Située à Feyzin,à une dizaine de kilomètres au sud de Lyon (Rhône), l'entreprise descote est reconnue dans le monde entier pour son expertise dans le domaine de la robinetterie pour les applications dangereuses ( voir encadré page 44) ,en particulier celles faisant intervenir des produits chlorés ou fluorés: chlore,phosgène, acide chlorhydrique (HCl), mais aussi l'HF anhydre, l'hexafluorure d'uranium (UF6 ), les solvants fluorés, le trifluorure d'azote (NF3 ), de bore (BF3 ) ou de chlore (ClF 3 )…Tous ces composés dangereux pour l'homme et pour l'environnement sont utilisés, entre autres, dans les industries chimique et nucléaire ou dans les secteurs des semi-conducteurs, etc.

Si l'on s'intéresse d'un peu plus près au domaine nucléaire, le français a développé des robinets à soupape à soufflet et des éjecteurs de pompage de fluides radioactifs pour le retraitement des combustibles usagés, ainsi que des robinets de transport pour les conteneurs d'UF6, des robinets à soupape à soufflet pour les applications d'eau lourde dans les centres de recherche et une gamme de robinetteries haute pression pour les circuits primaires et secondaires de centrales ou de sous-marins nucléaires. « Comme ces industriels ne peuvent pas tester les éjecteurs à vapeur motrice directement sur leurs procédés, nous leur proposons une plate-forme technique, en plus de nos compétences en ingénierie (études, calculs, réalisation industrielle…) », explique Pascal Chambe, directeur de production de descote.

Pouvoir réaliser des campagnes de mesures dans le temps

Ce banc, qui permet de caractériser les éjecteurs à vapeur, s'articulait jusqu'à l'année dernière autour de trois parties: une chaudière à vapeur instantanée, une station d'essais où était inséré l'éjecteur à tester, et un puits d'une profondeur de 14 mètres. La chaudière délivrait un débit de vapeur réglable manuellement, mais dont la stabilité n'était pas parfaite, ce qui pouvait perturber les essais en régime établi.Au niveau du puits, le liquide entraîné par l'éjecteur était aspiré; le mélange refoulé, constitué de la vapeur aspirée et du produit, était ensuite envoyé au tout-à-l'égout. « Il n'y avait aucune acquisition de données. Les différents paramètres (pression,débit,température…) étaient relevés manuellement par l'opérateur » , rappelle Pascal Chambe.

Un éjecteur à vapeur motrice est un appareil statique dont le principe de fonctionnement repose sur l'effet Venturi et sur la conservation d'énergie. Il peut être vu comme une pompe thermodynamique sans aucuns éléments mobiles.

Avant de continuer, il est peut-être utile pour les non-spécialistes de rappeler ce qu'est un éjecteur à vapeur motrice. Il s'agit d'un appareil statique mis en œuvre pour le transfert ou le mélange de gaz, de vapeurs, de liquides grâce à la détente d'un fluide primaire moteur et à la récupération de l'énergie de condensation dans le cas de la vapeur. « Le principe de fonctionnement repose sur l'effetVenturi et sur la conservation d'énergie.Un éjecteur peut être vu comme une pompe thermodynamique sans aucun élément mobile », ajoute Pascal Chambe. L'énergie motrice obtenue grâce à la détente d'eau, d'air ou de vapeur au niveau de la tuyère (la vitesse augmentant, une dépression se crée; c'est l'effet Venturi) génère l'aspiration du produit que l'on cherche à transférer dans la chambre d'aspiration. Un éjecteur se caractérise alors notamment par une hauteur de référence ou de refoulement (là vers où est transféré le produit) et une seconde hauteur (là d'où est transféré le produit).

Les éjecteurs à vapeur motrice sont utilisés dans le domaine nucléaire notamment pour le transfert de fluides radioactifs. Pour la conception de nouveaux produits, l'entreprise française descote a fait évoluer ses moyens d'essais en se dotant d'un nouveau banc de caractérisation semi-automatisé.

La caractérisation des éjecteurs à vapeur se fait depuis des décennies de manière empirique. Pour chaque demande d'un client, une courbe de profil est réalisée, d'où l'existence d'une bibliothèque forte de plus de 2 000 références aujourd'hui. « Pour une nouvelle demande, nous ne pouvions toutefois pas consulter cette bibliothèque pour trouver la référence ad hoc. Et cela aurait été une perte de temps de caractériser dans le détail chaque éjecteur à vapeur, en termes de matériaux (aciers inoxydables 304 et 316L) et de couple pression-température, avec l'ancien banc d'essais », explique Pascal Chambe.

Pour répondre aux futures exigences de ses clients, l'entreprise a décidé de faire évoluer ses moyens d'essais pour être en mesure de répondre aux spécifications liées au transfert d'effluents liquides radioactifs. La réalisation de ce nouveau banc d'essais s'inscrivait également dans une stratégie plus générale de descote auprès du marché du nucléaire. Il s'agissait d'être en mesure de réaliser de grandes campagnes de mesures dans le temps, pour tester par exemple d'autres matériaux (des céramiques, des matériaux amorphes pour limiter les gradients thermiques),en fait de faire monter en puissance les compétences de l'entreprise dans ce secteur.

Des essais de caractérisation, d'amorçage et des essais à vide

Pour la conception et la réalisation du nouveau banc d'essais, l'entreprise rhodanienne a fait appel à la société Coretec ( voir Mesures n° 823 ), spécialisée dans l'énergie et les utilités industrielles et située à Vaulx-en-Velin (Rhône). Les deux sociétés ont ainsi défini le cahier des charges suivant. Le banc de caractérisation doit mesurer les débits transférés et de vapeur consommée ainsi que le taux de dilution de l'éjecteur à vapeur en fonction de la variation des paramètres à évolution lente ou à évolution rapide. Dans le premier cas, il s'agit de la hauteur d'aspiration et de la température du liquide aspiré. Les paramètres à évolution rapide, eux, sont la pression motrice, ou le débit, de vapeur et la pression, ou le débit, de refoulement. « On parle également de taux de dilution qui est le rapport entre le volume refoulé et le volume aspiré » , ajoute Pascal Chambe (descote).

Le banc doit par ailleurs permettre de conduire quatre types d'essais différents. Il s'agit d'abord des essais classiques de caractérisation d'un éjecteur à vapeur, pour la production. L'objectif est de déterminer toutes les caractéristiques de fonctionnement en un temps minimum. Pour cela, après avoir fixé les deux paramètres à évolution lente, on fait varier les paramètres à évolution rapide et on mesure les taux de dilution, les débits et les autres paramètres de marche. L'opération est ensuite reproduite pour la hauteur d'aspiration suivante en déplaçant le réservoir dans le puits. Une fois toute la plage de hauteur d'aspiration couverte, on reproduit l'opération pour la température suivante en utilisant l'échauffement “naturel du système”. Trois types d'essais classiques sont ainsi possibles : des essais en retour gravitaire, des essais avec la régulation du niveau réel du bac d'aspiration et des essais avec la régulation niveau simulé du bac d'aspiration.

La solution développée en partenariat entre descote et Coretec repose sur une conception modulaire dans laquelle on retrouve la chaudière à vapeur instantanée et le puits d'une profondeur de 14 m, qui existaient déjà auparavant, ainsi qu'un skid de vapeur, qui assure la réduction de la pression motrice de vapeur, un skid de refoulement, une cuve équipée d'un système de pesage et une baie de contrôle.

Les deux types d'essais suivants sont les essais d'amorçage et à vide. Pour les premiers, l'opérateur fixe les deux paramètres à évolution lente (hauteur d'aspiration et température du liquide aspiré), fait ensuite varier la pression de vapeur et observe à quel point de fonctionnement débute l'aspiration. L'enregistrement des données permet alors de déterminer exactement ce point. Quant aux essais à vide, l'opérateur ferme l'aspiration de l'éjecteur à vapeur et fait varier la pression motrice de vapeur. Le système mesure la pression d'aspiration et l'opérateur relève des points de mesure ou fait des enregistrements.

Le quatrième type d'essais est de nouveau des essais de caractérisation mais, cette fois, de type batch ; plus manuels et plus souples, ils sont destinés à laR&D.Lebut, ici, est de recouper les valeurs données par des compteurs avec des valeurs massiques données par des pesons. De la même manière que pour les essais classiques, l'opérateur peut faire varier la pression de vapeur motrice et lancer l'acquisition des données. Ces essais se font à hauteur d'aspiration variable et à température d'aspiration fixe. A la fin de l'essai, qui correspond au bac d'aspiration vide, l'opérateur peut alors recouper les valeurs comptées par le(s) débitmètre(s) au refoulement avec la masse du bac de refoulement et recouper l'information des pesons via un niveau visuel sur le bac de refoulement.

Une première contrainte : intégrer la chaudière et le puits existants

Comme il s'agissait de l'évolution d'un banc existant, il s'est avéré qu'il fallait prendre en compte plusieurs contraintes. « La principale concernait la réutilisation d'équipements déjà présents et disponibles, comme la chaudière à vapeur instantanée, malgré son problème de stabilité, et le puits. Le nouveau banc devait également pouvoir s'intégrer dans la salle dédiée aux essais.Il ne s'agissait pas de remettre en cause les procédures existantes, le but n'étant pas de tester de nouveaux modèles d'éjecteurs.Nous devions par ailleurs concevoir le système de telle façon qu'un certain nombre de composants puissent être préfabriqués chez nous pour limiter le temps d'intervention chez descote » , explique Julien Poulat,ingénieur responsable commercial chez Coretec. Du point de vue de l'exploitation et de la conduite des essais, l'objectif était de réaliser un outil qui soit “semi-automatisé” et dont les tests puissent être conduits par différents opérateurs.

Compte tenu de ces différentes contraintes et des fonctionnalités demandées, la solution retenue fait appel à une conception modulaire dans laquelle on retrouve évidemment la chaudière à vapeur instantanée et le puits d'une profondeur de 14m ainsi que deux skids, une cuve équipée d'un système de pesage et une baie de contrôle ( voir schéma ). « Cette modularité a ainsi permis d'intégrer facilement le nouveau banc dans l'existant et, avant cela, d'avoir pu réaliser l'ensemble du moyen d'essais en atelier chez nous puis de le transférer à Feyzin pour sa mise en place chez descote » , rappelle Julien Poulat.Autre avantage de la conception modulaire, les deux skids et la baie de contrôle sont montés sur roulette pour un aspect ergonomique et en vue d'évolutions futures. La vapeur générée par la chaudière (skid de vapeur) est maintenue à une pression de 8 à 12 bars grâce à une vanne de régulation à soupape électropneumatique de Samson et à un silencieux de décharge en toiture. Le skid de vapeur assure la réduction de la pression motrice de vapeur à partir de la pression d'entrée au travers de la perte de charge de ligne d'admission de vapeur vers l'éjecteur et des vannes de régulation. « Le choix s'est naturellement porté sur la technologie de débitmétrie à effetVortex pour la vapeur saturée, car elle est très bien adaptée à ce type de gaz et assez facile à mettre en œuvre. Deux débitmètres en diamètre nominal de DN15 et DN50 sont installés en parallèle pour couvrir l'ensemble de la plage de mesure, avec une incertitude d'environ 2 % sur le débit massique. Les modèles sont des débitmètres Prowirl 72 d'Endress+Hauser, le même constructeur ayant été retenu pour les autres instruments de mesure installés sur le banc d'essais (transmetteurs de pression PMP51, par exemple) » , indique Julien Poulat. En ce qui concerne les vannes de régulation, elles sont toutes doublées pour disposer d'une rangeabilité suffisamment importante.

Cédric Lardière

“ Ce nouveau banc d'essais nous a permis de réaliser un saut technologique, en connaissant plus précisément les taux de dilution en fonction des conditions opérationnelles,et de travailler sur leur optimisation. ” Pascal Chambe, directeur de production de descote

Deux technologies de comptage pour le taux de dilution

Revenons au banc de caractérisation et en particulier au puits. Pour fixer la hauteur d'aspiration du produit à diluer, le réglage de la hauteur du bac d'aspiration par rapport à la cuve dans lequel il se trouve se fait manuellement à l'aide d'un palan. Autre paramètre contrôlé, la température du produit aspiré (transmetteur de températureTMT180) est quant à elle régulée par le débit d'eau brute injectée dans le circuit de retour gravitaire vers le bac d'aspiration, via une vanne de régulation. Situé après le puits, un second skid prend en charge le refoulement du mélange produit à diluer et vapeur motrice en sortie de l'éjecteur. La pression de refoulement y est réglée via la perte de charge de ligne de refoulement de l'éjecteur et une vanne de régulation.

La supervision sur PC, intégrée dans la baie de contrôle, constitue l'organe de pilotage, d'acquisition et de traitement des données. La transmission de toutes les mesures, le réglage de l'ensemble des paramètres de régulation sont réalisés par la baie de contrôle.

De par le fonctionnement même d'un éjecteur à vapeur qui utilise la vapeur en fluide moteur, l'éjecteur aspire un fluide et génère un fluide “refoulé”, une des contraintes est de pouvoir réguler et compter correctement la vapeur et l'eau, ce qui impose d'utiliser des technologies de comptage différentes. « Pour celui du produit dilué, c'est la technologie électromagnétique qui a été privilégiée : deux débitmètres électromagnétiques Promag 50P, en DN15 et DN50, sont là encore mis en œuvre en parallèle pour couvrir l'ensemble de la plage de mesure, avec une incertitude de 0,5 à 1 % sur le débit volumique » , indique Julien Poulat (Coretec).

Un simple PC industriel au cœur de la supervision

Dernier élément du banc d'essais modulaire, la cuve joue un rôle beaucoup plus important qu'il n'y paraît. Elle intervient en effet dans le calcul du taux de dilution. «En plus des mesures volumiques corrigées en masse, nous voulions recouper ces valeurs avec des mesures obtenues grâce à une seconde technologie, pour définir parfaitement la précision des mesures et donc du calcul.Le choix s'est ainsi porté sur un système à pesons sur la cuve,en complément des compteurs instantanés installés sur le banc d'essais», rappelle Pascal Chambe (des-cote). Le comptage instantané offre une souplesse d'utilisation et une productivité intéressante, tandis que le système à pesons permet de valider sur un cycle les données comptées par les équipements. Le taux de dilution est calculé en utilisant la vapeur consommée et le débit refoulé, et il est égal au rapport entre le débit de vapeur et le débit aspiré obtenu par la différence entre les débits refoulés et de vapeur. En considérant une erreur de 2,5% sur le débit massique de vapeur et de 1 % sur le débit volumique de refoulement, on estime l'erreur au niveau de taux de dilution à environ 4%. Il ne faudra néanmoins pas oublier le cœur du banc d'essais, ou plutôt son cerveau: la baie de contrôle. Non seulement toutes les mesures y sont transmises, mais aussi l'ensemble des paramètres de régulation, que ce soit les consignes, les valeurs manuelles, les modes de fonctionnement (automatique ou manuel),la bande proportionnelle,les temps de dérivée et d'intégrale, peuvent être réglés depuis la supervision. « La supervision sur PC constitue ainsi l'organe de pilotage, d'acquisition et de traitement des données », résume Julien Poulat (Coretec). Les essais se déroulent sans séquentiel, ainsi l'opérateur est libre de faire varier tous les paramètres comme il le souhaite. Le lancement d'un essai entraîne un lancement de l'acquisition des données (valeurs analogiques et cumul du volume indiqué par les compteurs) ; lorsque l'on arrête un essai en cours, l'acquisition s'arrête également.

« Compte tenu qu'aucune puissance électrique n'est requise – il n'y a ni moteur,ni pompe sur le banc –, ce qui évite l'utilisation d'une armoire électrique, d'un relayage de sécurité et d'une alimentation spécifique, presque tout est géré par le PC industriel présent dans la baie de contrôle.Nous aurions d'ailleurs pu tout aussi bien utiliser un automate industriel » , poursuit-il. A noter que le développement logiciel a été réalisé par la société marseillaise Mesure et simulation industrielle (MSI), partenaire habituel de Coretec, et que la régulation du banc d'essais, la partie contrôle-commande et la supervision reposent sur l'environnement de conception graphique LabView de l'américain National Instruments.

En seulement seize mois, période qui s'étend des premiers contacts à la prise en main par les personnels de descote, dont six mois de développement proprement dit, l'entreprise a donc pu se doter d'un véritable outil lui permettant de caractériser toute sa gamme d'éjecteurs à vapeur motrice, dans toutes les plages de fonctionnement. Pour Pascal Chambe (descote) : « Ce développement, d'un investissement d'environ 250 000 euros, nous a permis de réaliser un saut technologique.Ce nouveau banc d'essais livré au mois de juillet 2012 nous a permis de connaître précisément les taux de dilution en fonction des conditions opérationnelles et de travailler sur leur optimisation.» En plus des gains en termes de fiabilité et de temps au niveau de la R&D (essais de caractérisation de type batch ), ce banc de caractérisation n'est en aucun cas un système figé, mais une machine capable de répondre aux nouvelles applications auxquelles descote s'ouvrira…