Les machines tournantes telles que les turbines, les pompes et les compresseurs sont continuellement soumises à des forces mécaniques importantes. Comme la plupart de ces machines sont essentielles au processus, des systèmes dotés de fonctions de protection et/ou de surveillance sont mis en place pour prévenir les défaillances. Dans cet article, nous mettons en évidence quelques défaillances courantes liées à la vitesse pouvant survenir sur les machines tournantes.
Protection contre la vitesse
1. Survitesse
La conception des machines tournantes est prévue pour résister à une certaine vitesse de rotation, appelée « vitesse de conception ». En cas de survitesse, l’arbre de la machine tourne plus vite que ce que sa conception permet de supporter. Les forces augmentent de manière exponentielle avec la vitesse de rotation, ce qui peut entraîner le détachement de pièces. Cela pourrait avoir des conséquences catastrophiques tant sur le processus que sur le personnel et l’environnement. Les analyses de risques montrent donc que, dans la plupart des cas, il est obligatoire de disposer d’un système de protection contre la survitesse. La vitesse de rotation (tr/min) peut être mesurée à l’aide de capteurs de vitesse. Un système de protection contre la survitesse garantit que la vitesse de rotation reste dans certaines limites, afin d’éviter tout dommage à la machine. Si les valeurs limites prédéfinies sont dépassées, la machine est immédiatement arrêtée (Figure 1). Ces arrêts de la machine doivent se produire dans un délai très court. Conformément aux directives actuelles relatives aux machines (API 670), les systèmes de protection contre la survitesse doivent avoir un temps de réponse ne dépassant pas 40 ms.
La survitesse est la plus grande crainte de tout opérateur de machines tournantes. Une réaction tardive ou un dysfonctionnement du système de protection contre la survitesse pourrait entraîner le détachement des aubes de turbine ou de pièces du rotor. Dans le pire des cas, ces pièces traverseraient le carter de la turbine, compromettant la sécurité du personnel et causant des dommages importants à l’équipement entraîné par la turbine.
2. Accélération
Une accélération trop rapide d’une machine tournante peut entraîner un dépassement de vitesse, malgré la présence d’un système de protection contre la survitesse, ce qui crée une situation dangereuse. En fonction de la vitesse d’accélération, l’arrêt de l’entraîneur de la machine n’entraînera pas immédiatement une diminution de la vitesse de rotation. En raison de forces importantes, la vitesse peut même augmenter peu de temps après l’arrêt de l’entraîneur. Lorsqu’un système de protection contre la survitesse se déclenche à l’atteinte de la valeur limite de 110 % de la vitesse de rotation maximale tolérable, un certain degré d’accélération peut encore entraîner un dépassement de cette limite de 110 % (figure 2). La machine atteint ainsi une vitesse de rotation critique, ce qui entraîne des dommages.
Lors de la mise en marche d’une machine tournante, en fonction de l’énergie disponible, celle-ci doit être protégée contre l’accélération. Contrairement à la protection contre la survitesse, la protection contre l’accélération ne tient pas seulement compte du régime, mais aussi de l’augmentation du régime au cours d’un intervalle de temps prédéterminé. Lorsque les capteurs de vitesse détectent une augmentation excessive de l’accélération, le système de protection déclenche l’arrêt de la turbine.
Lorsque la machine n’est pas protégée contre l’accélération, elle entre tout de même en survitesse. Un système de protection contre la survitesse n’est pas capable d’arrêter la machine à temps en cas d’augmentation excessive de l’accélération.
Surveillance de la vitesse
3. Rotation inverse
Il peut arriver que la pression du processus entraîne un compresseur à tourner dans le mauvais sens alors que la turbine qui l’entraîne ne fonctionne pas. C’est ce qu’on appelle la rotation inverse. Cette pression peut survenir parce que la vanne d’aspiration ne se ferme pas correctement, provoquant une fuite. Lorsque la turbine est mise en marche alors que le compresseur se trouve dans cet état, cela entraîne des dommages. La pression qui s’accumule à la suite de la rotation inverse et la pression provenant de la turbine s’annulent mutuellement, ce qui peut, par exemple, endommager l’accouplement. Cela entraîne souvent des pertes financières, mais ne présente pas de danger direct pour le personnel et l’environnement.
4. Arrêt/déplacement lent
Il est important qu’une turbine soit effectivement à l’arrêt avant que les travaux de révision ou de maintenance ne soient entrepris. En effet, la masse considérable d’une turbine peut entraîner des situations dangereuses si les travaux de maintenance sont lancés alors que la turbine tourne encore lentement. Pour surveiller cela, les mesures de vitesse doivent être effectuées sur une période plus longue que les mesures de vitesse habituelles, car la turbine tourne à une vitesse très faible pendant son processus d’arrêt.
5. Vitesse insuffisante
La sous-vitesse est le contraire de la survitesse, mais constitue une défaillance moins critique. Pour maintenir un processus en fonctionnement, une installation doit conserver un régime minimal. Le processus ne peut plus fonctionner avec un régime inférieur. Bien que la sous-vitesse soit hautement indésirable en raison d’une perturbation du processus de production, elle n’a pas le même impact catastrophique que la survitesse. Des valeurs limites peuvent être définies de manière à ce qu’une alarme se déclenche lorsque le régime minimal nécessaire au maintien du processus est atteint. Cela permet à l’opérateur d’empêcher la survenue d’une sous-vitesse. Les mesures de sous-vitesse peuvent également servir à indiquer, par exemple, qu’un moteur de marche par à-coups peut être mis en marche.
Matériel Istec
Le SpeedSys 200 est un système de protection contre la survitesse certifié SIL 2. Sa conception robuste, dotée d’une autosurveillance avancée, d’entrées et de sorties à isolation galvanique et d’une certification par conception, en fait un produit haut de gamme qui se démarque sur le marché. L’accent mis sur les fonctions de sécurité essentielles en fait un système facile à utiliser et à entretenir, avec des intervalles de tests de validation très longs.
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Pour tester et vérifier les systèmes de protection contre la survitesse, Istec a développé le générateur de fréquences IST-101. Cet outil simule des signaux de vitesse, ce qui permet de tester intégralement la fonction de déclenchement d’un système de protection sans créer de situation réelle de survitesse.
