Donner une seconde vie à un compresseur centrifuge remis à neuf

Par Andrea Fusi, Andrea Betti et Emanuele Burberi07 mars 2022

Pendant la durée de vie des compresseurs centrifuges, les utilisateurs finaux et les sociétés de service subissent souvent une réduction des performances ainsi que la détérioration/le dysfonctionnement des composants ou doivent même faire face à la nécessité de reclasser la machine sur les nouvelles conditions de fonctionnement demandées. Évidemment, dans la mesure du possible, il est fondamental d'éviter un remplacement de machine inutile, coûteux et chronophage. Ainsi, il est crucial d'exploiter les opportunités toujours croissantes disponibles dans la remise à neuf/reclassement des anciens compresseurs centrifuges pour leur donner une seconde vie efficace.

Plusieurs technologies innovantes développées au cours des dernières décennies permettent de réaliser des activités de remise à neuf qui n'étaient pas réalisables il y a quelque temps. Les nouvelles technologies de fabrication ainsi que le développement de matériaux innovants aux propriétés mécaniques améliorées permettent aujourd'hui de repousser les limites techniques précédentes pour l'application industrielle. De plus, les récents outils avancés d'acquisition de la géométrie (par exemple, le scan 3D) permettent d'étudier d'éventuels dommages, défauts et autres détails géométriques qui ne seraient pas détectés autrement. Finalement, la précision et la fiabilité croissantes des outils de simulation modernes, tels que CFD, FEA et les analyses dynamiques du rotor (latérales et de torsion), ont permis d'effectuer des enquêtes plus précises sur les phénomènes physiques à l'origine des problèmes qui peuvent être rencontrés.

L'objectif principal de cet article est de diffuser les connaissances sur ces innovations et de permettre aux utilisateurs finaux, aux sociétés de services et à toutes les personnes impliquées dans les usines de traitement industriel de prendre connaissance de certaines des innombrables opportunités que les nouvelles technologies ont créées dans le domaine de l'entretien et des mises à niveau des compresseurs centrifuges. Parmi les nombreuses activités de remise à neuf/réévaluation réalisées par Compression Service Technology – CST au cours des dernières années sur les turbomachines, deux études de cas sont décrites dans cet article, montrant comment des problèmes de nature différente peuvent être résolus avec succès pour améliorer l'efficacité même de très vieilles machines.

Un ventilateur d'air de combustion d'une usine de production d'acide sulfurique, entraîné par un moteur électrique et contrôlé par Inlet Guide Vane (IGV), aspire l'air dans des conditions atmosphériques et le délivre à une pression de refoulement de 1,4 bara ; le débit massique d'air demandé est d'environ 200 000 kg/h tandis que la puissance à l'arbre est d'environ 2,6 MW. Comme le montre la figure 1, le compresseur est une roue en porte-à-faux à un étage, composée d'une roue semi-ouverte 3D de type soudé (diamètre extérieur 1600 mm) ayant une bague de raccordement en bout d'aubes sur la section d'entrée, un diffuseur court sans aubes et une volute de type soudé à section rectangulaire.

Au cours de sa durée de vie, l'utilisateur final a connu une diminution progressive des performances du compresseur, à la fois en termes de débit délivré et d'efficacité, jusqu'à ce qu'il décide de le remettre à neuf pour retrouver ses performances d'origine. CST a été impliqué dans cette activité par le Prestataire en charge de la maintenance des soufflantes d'air de combustion.

Un balayage laser 3D a été effectué pour obtenir le modèle 3D du compresseur à des fins d'investigation. Comme le montre la figure 2, un dégagement élevé a été détecté par le balayage de la turbine. Un écart important, renforcé par l'érosion, entre la pointe des aubes de la roue et le carénage du stator a été observé : sa magnitude a été trouvée variable le long de la longueur de la pale de 3,5 ‰ à 8 ‰ du diamètre de la roue, au lieu de la plage habituelle attendue de 1-2 ‰. De plus, l'écart entre l'anneau des pales de la turbine et la fente statique correspondante s'est avéré assez grand.

Une analyse CFD a été effectuée pour vérifier le comportement dynamique des fluides du compresseur endommagé, en se concentrant sur la mesure dans laquelle les performances du compresseur pourraient être affectées par le dégagement élevé de l'entrefer mentionné ci-dessus. Comme le montre la figure 3, la présence d'un jeu excessif conduit à un champ d'écoulement non optimal. Deux principaux phénomènes de dynamique des fluides, affectant négativement l'écoulement optimal, ont été identifiés :

Ces anomalies ont été considérées comme les principales causes de la réduction du rendement de l'étage et du débit de refoulement.

La présence possible d'un joint à labyrinthe dans la configuration d'origine du compresseur a été déduite, compte tenu de l'écart important trouvé entre la bague des aubes de la roue et la fente du stator. Ce joint pourrait se desserrer à cause de l'érosion ou d'autres événements pendant le fonctionnement du compresseur. Malheureusement, aucune information confirmant une telle hypothèse n'a été trouvée dans les documents et dessins disponibles.

Afin de restaurer une bonne performance du compresseur et, en même temps, d'éviter un temps d'installation trop long et des temps d'arrêt prolongés de l'installation, la solution en deux étapes suivante a été mise en œuvre, en s'appuyant sur une étude CFD théorique approfondie :

La campagne d'investigation CFD s'est déroulée avec la mise en place progressive de cette séquence « en deux temps ». L'investigation CFD a mis en évidence l'importance de la réduction de l'écart entre les composants rotatifs et statiques. Le jeu entre la pointe des pales de la turbine et le carénage du stator s'est avéré être de la plus haute importance pour la récupération des performances.

Finalement, la présence simultanée du joint à labyrinthe dans la fente statique sur la bague d'entrée de la roue et une réduction du jeu de l'extrémité de la pale d'environ 50 % par rapport à ceux mesurés ont été étudiées pour trouver la configuration finale de la roue. Le résultat a été que, grâce aux modifications introduites, une augmentation de +1 % de l'efficacité du compresseur et de +6 % du débit fourni a pu être obtenue, obtenant ainsi une récupération satisfaisante des performances de la soufflante d'air de combustion.

Les actions correctives définies par l'enquête ci-dessus ont été mises en œuvre avec succès sur le terrain et le client a connu une reprise de performance conforme aux prévisions de l'analyse CFD.

Lors d'une révision de routine d'un compresseur centrifuge à air à 6 étages divisé horizontalement, la société de service a découvert la présence de forts dommages d'érosion sur la dernière roue et a demandé à CST de trouver une solution à ce problème. La roue à aubes fermée d'origine avait été fabriquée selon une ancienne technologie de fabrication, utilisant des rivets pour fixer les pales au disque et au carénage (voir Figure 4).

Il a été décidé de remplacer la roue par une nouvelle ayant le même canal méridien et le même profil de carrossage des aubes pour restaurer les performances du compresseur. Étant donné que les dessins de construction originaux et les spécifications des matériaux n'étaient pas disponibles, une analyse 3D des mesures géométriques et une analyse chimique ont été effectuées.

ASTM A705 Gr.630 (17-4 PH) a été utilisé à la place de l'acier au carbone d'origine, améliorant ainsi la résistance à la corrosion et à l'érosion et évitant l'apparition de dommages dus à l'érosion. De plus, la technologie de fabrication EDM monobloc a été adoptée pour la nouvelle roue, obtenant un meilleur profil de pale avec les avantages suivants :

De nouveaux dessins et spécifications de fabrication ont été produits, y compris des instructions d'équilibrage et de test de survitesse. La figure 5 montre la nouvelle roue pendant la fabrication EDM.

La nouvelle roue a été montée sur le nouveau rotor et installée dans le compresseur existant à l'entière satisfaction du client. En fait, en plus de la restauration des dommages dus à l'érosion, une meilleure performance du compresseur a été obtenue grâce à l'efficacité supérieure de l'étage remis à neuf (environ +2%).

Les exemples ci-dessus montrent que les anciennes unités, même si elles fonctionnent depuis de nombreuses décennies et ont connu plusieurs pannes récurrentes, une fois rénovées, peuvent continuer à fonctionner efficacement et avec des performances améliorées. Des actions de rénovation peuvent être menées pour résoudre les problèmes liés au vieillissement, à l'érosion et à l'usure des machines, pour restaurer les performances d'origine ou les améliorer. De plus, les compresseurs centrifuges peuvent être réorganisés et recalibrés pour répondre aux nouvelles conditions de fonctionnement de l'usine.

Les entreprises de services et les utilisateurs finaux confrontés au compromis "réparer ou remplacer" doivent être conscients des innombrables opportunités de remise à neuf qui sont aujourd'hui disponibles sur les turbomachines, grâce aux nombreuses technologies innovantes développées au cours des dernières décennies. De nouvelles technologies de fabrication avancées, des matériaux innovants, la disponibilité de nouveaux équipements pour l'acquisition de la géométrie et, enfin et surtout, la grande précision des outils modernes d'analyses dynamiques des fluides et mécaniques, peuvent contribuer de manière significative à donner une seconde vie plus efficace aux anciens compresseurs centrifuges.