Diagnostic des défaillances basé sur l’analyse vibratoire d’une turbine à vapeur

Maintenance préventive

Maintenance exécutée à des intervalles prédéterminés ou selon des critères prescrits et destinée à réduire la probabilité de défaillance ou la dégradation du fonctionnement d’un bien.
C’est une politique qui s’adresse aux éléments provoquant une perte de production ou des coûts d’arrêts imprévisibles, mais importants.
Les matériels visés sont ceux dont le coût des pannes est élevé (20 % des pannes représentant 80% des coûts.) La mise en pratique nécessite de décomposer les sous-systèmes en éléments maintenable (palier, réducteur, etc…) La périodicité des visites s’établit par l’étude des lois statistiques de la durée de vie.
Des gammes d’entretien sont élaborées de façon à préciser le travail à exécuter et de garder la traçabilité de l’entretien.
Maintenance préventive systématique : Définition d’après la Norme NF X :« Maintenance préventive effectuée selon un échéancier établi selon le temps ou le nombre d’unités d’usage ». Généralement, la maintenance préventive s’adresse aux éléments dont le coût des pannes est élevé, mais ne revenant pas trop cher en changement (les meilleurs exemples sont le changement systématique de l’huile, changement de la courroie de synchronisation,…).
La maintenance préventive conditionnelle : Définition d’après la Norme NF X 60010, la maintenance préventive conditionnelle définit comme « une maintenance préventive subordonnée à un type d’événement prédéterminé (auto diagnostic, information d’un capteur, mesure d’une usure, révélateur de l’état de dégradation du bien) ».
Maintenance prévisionnelle : maintenance conditionnelle exécutée en suivant les prévisions extrapolées de l’analyse et de l’évaluation de paramètres significatifs de la dégradation du bien (EN 13306) .
Les techniques de la maintenance conditionnelle : Pourquoi une maintenance conditionnelle ? Prolonger l’intervalle entre deux arrêts programmés. Diminuer la durée de l’intervention. Avoir un meilleur suivi de l’état de la machine et de ses composants. Limiter la gravité des dégradations. Maîtriser l’outil de production en visant le « zéro panne ». Intervenir au moment le plus optimal et opportun.

La thermographie

Notions de température: La température d’un corps est une grandeur physique qui caractérise le niveau énergétique de ce corps : celle-ci s’exprime en degrés Celsius (°C) ou en Kelvin (K). L’échelle en Kelvin est référencée au zéro absolu qui vaut -273,15°C : à cette température, tout corps à une valeur énergétique nulle.
Mesure de température & Thermographie infrarouge: La température se mesure à l’aide de thermomètres, par contact ou par rayonnement. La mesure par contact nécessite comme l’indique la définition, un contact entre l’élément dont on veut mesurer la température et l’appareil de mesure. La mesure au moyen de thermomètres à rayonnement ne nécessite aucun contact : ces appareils mesurent des rayonnements émis par tout corps dont la T° est supérieure à -273,15°C ou zéro K : ces rayonnements ont des longueurs d’onde qui se situent dans l’infrarouge et sont proportionnels à la température des corps. Un calculateur intégré au thermomètre convertit les rayonnements en températures sur base d’un étalonnage référentiel spécifique réalisé en laboratoire.
Le thermomètre à rayonnement se compose en fait d’un radiomètre et d’un calculateur : Le radiomètre mesure la puissance de rayonnement émis et le calculateur la transcrit en températures.
Pour les hautes températures, on parle de pyromètres. Si on associe à l’observation d’une même scène thermique un système radiométrique de captation spatiale adjoint à un calculateur qui à la fois convertit les rayonnements infrarouges en points lumineux et en températures, on obtient une caméra infrarouge. Cet équipement permet de visualiser et de quantifier les températures d’une scène thermique : cette technique est appelée « Thermographie infrarouge ».
Applications de la thermographie infrarouge : La thermographie infrarouge classique est principalement utilisée dans l’industrie en tant que maintenance. Son avantage décisif est de permettre l’estimation de la qualité d’un équipement ou d’une installation en exploitation normale, et de prévenir les irrégularités de fonctionnement bien avant les pannes effectives. La thermographie infrarouge peut-être également utilisée dans des applications R&D (recherche et développement), pour le contrôle de procédés de fabrication, pour la surveillance continue de systèmes. Dans ces applications, la thermographie n’est plus classique mais bien spécifique : celle-ci conduit à la mise en œuvre d’appareillages plus adaptés aux conditions d’analyse, donc requière des connaissances bien plus approfondies sur le sujet. Chaque utilisateur de caméra infrarouge ou autres systèmes radiométriques de mesure de températures doit connaître impérativement les limites physiques de son matériel ainsi que les limites de ses connaissances afin de préserver au mieux sa crédibilité à l’égard d’une clientèle de plus en plus avertie. Il n’est pas honteux de reconnaître une « certaine incompétence » face à une demande spécifique qui nécessitera l’intervention d’un spécialiste garanti.

Classification des signaux

On peut envisager plusieurs modes de classification pour les signaux suivant leurs propriétés. Classification phénoménologique : On considère la nature de l’évolution du signal en fonction du temps. Il apparaît deux types de signaux : Les signaux déterministes : ou signaux certains, leur évolution en fonction du temps peut être parfaitement modéliser par une fonction mathématique. On retrouve dans cette classe les signaux périodiques, les signaux transitoires, les signaux pseudo-aléatoires, etc… Les signaux aléatoires : leur comportement temporel est imprévisible. Il faut faire appel à leurs propriétés statistiques pour les décrire. Si leurs propriétés statistiques sont invariantes dans le temps, on dit qu’ils sont stationnaires.
Classification énergétique : On considère l’énergie des signaux. On distingue : Les signaux à énergie finie : il possède une puissance moyenne nulle et une énergie finie. Les signaux à puissance moyenne finie : il possède une énergie infinie et sont donc Physiquement irréalisable. Classification morphologique : On distingue les signaux à variable continue des signaux à variable discrète ainsi que ceux dont l’amplitude est discrète ou continue.
On obtient donc 4 classes de signaux : Les signaux analogiques dont l’amplitude et le temps sont continus, Les signaux quantifiés dont l’amplitude est discrète et le temps continu, Les signaux échantillonnés dont l’amplitude est continue et le temps discret, Les signaux numériques dont l’amplitude et le temps sont discrets.

Facteurs ayant une incidence sur les fréquences propres

AMORTISSEMENT : L’amortissement des vibrations est la dissipation de l’énergie mécanique d’un objet vibrant.
Dans le cas des vibrations libres, l’amortissement réduit à zéro l’amplitude des vibrations. Cette réduction est habituellement progressive. Si l’amortissement est suffisamment élevé, les vibrations libres cesseront même avant que le premier cycle ne soit complété. Dans les cas extrêmes, l’objet ne retournera même pas à sa position d’équilibre initiale après avoir été déplacé.
Dans le cas des vibrations forcées, l’amortissement a pour effet d’absorber l’énergie mécanique produite par la force d’excitation exercée sur l’objet. L’amplitude des vibrations se stabilise à une valeur à laquelle l’énergie produite est égale à l’énergie absorbée. En conséquence, plus l’amortissement est élevé, plus l’amplitude est faible.
RÉSONANCE : Le phénomène de résonance se produit lorsque la fréquence d’excitation est égale à une des fréquences propres. La résonance est potentiellement dangereuse, car elle peut donner lieu à des vibrations excessives.
Lorsqu’un objet est en résonance, l’amplitude des vibrations augmente parce que la résistance que l’objet oppose alors aux vibrations est la plus faible. Dans les centrales, le phénomène de résonance se produit parfois dans des pièces d’équipement comme les machines tournantes, les tuyaux et les tubes des échangeurs de chaleur.
VITESSE CRITIQUE : La notion de vitesse critique s’applique seulement aux machines tournantes et surtout à l’élément principal de ces dernières,( le rotor).
La vitesse critique d’une machine tournante est la vitesse à laquelle une des fréquences propres de l’ensemble rotor-palier-socle est égale à la fréquence d’excitation correspondant à la vitesse de rotation de la machine. L’utilisation du terme « ensemble rotor-palier-socle » dénote le fait que les fréquences propres du rotor dépendent de la rigidité de ses supports.
On mentionne la vitesse de rotation dans la définition ci-dessus parce que beaucoup de problèmes dans les machines tournantes se traduisent par des vibrations forcées d’une fréquence correspondant à la vitesse de rotation de ces machines.
Par exemple, un arbre mal équilibré engendre une force qui tourne à la vitesse de l’arbre. Ainsi, le phénomène de résonance se produit lorsque la fréquence de rotation est à peu près égale à une des fréquences propres de l’ensemble rotor-palier-socle, c’est-à-dire lorsque la machine tourne à une vitesse critique. La résonance a pour effet d’accroître les vibrations, surtout si l’amortissement est faible.
Le fabricant spécifie habituellement la plage des vitesses critiques, mais pas toujours dans le cas des petites machines.
Cependant, les vitesses critiques peuvent varier selon les conditions de fonctionnement, notamment par suite d’une modification de la rigidité des supports du rotor. Les supports se composent des paliers et de leurs carters, soit le film d’huile dans les paliers dans le cas de paliers lisses.
La modification de la rigidité des supports peut être attribuable à divers facteurs, par exemple une variation de la température de l’huile peut avoir un effet sur l’épaisseur du film d’huile et par conséquent sur sa rigidité ; les boulons maintenant le palier peuvent se desserrer; le carter du palier ou le socle peuvent se fissurer.

Table des matières

Introduction général
Chapitre I : Aperçue sur la maintenance conditionnelle
I-1-Définition de la maintenance
I-2-Maintenance corrective
I-3-Maintenance préventive
I-3-1-Maintenance préventive systématique
I-3-2-La maintenance préventive conditionnelle
I-3-3-Maintenance prévisionnelle
I-3-3-Les techniques de la maintenance conditionnelle
I-3-3-1-LA THERMOGRAPHIE
I-3-3-1-1-Notions de température
I-3-3-1-2-Mesure de température & Thermographie infrarouge
I-3-3-1-3-Applications de la thermographie infrarouge
I-3-3-1-4-La caméra infrarouge
I-3-3-1-5-Contrôle sur des équipements mécaniques
I-3-3-1-6-Lois du rayonnement infrarouge
I-3-3-1-7-Etudes théoriques et référentielles
I-3-3-2-Analyse des huiles
I-3-3-2-1-La mise en place des méthodes d’analyse des huiles
I-3-3-2-2-Description des différents moyens d’analyse
I-3-3-2-2-1-Analyses physico-chimiques
I-3-3-2-2-2-Analyses spectrométriques
I-3-3-2-2-3-Analyses ferrographiques
I-3-3-2-3-Centrale de lubrification
I-3-3-3- Mesure par ultrason
I-3-3-3-1- Maintenance Conditionnelle Facile avec les Ultrasons
Chapitre II : Notion de traitement de signale
II.1. Introduction
II.2 Définitions
II.2.1 Signal
II.2.2 Bruit
II.2.3 Rapport signal sur bruit
II.3. Classification des signaux
II.3.1 .Classification phénoménologique
II.3.2 .Classification énergétique
II.3.3. Classification morphologique
II.4. Signaux particuliers
II. 5 .Traitement du signal analogique
II.5.1. Série de Fourier
II.5.1.1. Autre expression
II.5.1.2. Développement en termes complexes
II.5.2.Transformée de Fourier
II.5.2.1.Définition
II.5.2.2.Propriétés
II.5.2.3.- Transformée de Fourier de Dirac
II.5.2.4.Egalité de Parceval
II.5.3.Convolution
II.5.3.1. : Définition
II.5.3.2. Transformée de Fourier de la convolution
II.5.4.Notion de Filtrage
II.5.5.Notion de Modulation
II.5.5.1.Principe
II.5.6.Numérisation
II.5.6.1. Echantillonnage
II.5.6.1. 1. Définition
II.5.6.1. 2. Echantillonnage idéal
II.5.6.1. 3. Echantillonnage réel
II.5.6.2. Quantification
II.5.6.3. Codage
II. 6 .Traitement du signal numérique
II. 6 .1.Transformée de Fourier d’un signal discret
II. 6 .1.1. Définition
II. 6 .1.2. Propriétés
II. 6 .2. Fenêtrage
II- 6.2.1- Echantillonnage en fréquence
II- 6.3 Notion de transformée de Fourier rapide
II- 6.3.1 Présentation de l’algorithme de Cooley-Tuckey
Chapitre (III) : Notion d’analyse vibratoire
III-1- NOTIONS FONDAMENTALES ET TYPE DE VIBRATION
III -1- 1- NAISSANCE D’UNE VIBRATION
III -1- 2- LES CORRESPONDANCES : DEPLACEMENT, VITESSE, ACCELERATION
III -1- 3- FACTEURS AYANT UNE INCIDENCE SUR LES FRÉ QUENCES PROPRES
III -1- 4- Importance des vibrations
III -1- 5- Différents types de vibrations
III -1- 5- Les méthodes d’analyse des vibrations
III -1- 5- 1-Les méthodes temporelles
III -1- 5- 2-Les méthodes fréquentielles
III -2-Capteur de vibration
III -2-1. Capteurs de déplacement
III -2-2. Capteurs de vitesse (vélocimètres)
III -2-3. Capteurs d’accélération (accéléromètres)
III -2-4. Capteurs de référence de phase
III -2-5- Détermination pratique des seuils
III -3-1- Méthode du relevé global
III -3-2- Méthode de l’analyse spectrale
III -4-Seuils de jugement
III -4-1-Les Groupes
III -4-2-Choix des seuils vibratoires
III -4-2-1- Seuils de vitesse vibratoire
III -4-2-2- Seuils d’accélération
III -5-LES TYPES DE MESURE
III -5-1–Mesure des Vibrations absolues de palier
III -5-2–Mesure des Vibrations relatives d’arbre
III -5-2-1-ORBITE CINETIQUE
III -5-2-2-.Mesure de l’orbite cinétique
III -5-2-3-Unités de mesure des vibrations relatives d’arbre
III-6- DOMMAGES CAUSÉ S PAR DES VIBRATIONS EXCESSIVES
III-6-1-Rotors et parties tournantes
III-6-1-1-Déséquilibre massique des rotors. Balourds
III-6-1-2-CAMBRURE ET FLÉ CHISSEMENT
III-6-1-3-Désalignement angulaire
III-6-1-4-Désalignement parallèle
III-6-2-Dégradation des appuis
III-6-2-1-Défauts des roulements
III-6-2-2- Défaut d’Engrenages
III-6-2-3- Défauts des paliers à film d’huile (PALIERS LISSES)
III-6-3-Mauvais serrage mécanique (jeu de fondation)
III-6-4-Jeu d’arbre
III-6-5-Cavitation
Chapitre (IV) : ETUDE DE CAS : L’analyse vibratoire d’une turbine à vapeur HP
IV -1-Description de l’installation (Turbocompresseur 103J)
IV -2-Conception du turbocompresseur
IV -2-1- Turbine à vapeur
IV -2-2- Compresseur
IV -3 Fonctionnement et caractéristiques de l’installation (Turbocompresseur 103J)
IV -3- 1-Fonctionnement de la turbine à vapeur
IV -3-2-Fonctionnement du compresseur
IV -3-3-Fonctionnement de la turbine à gaz
IV -3-4-Distribution d’huile : Le Système d’huile
IV -4-Description de la chaine de mesure
IV -4-1-Le VIBROTEST
IV -4-2-Caractéristique d’affichage d’un spectre
IV -4-3-Caractéristique de l’appareil
IV -4-4-Logiciel d’analyse de diagnostic vibratoire « VIBROEXPERT CM-400 »
IV -4-4-1-CARACTÉ RISTIQUES
IV -4-4-2-Avantage
IV -4-4-3-UTILISATION
IV -4-4-4-ANALYSE DE TENDANCES ET RAPPORTS SUR LA CONDITION DES MACHINES
IV -4-4-5-UN PUISSANT OUTIL DE VISUALISATION
IV -5-Application d ‘analyse VIBRATOIRE sur la tubine à vapeur (HP)
IV -5-1-Caractéristiques techniques de la (turbine à vapeur HP) Pour L’établissement de préspectre
IV -5-2-Localisation des points de mesure
IV -5-3-Valeur global de la vitesse efficace selon AFNOR E 90 300 avant l’intervention
IV -5-4-Palier 02
IV -5-4-1-Le suivi de la courbe de tendance du (Palier 02) avant l’intervention
IV -5-4-2-L’analyse spectrale du Palier 02 avant l’intervention
IV -5-4-3-L’analyse par l’orbite cinétique du Palier 02 avant l’intervention
IV -5-5-Palier 03
IV -5-5-1-L’analyse par les courbes de tendance
IV -5-5-2-L’analyse spectrale du Palier 02 avant l’intervention
IV -5-5-3-L’analyse par l’orbite cinétique du Palier 03 avant l’intervention
IV -5-6-Palier 04
IV -5-6-1-L’analyse par les courbes de tendance
IV -5-6-2-L’analyse spectrale du Palier 04 avant l’intervention
IV -5-6-3-L’analyse par l’orbite cinétique du Palier 04 avant l’intervention
IV -5-6-4-Synthèse des résultats repérer sur la ligne d’arbre de La turbine a vapeur HP
IV -5-6-5-Les interventions recommandés
IV -5-7-Analyse des résultas après l’intervention
IV -5-7-1Palier 02
IV -5-7-1-1-Le suivi de la courbe de tendance du (Palier 02) après l’intervention
IV -5-7-1-2-L’analyse spectrale du Palier 02 après l’intervention
IV -5-7-2-Palier 03
IV -5-7-2-1-Le suivi de la courbe de tendance du (Palier 03) après l’intervention
IV -5-7-2-2-L’analyse spectrale du Palier 03 après l’intervention
IV -5-7-3-Palier 04
IV -5-7-3-1-Le suivi de la courbe de tendance du (Palier 04) après l’intervention
IV -5-7-3-2-L’analyse spectrale du Palier 04après l’intervention
CONCLUSION
SYNTHESE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES