Coin technique : Surveillance efficace des vibrations

Par Prognost Systems

Les compresseurs alternatifs présentent le taux de dommages le plus élevé, tout en étant essentiels au bon fonctionnement du procédé. Ceci s'explique en partie par le nombre plus important de machines centrifuges par rapport aux compresseurs alternatifs , et par le fait que les opérateurs ne craignaient pas de dommages importants en raison de la plus faible énergie cinétique de ces machines, qui fonctionnent à une vitesse relativement lente. Des principes de protection et de surveillance de l'état insuffisants sont encore appliqués à certaines machines alternatives.

Protection inadéquate des machines

En tout temps, les exploitants, les sociétés d'ingénierie, d'approvisionnement et de construction (EPC) et les fabricants d'équipement d'origine (OEM) ont suivi les directives et normes existantes et applicables lors de la phase finale d'ingénierie.

Cependant, en examinant l'âge du parc de compresseurs alternatifs , on constate que, dans de nombreux cas, ces machines importantes et essentielles n'ont jamais été remplacées et qu'elles sont en service depuis leur date de mise en service initiale il y a plusieurs décennies .

Pour comprendre pourquoi, même après de nombreuses défaillances catastrophiques, on constate encore une protection inadéquate sur bon nombre de ces machines, un examen de l'historique des normes applicables peut contribuer à dissiper le brouillard.

Accélération de la traverse en tant que paramètre d'arrêt de sécurité

La cinquième édition de la norme API 670, publiée en novembre 2014, offre des informations et des conseils précieux sur la manière de protéger efficacement les compresseurs alternatifs.

Les utilisateurs et les fournisseurs de systèmes de protection des machines se sont mis d'accord sur l'inclusion de l'accélération de la traverse comme paramètre d'arrêt de sécurité, ce qui constitue une décision cruciale.

La norme API 670 est le document de référence pour la protection des compresseurs alternatifs. La mesure de la position de la tige de piston, en tant que seconde barrière de protection fiable, est également recommandée.

Vibrations du châssis mesurées en vitesse et mesure de la position de la tige de piston

De nombreux compresseurs alternatifs sont équipés de systèmes de protection conçus initialement pour les machines centrifuges. Deux des méthodes les plus courantes, souvent utilisées sur les compresseurs alternatifs anciens, consistent à mesurer les vibrations du bâti (en vitesse) et la position de la tige de piston.

De nombreux exploitants de compresseurs confirment l'inadéquation de ces systèmes obsolètes pour se prémunir contre les dommages les plus redoutés, tels que la rupture des tiges de piston, le grippage des axes de piston et d'autres modes de défaillance pouvant entraîner une perte de confinement. Si les systèmes traditionnels peinent souvent à détecter à temps, voire ne détectent pas du tout, l'apparition de dommages catastrophiques, les utilisateurs signalent régulièrement des déclenchements intempestifs dus à des pics de production transitoires ou à des impacts ponctuels et non critiques.

Par conséquent, les opérateurs envisagent souvent de désactiver leur système de protection obsolète et de privilégier des pratiques de maintenance éprouvées, en s'appuyant sur la robustesse de la conception de la machine. Il est important de comprendre la différence entre un mouvement de rotation uniforme d'un arbre de turbine et un mouvement alternatif. Les machines à rotation uniforme présentent généralement une déflexion de l'arbre quasi nulle par cycle, une liaison au sol solide et rigide, et pratiquement aucune vibration du châssis détectable.

À l'inverse, un compresseur alternatif présente un comportement très différent, nécessitant une approche de surveillance différente. Les pistons sont entraînés d'avant en arrière par des transmissions à traverse, ce qui inverse la force exercée sur la tige de piston, passant de la tension à la compression. Il en résulte des vibrations et des déformations importantes de l'ensemble du bâti et de ses composants. Les soupapes d'aspiration et de refoulement génèrent des à-coups à l'ouverture et à la fermeture, induisant des vibrations sur toute la machine ; nous considérons cela comme un fonctionnement normal.

Lorsqu'on compare les principes de fonctionnement d'un compresseur alternatif avec ceux d'une machine centrifuge, il apparaît clairement qu'un compresseur alternatif nécessite une approche de surveillance plus spécifique, conçue pour gérer tous les défis particuliers que présentent les machines alternatives.

Si l'on considère le principe de fonctionnement des machines alternatives, la traverse est clairement l'élément central. C'est là que le mouvement de rotation du vilebrequin est transformé en un mouvement alternatif (linéaire) de la tige de piston. Elle constitue le composant principal où toutes les forces importantes sont transmises à la tige de piston via l'axe de traverse, un système complexe. Afin d'orienter ces forces dans la bonne direction, un guide de traverse robuste fait partie intégrante de chaque compresseur alternatif. Ce guide de traverse assure la liaison la plus directe entre la transmission et le bâti et représente l'emplacement idéal pour l'installation de capteurs de vibrations.

Un compresseur alternatif nécessite une approche de surveillance différente

Comme illustré sur la figure 2, les machines à mouvement alternatif présentent généralement des caractéristiques d'accélération de la traverse très régulières, avec deux impacts distincts autour des deux points d'inversion de la charge sur la tige. Toute modification de la signature et de l'amplitude de l'accélération indique immédiatement un comportement mécanique différent.

Cela permet aux systèmes de protection des machines modernes de détecter les défaillances typiques impliquant la rupture de l'axe de piston de la traverse, l'augmentation du jeu du palier de la traverse, le desserrage des connexions entre la traverse, la tige de piston et le piston, l'augmentation du jeu du palier de la bielle, la rupture de l'écrou de piston et les projections de liquide, et d'éliminer les dommages consécutifs.

Lors de l'installation du capteur sur le guide de la traverse, il est essentiel de tenir compte du sens de rotation (horaire ou antihoraire) du vilebrequin. Pour un fonctionnement optimal, il est recommandé d'installer le capteur sur la face supérieure pour les patins de traverse montants et sur la face inférieure pour les patins descendants, afin d'être aligné avec la direction effective des forces transmises à la traverse.

Un bref aperçu des principes physiques de base permet de comprendre pourquoi de nombreux opérateurs considèrent aujourd'hui l'accélération du coulisseau de la traverse comme le principal paramètre de protection des machines.

Pour expliquer pourquoi l'accélération doit toujours être le premier paramètre détectable, prenons l'exemple suivant : une voiture se déplace du point A au point B. Au point de départ A, la masse du véhicule accélère suffisamment longtemps (accélération [m/s²]) jusqu'à atteindre la vitesse souhaitée (vitesse [m/s]) pour parcourir la distance (déplacement [m]) jusqu'au point B. Il est important de noter qu'avant de pouvoir enregistrer la vitesse, l'accélération doit être appliquée à la masse.

Néanmoins, nous tenons à souligner que la mesure des vibrations du cadre (vitesse) et surtout la mesure de la position de la tige (déplacement) apportent une réelle valeur ajoutée lorsqu'elles sont appliquées et évaluées correctement.

mesure de la position de la tige de piston

La mesure de la vitesse du châssis permet de détecter des problèmes de fondation qui se développent lentement, ainsi que des modes de défaillance liés à de nombreux impacts à haute énergie qui agitent l'équipement dans sa plage de fréquences naturelles, ce qui peut engendrer une vitesse de mouvement mécanique dangereuse. L'installation de capteurs de vibrations du châssis repose souvent sur un système de vote (par exemple, deux sur trois) afin de réduire les déclenchements intempestifs. Deux groupes de trois capteurs de vitesse sont ainsi montés, l'un côté du châssis, l'autre côté opposé à la transmission.

La construction robuste d'un compresseur alternatif, notamment ses fondations massives, exige une énergie cinétique considérable, fournie par de multiples impacts violents, pour atteindre les vitesses critiques. Les capteurs de vitesse sont généralement installés loin des composants susceptibles de défaillir, là où la vitesse du bâti est un paramètre imprécis. Ils ne doivent être considérés que comme une protection supplémentaire. Il est important de noter que les systèmes de surveillance modernes sont capables d'intégrer mathématiquement le signal d'accélération dans le temps, fournissant ainsi une analyse de vitesse pour chaque capteur. Cela réduit considérablement l'intérêt d'ajouter des capteurs de vitesse du bâti à un système de surveillance.

Lors de ses premières applications, la mesure de la position de la tige de piston pouvait être considérée comme aussi pertinente que la mesure de la position de l'arbre sur une machine centrifuge, utilisant le même matériel et la même logique d'analyse du signal. La principale différence, et le défi de surveillance à l'origine de la mauvaise réputation persistante de « chute de tige », réside dans le fait que la fonction d'une tige de piston n'est pas la rotation, mais la poussée et la traction du piston, ce qui peut entraîner une flexion importante de la tige et des variations dues aux différentes phases de charge.

Les anciens compresseurs à piston peuvent être modernisés grâce à un système de surveillance moderne.

Ces effets sont inconnus lors de la surveillance de machines centrifuges à ce niveau de détail. Pour l'usage prévu – la détection de l'usure de la courroie de guidage – le signal doit être mis en phase et correctement analysé afin d'éviter la flexion de la tige sous différentes conditions de charge. L'analyse de la composante dynamique du signal de position de la tige s'avère encore plus précieuse pour la protection des machines.

L'analyse segmentée du signal (segmentation de l'angle de vilebrequin de 360° en portions de degrés plus petits) – comme par exemple une analyse à huit segments déterminant les effets de flexion critiques pour la sécurité de la tige de piston – s'est avérée très fiable pour détecter les connexions desserrées dans la transmission, telles que les connexions tige de piston-traverse et tige de piston-cylindre, ainsi que les fissures imminentes de la tige de piston avant que celle-ci ne cède complètement.

Comme décrit précédemment, la tige de piston se déplace et se courbe généralement même en fonctionnement normal, mais en cas de dommages mécaniques et de fissures, son comportement change considérablement. Ces changements peuvent être détectés grâce à une analyse en huit segments basée sur le signal de position dynamique de la tige, comme illustré à la figure 3.

Dans de nombreux cas, les anciens compresseurs à piston peuvent être modernisés de manière satisfaisante grâce à un système de surveillance moderne au lieu d'être remplacés, que ce soit pour des raisons de sécurité, de réévaluation des performances de la machine ou d'augmentation des conditions de charge.

En conclusion, un regard rétrospectif sur l'évolution des normes API depuis les années 70 permet de comprendre l'origine de certaines normes actuelles. L'approche de surveillance alors à la pointe de la technologie, utilisée pour les machines centrifuges, a été adoptée et appliquée aux machines alternatives. C'est à cette époque que la surveillance des vibrations du bâti et de la position des tiges a été intégrée aux normes de surveillance des compresseurs alternatifs. Cependant, l'expérience a démontré que ces anciennes normes n'offraient pas les résultats escomptés pour la surveillance des machines alternatives, ce qui a finalement conduit au développement de l'approche de surveillance moderne actuelle.

L'un des principaux aspects consiste à exploiter le principe de fonctionnement d'un compresseur alternatif et à se concentrer sur le guidage de la traverse afin de détecter précocement et de manière fiable les défaillances naissantes. La mesure des vibrations du bâti est tout simplement trop éloignée des principaux composants fonctionnels, et la mesure de la vitesse conduit à des détections manquées. Néanmoins, la vitesse du bâti offre une certaine valeur de protection de la machine, bien que très limitée, face aux défaillances courantes rencontrées sur les compresseurs alternatifs.

Fort de l'expérience acquise sur plus de 1 500 machines critiques équipées de ces dispositifs, il est recommandé d'utiliser l'accélération du coulisseau de la traverse comme principal paramètre de protection. De plus, la mise en œuvre d'une mesure dynamique de la position de la tige de piston, constituant une seconde ligne de protection fiable, est également recommandée.