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Des roulements et montages haute fiabilité pour l’industrie de transformation des hydrocarbures

Des pressions commerciales s’exercent sur cette industrie ; une fiabilité élevée, un fonctionnement efficace, un contrôle étroit du coût des immobilisations sont exigés des raffineries. SKF a une vaste expérience de ce marché, des installations à la maintenance et aux améliorations de conception.

Les exigences de qualitéde service concernant la fourniture de pièces détachées de base, l’adaptation et la modification de conception des équipements tournants critiques ont augmenté au fil des ans.

SKF propose une large gamme de produits et services pour les usines de transformation des hydrocarbures et les installations de champs pétrolifères et de gaz : des roulements aux équipements de maintenance conditionnelle et services et analyses associés en passant par les systèmes de lubrification. Ce marché exige une implication étroite auprès des utilisateurs et des fournisseurs des systèmes de transformation, ainsi que des fabricants d’équipements d’origine, des Distributeurs Agréés SKF et autres partenaires pour offrir des solutions de haute fiabilité avec des dépenses d’investissement les plus faibles possible pour l’utilisateur final.

SKF conçoit des modifications sur mesure en s’appuyant sur sa plate-forme d’ingénierie pour machines tournantes (se bild . 2). De plus, la fiabilité et les performances des roulements peuvent être améliorées de façon significative grâce à des matériaux plus sophistiqués comme la céramique pour les éléments roulants des roulements hybrides, les aciers inoxydables super-résistants, les revêtements à faible frottement NoWear, le revêtement isolant électrique INSOCOAT, les revêtements résistants à la corrosion et plusieurs matériaux spéciaux pour cages comme le polyétheréthercétone (PEEK) ou des cages massives monoblocs en laiton sans contrainte. Ces solutions sur mesure résistent ou luttent contre la formation de corrosion ordinaire, la corrosion sous contrainte, la détérioration de la lubrification, la lubrification par le fluide de process, l’usure, l’indentation, l’électroérosion, le grippage et les dommages consécutifs au niveau des paliers et rotors.

 

Rénovations de systèmes de roulements
Au sein de l’industrie de transformation des hydrocarbures, la rénovation des systèmes d’arbres tournants est souvent motivée par la nécessité d’accroître la fiabilité, la disponibilité et la sécurité des processus et d’exercer un contrôle étroit des dépenses d’investissement pour les installations de transformation nouvelles ou modernisées. Ces modifications se traduisent par une augmentation des profits, une diminution des coûts d’exploitation et un retour sur investissement. Une stratégie de conception adaptée peut être définie en tenant compte des critères basés sur des équipements aux performances insuffisantes, de manière à réduire les opérations de maintenance non planifiées, ainsi que les coûts d’investissement. Voici quelques exemples de démarches :

  • Mise à niveau des derniers de la classe : il s’agit de régler des problèmes relatifs à une ou plusieurs installations à l’origine de pertes de production significatives dues à des arrêts-machines ou des défaillances fréquentes, ou d’amendes pour émissions élevées comme dans le cas des compresseurs de gaz résiduels ou les réacteurs chimiques.
  • Mise à niveau du parc d’équipements : il s’agit de l’ensemble des tâches requises au sein de grands parcs de compresseurs ou de pompes présentant un temps moyen entre défaillances (MTBF) trop court par rapport à ce qui pourrait être atteint, par exemple dans des compresseurs de collecte de gaz et des installations de pompage de raffineries.
  • Ingénierie basée sur l’analyse des risques : il s’agit d’une approche préventive basée sur la gestion des risques liés aux nouveaux équipements critiques se bild urant sur la liste des derniers de la classe, comme les turbines marines et les compresseurs.
  • Conceptions nécessitant un investissement minimal : cette approche permet de disposer d’équipements à un moindre coût en utilisant des roulements haute fiabilité dans des applications non envisagées jusqu’ici, comme les compresseurs à vis remplis d’huile dans lesquels les roulements sont soumis à une concentration extrêmement forte d’hydrogène sulfuré (H2S).
  • Amélioration des performances : l’objectif est d’obtenir, par exemple, un débit supérieur ou de tenir compte de nouvelles conditions de process : remplacement de l’unité de secours par une seconde unité de production ou augmentation de la pression ou du flux dans une conception existante.

SKF développe et fournit auprès d’entreprises de l’industrie de traitement des hydrocarbures (ITH), des solutions avancées de roulements « hautes performances ». Le Programme SKF de solutions documentées (DSP) pour une analyse coûts-bénéfices est souvent appliqué afin d’optimiser les profits générés par de telles modifications.

 

Roulements : matériaux, exécutions et montages
Les systèmes de roulements sont généralement constitués d’un palier « fixe » et d’un palier « libre ». Le palier fixe se compose, la plupart du temps, de deux roulements : l’un supporte uniquement les charges radiales et l’autre maintient l’arbre et supporte uniquement les charges axiales. La se bild ure 3 montre un montage type que l’on retrouve fréquemment dans les compresseurs à vis lubrifiées.

Dans les compresseurs, pompes et entraînements électriques haute performance, les roulements de palier fixe sont généralement à billes. Il peut s’agir de roulements à billes à contact oblique montés dos à dos (en O), de roulements à billes à quatre points de contact oblique ou encore des roulements rigides à billes. Les roulements à billes fournis par SKF sont en acier pour roulements ordinaire trempé à cœur, et peuvent être dotés de bagues en acier inoxydable haute résistance trempé à cœur. Le roulement de palier libre est habituellement un roulement à rouleaux cylindriques (se bild . 3). Il est également possible d’utiliser un ou plusieurs roulements à billes axialement libres dans le palier. Pour ce type de montage, des roulements à rouleaux cylindriques avec éléments roulants en céramique pouvant atteindre de grandes dimensions, peuvent être fournis pour remplacer la plupart des roulements utilisés actuellement dans les compresseurs à vis lubrifiées. Dans certains cas, en raison de contraintes de fabrication, il est préférable de procéder à une modification de conception d’un tel montage avec un roulement à rouleaux cylindriques doté de rouleaux en acier inoxydable et revêtement NoWear ou de le remplacer par une exécution de roulement à billes axialement libre.

Par ailleurs, SKF a inventé le roulement à rouleaux toroïdaux CARB qui peut être utilisé dans des applications où le montage doit supporter une flexion de l’arbre et un déplacement axial dû à la dilatation de l’arbre. Les roulements CARB peuvent être fournis en acier inoxydable avec revêtement NoWear sur les rouleaux. Un montage approprié pourrait, par exemple, intégrer deux roulements CARB associés à un roulement à billes à quatre points de contact oblique (se bild . 4, en haut) ou, en cas de fortes charges axiales et radiales combinées, un ensemble de butées à billes à contact oblique (se bild . 4, en bas). Des montages de ce type peuvent convenir, par exemple, pour les « roulements intermédiaires » des pompes de raffinage, généralement soumis à des charges radiales très élevées. Par exemple, neuf lourdes pompes de process ont vu leur temps moyen entre défaillances passé de 2 200 à plus de 7 000 heures introduisant ainsi une nouvelle durée sans maintenance avec l’utilisation, dans un tel montage, de roulements SKF conventionnels. Un tel montage nécessite cependant une collaboration étroite avec SKF pour valider la conception et confirmer les possibilités de fabrication.

Il existe en outre plusieurs montages de roulements radiaux et axiaux avec paliers lisses ou patins oscillants, parfois associés à des roulements pour la reprise des forces axiales. L’utilisation de l’acier pour roulements inoxydable haute résistance permettra souvent (exposition à de fortes concentrations d’hydrogène sulfuré par exemple) de remplacer des conceptions de roulements encombrants complexes à haut coefficient de frottement qui présentent une capacité de charge axiale limitée et sont sensibles au fonctionnement à sec, par des roulements hybrides à contact oblique.

Pour les installations cryogéniques ou soumises à des températures élevées, SKF a mis au point une variante de l’acier inoxydable haute résistance à partir d’un traitement thermique spécial. Elle offre une plus grande stabilité dimensionnelle dans le temps et une dureté accrue en présence de températures cryogéniques et de températures très élevées. Cet acier a été mis en œuvre dans un roulement SKF spécialement conçu pour les pompes cryogéniques et adapté aux applications lubrifiées par le fluide du process qui traitent différents gaz liquéfiés, comme le gaz de pétrole (GPL), d’éthylène (GEL), le gaz naturel (GNL) et l’hydrogène (LH2). Des modifications apportées à des pompes cryogéniques fonctionnant en continu (se bild . 1) se sont traduites par une augmentation du temps moyen entre défaillances de 300 % ou plus, par rapport aux résultats obtenus par les roulements conventionnels actuels tout acier inoxydable.

 

Maintenance conditionnelle et maintenance axée sur la fiabilité
Les industries de production et de traitement des hydrocarbures fournissent une multitude d’applications pour les roulements au niveau d’équipements comme les pompes, les compresseurs et les réacteurs chimiques. Le rôle de ces équipements varie des installations de base avec unités de secours aux installations critiques situées dans des endroits difficiles sans possibilité de système de secours. Par exemple, parallèlement aux pompes utilisées dans les conditions de services relativement stables des raffineries, il y a aussi les turbines marines ou les pompes cryogéniques fonctionnant en continu dans les terminaux de GPL, les usines à gaz et les usines chimiques. À travers sa gamme de systèmes de fiabilité, SKF apporte son savoir-faire en matière de détection des problèmes émergents grâce à la maintenance conditionnelle (surveillance des signaux associée à une analyse des fréquences approfondie à l’aide de filtres, etc.) pour améliorer les signaux spécifiques de composants de roulements ou d’autres pièces d’équipement ou les signaux en lien avec le process.

Ces informations sur les vibrations sont utilisées pour initier une demande d’intervention avant que ne soit atteint le niveau vibratoire critique. L’exemple représenté à la se bild ure 5 montre l’évolution des vibrations d’un compresseur à palettes pour naphta utilisé dans une usine de traitement des hydrocarbures d’Amérique du Sud gérée conjointement par Chevron et PDVSA. La surveillance du compresseur a permis au personnel SKF d’introduire des procédures de maintenance, de planifier et de réduire les coûts de réparation.

SKF réalise aussi des analyses des risques et gère la mise en place, au sein d’installations de traitement, de programmes de maintenance axée sur la fiabilité par l’intermédiaire de ses sociétés de services dédiées à l’industrie des hydrocarbures. Pour soutenir ce travail, les ingénieurs d’application SKF passent en revue les défaillances de roulements, la lubrification et les montages et émettent un avis concernant les procédures de montage.

 

Exemple de projet de rénovation pour le traitement de gaz acides
Dans le nord de l’Alberta, au Canada, plusieurs projets sont en cours dans le domaine de l’excavation du sable pétrolifère, la valorisation et le raffinage en mélanges non sulfureux. Parmi ces principaux développements se bild ure la joint-venture Syncrude qui produit dans cette région 315 000 barils par jour. Les hydrocarbures lourds extraits du sable pétrolifère contiennent du soufre. Le procédé d’hydrocraquage est appliqué afin d’obtenir des hydrocarbures plus légers mais présente l’inconvénient de générer également de l’hydrogène sulfuré (H2S). L’élimination de l’hydrogène sulfuré est capitale et s’effectue selon le procédé d’épuisement par injection de vapeur d’eau. Après cette étape, il reste cependant un gaz résiduaire qui doit être comprimé avant tout autre traitement. Au sein des installations de Syncrude, cette compression est effectuée par un compresseur à vis lubrifiées, adapté au débit du gaz. Cette solution offre des avantages techniques et économiques par rapport aux compresseurs à piston et à vis sans huile qui présentent un coût initial élevé, une maintenance lourde et des modes de défaillance problématiques. Suite à une modification du process, la teneur en hydrogène sulfuré du gaz résiduaire a augmenté de façon significative jusqu’à atteindre 30 à 40 %. Le compresseur à vis a alors commencé à présenter de graves dysfonctionnements dus à une fissuration sous contrainte des pistes et éléments roulants des roulements, coûteux pour la raffinerie.

Le personnel d’ingénierie de Syncrude s’est alors penché sur les possibilités d’amélioration du système de roulements et des conditions du process. En collaboration avec SKF et le Distributeur Agréé SKF BC Bearing, une solution sur mesure a été mise au point, basée sur plusieurs technologies de matériaux pour roulements alors en cours de développement au sein de SKF. La modification imaginée reposait sur le nouvel acier inoxydable pour roulements haute résistance associé à une exécution de roulements hybrides de grandes dimensions tant pour les roulements à billes à quatre points de contact oblique que pour les roulements à rouleaux cylindriques (se bild . 6). Cette solution a présenté un comportement satisfaisant en termes de durée de service des roulements (allongement du MTBF de 3 800 heures à 23 000 heures), de niveau de vibration et d’insensibilité aux pénuries de lubrifiant. Elle a permis d’améliorer la fiabilité et la disponibilité du processus de valorisation et de raffinage et de réduire les émissions de dioxyde de souffre (SO2) produites par le brûlage à la torche.

L’exemple de l’hydrogène sulfuré est un cas de rénovation de conception de pointe d’une installation de compresseur à partir de roulements sur mesure pour la machine et les pièces détachées. Dans de nombreux autres cas, des solutions de roulements SKF (roulements SKF Explorer, roulements Pumpac avec paire duplex 40° et 15°, roulements isolés électriquement INSOCOAT, cages en PEEK, etc.) pourront être utilisées sur des pompes, compresseurs et entraînement, sans oublier les roulements hybrides dotés de bagues en acier pour roulements conventionnels ou les versions NoWear de roulements standard équipés de rouleaux revêtus de ce matériau à faible frottement.

 

 

 

 

 

 

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