Les chaudières à vapeur
Chaudière, Machines à Vapeur, 4e et 3e Classes 1954
58 — Qu'est-ce qu'on entend par chaudière à vapeur?
Une chaudière à vapeur (steam boiler) est un récipient étanche de construction robuste qui sert à produire la vapeur sous pression.
59 — Comment produit-on la vapeur au moyen d'une chaudière?
Après y avoir introduit une certaine quantité d'eau, la chaudière est soumise à l'action du feu d'un foyer qui porte cette eau au point d'ébullition et la transforme en vapeur.
60 — Quels sont les principaux types de chaudières à vapeur en usage?
1° La chaudière tubulaire horizontale (à tubes de fumée).
2° La chaudière aquatubulaire ou à tubes bouilleurs.
3° La chaudière verticale (Fig. 11). 4° Enfin les chaudières type locomotive et marine.
Fig. 11.— Chaudière verticale à tubes de fumée, alimentée au moyen d'un injecteur.
61 — En quoi se distingue la chaudière tubulaire horizontale?
La chaudière tubulaire horizontale est constituée d'une enveloppe (shell) de forme cylindrique, faite de feuilles d'acier réunies au moyen de rivets.
62 — Quels sont les principaux avantages de la chaudière tubulaire horizontale?
Son premier avantage est qu'elle est d'un prix d'achat moins élevé que les autres types de chaudières et qu'en outre, du fait que toutes les parties essentielles sont faciles d'accès, elle peut être plus rapidement et plus économiquement réparée.
63 — Quels sont ses principaux inconvénients?
Le principal inconvénient qu'elle présente provient de ce qu'il s'y produit des tensions inégales chaque fois que le feu est rallumé.
Étant soumis à l'action directe des flammes, le dessous de la chaudière et les tubes s'échauffent rapidement, alors que le sommet ne se réchauffe guère qu'au moment où la vapeur commence à se produire.
Les parois de la chaudière étant inégalement chauffées, il en résulte des tensions variables qui disparaissent cependant lorsque la vapeur atteint une certaine pression.
De plus, les joints rivés accumulant plus de chaleur à cause de leur masse, ce type de chaudière ne saurait être recommandé pour les usages qui exigent de très hautes pressions.
Cette chaudière doit être supportée par des tirants (braces) et une structure de brique qui doit être constamment tenue en bon état.
Si la maçonnerie n'est pas surveillée et s'affaisse, la chaudière, étant mal soutenue, s'affaisse également. Les tuyaux raccordés directement à la chaudière peuvent alors se rompre et causer des accidents graves.
64 — De quelle manière la chaudière doit-elle être installée dans sa maçonnerie?
Les chaudières tubulaires horizontales sont pourvues, de chaque côté, de plusieurs équerres rigides appelées supports (lugs) disposés à environ 3 pouces au-dessus de la ligne d'axe du cylindre.
Ces supports, ayant généralement 10 pouces de largeur par 12 pouces de longueur, servent à suspendre la chaudière au moyen de tirants et d'étriers à une charpente d'acier que fait voir notre fig. 12.
Fig. 12.— Chaudière horizontale à tubes de fumée, vue de côté, (détails d'installation et nomenclature des organes importants).
Pour les chaudières de grande capacité, ce mode de suspension élimine tout danger d'affaissement.
Par ailleurs, les chaudières de faible capacité et par conséquent moins lourdes sont souvent supportées directement par la maçonnerie. Dans ce cas, les supports reposent sur des plaques d'acier d'un pouce d'épaisseur installées sur la base en maçonnerie à la hauteur voulue pour supporter la chaudière.
65 — Quel est le nombre de supports rivés à chaque chaudière?
Les chaudières horizontales d'un diamètre inférieur à 5 pieds possèdent en général deux supports de chaque côté ; au-dessus de ce diamètre, elles en ont quatre de chaque côté, disposés deux par deux à chaque extrémité de la chaudière, et elles doivent être être suspendues de la manière indiquée par notre fig. 92.
Fig. 92.— Méthode de suspension des chaudières à foyer et murailles en maçonnerie.
66 — Comment doit être posée la maçonnerie d'une chaudière à vapeur?
Cette maçonnerie doit d'abord reposer sur de solides fondations.
Pour une chaudière de dimensions ordinaires, les murs latéraux de la maçonnerie doivent avoir de 16 à 20 pouces d'épaisseur, y compris un espace libre de 2 pouces pour favoriser la circulation de l'air.
Les parois du foyer proprement dit doivent être revêtues de brique réfractaire (firebrick) de première qualité et il est à recommander de couvrir l'autel du foyer (bridge) de briques réfractaires jusqu'à un pied ou deux en arrière du mur.
Toutes les briques réfractaires doivent être posées dans un mortier fait d'argile réfractaire, tandis que les briques rouges ordinaires servant à la construction du reste du foyer sont posées dans un mortier de ciment Portland.
Le mur du fond doit avoir une épaisseur d'environ 16 pouces. Il est construit entièrement de briques ordinaires à l'exception de l'arche disposé au-dessus de la porte du cendrier qui est fait en briques réfractaires.
Les murs de devant ont de 12 à 16 pouces d'épaisseur.
Les encadrements des portes doivent être très soigneusement maçonnés en se rappelant que ces parties doivent être souvent reconstruites.
Le mur de l'âtre (bridge wall) doit avoir une épaisseur de 16 à 24 pouces ; il se place à 9 ou 10 pouces de la partie inférieure de la chaudière.
67 — Pourquoi voit-on souvent le devant d'une chaudière se gercer et se briser?
Si la maçonnerie placée au-dessus de la porte du foyer se détériore et n'est pas immédiatement réparée, le devant de la chaudière subit l'action directe du feu qui le surchauffe et peut en amener la rupture.
Fig. 13.— Vue de face d'une chaudière horizontale et de sa maçonnerie.
68 — Est-il préférable de recouvrir les parties exposées d'une chaudière à vapeur?
Oui —-toutes les parties d'une chaudière à vapeur non protégées par la maçonnerie doivent être recouvertes d'amiante ou d'un autre isolant de même nature. Ceci empêche la chaleur de se disperser et contribue à augmenter le rendement de la chaudière.
69 — Nommez quelques types de chaudières à tubes de fumée.
Les chaudières horizontales à tubes de retour de flamme (H.R.T.), les chaudières à tube-foyer (flue tube boiler), les chaudières verticales, locomobiles et locomotives, les chaudières marines (Scotch marine boilers).
70 — Nommez quelques types de chaudières à tubes d'eaux dites aquatubulaires.
Citons entre autres les marques Babcock & Wilcox, Belleville, Goldie McCullock Waterous, etc.
71 — Quel type de chaudière donne le meilleur rendement: la chaudière à tubes de fumée ou la chaudière à tubes d'eau?
On considère que la chaudière à tubes d'eau assure une meilleure évaporation du fait qu'elle offre une surface de chauffe plus grande. Elle peut, par conséquent, produire la vapeur plus vite et à meilleur marché.
72 — Quel type de chaudière à vapeur désigne-t-on habituellement sous l'appellation de chaudière horizontale à tubes de retour de flamme (Horizontal Return Tube [HRT] boiler)?
C'est une chaudière chauffée par en dessous et placée horizontalement de manière que le feu soit d'abord dirigé vers l'arrière pour revenir ensuite à travers les tubes jusqu'à l'avant dans la boîte à fumée qui sert de base au tuyau à fumée. (Fig. 12).
73 — Quelle différence y a-t-il entre une chaudière à tubes de retour de flamme et une chaudière aquatubulaire ou à tubes d'eau?
Dans une chaudière à tubes de retour de flamme (on dit aussi tubes de fumée et tubes à feu ou à flamme) les gaz chauds communiquent leur chaleur à l'eau en passant sous l'enveloppe de chaudière pour revenir ensuite dans les tubes qui se trouvent placés à l'intérieur. (Fig. 12).
Dans une chaudière à tubes d'eau, ou tubes bouilleurs, dite aquatubulaire, les flammes agissent sur des tubes multiples, remplis d'eau, et qui communiquent avec la chaudière proprement dite. (Fig. 14 et 15.)
Fig. 14.— Chaudière horizontale
à tubes d'eau ou à tubes bouilleurs, chauffée au charbon pulvérisé et pourvue
d'un surchauffeur, d'un économiseur et d'un réchauffeur d'air.
Fig. 15.— Chaudière verticale, à tubes bouilleurs et chauffée au charbon.
ARRÊT PROLONGÉ ET HIVERNEMENT
74— Comment prépare-t-on une chaudière en vue d'un arrêt prolongé des opérations? La première chose à faire consiste à la nettoyer soigneusement au dedans comme au dehors.
Quand elle est sèche on ajoute de la chaux vive sur des planches que l'on place à l'intérieur de la chaudière et on ferme étanche. Une chaudière abandonnée dans ces conditions, même pour plusieurs mois, ne peut guère se détériorer.
75 — Après un arrêt d'hivernement ou qui a duré plusieurs mois quelle est la meilleure manière de remettre une chaudière en état de fonctionner?
Après avoir enlevé la chaux et les planches, on remet en place les couverts des trous à main en les assujettissant avec leur étrier, mais avant de fermer le trou d'homme, on remplit la chaudière à son niveau normal et on ajoute à l'eau 5 livres de soude caustique à laver par 20 forces de pouvoir.
On ferme alors le trou d'homme, puis on chauffe la chaudière une journée ou deux à une pression de moins de 10 livres. Ensuite, on lave copieusement l'intérieur.
76 — Quelles précautions doit-on prendre au sujet de la pompe lorsque l'installation doit subir un arrêt prolongé ou être mise en hivernement?
Afin de prévenir l'éclatement des organes et de la tuyauterie sous l'effet de la gelée, on doit purger de l'eau qu'elles contiennent les diverses parties de la pompe en laissant ouverts les robinets et purgeurs dont elle est pourvue à cette fin.
PRÉVENTION DES COUPS DE BÉLIER
77 — Que se produirait-il si le niveau de Peau devenait trop élevé dans une chaudière?
L'eau risquerait de se répandre dans les tuyaux de prise de vapeur et d'y causer des coups de bélier (water hammer), ce qui pourrait entraîner la rupture de ces tuyaux.
De plus, si elle se rend jusqu'à la machine à vapeur, l'eau risque de faire éclater l'enveloppe du cylindre ou de fausser la tige du piston.
78 — Qu'est-ce qu'on entend par coup de bélier (water hammer)?
C'est le choc de l'eau contre les parois des tubes ou à l'intérieur des machines actionnées par la vapeur.
79 — Qu'est-ce qui peut causer les "coups de bélier"?
Un excédent d'eau dans les conduites résultant du trop haut niveau de l'eau dans la chaudière ou d'un bouillonnement des matières grasses et saletés qui flottent à la surface de l'eau en ébullition.
80 — Que faut-il faire lorsqu'il se produit des coups de bélier dans les machines à vapeur?
Il est préférable d'arrêter la machine à vapeur pendant quelques minutes pour s'assurer du niveau exact de l'eau dans la chaudière.
LE NIVEAU À TUBE DE VERRE
Fig. 16.— Installation réglementaire du niveau à tube de verre. Sur une chaudière ayant 36" de diamètre et moins, le tuyau doit avoir 1": sur celles de 36" de diamètre et plus, le tuyau doit avoir 1 1/4.".
81 — Quelles sont les causes qui, dans le fonctionnement du niveau à tube de verre installé sur une chaudière, peuvent induire le chauffeur en erreur?
Il se peut que le verre soit obstrué, qu'un de ses robinets soit bloqué, de même que les tuyaux, par des incrustations, des dépôts de sédiments, un morceau de garniture, etc.
82- Pourquoi le niveau à tube de verre est-il muni à chaque extrémité d'un robinet d'essai?
C'est afin d'obtenir une double vérification du niveau d'eau dans la chaudière en constatant le mouvement de l'eau dans le verre. Cette vérification doit avoir lieu chaque fois qu'une nouvelle équipe prend charge de la chambre aux machines.
83 — Doit-on se guider uniquement sur le niveau à tube de verre pour connaître le niveau d'eau d'une chaudière?
On recommande de vérifier le niveau à toutes les quinze minutes en actionnant les robinets d'essai et non en se fiant uniquement au niveau indiqué par le verre.
84 — En constatant que Veau baisse dangereusement dans une chaudière sous vapeur, que doit-on faire?
On ferme immédiatement la clé du tuyau, on recouvre le feu de cendre ou de charbon vert très humide ou encore on fait tomber le feu dans le cendrier. Ensuite on essaie de trouver la raison du manque d'eau.
85 — Quelle précaution faut-il prendre avant d'introduire de l'eau dans une chaudière qui en a manqué?
On laisse refroidir la chaudière afin de pouvoir en faire l'inspection.
86 — Lorsqu'une chaudière exige sans raison apparente plus d'eau que d'habitude à quoi peut-on attribuer la chose?
Il se peut:
1° que le robinet de vidange soit défectueux, coule ou soit fissuré quelque part;
2° qu'un raccord à bride de la tuyauterie d'alimentation fasse défaut;
3° que la pompe alimentaire soit arrêtée ou qu'elle fonctionne mal;
4° qu'une trop grande demande de vapeur ait été tout à coup imposée à la chaudière;
5° enfin qu'une soupape de retenue (check valve) soit défectueuse.
87 — Qu'arrive-t-il généralement lorsque Veau est à un trop haut niveau dans la chaudière?
L'eau se trouve entraînée par la vapeur vers les appareils en suivant les tuyaux et peut causer des accidents sérieux.
NETTOYAGE DES CHAUDIÈRES À VAPEUR
88 — Pourquoi existe-t-il des trous d'hommes (manholes) à même les chaudières à vapeur?
C'est afin de permettre l'accès, par un homme, à l'intérieur de la chaudière.
89 — Quelles sont les autres ouvertures d'une chaudière qui en permettent le nettoyage?
Il y a les trous à main (handholes) dont les fig. 11 et 12 donnent l'emplacement et la disposition sur différents types de chaudières.
90 — Comment procède-t-on au nettoyage des tubes d'une chaudière horizontale?
On souffle généralement la suie et les cendres qui s'accumulent à l'intérieur des tubes en ayant recours à un souffleur à vapeur ; ou encore on en fait le ramonage à l'aide d'une brosse d'acier pourvue d'un long manche.
Lorsqu'on se sert du souffleur à vapeur, il faut que la vapeur employée soit bien sèche pour éviter de faire prendre la rouille à l'intérieur de ces tubes. Ce nettoyage doit avoir lieu le plus souvent possible.
Fig. 17.— Souffleur à vapeur pour tubes de chaudière horizontale.
Fig. 18.— Nettoyeur à tranchant réglable, pourvu en même temps d'une brosse, servant au ramonage des tubes de chaudière à vapeur.
91 — A quels intervalles doit-on nettoyer l'intérieur d'une chaudière à vapeur?
Tout dépend de l'eau qui est employée pour son alimentation, du combustible servant au chauffage et de l'usage auquel sert la chaudière elle-même.
92 — Comment doit se faire le nettoyage des chaudières?
Le mécanicien doit profiter de ce que la chaudière est ouverte pour en faire une inspection des plus minutieuses.
Il enlèvera les incrustations et autres dépôts des parois et plus particulièrement du fond de la chaudière. Il fera la même chose dans les dômes à vapeur et sur les tubes, partout où il apercevra de ces écailles, incrustations et dépôts.
On se sert à cette fin d'un marteau de briqueteur ou épinçoir.
De plus, on doit laver le fond de la chaudière pour en faire disparaître toute trace de boue. L'inspection des étais (braces) et tirants (rods) consiste à en faire le sondage afin de s'assurer qu'ils ne sont pas affaiblis par la rouille.
Aux deux extrémités de la chaudière, les tubes doivent être examinés, de même que tous les joints afin de dépister les fuites et fissures.
LES INCRUSTATIONS
93 — Comment les incrustations se forment-elles dans une chaudière?
Les incrustations proviennent de ce que l'eau d'alimentation de la chaudière contient en suspension des matières calcaires ou autres substances susceptibles de se déposer sur le fond du récipient.
Ces substances forment d'abord une écume à la surface de l'eau en ébullition, puis finissent par atteindre le fond de la chaudière où elles durcissent sous l'effet de la chaleur.
94 — Pourquoi faut-il enlever ces incrustations?
Les incrustations peuvent causer toutes sortes d'accidents très graves, dont l'explosion de la chaudière.
Elles en diminuent en outre le rendement parce qu'elles s'interposent entre le feu et l'eau et ne transmettent pas la chaleur aussi rapidement que le métal bien nettoyé.
95 — Comment les incrustations peuvent-elles occasionner l'explosion d'une chaudière?
Lorsqu'elles deviennent trop épaisses, les incrustations adhèrent au fond de la chaudière et y forment des ampoules sous lesquelles la rouille et les acides grugent constamment le métal sous l'action du feu.
Les parois de la chaudière peuvent être affaiblies par cette action au point de céder à un moment donné sous la pression de régime de l'installation et causer ainsi des pertes considérables en vies humaines et en dégâts matériels. (Fig. 19a et b).
Fig. 19a.— Photographies montrant avec quelle violence se produit ordinairement l'explosion d'une chaudière à vapeur.
Fig. 19b.— Autres photos illustrant les dégâts d'explosions résultant du mauvais entretien des chaudières à vapeur.
96 — Quel est l'aspect habituel de ces incrustations?
Elles sont généralement très dures et huileuses.
97 — Comment peut-on prévenir les incrustations?
D'abord en employant une eau adoucie. Lorsque l'eau d'alimentation de la chaudière est dure, on y ajoute l'un ou l'autre des composés spécialement vendus pour prévenir les incrustations.
ÉPREUVES DES CHAUDIÈRES À VAPEUR
98 — Comment fait-on généralement l'épreuve d'une chaudière à vapeur?
D'après la loi, cette épreuve doit être faite par un inspecteur breveté qui a toute latitude quant au choix des moyens à prendre.
Toutefois, l'inspecteur sonde la chaudière au marteau et il la soumet à une pression hydraulique chaque fois que la chose paraît opportune.
99 — En quoi consiste le sondage au marteau?
L'inspecteur frappe avec un marteau de poids léger les différentes parties de la chaudière; d'après le son que rend chaque coup, il peut se rendre compte si la section examinée est normale ou affaiblie.
100 — Comment s'effectue P épreuve hydraulique d'une chaudière?
Après avoir fermé tous les robinets et soupapes placés sur les tuyaux raccordés à la chaudière, il remplit celle-ci d'eau et il comprime cette eau à l'aide d'une pompe hydraulique jusqu'à ce que le manomètre indique, disons, 150 livres de pression au pouce carré.
Généralement, la pression de régime à laquelle une chaudière peut être employée ne doit pas excéder les deux tiers de la pression de sécurité obtenue par l'épreuve hydraulique.
101 — Quelle est la meilleure manière de préparer une chaudière à subir l'inspection?
On commence par nettoyer soigneusement la chaudière au dehors comme au dedans.
Ensuite, on enlève toutes les cendres du cendrier, on brosse ou on souffle les tubes, on s'assure que la soupape de sûreté et tous les robinets d'arrêt sont parfaitement étanches. Sous la surveillance de l'inspecteur, on remplit alors la chaudière d'eau jusqu'à la soupape de sûreté.
L'inspecteur commence son travail à l'aide de la pompe hydraulique et une fois que la pression interne a atteint le niveau jugé suffisant, il fait l'examen de tous les joints et raccords afin de découvrir les fuites possibles.
Si tout est considéré normal, l'inspecteur rédige alors son certificat.
102 — Quel détail important l'inspecteur doit-il particulièrement contrôler?
Il doit se rendre compte si, après avoir appliqué la pression, la soupape de sûreté concorde avec le manomètre.
103 — Que faut-il faire des étais dont l'inspection révèle les défectuosités?
S'ils sont amincis par la rouille ou autrement défectueux, il faut voir à les remplacer ou les faire remplacer immédiatement.
TUYAU DE VIDANGE
Fig. 20.— Plaque de renforcement apposée à la paroi de la chaudière au point de départ du tuyau de vidange.
104 — Où est placé le tuyau de vidange (blow-off pipe)?
Dans la partie la plus basse de la chaudière et généralement vers le fond.
105 — Comment est-il protégé contre les attaques directes du feu?
Généralement, si le tuyau de vidange doit passer à travers une partie quelconque du foyer, on le protège en construisant tout autour un mur de brique en forme de V dont les parois doivent rester éloignées d'environ 1 pouce du tube lui-même. (Fig. 12).
Fig. 21.— Réservoir de vidange et ses raccords dont plusieurs installations modernes sont pourvues.
106 — Comment dispose-t-on la maçonnerie du mur à travers lequel passe le tuyau de vidange?
On le fait passer dans un manchon ou tuyau d'un diamètre plus grand que le sien en ayant soin de combler le vide à l'aide d'amiante. Cette précaution permet au tuyau de vidange de coulisser librement lorsqu'il prend de l'expansion sous l'effet de la chaleur ou se contracte par le refroidissement. (Fig. 12)
