Les ingénieurs d’études de SKF améliorent les performances des roulements pour moteurs de forage.

Les roulementsdes moteurs de forage utilisés dans le secteur de l’exploration des hydrocarbures sont soumis à des conditions de fonctionnement extrêmes. Ils agissent dans les profondeurs de la terre, sous la pression exercAée par la boue dont les mouvements s’accélèrent de temps à autre, exposés à des particules abrasives et des contaminants chimiques agressifs. Ils doivent également supporter de fortes charges avec chocs lors de leur lubrification par la boue sous pression. Les temps d’arrêt provoqués par le remplacement des moteurs de forage entament la productivité et la rentabilité avec des coûts de main d’œuvre et d’équipement de l’ordre de 200 000 euros par jour.

Bien que l’inaccessibilité de la tête de forage en fonctionnement rende pratiquement impossible toute analyse précise des charges exercées sur les roulements, SKF est parvenu à franchir une étape importante dans la conception de ces derniers. Ses connaissances internes en analyse des défaillances de roulements, ingénierie des matériaux, conception des roulements et essais ont permis à SKF d’imaginer une solution de roulements complète qui offre des performances considérablement supérieures avec un allongement du temps moyen entre défaillances de 30 %.

Application

Certains fabricants de moteurs de forage et pompes Moineau pour l’exploitation pétrolière utilisent la force hydraulique de la boue de forage pour faire tourner le moteur comme alternative à l’entraînement du trépan par le train de tiges. La boue, maintenue à une pression d’environ 40 MPa (4 kg/mm²), est pompée à travers le train de tiges en fond de trou. Elle traverse le moteur, lubrifiant au passage le montage de roulements, puis le trépan, et repousse le train de tiges vers l’extérieur, entraînant avec elle vers la surface les déblais de forage. La boue et les déblais sont ensuite passés au crible et filtrés sur l’installation de forage avant d’être à nouveau injectés dans le trou pour un fonctionnement en circuit fermé.

Les moteurs de forage intègrent généralement 12 rangées de roulements, tous exposés aux conditions extrêmement difficiles du fond de trou. Les pannes sont fréquentes : le temps moyen entre défaillances (MTBF) ne dépasse pas 15-20 heures dans certains cas, et une durée de vie de 100 à 200 heures est considérée comme normale.

Analyse des défaillances

SKF a mis en œuvre tout un ensemble de compétences techniques pour déterminer la cause des défaillances des roulements de moteurs de forage. Cette méthodologie SKF a dépassé la simple analyse des roulements pour inclure une étude de l’ensemble de l’application et de l’environnement de fonctionnement. L’analyse initiale des modes de défaillance a révélé une usure importante entre les bagues et les billes, ainsi que des ruptures et un cisaillement des billes causés par de fortes charges par chocs. Les ingénieurs SKF ont également découvert que les charges n’étaient pas
réparties de façon homogène entre les rangées. Ces résultats ont servi de point de départ aux travaux visant à résoudre le problème de défaillance prématurée des roulements.

Études sur banc d’essai

La première étape du processus de développement a consisté à construire deux bancs d’essai pour simuler les conditions de fonctionnement d’un montage de roulements de moteur à boue. Ces bancs d’essai ont permis à SKF de recréer des modes de défaillance en répliquant les modèles d’usure et en provoquant des fissures au niveau des bagues conformément aux modes de défaillance typiques observés durant l’analyse initiale. Les charges prises en compte pour la construction des bancs d’essai ont été calculées à partir des dimensions du train de tiges, de la densité du sol à forer et des pressions de service connues. Certains facteurs, comme les pertes de cisaillement à l’intérieur du train de tiges, l’affûtage et l’angle du trépan, n’ont pu être calculés avec certitude. Toutefois, l’équipe SKF a pu établir pour ces facteurs des hypothèses relativement précises qui se sont révélées pertinentes sur le banc d’essai.

Des tests ont montré que l’usure entraîne un déplacement des charges. La première rangée, qui est exposée aux particules les plus grosses, s’use plus rapidement. Par voie de conséquence, le jeu entre billes et pistes augmente jusqu’à ce qu’il n’y ait plus aucun contact. La charge est alors transmise à la rangée suivante jusqu’à usure de celle-ci. Le phénomène se poursuit jusqu’à ce que toutes les rangées soient usées de manière similaire.

Les études sur bancs d’essai ont également démontré un phénomène connu : la transmission des forces par les faces latérales des roulements. En partant du principe que les dimensions des faces latérales ont des répercussions critiques sur la durée de service des roulements, SKF a alors cherché un moyen d’équilibrer les forces en jeu. À ce stade, il est également apparu nécessaire d’utiliser un outil de simulation des tolérances développé avec l’aide de Six Sigma afin d’analyser les tolérances relatives à chaque piste et améliorer leur conception. Grâce à cet outil, associé à ses connaissances en matière de conception de roulements, l’équipe était en mesure de revoir les dimensions des faces latérales et d’aboutir à un jeu de roulements aux tolérances optimales.

Les matériaux

SKF possède des connaissances approfondies en développement de matériaux, en particulier l’acier, qui lui confèrent une compétence inégalée. L’analyse initiale des causes de défaillance effectuée par les ingénieurs SKF a révélé que l’acier de base ainsi que les processus de post-production avaient un impact significatif sur la durée de service des roulements. Les ingénieurs se sont donc penchés sur des matériaux alternatifs et des compositions d’acier différentes, en se basant sur de nombreux facteurs comme la dureté, la résistance à l’usure, les impuretés, etc.. Ces recherches ont permis aux métallurgistes SKF de développer une nouvelle formule d’acier avec une structure de grain uniforme et particulière qui optimise les effets des procédés de traitement thermique.

Analyse par éléments finis

L’analyse initiale des causes de défaillance a abouti notamment à la conclusion suivante : étant donné que le montage de roulements d’un moteur à boue est soumis à des charges extrêmement élevées et des chocs importants, le lien entre taille de bille optimale et épaisseur de bague est très étroit. Des billes de taille supérieure étaient susceptibles d’augmenter la capacité de charge, mais avec pour conséquence une diminution de la résistance des bagues à la fissuration. L’objectif consistait alors à déterminer la section optimale avec une taille de bille suffisamment grande pour supporter des charges extrêmes et une épaisseur de bague conférant une bonne résistance à la fissuration. Les ingénieurs ont utilisé des programmes d’analyse par éléments finis associés aux logiciels propriétaires et aux connaissances en roulements de SKF pour déterminer ce juste équilibre.

L’osculation est un facteur clé concernant la durée de service des roulements. L’osculation des billes et des pistes, autrement dit le rapport entre le rayon des billes et celui des pistes, peut influer sur l’usure d’un roulement en environnement fortement pollué et sur son comportement en présence de différentes charges.

La détermination du degré d’osculation optimal peut constituer une tâche fastidieuse. Toutefois, les ingénieurs SKF, qui étudient ce phénomène depuis des années, sont parvenus à établir un facteur de base utilisé dans les formules de durée de vie des roulements. À partir de ce facteur, ils ont été en mesure d’extrapoler les données et de déterminer le degré d’osculation optimal.

Modifications

À partir des résultats de cette analyse approfondie, SKF a ensuite produit des roulements modifiés en nombre limité pour le banc d’essai. Il a ainsi été démontré que, grâce à leurs nouvelles caractéristiques, à savoir l’acier spécial pour une meilleure résistance à l’usure, des billes jointives pour une plus grande capacité de charge, des bagues appariées pour une répartition optimale des charges et une géométrie interne unique pour résister aux fortes charges axiales de forage et aux contaminants, ces roulements duraient plus longtemps que les anciens modèles.

Résultats

Suite aux résultats positifs obtenus sur les bancs d’essai de SKF, les roulements ont été testés sur le banc d’essai d’un client recréant une application soumise à une charge axiale de 310 kN. La meilleure performance enregistrée jusqu’ici par le client était un MTBF (temps moyen entre défaillances) de 63 heures. L’essai réalisé sur le nouveau roulement pour moteur à boue SKF a été interrompu au bout de 86 heures en vue d’une analyse du degré d’usure. Les roulements étaient encore en bon état de fonctionnement et ont pu être soumis à des cycles d’essai supplémentaires.

Selon les prévisions, la solution de roulements de moteur à boue de SKF, utilisée en fond de trou, devrait offrir une durée de vie largement supérieure, de près de 50 % dans certains cas, à la moyenne actuelle du secteur qui s’établit entre 100-200 heures de service. Cette fiabilité accrue se traduira par un allongement du MTBF (temps moyen entre défaillances), une productivité supérieure et une meilleure maîtrise des coûts. Compte tenu de l’explosion des activités de forage attendue à l’échelle mondiale au cours des prochaines années, cette amélioration des performances confère un avantage certain aux producteurs de pétrole désireux de se démarquer sur un marché toujours plus concurrentiel.

Le processus de conception SKF

Pour améliorer les performances et la fiabilité des roulements, les ingénieurs SKF ont utilisé des outils propriétaires de simulation et de conception pour :

• Définir le comportement des
  roulements avec précision ;
• Revoir la conception des roulements de manière à minimiser les contraintes et à optimiser la capacité de charge ;
• Tester de nouvelles conceptions et de nouveaux matériaux.

Le banc d’essai virtuel de SKF a permis aux ingénieurs d’identifier et de corriger les problèmes de bagues fissurées et de cisaillement des billes fréquemment rencontrés avec les roulements de cette application.

Caractéristiques du produit :

• Acier spécial pour tous les composants du roulement ;
• Roulement à billes jointives ;
• Bagues appariées haute précision ;
• Une conception unique pour résister à de fortes charges axiales de forage.

Avantages pour le client :

• Résistance à l’usure renforcée ;
• Capacité de charge accrue ;
• Répartition optimisée des charges ;
• Plus grande robustesse ;
• Fiabilité renforcée ;
• Conception adaptée.