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, les systèmes sont dotés de fonctions de protection et/ou de surveillance afin d'éviter les défaillances. Dans cet article, nous mettons l'accent sur quelques défaillances courantes liées à la vitesse qui peuvent survenir dans les machines tournantes.
Protection de la vitesse
1. Survitesse
La construction des machines tournantes est conçue pour supporter une certaine vitesse de rotation, appelée vitesse de construction. En cas de survitesse, l'arbre de la machine tourne plus vite que ce que la construction de la machine est capable de supporter. Les forces augmentent de manière exponentielle avec la vitesse de rotation, ce qui peut entraîner le détachement de pièces. Cela peut avoir un impact catastrophique sur le processus, 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. Les mesures de vitesse permettent de déterminer la vitesse de rotation (RPM). Un système de protection contre la survitesse veille à ce que la vitesse de rotation reste dans certaines limites, afin d'éviter d'endommager la machine. Si les valeurs limites prédéfinies sont dépassées, la machine est immédiatement arrêtée (figure 1). Ces déclenchements de la machine doivent se produire dans un délai très court. Selon les directives actuelles relatives aux machines (API 670), les systèmes de protection contre les survitesses doivent avoir un temps de réponse ne dépassant pas 40 ms.
La survitesse est la plus grande crainte de tout opérateur de machines tournantes. Le fait de ne pas réagir à temps ou le dysfonctionnement d'un système de protection contre la survitesse peut entraîner le détachement des pales de la turbine ou des pièces du rotor. Dans le pire des cas, ces pièces traversent le carter de la turbine, compromettant la sécurité du personnel et causant des dommages importants à l'équipement alimenté par la turbine.
2. Accélération
Une accélération trop rapide d'une machine tournante peut entraîner une survitesse de cette dernière malgré le système de protection contre la survitesse en place, ce qui crée une situation dangereuse. En fonction de la vitesse d'accélération, l'arrêt du conducteur d'une machine n'entraînera pas immédiatement une diminution de la vitesse de rotation. Sous l'effet de forces importantes, la vitesse peut même augmenter peu de temps après l'arrêt du conducteur. Lorsqu'un système de protection contre la survitesse se déclenche lorsque la valeur limite de 110 % de la vitesse de rotation maximale tolérée est atteinte, un certain degré d'accélération peut encore faire en sorte que la vitesse accumulée dépasse les 110 % autorisés (figure 2). De cette manière, la machine atteint encore une vitesse de rotation critique, ce qui entraîne des dommages.
Lors du démarrage d'une machine tournante, en fonction de l'énergie disponible, il convient de la protéger contre l'accélération. Contrairement à la protection contre la survitesse, la protection contre l'accélération n'examine pas seulement le régime, mais l'augmentation du régime dans un intervalle de temps prédéterminé. Lorsque les capteurs de vitesse détectent une augmentation excessive de l'accélération, le système de protection déclenche la turbine.
Lorsque la machine n'est pas protégée contre l'accélération, elle passe quand même en survitesse. Un système de protection contre la survitesse n'est pas capable d'arrêter la machine à temps en cas d'accélération excessive.
Contrôle de la vitesse
3. Rotation inverse
Il peut arriver que la pression du processus fasse tourner un compresseur dans le mauvais sens alors que la turbine qui entraîne ce compresseur ne fonctionne pas. C'est ce que l'on appelle la rotation inverse. Cette pression peut se produire parce que la vanne d'aspiration ne se ferme pas correctement, ce qui provoque une fuite. Lorsque la turbine est mise en marche alors que le compresseur est dans cet état, elle est endommagée. La pression générée par la rotation inverse et la pression de la turbine s'opposent l'une à l'autre, ce qui peut par exemple endommager l'accouplement. Il s'agit souvent d'un préjudice financier, mais il n'y a pas de danger direct pour le personnel et l'environnement.
4. Arrêt / reptation
Il est important qu'une turbine soit réellement à l'arrêt avant le début des travaux de révision ou de maintenance. En effet, l'énorme masse d'une turbine peut entraîner des situations dangereuses si les travaux de maintenance sont entamés alors que la turbine tourne encore lentement. Pour contrôler cela, les mesures de vitesse doivent être effectuées sur une période plus longue que les mesures de vitesse normales, car la turbine tourne à une vitesse très faible pendant son processus d'arrêt.
5. Sous-vitesse
Le sous-vitessement est l'inverse du survitessement, mais il s'agit d'une défaillance moins critique. Pour qu'un processus puisse continuer à fonctionner, une installation doit maintenir une vitesse de rotation minimale. Le processus ne peut plus être conduit avec un régime inférieur. Bien que la sous-vitesse soit très indésirable en raison de l'interruption du processus de production, elle n'a pas le même impact catastrophique que la survitesse. Les valeurs limites peuvent être définies de manière à ce qu'une alarme soit déclenchée lorsque le régime minimum nécessaire pour maintenir le processus en marche est atteint. Cela permet à l'opérateur d'éviter les sous-vitesses. Les mesures de sous-vitesse peuvent également être utilisées pour indiquer, par exemple, qu'un moteur de marche par à-coups peut être mis en marche.
Quincaillerie Istec
Le SpeedSys 200 est un système de protection contre les survitesses certifié SIL2. La conception robuste, l'autosurveillance avancée, la séparation galvanique des entrées et des sorties et la certification par conception en font un produit haut de gamme qui se distingue sur le marché. L'accent mis sur les fonctions de sécurité essentielles permet d'obtenir un système facile à utiliser et à entretenir, avec des intervalles d'essai très longs.
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Pour tester et vérifier les systèmes de protection contre la survitesse, Istec a mis au point le générateur de fréquence IST-101. Cet outil simule les signaux de vitesse, ce qui permet de tester pleinement la fonction de déclenchement d'un système de protection sans créer de situation réelle de survitesse.
