L’optimisation du choix des roulements allonge leur durée et améliore la performance des compresseurs de l’industrie du gaz.

Depuis unedizaine d’années, les compresseurs à vis sont de plus en plus utilisés dans les applications de l’industrie du gaz naturel. En raison des basses pressions de gaz de nombreux gisements anciens, les compresseurs alternatifs s’avèrent trop chers à l’installation et à l’utilisation. On préfère donc les compresseurs à vis pour le gaz non corrosif (sans hydrogène sulfuré) ou sulfureux (avec hydrogène sulfuré). Installés à la tête du puits, ils servent à tirer le gaz naturel du sol et à renforcer la pression pour l’envoyer dans les pipelines.

Avec cette utilisation élargie des compresseurs à vis, les roulements, composants essentiels du compresseur, requièrent une plus grande attention. Dans la mesure où les problèmes de roulements diminuent la fiabilité des compresseurs, ils jouent un rôle essentiel dans les performances du système. Dans le pire des cas, ils peuvent entraîner des pannes graves qui interrompent la production du gaz. Les puits et les stations d’épuration de gaz étant souvent situés dans des zones reculées, les réparations sont compliquées et coûteuses. Même si des compresseurs de rechange ont été prévus, leur mise en route peut poser des problèmes s’ils n’ont pas été correctement entretenus.

S’ils sont soucieux de fiabilité, les professionnels de l’industrie du gaz chercheront donc à éviter les problèmes de roulements. Il est d’abord important de se familiariser avec leur fonctionnement et de savoir déterminer les montages, types et matériaux de roulements adaptés aux compresseurs.

 

Dans les compresseursà double vis, deux rotors engrènants tournent en sens opposé à l’intérieur du carter du compresseur. À l’aspiration, le gaz est envoyé dans une cavité entre la paroi du carter et les deux rotors. Au fur et à mesure du mouvement des rotors, la taille de la cavité diminue, le gaz est comprimé, puis refoulé. Ces compresseurs sont généralement entraînés par un moteur à gaz, directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur.

Dans les compresseurs à vis, les roulements servent à assurer un bon positionnement radial et axial des rotors et à supporter la charge. Ils sont utilisés à l’aspiration et au refoulement ; leur nombre et leur conse bild uration varient en fonction des exigences de charge et de l’application.

En général, il y a deux roulements à rouleaux cylindriques côté aspiration, un pour chaque rotor, et deux autres côté refoulement. Sur certains compresseurs, des paliers lisses sont utilisés pour le maintien radial. Le côté refoulement est équipé d’au moins deux butées, généralement des roulements à billes à contact oblique à une rangée ou des roulements à billes à quatre points de contact (roulements QJ). Ces roulements supportent uniquement les charges axiales.

 

Au fur et à mesurede la compression du gaz, la température monte. On injecte de l’huile dans la cavité de compression pour lubrifier les vis, colmater les voies de fuite et refroidir le gaz. La même huile, refoulée avec le gaz comprimé, puis séparée, sert ensuite à lubrifier et à évacuer la chaleur des roulements.

Il faut savoir qu’il est dangereux d’injecter trop d’huile dans les compresseurs à vis. En effet, ce gaz en tant que gaz naturel contient un mélange de différents gaz, il est généralement saturé de vapeur d’eau, parfois d’acides et d’hydrogène sulfuré. L’injection d’une trop grande quantité d’huile peut entraîner un refroidissement excessif et provoquer une condensation de l’eau et des acides. En se mélangeant avec l’huile, les condensats nuisent à la lubrification des roulements, d’où un risque de corrosion et de défaillance.

L’huile utilisée doit avoir une viscosité adaptée et ne doit pas contenir d’additifs entraînant une émulsion aqueuse. Les huiles pour carters de moteurs ne conviennent pas. Des échantillons seront prélevés régulièrement et analysés pour contrôler le niveau de dégradation, la viscosité et la teneur en eau de l’huile.

Le gaz naturel contient également des particules solides qui peuvent endommager les roulements et autres composants. Il est donc important de prévoir des filtres à huile efficaces.

 

Le gaz naturel sulfureux, qui contient de l’hydrogène sulfuré (H₂S), pose un problème complexe. L’acier trempé et certains matériaux présentant des tensions résiduelles se fissurent sous l’action de l’hydrogène sulfuré. C’est un phénomène de craquelure cassante qui se produit à de faibles niveaux de contrainte. L’hydrogène sulfuré peut également se mélanger à l’eau pour former de l’acide sulfurique (H₂SO₄) corrosif.

Pour éviter ces risques de fissuration, le matériau des cages de roulements ne doit pas comporter de tensions. Il convient donc de bien spécifier le matériau des cages lors de la sélection des roulements.

Il est possible d’utiliser des cages en polyamide (polymère renforcé en fibre de verre et moulé par injection). Ces cages ont donné de bons résultats avec le gaz sulfureux jusqu’à 70°C. Les températures plus élevées entraînent un vieillissement prématuré du polyamide. Une autre solution est maintenant disponible : les cages en PEEK, matériau polymère qui résiste bien à la température et au vieillissement. Le PEEK présente également un faible taux de frottement et d’usure, ce qui le rend particulièrement intéressant pour l’utilisation de cages de roulements dans les applications à lubrification limitée.

En général, l’industrie du gaz naturel évite le laiton et les autres métaux « jaunes » pour les compresseurs et les pipelines en raison des risques de corrosion fissurante provoquée par l’hydrogène sulfuré. Le laiton sans tensions résiduelles n’est cependant pas exposé à ce type de fissuration. Les cages usinées en laiton obtenues à partir de tubes centrifugés ne présentent pas de tensions résiduelles. Un grand nombre de roulements à billes à contact oblique à une rangée, à billes à quatre points de contact et à rouleaux cylindriques sont disponibles avec ce type de cage. Même si leur emploi est contraire à la pratique industrielle, différents fabricants utilisent des cages en laiton sur les roulements des compresseurs à vis pour le gaz naturel sulfureux depuis le milieu des années 1980.

 

Les cages emboutiesen laiton à partir de feuilles de laiton ne conviennent pas aux compresseurs de gaz sulfureux, l’emboutissage laissant des tensions résiduelles dans le matériau.

Les utilisateurs de compresseurs préfèrent souvent les cages massives en acier. Si l’acier massif n’est pas exposé à la fissuration sous contrainte, il présente un risque important de grippage du métal entre les alvéoles de la cage et les éléments roulants, en particulier si la lubrification est limitée. L’existence de cages en PEEK et des cages massives en laiton sans tensions rend désormais inutile l’utilisation de cages massives en acier.

 

Pour être fiables,les éléments roulants des roulements doivent être en acier trempé, mais celui-ci risque toutefois d’être corrodé par l’hydrogène sulfuré.

SKF a étudié l’utilisation de revêtements spéciaux pour protéger l’acier des roulements des applications de gaz sulfureux. Les spécialistes SKF du Centre de recherche et d’ingénierie des Pays-Bas ont identifié les propriétés essentielles de ce type de revêtement. La dureté du revêtement doit lui permettre d’adhérer fermement à l’acier du roulement et empêcher l’écaillage sous charge. Enfin, il ne doit pas être poreux pour éviter toute diffusion de l’hydrogène sulfuré par le revêtement.

Une autre solution, encore plus prometteuse, consiste à utiliser de nouveaux aciers inoxydables très résistants à haute teneur en azote, capables de résister aux fissures dues à l’hydrogène sulfuré. SKF effectue actuellement des essais sur ces aciers et les résultats obtenus sur les compresseurs à vis de gaz sulfureux sont très encourageants. Ces roulements comprennent des billes et des rouleaux en matériau céramique. Des solutions alternatives comprennent les roulements à billes et à rouleaux SKF à revêtement NoWear.

Le revêtement SKF NoWear permet un frottement extrêmement réduit, évite le grippage, mais n’est pas assez dense pour empêcher la diffusion de l’hydrogène sulfuré. Les roulements NoWear sont la solution pour les applications peu lubrifiées ou sous faible charge.

Les roulements SKF Explorer bénéficient d’une qualité d’acier supérieure et d’un traitement thermique. Les roulements Explorer à billes à contact oblique à une rangée à appariement universel, les roulements à billes à quatre points de contact et les roulements à rouleaux cylindriques durent plus longtemps que les roulements conventionnels dans ces conditions exigeantes.

Après avoir sélectionné et monté les roulements, il faut encore les surveiller. Il existe pour cela des appareils de contrôle portables (surveillance périodique) ou des dispositifs de contrôle permanent (surveillance en ligne). Ils fournissent des indications de tendance et permettent de détecter précocement les dommages aux roulements et de prévoir l’entretien et les réparations nécessaires au moment des arrêts planifiés.