Les caméras d'imagerie thermique de FLIR voient au travers des flammes

De très nombreuses industries utilisent des fours et des chaudières dans le cadre de leurs processus de fabrication. Mais les fourneaux et les chaudières tombent fréquemment en panne à cause de différents mécanismes. Il s'agit notamment de la cokéfaction qui bouche l'intérieur des tubes et empêche la circulation du produit, de l'accumulation de scories à l'extérieur des tubes, de la dégradation du clinker, des problèmes de surchauffe et de sous-chauffe, de l'empiètement des flammes sur les tubes causé par le mauvais alignement des brûleurs, et des fuites de produits qui peuvent prendre feu et provoquer de graves dommages matériels.

Ces pannes n'entraînent pas seulement des problèmes de qualité : ils peuvent provoquer la fermeture de toute une ligne de processus. Les caméras infrarouge FLIR peuvent détecter la plupart des problèmes de ces équipements pendant leur fonctionnement et à un stade précoce, de manière à éviter la panne. On peut ainsi procéder à l'arrêt de l'équipement et au remplacement des composants de façon méthodique, ce qui réduit les coûts de maintenance et les pertes de production.

La société française Petroval a été l'une des premières à reconnaître le potentiel de l'imagerie thermique pour l'inspection technique des installations industrielles. « Avant l'apparition des caméras infrarouge, il n'existait tout simplement pas de moyen exhaustif de détecter les défaillances pendant le fonctionnement de l'équipement, » explique Jean-François Tournieux, chef de projet chez Petroval. « Les caméras infrarouge de FLIR sont une excellente méthode non invasive de détecter ces défaillances, y compris pendant les opérations, et de déterminer avec précision quelle vitesse de production est encore sûre. »

Cette société basée en Normandie, fondée en 1990, appartient aujourd'hui à TOTAL et Eurecat. En plus de son siège au Havre, Petroval possède depuis 2003 des bureaux à Houston, au Texas, et va en ouvrir d'autres à Singapour en 2011. Petroval fournit ses services dans plus de 50 pays du monde. D'ailleurs, 80 % de ses activités concernent des projets hors de France.

Détecteurs refroidis et non refroidis

Petroval utilise actuellement trois caméras infrarouge FLIR, l'une est dotée d'un détecteur refroidi et deux autres d'un détecteur non-refroidi. La caméra infrarouge refroidie est une FLIR Agema 550 avec bouclier thermique et filtre à flammes. Elle est principalement utilisée pour inspecter l'intérieur des fourneaux. Les deux caméras infrarouge non refroidies sont la FLIR ThermaCAM P50F, qui contient également un filtre à flammes, et la FLIR P640, principalement employée pour inspecter les isolations depuis l'extérieur.

Selon les techniciens de Petroval, les trois caméras sont d'excellents outils pour l'usage qu'ils en font. « La FLIR Agema 550 est très précise et très sensible. La FLIR ThermaCAM P50F est un peu moins sensible aux faibles différences de température, mais son détecteur non refroidis ne nécessite pas de maintenance et prend moins de temps au démarrage, alors qu'une caméra refroidie doit faire fonctionner son système de refroidissement pendant cinq minutes environ avant d'être utilisable. Et la troisième, la FLIR P640, est idéale pour l'inspection des isolations et la détection des défaillances dans l'équipement électrique. »

FLIR P640 : sans entretien et idéale pour la maintenance prédictive

La caméra infrarouge FLIR P640 est équipée d'un détecteur microbolomètre non refroidi qui produit des images thermiques de 640 x 480 pixels. La FLIR P640 possède quelques fonctionnalités très utiles qui la rendent idéale pour la maintenance prédictive : pointeur laser, mode d'incrustation et Fusion thermique, pour superposer l'image thermique et la photo visible. « La caméra thermique FLIR P640 est très rapide et facile à utiliser. Même à une distance de cinquante à cent mètres, vous pouvez encore détecter de petits points chauds révélateurs d'un défaut d'isolation : c'est vraiment parfait. »

FLIR GF309 : la pointe de la technologie

La FLIR Agema 550 et la FLIR ThermaCAM P50F sont toutes les deux des modèles antérieurs qui ne sont plus commercialisés par FLIR Systems. Aujourd'hui, la FLIR GF309 représente la technologie de pointe pour l'inspection des fourneaux. De plus, ce nouveau modèle est une caméra infrarouge double usage qui n'est pas seulement employée dans les applications de fourneaux industriels, mais aussi pour l'inspection thermique des composants mécaniques et électriques. Ces caméras sont donc parfaites pour contrôler tous les types de fourneau, d’appareil de chauffage et de chaudière, en particulier dans les secteurs chimiques, pétrochimiques et les services publics.

La FLIR Agema 550 comprend un détecteur refroidi à matrice à plan focal (FPA) en siliciure de platine (PtSi). Aujourd'hui, le siliciure de platine n'est plus employé pour la fabrication des détecteurs car les détecteurs PtSi sont moins sensibles que leurs homologues à l'antimoniure d’indium (InSb), et qui sont au cœur des nouvelles caméras infrarouge FLIR GF309. Ce choix a également permis à FLIR de commercialiser des caméras infrarouge à double usage offrant de meilleures performances, car les détecteurs InSb sont plus stables et plus sensibles que les PtSi ou les microbolomètres non refroidis BB.

Le détecteur InSb de la caméra infrarouge FLIR GF309 produit des images thermiques de 320 x 240 pixels. Le détecteur et le filtre sont refroidis par un petit refroidisseur cyclique Stirling à des températures quasiment cryogéniques, afin d'améliorer la sensibilité quantitative. La caméra a été conçue pour résister à des températures dépassant les 300 °C, ce qui permet de prendre des mesures atteignant 1500 °C et donc de réaliser une inspection visuelle des composants internes des fourneaux et des chaudières qui seraient autrement dissimulés par les flammes, les gaz de combustion et la poussière. La caméra produit des vidéos en temps réel mais chaque image captée peut être isolée. Les images peuvent ensuite être visionnées à travers un viseur haute résolution et sur un écran LCD couleur 4,3 po de 800x480 pixels. Conçue spécialement pour voir à travers les flammes, la GF309 comprend également un bouclier anti-chaleur qui réfléchit la chaleur pour protéger la caméra et son opérateur.

Filtre à flammes

La caméra infrarouge FLIR GF309 possède un filtre à flammes : ce filtre à bande spectrale n'autorise que les radiations thermiques d'une certaine longueur d'onde à parvenir jusqu'au détecteur. Dans les radiations thermiques émises par les flammes, certaines longueurs d'onde sont bien plus représentées que d'autres, et à certains points du spectre les flammes n'émettent quasiment aucune radiation. Un filtre à flammes est un filtre à bande spectrale qui n'autorise que les radiations thermiques de longueurs d'onde spécifiques à passer. Le filtre à flammes incorporé dans la FLIR GF309 limite la sensibilité spectrale à une bande comprise entre 3,8 et 4,05 µm.

Comme tout est filtré en dehors de cette portion spécifique du spectre, la caméra infrarouge peut voir à travers les flammes et prendre des mesures de température, y compris derrière des flammes extrêmement chaudes. Les caméras infrarouge qui sont équipées de ce filtre sont donc idéales pour l'inspection des fourneaux.

Limiter les interruptions

Pour Tournieux, les caméras infrarouge de FLIR sont excellente pour la maintenance prédictive des installations de fourneaux et de chaudières. « En utilisant des caméras infrarouge, on peut savoir à l'avance où se trouvent les points faibles. Si certaines conduites ont des défauts par exemple, on peut commander des pièces de rechange à l'avance et ainsi réduire le temps d'interruption. »

Trouver rapidement les problèmes avec une caméra infrarouge

On peut détecter une multitude de défaillances sur un fourneau avec une caméra infrarouge, comme l'explique Tournieux. « Vous pouvez voir les dégradations subies par le réfractaire, observer les flammes pour savoir si elles ont la bonne forme et même parfois repérer les dépôts de poussière sur les conduites, qui dégradent les transferts de chaleur et font généralement baisser la température du produit. Les blocs réfractaires peuvent tomber et endommager les brûleurs et les tubes. Vous pouvez également repérer les brûleurs qui ne sont pas allumés ou qui empiètent sur les tubes. Nous recherchons encore les débuts d'oxydation. L'oxydation est un mauvais signe parce qu'elle finit par se décoller et ainsi exposer un point faible. Les mesures de température effectuées par les caméras infrarouge FLIR nous permettent de vérifier que l'intégralité du processus se déroule correctement.

« Les mesures de température révèlent également la cokéfaction dans les tubes, un phénomène généralement dû à des températures excessives, ainsi que les points d'étranglement voir de blocage total, » poursuit Tournieux. Dans certains cas, une surchauffe peut entraîner des températures dépassant les critères de conception du métal des tubes ; combinées à la pression accumulée dans un tube bouché, elles peuvent provoquer des ruptures et des fuites. Ces problèmes apparaissent sur l'image de la caméra, accompagnés des températures des surfaces métalliques. »

Les caméras d’imagerie thermique FLIR vont plus loin

Selon les techniciens de Petroval, les dispositifs ponctuels comme les thermocouples ne fournissent pas assez d'informations sur ce qui se passe réellement à l'intérieur du fourneau. « Les fenêtres d'inspection permettent de voir les composants internes mais les flammes, les gaz de combustion et la poussière masquent les tubes et les brûleurs pendant le fonctionnement de l'équipement. Les dispositifs de mesure de la température comme les thermocouples peuvent révéler certains problèmes mais ils ne mesurent qu'un seul point à la fois. Les caméras infrarouge de FLIR font plus que mesurer la température à un point donné. Un relevé thermique est inclus dans chaque pixel d'une image de 320 x 240 pixels ou de 640 x 480 pixels.

« Le logiciel FLIR Reporter permet ensuite d'analyser les données thermographiques enregistrées pour observer les détails les plus fins, » continue Tournieux.

Des thermocouples peu précis

L'un des objectifs les plus importants de l'inspection des fourneaux et des chaudières consiste à valider les relevés de température des thermocouples, selon Tournieux. « Les appareils de mesure par contact à thermocouple ou les soudures qui les maintiennent en place peuvent se détériorer au fil du temps, ce qui rend les données de mesure moins précises. Dans de nombreux cas, les raffineries pourraient fonctionner à une capacité de production bien supérieure mais les imprécisions des relevés des thermocouples font qu'elles préfèrent appliquer une marge de sécurité. Grâce aux caméras infrarouge de FLIR, nous pouvons déterminer si les mesures relevées par les thermocouples sont correctes. Une fois que nous avons validé les mesures des thermocouples, les raffineries peuvent généralement augmenter la production en toute sécurité. »

« Avant d'utiliser l'imagerie thermique avec les caméras de FLIR, il nous était impossible de confirmer les mesures de température des thermocouples, » poursuit Tournieux. « Impossible de savoir si nous pouvions augmenter le rendement sans crainte. Aujourd'hui, nous pouvons dire avec précision si c'est possible ou non. Par exemple, la plupart des raffineries que nous visitons produisent 30 000 tonnes par jour, et après notre inspection elles découvriraient qu'elles peuvent passer à 32 000 en toute sécurité. »

Des années d'expérience

Mais Tournieux prévient que ceux qui pensent qu'il suffit de pointer une caméra au bon endroit pour réaliser l'inspection d'un fourneau seront déçus. « On ne peut négliger l'importance de la qualité de la caméra infrarouge, mais cela ne suffit pas. Les opérateurs de Petroval possèdent des années d'expérience dans la réalisation d'inspections thermiques et l'analyse des données, mais aussi dans les installations industrielles de fourneaux et de chaudières. »

« Pour vous donner un exemple, nous utilisons des sondes spéciales que nous avons fabriquées nous-mêmes pour garantir la précision des caméras infrarouge. Nous insérons la sonde dans le fourneau et nous la maintenons à proximité du tube que nous voulons observer. Dans la sonde se trouve un thermocouple donc nous avons vérifié l'exactitude, et qui nous permet de relever la température exacte à ce point. Nous modifions ensuite les paramètres d'émissivité de manière à ce que la température relevée par la caméra infrarouge corresponde à celle de la sonde. Comme l'émissivité change en fonction du matériau utilisé, nous avons fabriqué une sonde pour chaque type de tube employé dans les installations de fourneaux industriels. »

Caméras d’imagerie thermique FLIR : la meilleure méthode pour l'inspection des fourneaux

« Mais si vous possédez l'expertise et le bon équipement, alors les caméras infrarouge de FLIR offrent vraiment la meilleure méthode pour l'inspection des fourneaux, » conclut Tournieux. C'est une excellente méthode sans contact et non destructive pour recueillir à la fois des informations qualitatives et quantitatives qui peuvent prévenir ou réduire les arrêts d'activité. »

Source des images : Banque de photos Petroval.