chaudes sur l'image IR, alors qu'en réalité elles maintiennent le processus trop froid en bloquant le passage d'une partie de la chaleur dans le tube (voir Fig. 2).

Fig. 2. La mise à l’échelle externe des tubes entraîne un aspect irrégulier, tant dans l'infrarouge que dans la lumière visible. Les zones à bords définis qui semblent chaudes sur l'image thermique ne sont en fait pas en surchauffe.

Alors que la mise à l'échelle provoque une surchauffe apparente, un autre problème, la cokéfaction, provoque une surchauffe réelle. La cokéfaction est causée par une augmentation localisée de la température, laquelle peut décomposer le pétrole brut en carbone et en hydrogène. Alors que l'hydrogène suit le flux de pétrole, le carbone peut adhérer et s'accumuler dans des zones localisées sur la surface interne des tubes. L'accumulation entrave le flux de pétrole, lequel évacue normalement une partie de la chaleur du tube en s'écoulant, et rend cette section du tube trop chaude

Supposons que vous regardiez une section de tube dont la température est généralement de 400 °C. Il peut y avoir une petite zone avec une température accrue de 450 °C quelque part sur le tube en face des brûleurs ; elle se situe généralement en face des brûleurs parce qu'elle est soumise plus directement à la chaleur. C’est par conséquent l’endroit où la mise à l’échelle et la cokéfaction ont plus de chances d'apparaître. Sur une image thermique, cette zone plus chaude aura clairement une couleur différente de celle du tube environnant. Mais comment savoir si une telle surchauffe est une mise à l’échelle ou une cokéfaction ?

MONTRER LA DIFFÉRENCE

Étant donné que la cokéfaction et la mise à l’échelle sont deux problèmes différents (l'un provoquant une surchauffe apparente et l'autre entraînant une surchauffe réelle), il est important de pouvoir les distinguer. La mise à l’échelle est généralement indiquée par un gradient thermique net et souvent par un aspect parcellaire visible à la fois en lumière visible et dans l'image IR. Si le motif visible correspond au motif IR, il s'agit probablement d'un problème d'échelle. La cokéfaction montre généralement un gradient thermique plus doux dans l'image IR, souvent appelé « pâle lueur », qui ne correspond à aucune caractéristique visible à la surface du tube (voir figure 3). Pour faire la différence et quantifier les écarts de température, il faut une image de bonne qualité. Pour obtenir une telle image, les caméras infrarouges utilisent des filtres capables de supprimer la chaleur des vapeurs et des gaz de l'image, ce qui permet de voir les tubes à travers le four. Sans un filtrage approprié, l’image peut sembler floue. L'opacité peut dégrader considérablement la précision de la mesure de la température et rendre difficile de savoir si les zones surchauffées sont le résultat de la cokéfaction ou de la mise à l’échelle.

Fig. 3. Les zones des tubes souffrant de cokéfaction interne présentent des bords mous et une « pâle lueur » sur l'image thermique, ce qui indique que les zones des tubes les plus chaudes sont susceptibles de surchauffer.

Une caméra d'imagerie thermique pourrait avoir un détecteur InSb avec un filtre qui ne laisse passer que le rayonnement d'une longueur d'onde de 3,9 μm. À cette longueur d'onde, la vapeur et les gaz présents dans le four n'émettent que peu ou pas de rayonnement, ils sont donc fonctionnellement invisibles, et la majorité des photons recueillis par le détecteur proviennent d'autres objets situés derrière la vapeur. Le détecteur et le filtre sont tous deux contenus dans la partie de la caméra qui est refroidie à moins de 70 kelvins pour réduire le bruit et l'auto-chauffage du filtre qui aurait un impact négatif sur l'image et la précision.

Ces caméras peuvent également être équipées d'un filtre à densité neutre intégré, situé en dehors de la zone refroidie, qui élimine un certain pourcentage de rayonnement dans une large gamme de longueurs d'onde afin d'éviter la sursaturation du détecteur à des températures élevées. Cette configuration peut toutefois poser des problèmes liés à un phénomène indésirable appelé lumière parasite, c'est-à-dire un excès de rayonnement qui se retrouve sur le détecteur.

ÉGAREMENT

La lumière parasite n'est pas vraiment un problème dans de nombreux types de mesures thermiques, surtout lorsque l'objet mesuré est plus chaud que la zone environnante. Mais dans les fours, la zone environnante est généralement beaucoup plus chaude que les tubes eux-mêmes, ce qui peut entraîner des problèmes. La lumière parasite se produit lorsque les photons infrarouges se réfléchissent sur diverses surfaces et empruntent des chemins non souhaités. Elle peut provenir de l'intérieur du champ de vision de la caméra ou d'objets chauds situés hors du champ de vision, comme un brûleur. La lumière parasite peut rebondir à l'intérieur de la caméra jusqu'à ce qu'elle atteigne le détecteur, créant un effet nuageux qui réduit la qualité de l'image et affecte la précision des mesures de température (voir Fig. 4).

Fig. 4. Un corps noir chaud imagé avec un filtre à densité neutre (en haut) présente une apparence floue due à la lumière parasite. Le même objet vu à travers une ouverture (en bas) est beaucoup plus net. Remarque : L’aspect nuageux de l'image du haut a été agrandi pour mieux illustrer la différence.

UNE NOUVELLE APPROCHE

Pour résoudre le problème de la lumière parasite, les filtres à densité neutre peuvent être remplacés par une ouverture. L'ouverture est une plaque d'aluminium percée d'un petit trou, qui bloque un grand pourcentage du rayonnement, comme le fait un filtre à densité neutre. La plaque est recouverte sur les deux faces de noir IR, un revêtement qui absorbe le rayonnement IR. La lumière parasite qui frappe l'extérieur de l'ouverture est absorbée afin qu'elle ne puisse plus rebondir dans la caméra. L’autre avantage de l'ouverture est qu'elle augmente la profondeur de champ de la caméra, de sorte que davantage de parties des tubes peuvent être mises au point en même temps. Ceci permet au thermographe d'inspecter une plus large portion de tubes à la fois (voir la figure 5).

Fig. 5. Ces images ont été prises à travers le même viseur, l'une avec une ouverture (en bas) et l'autre avec un filtre à densité neutre (en haut). La paroi latérale du viseur, le long du côté droit de chaque image, est plus clairement mise au point avec l'ouverture. (Crédit : Mikael Cronholm)

Bien sûr, une chaleur de plusieurs centaines de degrés Celsius provenant d'un four suffirait à faire fondre non seulement le revêtement noir IR mais aussi la caméra elle-même. La caméra doit donc toujours être utilisée avec un bouclier thermique avant et une fenêtre de protection avant supplémentaire qui supprime les longueurs d'onde indésirables.

LES LIMITES DE MESURE

Lors d'un test récent, une caméra a été pointée par le port d'inspection d'un four sur un radiateur à corps noir dont la température et l'émissivité sont connues, de l'autre côté du four. L'utilisation d'une ouverture revêtue a permis de réduire de moitié l'erreur de mesure, en supprimant efficacement la lumière parasite. D'autres facteurs influent également sur la précision de la mesure ; elle fonctionne mieux avec du gaz naturel propre alimentant les brûleurs, car des variations dans les fours ou des impuretés dans le combustible peuvent modifier les longueurs d'onde émises par les vapeurs, introduisant des erreurs.

Une autre limitation est imposée par le port d'inspection, essentiellement
un oeilleton sur le côté du four. Les fours ont des parois d'environ un demimètre d'épaisseur pour retenir la chaleur, et les ports sont généralement petits. Le fait de pointer la caméra directement sur le port ne fournit qu'une vue de face, ce qui limite la zone qui peut être imagée. Les utilisateurs peuvent ajouter un prolongateur d'objectif, un dispositif mince qui s'insère plus loin dans l’oeilleton et peut être tourné pour voir une plus grande partie des tubes, augmentant ainsi les chances de détecter les problèmes.

UN OUTIL UTILE

Les caméras thermiques sont un outil important pour mesurer la température des tubes à l'intérieur des fours utilisés pour le raffinage du pétrole et le traitement pétrochimique. Elles fournissent des mesures plus détaillées que les thermocouples. Bien qu'il soit difficile de voir à travers les gaz dans un four, il est important de le faire avec précision, car une température de 50 degrés Celsius trop élevée peut réduire considérablement la durée de vie des tubes.

Le choix de la bonne configuration du filtre peut influer sur la précision de la mesure et aider les utilisateurs à distinguer la mise à l’échelle externe de la cokéfaction interne. L'utilisation d'un filtre à densité neutre atténue le problème de la sursaturation du détecteur mais n'élimine pas la lumière parasite, laquelle peut rebondir dans le détecteur et créer une image trouble et moins utile. Une nouvelle technique repose sur une ouverture, un petit trou dans une plaque d'aluminium recouverte de noir IR pour absorber la lumière parasite avant qu'elle n'atteigne le détecteur.

En choisissant la bonne configuration de filtre et en tenant compte d'autres facteurs qui peuvent affecter la précision, comme la pureté du gaz combustible et l'efficacité du brûleur, les inspecteurs de fours peuvent évaluer le bon fonctionnement du processus et détecter les problèmes avant qu'ils n'entraînent des dépenses supplémentaires.