Une étude menée conjointement par Safematic, qui appartient au groupe SKF, et l’université de technologie de Tampere a débouché sur une solution de lubrification adaptée aux difficiles conditions de l’industrie des pâtes et papiers.

La société Safematic,fondée en Finlande en 1972, a acquis sa réputation comme spécialiste de l’automatisation de la lubrification et de l’étanchéité mécanique pour l’industrie des pâtes et papiers. En août 2006, les activités de lubrification de Safematic ont été reprises par SKF et forment avec celles de la société VOGEL la plate-forme de lubrification du Groupe.

Ensemble, VOGEL et Safematic proposent une gamme complète de systèmes de lubrification automatique pour toutes les branches industrielles.

Importante production de papier dans les pays nordiques
Intégré à SKF Finlande, Safematic constitue un centre d’excellence de la lubrification automatisée pour l’industrie du papier, SKF Finlande proposant également des solutions de lubrification automatisées aux cimenteries et à l’industrie minière. L’usine Safematic, qui se trouve à Muurame, à 250 km au nord d’Helsinki, compte 120 employés et regroupe des activités de fabrication, d’ingénierie, ainsi qu’un important service clientèle international.

L’industrie des pâtes et papiers étant très présente dans les pays nordiques, Safematic a fait évoluer ses produits de lubrification au bénéfice de cette industrie. Par exemple, la société a mis en place plus de 500 graisseurs en acier inoxydable assurant une lubrification fiable de la partie humide des machines à papier dont certains fonctionnent depuis plus de 20 ans. La lubrification des machines à papier modernes, qui tournent à grande vitesse, pose toutefois un problème difficile.

Lubrification des machines à papier
La lubrification intervient désormais à tous les stades de la fabrication du papier : les machines à papier emploient de plus en plus des systèmes à circulation d’huile, y compris dans les sections sécherie et d’autres parties chaudes fortement chargées. Outre les roulements classiques des cylindres sécheurs lubrifiés à l’huile, nombre de machines utilisent désormais une lubrification à l’huile pour les rouleaux de feutre, les réducteurs de vitesse des sections sécherie, ainsi que pour les rouleaux des sections toile et presse. De plus, les machines tournent plus vite, à plus haute température, ce qui augmente les exigences en matière de lubrification.

Pourtant, la conception de base des systèmes de lubrification est restée la même. D’importants progrès ont été réalisés ces dernières années au niveau de la filtration de l’huile, mais des solutions techniques restent nécessaires pour régler certains problèmes, comme notamment :

• la présence d’eau et d’humidité due aux plus hautes températures de fonctionnement dans les sections sécherie et à la lubrification à l’huile des sections toile et presse ;
• les turbulences créées par le plus fort débit d’huile dans les roulements : les bulles qui se forment nuisent à l’efficacité et réduisent la durée de l’huile ;
• la hausse des coûts d’exploitation, accroissement des menaces environnementales et des risques potentiels liés aux liquides inflammables, les réservoirs devant être plus grands pour fournir de plus forts débits d’huile et les capacités de pompage nécessaires pour assurer une lubrification et un refroidissement efficaces.

C’est dans ce contexte que Safematic et l’université de technologie de Tampere, en Finlande, ont lancé un projet conjoint de simulation et d’étude des caractéristiques d’écoulement de l’huile dans les systèmes de lubrification. Les résultats ont apporté un éclairage nouveau sur la circulation de l’huile et la nouvelle génération d’équipement ; celui-ci fonctionne déjà dans plus d’une centaine d’usines internationales.

Objectifs de l’étude
L’objectif principal était de développer un système de lubrification apportant une solution aux problèmes liés aux systèmes de lubrification et assurant en particulier :

• une utilisation plus efficace de l’huile ;
• la suppression de l’eau dans l’huile ;
• la suppression de la mousse et de l’air dans l’huile ;
• une réduction de la consommation d’énergie et d’eau de refroidissement.

La première étape de l’étude a fourni une analyse exacte du fonctionnement des réservoirs d’huile classique qui a servi de base à la construction d’un modèle plus efficace sur la base des problèmes identifiés.

Efficacité relative des réservoirs d’huile classiques
Les dimensions des réservoirs d’huile (se bild . 2) sont déterminées en fonction d’un temps de rétention de 30 minutes, en supposant que l’huile s’écoule régulièrement de la prise de retour jusqu’à la zone de pompage, le débit étant contrôlé par les parois intermédiaires du réservoir.

Pour vérifier cette hypothèse, une simulation a été faite par ordinateur sur le flux des vecteurs de particules (fluides en 3D). De façon surprenante, il est apparu que seulement 30 à 50 % de l’huile circule de cette façon, le reste se déplaçant très doucement, voire restant statique à l’intérieur du réservoir (se bild . 2). L’illustration montre une prise de retour à l’extrémité gauche du réservoir ; le rouge et le blanc indiquent que l’huile se déplace relativement vite en dessous. Une partie de l’huile s’écoule à grande vitesse entre les parois, atteint l’aspiration du réservoir sur le côté droit et passe directement dans l’orifice d’aspiration. Le diagramme ne montre qu’une coupe du flux d’huile au centre du réservoir.

D’autres coupes sur les côtés du réservoir feraient apparaître davantage de zones bleues indiquant des débits plus lents. Ces résultats montrent clairement que la circulation de l’huile dans un réservoir classique est très peu efficace ; comme toute l’huile ne s’écoule pas, le temps de rétention n’est que de cinq à dix minutes et non de 30 minutes comme on le supposait.

Problème de la teneur en eau
Les problèmes de présence d’eau dans l’huile rencontrés sur les machines à papier sont dus à la formation de condensation dans les conduites de retour ou à des fuites sur les joints de vapeur des cylindres. Les fabricants de roulements recommandaient traditionnellement une teneur maximale en eau de 200 ppm (0,02 %). Dans la réalité, le pourcentage est souvent plusieurs fois supérieur, ou plus encore dans certains cas extrêmes. Les machines modernes à grande vitesse sont particulièrement exposées à ces problèmes de teneur en eau en raison des grandes variations de température dans les conduites de retour et du fait que l’huile remplace la graisse pour la lubrification des sections toile et presse.

L’eau, sous forme de gouttes microscopiques ou mélangée dans l’huile, réduit fortement l’efficacité de la lubrification en rompant le film d’huile qui sépare les éléments roulants des pistes des roulements. Plus les charges des roulements sont importantes, plus ce phénomène est préjudiciable.

L’eau réduit aussi la durée de l’huile en modifiant les propriétés chimiques des additifs (résistance à la corrosion et additifs EP notamment) et le problème est encore aggravé par les hautes températures.

Effets de la mousse et de l’air dans l’huile
La présence de mousse et d’air dans l’huile cause toujours des problèmes de lubrification. En effet, les bulles d’air microscopiques rompent le film d’huile qui sépare éléments roulants et pistes du roulement, ce qui raccourcit la durée du roulement. De plus, l’air accroît l’oxydation de l’huile, détériore ses propriétés chimiques et physiques, d’où une durée plus courte de l’huile. Par ailleurs, dans un système à circulation d’huile, les problèmes dus à l’air sont encore aggravés en cas d’utilisation d’un filtre de retour inadapté ou colmaté.

Consommation d’énergie
Dans les unités de pompage classiques, le réglage de la pression s’obtient par une soupape de pression séparée qui requiert une certaine abondance d’huile pour maintenir une pression constante dans le circuit. En général, 15 à 25 % de la capacité de pompage sert uniquement à maintenir la pression dans le circuit, ce qui représente une dépense inefficace d’énergie 24h/24. De plus, la dimension de tous les autres composants du système doit être adaptée à ce débit maximal d’huile. Par exemple, le refroidissement de ces 15 à 25 % de volume d’huile représente une énorme quantité d’eau par an et, donc, un important gaspillage de ressources.

Plus petit réservoir, meilleur débit d’huile
Sur la base de l’analyse de ces problèmes et de leur rapport avec la conception classique du réservoir, Safematic a mis au point un nouveau modèle, appelé réservoir Flowline. La caractéristique la plus frappante du Flowline est sans doute qu’il est circulaire et non plus rectangulaire. Il permet la circulation de plus de 90 % de l’huile dans le système de lubrification et améliore nettement la performance de rétention (se bild . 3 et 4).

Le volume total de l’huile peut ainsi être diminué de 30 à 50 %, d’où une nette réduction des dimensions du réservoir nécessaire et des frais d’huile. La durée de l’huile n’en est pas ou peu affectée ; elle peut même être plus longue que dans un circuit de lubrification classique.

Pour certaines applications, on peut utiliser un réservoir rectangulaire fonctionnant sur le même principe. Développé au départ par l’entreprise VOGEL, ce modèle de réservoir d’huile comprend une série de plaques ondulées (plaques séparatrices) ; il assure une élimination efficace de l’air et de l’eau et permet également de diminuer les dimensions du réservoir, notamment pour les gros volumes (capacités de pompage supérieures à 900 l/min).

Le réservoir Flowline installé sur la machine à papier n° 5 de l’usine UPM Kymmene Oyj Tervasaari, en Finlande, a prouvé son efficacité en conditions réelles. Le responsable mécatronique de la maintenance mécanique de l’usine, Heikki Kataja, explique : « Nous sommes passés en 1998 au système de lubrification Flowline avec le nouveau modèle de réservoir. L’espace en sous-sol est assez restreint et le remplacement d’un réservoir de 8 m³ par le réservoir Flowline de 3 m³ a été le bienvenu, surtout que les débits d’huile sont les mêmes. La mise en service s’est passée extrêmement bien et nous n’avons pas eu de réel problème depuis. »

Élimination efficace de l’air et de l’eau
Dans le nouveau réservoir Flowline, l’élimination de l’eau a également été améliorée, de deux façons (se bild . 3). Le réservoir est équipé de plaques horizontales intermédiaires qui ont un effet similaire aux parois intermédiaires du réservoir classique pour la régulation de l’huile de retour qui s’écoule du centre vers les côtés du réservoir. Les plaques étant proches les unes des autres, les éventuelles gouttelettes d’eau n’ont que quelques centimètres à parcourir pour rencontrer une plaque qui les oriente vers le tube de drainage situé au centre du réservoir.

Le système d’élimination de l’eau du Flowline est bien plus efficace que celui des réservoirs classiques : quelques minutes de rétention d’huile suffisent à séparer la plupart des gouttes d’eau non dissoutes. Cette efficacité permet d’éviter les problèmes liés à la présence d’eau.

L’élimination de l’eau est aussi une qualité du réservoir Flowline qui a impressionné Heikki Kataja. « Dans les conditions normales de fonctionnement, la teneur en eau est très faible – de l’ordre de 3,4 à 0,4 % selon la technologie Vaisala de mesure du degré de saturation de l’huile. S’il arrive, exceptionnellement, que de l’eau se mélange à l’huile, nous pouvons l’enlever rapidement et facilement.

Cela ne prend qu’un jour avec le réservoir Flowline quand il nous fallait une semaine avec l’ancien réservoir. D’ailleurs, le système de séparation de l’eau est si efficace que nous avons rarement eu recours au système d’enlèvement. »

Le réservoir Flowline a encore un autre avantage : en plus d’orienter les gouttelettes d’eau vers le bas, les plaques intermédiaires séparent aussi les bulles d’air et les guident vers le haut, créant un flux dans le réservoir comme indiqué sur la se bild ure 3.

Réduction de la consommation d’énergie et d’eau de refroidissement
Il est possible de réduire la consommation en énergie du système de lubrification en utilisant des composants à plus haut rapport de rendement (pompes à vis et échangeurs thermiques à plaques plutôt que pompes à engrenages et refroidisseur de calandre tubulaire). Les économies les plus importantes seront toutefois réalisées par une réduction des capacités superflues de pompage.

Si le réglage de la pression de l’huile se fait par ajustement de la vitesse de rotation de la pompe à l’aide d’un convertisseur de fréquences (entraînement CA à vitesse variable), le système de pompage fonctionnera avec une consommation d’énergie optimale à condition que l’apport d’huile corresponde exactement à la quantité nécessaire aux points de lubrification.

Le système Flowline accroît également la durée de l’huile. C’est un avantage mis en lumière par l’installation de Tervasaari. Heikki Kataja confirme que l’huile reste en bon état en raison de sa faible teneur en eau et reconnaît que, de ce fait, la machine fonctionne avec un intervalle de remplacement relativement long, de l’ordre de cinq à dix ans. De plus, la durée des roulements a également été augmentée, de même que la disponibilité de la machine à papier. Ces avantages économiques ont incité l’usine de Tervasaari à investir dans un autre réservoir Flowline pour la section des presses de la machine à papier n° 6.

Système de commande
En général, les systèmes à circulation d’huile sont contrôlés par une combinaison de surveillance manuelle et d’alarmes automatiques. Cependant, comme les dimensions augmentent, la surveillance visuelle avec contrôles manuels devient plus compliquée.

C’est pourquoi une série d’équipements de contrôle a été développée avec le système Flowline (se bild . 5). Comme il s’agit de systèmes indépendants, il est possible de les installer sur les machines existantes au moment de la réfection du système de lubrification. Particulièrement bien adaptés au réservoir Flowline, ils peuvent être directement connectés aux mécanismes de contrôle de la machine pour assurer toute une série de fonctions :

• contrôle et surveillance de la pression ;
• contrôle et surveillance de la température ;
• surveillance du filtre ;
• surveillance du niveau d’huile ;
• surveillance du débit d’huile aux différents points de lubrification ;
• surveillance de la température à différents points de la machine.

Le centre de contrôle Flowline a l’avantage de disposer d’une technologie d’affichage de pointe qui fournit aux ingénieurs de maintenance toutes les fonctions de surveillance et de suivi d’un système de contrôle de processus. Il permet donc de repérer rapidement les éventuels dysfonctionnements et de prendre les mesures préventives nécessaires.

Flowline propose aussi un dispositif de démarrage du système de lubrification entièrement automatique. Ce dispositif supprime la surveillance visuelle et les réglages manuels normalement nécessaires au démarrage à froid (notamment sur les plus grandes unités) et évite que l’huile froide à haute viscosité ne déborde sur les paliers.

Des vannes de commandes automatiques situées dans le système Flowline pilotent toute la procédure de démarrage, étape par étape.