docprojet de fin d`etudes - Bienvenue sur Catalogue des mémoires de
download 
Plainte Transcription
projet de fin d`etudes - Bienvenue sur Catalogue des mémoires de
PROJET DE FIN D’ETUDES ETUDE D E L A C ORRELATION E NTRE L ES M ESURES V IBRATOIRES E T L’ETAT R EEL D ES G ROUPES D E P RODUCTION H YDRO-‐ELECTRIQUES Organisme d’accueil du PFE : EDF au sein de la section GMH Pôle-‐Méthode de l’UP Méditerranée Tuteurs : -‐ Eric HIDEUX (EDF) -‐ Thierry ENGEL (INSA Strasbourg) Auteur : Emmanuel BÉNÉVISE candidat à la session de septembre 2011 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 1 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 2 Remerciements : Je remercie en premier lieu mon tuteur Eric HIDEUX pour sa patience et sa rigueur tout au long du projet, mais aussi Patrick LESAGE, Franck BACONNET et Stéphane LUBAT qui m’ont permis de l’effectuer. J’associe à ces remerciements toutes les équipes des EIM pour m’avoir fait profiter de leurs connaissances techniques et particulièrement celle de Ste-‐Tulle qui m’a supporté pendant 6 mois. Je tiens également à remercier toute l’équipe de l’état major du GMH Méditerranée pour son soutien et tout l’intérêt qu’elle m’a porté pendant le projet. Pour finir, je remercie tous les employés d’EDF que j’ai pu rencontrer lors de mes visites sur le terrain qui ont toujours été motivés pour répondre à mes questions. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 3 I. A. B. C. D. Présentation de l’entreprise ............................................................................. 5 Groupe EDF ................................................................................................................................................. 5 DPIH (Division Production Ingénierie Hydraulique) ................................................................ 6 UP Méditerranée (Unité de Production) ......................................................................................... 7 GMH Méditerranée et CIH ..................................................................................................................... 9 II. Besoin du stage et son déroulement ............................................................... 10 A. Description du besoin ........................................................................................................................... 10 B. Déroulement du projet ......................................................................................................................... 11 III. Fonctionnement d’une centrale hydraulique .................................................. 12 IV. Composition d’un groupe de production hydro-‐électrique .............................. 13 V. A. B. C. D. E. Analyse vibratoire .......................................................................................... 15 Le fondamental et ses harmoniques .............................................................................................. 15 Spectre de fréquence ............................................................................................................................. 15 Cascade ........................................................................................................................................................ 16 Orbite de déplacement ......................................................................................................................... 16 SICLAV ......................................................................................................................................................... 16 VI. Livrable du projet ........................................................................................... 17 A. Méthodologie ............................................................................................................................................ 17 1. Découverte de l’environnement ........................................................................................................ 17 2. Recherche de données d’entrée ......................................................................................................... 17 3. Création du livrable ............................................................................................................................... 18 A. Fichier Excel .............................................................................................................................................. 18 B. Etude technologique ............................................................................................................................. 20 1. Pivoterie ...................................................................................................................................................... 21 2. Les paliers et leurs supports ............................................................................................................... 29 C. Fiches anomalies ..................................................................................................................................... 37 1. Balourd massique ................................................................................................................................... 37 2. Défaut de lignage d’arbre .................................................................................................................... 40 3. Balourd magnétique .............................................................................................................................. 43 4. Anomalie géométrique de ligne d’arbre ........................................................................................ 45 5. Instabilité palier ...................................................................................................................................... 51 VII. Bilan ............................................................................................................... 56 VIII. Annexes ................................................................................................... 57 A. Normes ISO ................................................................................................................................................ 57 1. Norme ISO 10816-‐5 (Mesures sur partie non tournante) ..................................................... 57 2. Norme ISO 7919-‐5 (Mesures sur partie tournante) ................................................................. 58 IX. Bibliographie .................................................................................................. 60 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 4 I. PRESENTATION DE L’ENTREPRISE A. GROUPE EDF Le groupe EDF est un leader de l’énergie, intégrant tous les métiers de l’électricité – de la production jusqu’au négoce et aux réseaux – et de plus en plus actif sur la chaîne du gaz naturel. Réalisant 50 % de son chiffre d’affaires hors de France, il participe au développement du secteur électrique dans le monde, moteur essentiel de la croissance économique et du développement humain, en recourant aux technologies les moins carbonées possibles. Voici un diagramme allégé des divisions du groupe : EDF DPN (Division Produc1on Nucléaire) DPT (Division Produc1on Thermique) DTG (Direc1on Technique Générale) CIH (Centre d'Ingénierie Hydraulique) UP Méditérannée (Unité de Produc1on) UP Alpes UP Est UP Centre UP Sud Ouest GMH (Groupe de Maintenance Hydraulique) UP Méditérannée Etat major DMP (Disposi1fs et Moyens Par1culiers) DPIH (Division Produc1on Ingénierie Hydraulique) GMH Etat major 4 EIM (Équipe d'Interven1on mécanique) ECM (Équipe de Controle et de Mesures) GEH Durance Etat major GEH Durance (Groupe d'Exploita1on Hydraulique) GEH Var Roya GU Ste Tulle (Groupement d'Usine) 7 autres GU Le stage s’est déroulé au sein du Groupement de Maintenance Hydraulique de l’Unité de Production méditerranée de la DPIH d’EDF, plus précisément dans les locaux de l’Equipe d’Intervention Mécanique (EIM) de Sainte-‐Tulle (voir le diagramme ci-‐dessus). La présentation qui suit se concentre seulement sur la division hydraulique de EDF. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 5 B. DPIH (DIVISION PRODUCTION INGENIERIE HYDRAULIQUE) EDF produit en moyenne 8 à 10 % de son électricité en France à partir de l’énergie hydraulique. Associée au nucléaire, celle-‐ci permet au groupe de produire en France 95 % de son électricité sans émission de CO2 et de contribuer de manière essentielle à la sécurité d’approvisionnement du pays et plus largement, de la zone européenne. Le coût de production de l’hydraulique en fait l’énergie renouvelable la plus compétitive. Première énergie renouvelable au monde, elle permet de produire l’électricité en période de consommation « normale » comme en période de forte consommation. Avec une réserve de 7 milliards de m3 d’eau et 20 GW de puissance installée, les retenues et les usines hydroélectriques peuvent ajuster en permanence la production aux variations de la demande de courant (par suite de grand froid, heures de pointe, incidents sur le réseau ou sur une autre centrale) et venir ainsi en appoint des parcs nucléaire et thermique à flamme. Les 100 principales centrales hydroélectriques sont pilotées par 4 centres de conduite hydraulique situés à Lyon, Toulouse, Sainte-‐Tulle et Kembs. Ainsi, grâce à sa réactivité, l’hydraulique permet d’apporter une réponse à faible coût aux brusques fluctuations de la demande en électricité. En 2008, EDF a produit environ 44,8 TWh d’électricité hydraulique, soit 9,4 % de sa production. En région PACA, la production hydraulique de l’Unité de Production Méditerranée est de 7 TWh en 2009, soit 50% de la production de la région. L’électricité ne se stockant pas et faisant l’objet de demandes variables, en fonction des saisons notamment, la variété des moyens de production utilisés par EDF permet d’ajuster en permanence l’offre à la demande. Celle-‐ci exploite au mieux le potentiel des ressources disponibles en eau et la souplesse de celle-‐ci : -‐ -‐ L’hydraulique au « fil de l’eau » est utilisée, aux côtés du nucléaire, pour répondre à la consommation quotidienne « normale ». Elle correspond aux centrales sans réservoirs qui utilisent une partie du débit du cours d’eau sur lequel elles sont installées pour produire de l’électricité en continu. L’hydraulique « modulable » est particulièrement adaptée pour répondre aux pics de consommation d’électricité, en hiver comme en été. Elle correspond aux barrages qui, au travers de leurs retenues d’eau, constituent de véritables réserves de production d’électricité, capables de démarrer très rapidement. Serre-‐Ponçon, avec 1,2 milliard de m3 d’eau, et Sainte-‐Croix du Verdon, avec 760 millions de m3, sont les deux plus grandes retenues françaises. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 6 C. UP MEDITERRANEE (UNITE DE PRODUCTION) Figure 1 : Implantation de EDF en région PACA Le territoire de l’Unité de Production Méditerranée couvre l’ensemble de la région Provence-‐Alpes-‐Côte d’Azur. Son siège est situé à Marseille. Ses 440 agents exploitent l’ensemble des centrales hydroélectriques d’EDF sur la région, totalisant une puissance de 2 500 mégawatts. Ces centrales produisent chaque année en moyenne 10% de la production hydroélectrique nationale. Cette énergie est particulièrement importante pour la région qui constitue une péninsule électrique. En effet, la consommation électrique de la région est deux fois plus importante que la production. Dans l’Unité, deux groupes d’exploitation (GEH) se partagent le territoire. Le Groupe d’Exploitation Hydraulique Durance exploite les aménagements situés sur la Durance et le Verdon et leurs affluents. Avec un total de 32 centrales hydroélectriques, il représente 85% de la production de l’Unité de Production Méditerranée et affiche un potentiel de production de 7 milliards de kWh à partir d’une énergie renouvelable, propre et compétitive. Il forme l’un des cinq principaux gisements français, soit : -‐ -‐ -‐ 10% de la production hydroélectrique française 40 à 60% de l’électricité produite en région PACA 15 à 20% des besoins de la consommation annuelle en région PACA. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 7 C’est à partir du barrage de Serre-‐Ponçon que commence le canal EDF de la Durance. Véritable artère énergétique, ce canal traverse 4 départements et s’étire sur plus de 250 km, jusqu’à l’étang de Berre. Tout au long de ce canal, 15 centrales hydroélectriques turbinent successivement l’eau. Le Groupe d’Exploitation Hydraulique Var Roya exploite les aménagements situés sur la moitié Est de la région PACA. Il regroupe 18 centrales installées sur les fleuves côtiers et les rivières de l’Est varois et des Alpes-‐ Maritimes : l’Argens, la Siagne, le Var, la Roya et leurs affluents. Avec une puissance installée de 307 mégawatts et une production d’environ 1 milliard de kWh représentant 15% de la production hydroélectrique d’EDF en PACA, ce potentiel joue un rôle stratégique dans l’alimentation électrique du département des Alpes-‐ Maritimes, dépourvu de tout autre moyen de production d’importance. Un Centre de Conduite Hydraulique (CCH), basé à Sainte-‐Tulle dans les Alpes-‐de-‐Haute-‐ Provence, pilote à distance et surveille, grâce aux moyens informatiques et de télécommunications sécurisés, les principales installations de l’Unité ainsi que celle du Chassezac, sur l’Ardèche. Véritable centre névralgique pour la production hydraulique du Sud Est, ce pilotage central garantit un fonctionnement synchronisé des centrales, permettant d’obtenir une puissance cumulée supérieure à 2000 mégawatts, l’équivalent de deux réacteurs nucléaires, en moins de 10 minutes. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 8 D. GMH MEDITERRANEE ET CIH Le département maintenance hydraulique joue un rôle majeur quand à la pérennité des installations et à la sécurité des ouvrages. La maintenance des installations hydrauliques est faite à deux niveaux : • • La maintenance courante, réalisée par le personnel d’exploitation du groupement d’usine (GU). Elle correspond aux tâches courantes telles que les contrôles de performances, de fuite, d’usure... La maintenance spécialisée, qui intervient à des périodes bien précise ou sur la demande de l’exploitation. La maintenance de niveaux 3 et 4 est réalisée par le GMH et est répartie suivant 2 types d’équipes : o Les ECM (Equipe Contrôle Maintenance) qui effectuent les contrôles de l’électrotechnique, de l’électrique, de l’automatisme et de l’instrumentation des groupes. Elles mettent également à jour et rénovent le parc. o Les EIM (Equipe d’Intervention Mécanique) qui contrôlent et réalisent les travaux de rénovation mécanique et hydraulique de l’ensemble des installations. Chaque équipe maintient en particulier un secteur mais peut prêter main forte aux autres équipes des secteurs voisins. La maintenance de niveau 5 qui correspond à l’optimisation des performances est réalisée par le Centre d’Ingénierie Hydraulique (CIH). De manière générale une affaire de maintenance se traite par une demande de travaux qu’émet l’exploitant ou suite à un constat du GMH qui nécessite une intervention, et suivant plusieurs planifications bien définies des ressources. À l’heure actuelle, la DTG effectue des mesures vibratoires sur les groupes de production hydro-‐électriques et s’occupe également de l’interprétation de ces mesures. Les rapports qui en sont issus sont communiqués au GMH Etat major qui définie la priorité des demandes de travaux ainsi que la stratégie à mettre en œuvre. Enfin ce dernier organisme communique avec l’EIM qui comprend les chargés d’affaires et les mécaniciens. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 9 II. BESOIN DU STAGE ET SON DEROULEMENT A. DESCRIPTION DU BESOIN Pour améliorer les processus de maintenance, il est indispensable de diminuer le temps de transfert de l’information entre la détection des défauts mécaniques et l’intervention des équipes de maintenance mais aussi de diminuer le temps d'expertise des mesures vibratoires. Pour ce faire, le GMH Méditerranée a élaboré un sujet de stage dont voici les objectifs : -‐ -‐ -‐ Amélioration de la précision des diagnostics Amélioration du retour d’expérience de la DTG (Direction Technique Générale) Amélioration des compétences en analyse vibratoire des EIM (Equipes d’Intervention Mécanique) Le but du projet est donc d’obtenir un livrable qui permettrait de préciser les instructions de maintenance : l’analyse vibratoire ne devra plus s’arrêter à la constatation de phénomène, elle devra également indiquer le type de détérioration et quel organe est concerné. Cela diminuera considérablement le temps de préparation des affaires et les retards dus à la découverte de dégradation sur le terrain. Ce livrable doit également permettre une meilleure compréhension des phénomènes vibratoires par les équipes de maintenance. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 10 B. DEROULEMENT DU PROJET Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 11 III. FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE HYDRAULIQUE Le principe est simple et repose sur le phénomène de gravité : il s’agit de transformer l’énergie potentielle de l’eau retenue dans des réservoirs en énergie mécanique au moyen d’une turbine, puis de convertir cette énergie mécanique en électricité grâce à un alternateur. Le barrage permet d’accumuler de l’eau en quantité en formant un lac (1). Lorsque les vannes sont ouvertes, l’eau s’engage dans une conduite ou un chenal (2) qui la canalise vers la centrale. L’eau entraîne la rotation de la turbine (3) qui entraîne à son tour l’alternateur (4) produisant ainsi Figure 2 : Schéma d'une centrale de production hydro-‐ du courant électrique. Celui-ci est ensuite électrique adapté au réseau par un transformateur (5) avant d’être transporté par les lignes à haute tension. À la sortie de l’usine, l’eau rejoint la rivière par le canal de fuite (6). Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 12 IV. COMPOSITION ELECTRIQUE D’UN GROUPE DE PRODUCTION HYDRO-‐ Les solutions techniques sont différentes selon les groupes de production hydro-‐électriques. Néanmoins, le principe reste le même, et ils possèdent des éléments identiques. Figure 3 : Schéma d'un groupe de production hydro-‐ électrique La partie commune des groupes de production hydro-‐électriques est la partie mobile. En effet, celle-‐ci est dans tout les cas composée d’une turbine, d’un ensemble d’arbre (arbre alternateur, arbre turbine, voir plus), de paliers, d’une glace, d’un alternateur et d’une excitatrice. Chacune de ces pièces a un rôle bien spécifique : -‐ -‐ -‐ -‐ L’excitatrice alimente le rotor pour créer un champ magnétique. Les arbres transmettent les efforts mécaniques de la turbine. La turbine fait tourner le mobile grâce à la poussée hydraulique. Ce mouvement engendre une variation du champ magnétique qui crée un courant dans le stator. La pivoterie associée aux paliers permet de réaliser la liaison pivot nécessaire au fonctionnement du groupe. • Différences par axe de rotation : Les groupes de production hydro-‐électriques peuvent avoir un axe de rotation vertical ou horizontal. Les solutions techniques se ressemblent mais restent différentes car le poids du groupe n’est pas supporté par les mêmes éléments. Groupe vertical Groupe horizontal -‐ Paliers guides : ne supportant pas -‐ Paliers porteurs : supportant tout le poids du groupe, ceux-‐ci peuvent le poids du groupe, ils sont être à patins nécessairement lisses. Ils -‐ Pivoterie : glace, patins et système possèdent également une rotule d’alimentation d’huile. qui permet de s’adapter à la flèche du mobile. -‐ Butée et contre butée : ne supportant pas la même charge qu’une pivoterie, elles sont généralement réalisées avec un simple épaulement. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 13 Voir Etude technologique pour plus de détails sur les différentes technologies de paliers et pivots. • Différences par hauteur de chute : Selon la nature du barrage (barrage-voûte, poids, contrefort, en enrochement ou en terre, mobile...): haute, moyenne ou basse chute, on utilise respectivement trois types principaux de turbine: Pelton, Francis ou Kaplan (voir tableau ci-dessous). Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 14 V. ANALYSE VIBRATOIRE Une grande partie du projet a été consacrée à l’étude des techniques de mesures, d’analyses et d’interprétations. Cela a permis de rencontrer de nouveaux outils tels que les cascades, les orbites ou encore SICLAV. Il est nécessaire de connaître leurs fonctions, c’est pourquoi chacun d’entre eux est décrit dans les paragraphes suivants. A. LA FREQUENCE FONDAMENTALE ET SES HARMONIQUES Un signal vibratoire représentatif d’un défaut est composé de la fréquence fondamentale (ou le fondamental) et de ses harmoniques. Dans le domaine fréquentiel, le fondamental est la 1ère composante de ce signal et n’est autre que la fréquence du défaut. Les harmoniques sont des multiples de cette fréquence et permettent avec le fondamental de diagnostiquer le défaut. Figure 4 : Signal vibratoire dans le domaine fréquentiel Sur le graphe ci-‐dessus, on distingue F0 la fréquence de rotation (c’est aussi le fondamental du défaut) et ses harmoniques : 2F0 (harmonique de rang 2), 3F0 (harmonique de rang 3) et 4F0 (harmonique de rang 4). Remarque : Il existe des fréquences avant le fondamental, elles sont appelées les fréquences sous-‐synchrones (ou sub-‐synchrones). B. SPECTRE DE FREQUENCE C’est un graphique qui permet l’interprétation de signaux vibratoires dans le domaine fréquentiel (voir figure 4 ci-‐dessus) à travers l’affichage de l’ensemble des phénomènes vibratoires périodiques (balourd, délignage, phénomènes hydrauliques, etc.) selon leur fréquence d’apparition. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 15 C. CASCADE Le spectre de fréquence est utilisé pour détecter les phénomènes stationnaires. Lorsque l’on effectue des mesures dans le but d’établir un spectre de fréquence, la machine fonctionne à un régime fixe pendant un certain temps. Cependant certains phénomènes vibratoires n’apparaissent qu’au démarrage ou à l’arrêt donc lorsque le régime de fonctionnement de la machine varie (phénomènes transitoires). Pour remédier à ce manque, les techniciens de mesures utilisent un outil appelé cascade qui n’est autre qu’une suite de spectres de fréquence enregistrés dans le temps. Cela revient à ajouter au graphe une troisième dimension représentée en couleur. En voici un exemple : Un axe des ordonnées en temps (seconde) L’amplitude du signal est représentée en fausses couleurs Un axe des abscisses en Hertz Légende de la couleur Figure 5 : Exemple de cascade D. ORBITE DE DEPLACEMENT Une orbite est la représentation de la trajectoire de l’axe de rotation du mobile par rapport à sa position d’équilibre lorsque le groupe est arrêté. Elle est réalisée grâce à des sondes de proximité placées sur les parties fixes (paliers, chaise palière). E. SICLAV Cet outil est un empilement d’orbite de déplacement qui permet de visualiser les axes de rotation des arbres constituant le mobile. Voir exemple sur la figure n°28 à la page 39 dans Exemple sur une orbite de déplacement Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 16 VI. LIVRABLE DU PROJET A. METHODOLOGIE 1. DECOUVERTE DE L’ENVIRONNEMENT La première étape était définir les éléments nécessaires à l’étude. Pour cela, plusieurs rencontres ont été organisées avec les services impliqués dans le projet tels que la DTG et les EIM. La première rencontre avec la DTG a permis d’apprendre le déroulement des mesures vibratoires et leurs analyses. Elle a également permis d’obtenir les comptes rendus vibratoires de 2001 à 2010. Les premières temps passés avec les membres des EIM ont été consacrés à l’étude du fonctionnement des groupes de production hydro-‐électriques et leur entretien : visite de chantier, suivi de réunion sur les retours des différents essais. 2. RECHERCHE DE DONNEES D’ENTREE Une des étapes les plus importantes est la recherche d’éléments d’entrée (les éléments nécessaires avant de faire une analyse) comme les caractéristiques des machines. En effet, les analyses vibratoires de la DTG sont toujours accompagnées par les paramètres importants du groupe de production hydro-‐électrique tels que : -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ le nombre de patins de la pivoterie le nombre de directrices le nombre de pales, aubes ou augets de la roue (vocabulaire selon le type de roue) le nombre de pôles rotor le nombre d’encoches stator … Certains éléments n’étant pas renseignés ou erronés, il était nécessaire d’effectuer des recherches de caractéristiques machines qui ont été répertoriées dans le fichier Excel (ces éléments ne seront pas montrés à la demande de l’entreprise). Une autre donnée importante est l’historique de la machine, sans quoi il est impossible de comprendre comment les dysfonctionnements apparaissent sur les groupes de production hydro-‐électriques. C’est à partir de témoignages et de comptes rendus de maintenance parfois absents qu’il a fallu établir cette liste d’opérations effectuées sur une centaine de groupe de production hydro-‐électrique. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 17 Remarque : Pendant les premières semaines du projet, il a été nécessaire de s’approprier le système d’information surtout lorsqu’il s’agit de celui d’une grande entreprise telle que EDF. En effet, le SI accumule les applications de données depuis quelques années, ce qui a pour défaut de noyer l’information. De plus, leurs mises à jour n’étaient pas automatiques, il était donc possible de trouver des informations erronées. 3. CREATION DU LIVRABLE Avant de pouvoir interpréter les mesures vibratoires, il fut essentiel de fixer un vocabulaire de phénomènes vibratoires. Pour cela, un entretien avec des membres de la DTG a été fixé. A la fin de cette réunion, une liste de 17 phénomènes a été établie : -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Balourd massique Délignage Anomalie géométrique de ligne d’arbre Instabilité labyrinthe Instabilité palier Anomalie palier Anomalie pivoterie/butée Instabilité axiale Balourd magnétique Autres défauts électromagnétiques Instabilité de la charge hydraulique Cavitation Tourbillons de Von Karman Phénomène de torche Résonance de structure Déconjugaison Fissuration d’arbre horizontal Cette liste a permis de commencer l’interprétation des mesures vibratoires et de rédiger des fiches sur les anomalies. Ces livrables sont décrits dans les paragraphes ci-‐dessous. A. FICHIER EXCEL Lorsque l’on étudie l’état d’un groupe, il est nécessaire de savoir sa composition, son type, sa puissance. Le 1er onglet a été crée dans ce but : permettre un accès rapide aux caractéristiques des groupes de production hydro-‐électriques. Aucun extrait ne sera montré à la demande de l’entreprise. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 18 Dans un second temps, il s’est avéré nécessaire de faire une étude de l’historique des opérations effectuées sur les machines pour pouvoir faire une corrélation entre les mesures et l’état réel de celles-‐ci. Le résultat de cette recherche préliminaire a été répertorié sous un onglet qui regroupe quelques opérations de maintenance importantes précédées par une expertise vibratoire de la DTG. Figure 6 : Onglet n°2, historique Le dernier onglet constitue le résultat de la corrélation entre les phénomènes vibratoires détectés par la DTG et les détériorations que subit réellement le groupe de production hydro-‐électrique. Figure 7 : Onglet n°2, Interprétation des mesures vibratoires Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 19 Remarque : Limitation technologique : l’utilisation d’un tableau pour organiser des quantités importantes d’informations devient très vite inconfortable. L’amélioration de l’interface est nécessaire mais impossible du point de vue technologique. En effet, EDF utilise depuis peu des modems en guise d’unité centrale, les lignes internet sont alors très vite submergées par le flux de données. Lorsqu’il a été question de mettre en fonds un plan de groupe et des liens dynamiques, le modem n’a pas supporté : un clic de souris était suivi d’une action après 30 secondes d’attentes. B. ETUDE TECHNOLOGIQUE La complexité et les variantes de certains éléments comme la pivoterie et les paliers ont nécessité plus de précisions selon les solutions techniques employées. Pour répondre à cette problématique, 2 fichiers supplémentaires ont été crées dans lesquelles on retrouve les différentes technologies de pivoterie, de paliers guide, de paliers porteurs et les défaillances mécaniques associées aux phénomènes vibratoires (voir ci-‐dessous). Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 20 1. PIVOTERIE A) PIVOT A COLONNETTES AVEC OU SANS ROTULE Ces deux pivots sont similaires hormis la rotule. Celle-‐ci permet de corriger un délignage dans une certaine limite (l’inclinaison du mobile est bornée par certaines pièces fixes comme le manteau, les paliers guides, les labyrinthes. Figure 8 : Pivot à colonnettes avec rotule Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre -‐ -‐ Délignage Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Déformation/Fissuration de la couronne (support des patins) Mauvaise orientation de la rotule Défaut d’usinage de la rotule Corrosion de friction entre patins/couronne Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 21 B) PIVOT MICHELL Sur une pivoterie MICHELL, les patins sont supportés par une semelle rigide qui repose elle-‐ même sur une couronne flexible. La répartition de la charge est donc réalisée par la flexion des plaques fixées sur la couronne. Figure 9 : Coupe du pivot MICHELL Figure 10 : Pivot MICHELL Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre Délignage -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Couronne déformée Flexions différentes sur les pièces souples Mauvaise mise en position de la semelle par rapport à la couronne Défaut de planéité de l’assise Corrosion de friction entre patins/semelles Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 22 C) PIVOT AUTO-‐COMPENSATEUR A MEMBRANES Sur une pivoterie avec un système auto-‐compensateur à membranes, l'équirépartition se fait grâce à un circuit d'huile fermé qui permet la régulation automatique de pression des membranes. Figure 11 : Pivot Auto-‐compensateur à membranes Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre -‐ -‐ Délignage -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Déformation des membranes due à une température extérieure élevée ayant provoquée une dilatation cubique de l’huile Défauts d’usinage des membranes Défaut de planéité de l’assise (à prendre en compte si les patins reposent sur les butées sphériques) Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 23 D) PIVOT A PATINS INDEPENDANTS A EMPREINTES Sur un pivot à patins indépendants à empreintes, les défauts de planéité sont amplifiés par rapport aux autres systèmes car les patins reposent directement sur une couronne. De plus, la déformation qu'elle subit à cause de l'appui sphérique est permanente et donc ce montage ne permet pas de régulation de la hauteur des patins. Figure 12 : Pivot à patins indépendants à empreintes Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre -‐ -‐ -‐ Délignage -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Déformation non uniforme des empreintes Matage des clinquants (feuillard d’inox) parfois utilisés pour corriger un délignage Défaut de planéité de l’assise Corrosion de friction entre patins/appui sphérique et appui sphérique/couronne Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 24 E) PIVOT A LAMES RESSORT Sur ce pivot, les patins reposent sur des lames ressort qui fléchissent selon la charge du patin. Figure 13 : Pivot à lames ressort Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre -‐ -‐ Délignage -‐ -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Déformation permanente / Fissuration des lames ressort Défauts de cales d’appui Matage des clinquants (feuillard d’inox) parfois utilisés pour corriger un délignage Défaut de planéité de l’assise Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 25 F) PIVOT A BARRES DE SOUTIEN PRECONTRAINTES Le pivot comporte des patins oscillants qui reposent sur des assiettes. Ces assiettes reposent sur des vis vérin. Le tourteau est rendu solidaire à l'arbre par des barres de précontraintes. Figure 14 : Pivot à barres de soutien précontraintes Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre Délignage -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/barres précontraintes Déformation / Fissuration des barres précontraintes Corrosion de friction entre arbre/barres, barres/tourteau, tourteau/glace Matage des vis vérin Défaut de planéité de l’assise Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/barres, barres/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 26 G) PIVOT A PATINS INDEPENDANTS ETAMIC Ce pivot est composé de patins indépendants articulés sur rotule, et réglables en hauteur par des cales biaises pour assurer l’équirépartition. Le pivot est équipé du procédé de contrôle pneumatique ETAMIC, qui permet de mesurer au micron près, la flèche d’une pièce sollicitée en flexion par les efforts appliqués aux patins. A chaque patin est associé un alésage cylindrique dans un anneau en fonte, qui permet la mise en position du patin et le guidage du système de réglage. Figure 15 : Pivot à patins indépendants étamic Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre Délignage Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Déformation / Fissuration des assiettes Réglage ETAMIC erroné Défaut de planéité de l’assise Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 27 H) PIVOT A TUBES DE COMPRESSION Sur un pivot à tubes de compression, les patins reposent sur des suspensions réglables manuellement. Remarque: Seuls les groupes de Jouques sont équipés avec ce système sur la région PACA. Il n'y a pas eu de problèmes jusqu'à maintenant (18 juillet 2011) à part un échauffement de l'huile qui était d'origine. (30 ans de fonctionnement avec la même huile) Figure 16 : Pivot à tubes de compression Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Défaut de ligne d’arbre -‐ Délignage -‐ -‐ -‐ Anomalie glace, pivoterie mobile -‐ -‐ Défaut d’usinage des surfaces d’appui glace/tourteau (ou manchon selon montage) et tourteau/clavette Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Fluage des tubes Défaut de planéité de l’assise Glace déformée/desserrée avec le tourteau (ou manchon selon montage) Défaut de perpendicularité glace/arbre Corrosion de friction entre arbre/clavette, clavette/tourteau, tourteau/glace Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 28 2. LES PALIERS ET LEURS SUPPORTS A) PALIERS HORIZONTAUX (OU PALIERS PORTEURS) Figure 17 : Palier porteur avec butée et contre-‐butée Figure 18 : Palier porteur Phénomènes vibratoires Anomalie palier Délignage Causes possibles -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Prise de jeu de la chaise palière dans le génie civil Desserrage / Fissuration de la chaise palière Corrosion de friction sur les rotules et entre chaise palière/palier Défauts de cales entre chaise palière/palier Usure prématurée du régule due à une mauvaise lubrification au démarrage Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 29 B) PALIERS VERTICAUX (OU PALIERS GUIDES) (1) PALIER GUIDE A PATINS Figure 19 : Palier guide à patins Phénomènes vibratoires Causes possibles Anomalie palier (frottement, choc) -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Mauvais réglage des vis d’appui Matage des vis d’appui Mauvais réglage entre chaise palière/croisillon Mauvais réglage entre croisillon/génie civil Matage/corrosion de la soie sur arbre (si rapportée) Matage/desserrage/mauvais réglage des vis d’appui Arrachement de régule Instabilité palier -‐ -‐ Régule dégradé Grippage des vis d’appui Délignage Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 30 (2) PALIERS GUIDES A ALIMENTATION FORCEE Figure 20 : Palier guide à alimentation forçée Phénomènes vibratoires Délignage Anomalie palier (frottement, choc) Instabilité palier Causes possibles -‐ -‐ Mauvais réglage entre chaise palière/croisillon Mauvais réglage entre croisillon/génie civil -‐ -‐ Matage/corrosion de la soie sur arbre (si rapportée) Arrachement de régule -‐ Circuit d’alimentation défectueux (pompe, tuyau, vannes) Rainure bouchée par un fluage de régule -‐ Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 31 (3) PALIERS GUIDES AUTOALIMENTES PAR BARBOTAGE Figure 21 : Palier guide autoalimenté par barbotage Phénomènes vibratoires Délignage Anomalie palier (frottement, choc) Instabilité palier Causes possibles -‐ -‐ Mauvais réglage entre chaise palière/croisillon Mauvais réglage entre croisillon/génie civil -‐ -‐ Matage/corrosion de la soie sur arbre (si rapportée) Arrachement de régule -‐ -‐ Gorge collectrice obstruée Rainure bouchée par un fluage de régule Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 32 (4) PALIERS GUIDES AUTOALIMENTES PAR TUBE DE PRISE Figure 22 : Palier guide autoalimenté tube de prise Phénomènes vibratoires Délignage Anomalie palier (frottement, choc) Instabilité palier Causes possibles -‐ -‐ Mauvais réglage entre chaise palière/croisillon Mauvais réglage entre croisillon/génie civil -‐ -‐ Matage/corrosion de la soie sur arbre (si rapportée) Arrachement de régule -‐ -‐ Tuyau de PITOT obstrué Rainure bouchée par un fluage de régule Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 33 C) ASSEMBLAGE DU PALIER JUSQU’AU BATI (1) ASSEMBLAGE PALIER Figure 23 : Palier turbine du G1 de Chaudanne Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Anomalie palier (frottement, choc) -‐ -‐ Usure/Suppression de la mise en position du coussinet (ovalisation de la chaise palière, usure des goupilles/goujons ajustés, modification de la conception) Mauvais serrage des fixations (goujons fatigués, perte de serrage par vibrations) Corrosion de friction entre les éléments du palier (coussinet en plusieurs parties) Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 34 (2) ASSEMBLAGE PALIER/SUPPORT Le support comprend généralement : -‐ -‐ pour les paliers à proximité de l’alternateur, une chaise palière et un croisillon ou juste la chaise pour les paliers à proximité de la turbine, les supports sont des cônes fixés sur la pivoterie et le fond supérieur ou le génie civil. Nota : faire attention au type de montage : -‐ -‐ rigide : croisillon fixé au génie civil, cône fixé au génie civil souple : croisillon fixé au stator, cône fixé à la pivoterie et le fond supérieur Figure 24 : Palier Alternateur Supérieur (PAS) du G1 de St-‐Estève Phénomènes vibratoires Anomalie palier (frottement, choc) Causes possibles -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Matage/corrosion de la soie sur arbre (si rapportée) Arrachement de régule Ovalisation des alésages de goupilles et matage des goupilles Goujons mal serrés/usés/détruits Corrosion de friction entre palier/chaise palière Matage des cales isolantes (si palier proche alternateur) Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 35 (3) ASSEMBLAGE SUPPORT/BATI Figure 25 : PAS du groupe de Chaudanne Phénomènes vibratoires Causes possibles -‐ Délignage Anomalie palier (frottement, choc) -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Mauvais réglage: défaut de concentricité ou de pente du croisillon Déformation des croisillons (défaut de pente) Mauvais réglage entre croisillon/génie civil Rupture des fixations de la chaise palière Ovalisation des alésages de goupilles Matage des goupilles Goujons mal serrés/usés/détruits Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 36 C. FICHES ANOMALIES Pour l’interprétation des mesures, il a été nécessaire de fixer un vocabulaire pour la description des phénomènes vibratoires. Voir le vocabulaire listé dans le paragraphe Création du livrable. 1. BALOURD MASSIQUE Le balourd massique est une excentration ou un surplus de matière (déplacement de pôles, mauvais usinage de l’arbre, etc) qui provoque un déplacement radial de la partie tournante synchronisé avec la vitesse de rotation. A) DETECTION Un balourd massique est ainsi prépondérant sur les accéléromètres radiaux et apparaître à la fréquence de rotation sur les spectres de fréquence. Il est visible sur toutes les marches1 de la machine qu’elle soit excitée ou non et constant quelle que soit la charge. (Le mobile tourne à vitesse constante) Un balourd se distingue des autres défauts par un déphasage de 90° entre deux capteurs radiaux orthogonaux car il est synchronisé avec la rotation du mobile. On peut également confirmer la présence d’un balourd par le biais des orbites qui seront plutôt circulaires et de grandes envergures. Voir les exemples ci-‐dessous: 1 Marche : ce mot est beaucoup utilisé dans le langage de la DTG pour décrire le statut dans lequel fonctionne la machine : MAVSE, MAVAE, … MAVSE = Marche A Vide Sans Excitation MAVAE = Marche A Vide Avec Excitation MQUART = Marche à ¼ charge MDEMI = Marche à Demi-‐charge MPMAX = Marche à Puissance Maximum MPMAX = Marche à Puissance Maximum Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 37 B) EXEMPLE SUR UN SPECTRE DE FREQUENCE Figure 26 : Spectre de fréquence du PAS du G2 de Oraison en 2009 Ci-‐dessous, les courbes correspondent à l’amplitude de la raie à la fréquence du balourd observé précédemment en fonction des différents essais et de la position des capteurs. L’amplitude de la raie F0 étant peu évolutive selon les marches (0,1 mm/s entre MAVSE et MAVAE sur le PAS2) le balourd est de type massique. 01 PTUPIV-AX 03 PTUPIV-RH-AV 05 PAS-RH-RD ORAISON G2 F0 02 PTUPIV-RH-RD 04 PAS-AX 06 PAS-RH-AV 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 01MAVSE 0 2MAVAE 03MDEMI 04MPMAX 05DEMI+Q 06DEMI -Q 07MSYNC 08MSYNC - 09M3/4Pn +Q Q Figure 27 : Evolution de l'amplitude de la raie à F0 sur le G2 de Oraison en 2009 2 PAS = Palier Alternateur Supérieur Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 38 C) EXEMPLE SUR UNE ORBITE DE DEPLACEMENT Ces courbes décrivent le déplacement d’un arbre au sein du palier turbine. Elles répondent principalement sur du balourd. Figure 28 : Orbite de déplacement du palier turbine du G2 de Chaudanne en mars 2010 Remarque : il est possible qu’un balourd magnétique compense un balourd massique quand le rotor est excité. Il convient alors de repérer ce dernier lorsque l’excitation est coupé. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 39 2. DEFAUT DE LIGNAGE D’ARBRE Le défaut de lignage d’arbre (ou délignage) concerne toutes les anomalies dues au mauvais positionnement des pièces fixes (paliers, croisillon, chaise palière, voir le plan d’un groupe vertical en annexe) qui ont pour conséquence une mauvaise position de l’axe de rotation du mobile. A) DETECTION Un délignage se caractérise par une harmonique de rang 2 du même ordre de grandeur que le fondamental qui n’est autre que la fréquence de rotation mais aussi par une multitude d’harmonique. De plus, il est visible sur toutes les marches et peut évoluer avec la charge. Les orbites sont des outils très utiles pour repérer un délignage. En effet ils permettent de mettre en évidence des points de rebroussement ou des contraintes directionnelles (ex : point zéro ou point fixe de frottement dans le palier) qui sont des symptômes de défaut de lignage. Voir les exemples ci-‐dessous : Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 40 B) EXEMPLE SUR UN SPECTRE DE FREQUENCE Figure 29 : Spectre de fréquence du PAS radial aval en MPMAX du G2 de Oraison en 2009 C) EXEMPLE SUR UNE ORBITE DE DEPLACEMENT Point de rebroussement en MPMAX en Rh AV sur le PAS qui confirme un délignage. Figure 30 : Orbite de déplacement du PAS en MPMAX du G2 de Oraison en 2009 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 41 Autre symptôme de délignage : Contrainte directionnelle (l’orbite est écrasée). Figure 31 : Orbite de déplacement du PAS et PTU en MQUART du G3 de Serre-‐Ponçon en 2009 Remarque : une orbite écrasée traduit la contrainte que produit le mauvais positionnement d’un palier sur l’arbre d’un mobile. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 42 3. BALOURD MAGNETIQUE Le balourd magnétique est la conséquence d’un défaut dans le circuit électrique influant sur le champ magnétique qui maintient le rotor centré par rapport au stator. Cela se caractérise par le défaut d’un pôle rotor (ou électroaimant) qui perturbe le champ de force électromagnétique. Cette perturbation est synchronisée avec la vitesse de rotation du mobile. A) DETECTION Un balourd magnétique va donc être prépondérant sur les accéléromètres radiaux proche de l’alternateur et apparaître à la fréquence de rotation sur les spectres de fréquence. Il est visible seulement lorsque le mobile est excité, c’est à dire lors des marches suivantes : MAVAE, MQUART, MDEMI, MPMAX (Il n’est plus visible lors des MAVSE). De plus, le balourd magnétique diminue avec la charge car celle-‐ci à tendance à amortir les vibrations. Un balourd se distingue des autres défauts par un déphasage de 90° entre deux capteurs radiaux orthogonaux car il est synchronisé avec la rotation du mobile. Voir les exemples ci-‐dessous: Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 43 B) EXEMPLE SUR UN SPECTRE DE FREQUENCE Marche À Vide Avec Excitation Ces fréquences sont typiques d’un balourd magnétique si elles diminuent de façon notable lorsque le rotor n’est plus excité. Figure 32 : Spectre de fréquence du PAS du G4 de Serre-‐Ponçon en 2006 Ci-‐dessous, les courbes correspondent à l’amplitude de la raie à la fréquence du balourd observé précédemment en fonction des différents essais et de la position des capteurs. Deux points caractéristiques sur les vibrations du PAS peuvent permettent d’affirmer que le balourd est magnétique, voir la figure 3 ci-‐dessous : Augmentation du niveau lors de l’excitation du rotor Diminution du niveau avec l’augmentation de la charge Figure 33 : Evolution de l'amplitude de la raie à F0 sur le G4 de Serre-‐Ponçon en 2006 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 44 4. ANOMALIE GEOMETRIQUE DE LIGNE D’ARBRE L’anomalie géométrique de ligne d’arbre comprend tous les défauts qui ont une conséquence sur l’axe du mobile comme une cassure d’arbre, une excentration ou une flexion de l’arbre. Mécaniquement, ces défauts sont généralement dus à un mauvais montage, un mauvais usinage, une défaillance dans les fixations d’accouplement ou encore une fatigue de l’arbre qui subit une déformation permanente du fait de sa position statique. A) DETECTION Une anomalie géométrique de ligne d’arbre se traduit par l’apparition d’un balourd radial et axial (F0 dans les trois directions) sur les spectres de fréquences. Il est également possible d’observer une anomalie pivoterie/butée (fréquence patins pivoterie modulée par F0) à cause des vibrations axiales qui détériorent les patins et la glace. Du fait que l’origine de cette anomalie soit purement mécanique, elle est visible sur toutes les marches. Remarque : L’utilisation SICLAV ou SISCLAV permet de confirmer ou non la présence d’une anomalie géométrique de ligne d’arbre et même de la mesurer. B) EXEMPLE SUR UN SPECTRE DE FREQUENCE Pour illustrer une anomalie géométrique de ligne d’arbre, voici le cas du G2 de Bancairon : il avait été repéré une cassure d’arbre sur le mobile en 2007. Or, suite au lignage réalisé la même année, il s’est avéré que l’arbre s’est déformé au point de soupçonner une fissure (absence de confirmation écrite). Sur les spectres de fréquence ci-‐dessous, les vibrations axiales à la fréquence de rotation (ici de 12,50 Hz) ont presque doublé sur certains paliers (passage de 1,25 à 2,4 mm/s sur le palier alternateur, voir ci-‐dessous). Ce sont les précurseurs d’une anomalie géométrique de ligne d’arbre. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 45 Figure 34 : Spectre de fréquence du PA en axial du G2 de Bancairon en 2006 Figure 35 : Spectre de fréquence du PA en axial du G2 de Bancairon en 2007 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 46 Un autre précurseur d’anomalie géométrique de ligne d’arbre est la détection d’une anomalie pivoterie modulée par la rotation. Sur le groupe n°1 (G1) de Chaudanne en 2009, une légère cassure d’arbre avait été détectée grâce en partie à des vibrations axiales de 0,59 mm/s à la fréquence des patins 8F0 (ce qui correspond au nombre de patins). Modulation par la rotation du mobile Signal filtré à la fréquence des patins (8F0) modulé par la rotation du mobile (F0) Figure 36 : Signal de l’accéléromètre PAS axial du G1 de Chaudanne filtré à la fréquence des patins (8F0) La modulation par la rotation se traduit par le déplacement de la contrainte sur les patins avec la rotation du mobile. Le défaut dépendait donc bien de celui-‐ci. Au final les deux points qui ont permis de détecter une anomalie géométrique de ligne d’arbre sont: -‐ -‐ les vibrations axiales ressenties sur la pivoterie la contrainte dynamique sur les patins synchronisée avec la rotation du mobile Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 47 C) EXEMPLE SUR UNE ORBITE DE DEPLACEMENT Un autre outil pour détecter une anomalie géométrique de ligne d’arbre est l’ensemble des orbites de déplacement. En effet, le fait d’avoir le déplacement de plusieurs centres de rotation sur toute la longueur du mobile permet d’observer des cônes de rotation et donc des déformations ou cassures d’arbre. Dans le cas ci-‐dessous (G1 de Chaudanne en 2009), une anomalie sur la ligne d’arbre été détecté : le palier intermédiaire était sous contrainte tandis que les deux autres paliers situés en extrémité d’arbre (palier alternateur et palier turbine) avaient des jeux importants avec le mobile. Figure 37 : Orbite de déplacement du PAS en MPMAX du G1 de Chaudanne en 2009 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 48 Figure 38 : Orbite de déplacement du PA inférieur en MPMAX du G1 de Chaudanne en 2009 Figure 39 : Orbite de déplacement du palier turbine en MPMAX du G1 de Chaudanne en 2009 Remarque : SICLAV permet d’étudier le défaut en 3D, ce qui revient à «empiler» les orbites ci-‐dessus sur un même schéma et à modéliser l’axe de rotation du mobile. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 49 Pour remplacer SICLAV, voici un dessin du cas étudié précédemment, réalisé avec le logiciel AutoCad. Ceci est un schéma qui permet de visualiser comment l’axe de rotation du mobile se comporte. Ce n’est pas un outil d’analyse propre à la DTG. Si on reprend l’exemple ci-‐dessus avec les 3 orbites, on obtient : Palier alternateur supérieur Palier intermédiaire Palier turbine Figure 40 : Imitation de la représentation de SICLAV On observe bien la contrainte au niveau du palier intermédiaire et les jeux plus importants sur les extrémités de l’arbre et donc les deux cônes de rotation. La conclusion est alors évidente : le mobile a une anomalie géométrique de ligne d’arbre. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 50 5. INSTABILITE PALIER Une instabilité palier est un phénomène vibratoire qui provient d’une insuffisance de charge. Un manque de charge sur l’arbre permet à celui-‐ci d’effectuer des mouvements non souhaités dans un palier guide ou porteur. Lorsque ceci se produit, on observe des tourbillonnements d’huile et même des contacts entre arbre et paliers si l’instabilité est importante. A) DETECTION Un tourbillonnement d’huile a une fréquence caractéristique qui se situe entre 0,14 x F0 et 0,48 F0 (F0 = fréquence de rotation). Il est donc visible sur les spectres de fréquences mais s’observe plus facilement sur les orbites de déplacement. (Le mouvement de l’arbre relatif au palier est suffisamment important pour le distinguer). D’autre part, ce phénomène, dépendant de la charge, est plus transitoire que permanent ce qui implique parfois l’utilisation des cascades pour la détection. B) EXEMPLE SUR UNE ORBITE DE DEPLACEMENT Dans le cas du groupe n°2 (G2) de Salignac en 2010, les orbites de déplacement avaient mis en évidence les tourbillonnements d’huile. En effet, lors des faibles charges, les orbites montraient des mouvements relatifs importants de l’arbre par rapport au palier qui diminuaient avec l’augmentation de la charge. En mesurant la fréquence (comprise entre 0,14 x F0 et 0, 48 x F0) il est apparu évident que le phénomène correspondait à un tourbillonnement d’huile. Voir les figures ci-‐dessous: Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 51 Figure 41 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à vide Phase d’autoexcitation à forte excentricité. Initiation du premier phénomène (fréquence 0,36 Hz soit 0,14 F0) à faible charge Figure 42 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à faible charge Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 52 Instabilité à faible ème excentricité. 2 phénomène de pompage (fréquence variable 1Hz à 1,5Hz soit environ 0,4 F0) Figure 43 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à 1/4 de charge 10.VDM.140 - P. 18/28 Prise de charge. Disparition du phénomène d’instabilité Figure 44 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à 1/2 charge Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 53 Augmentation de charge Figure 45 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à 3/4 charge 10.VDM.140 - P. 19/28 Augmentation de charge jusqu’à Pmax Figure 46 : Orbite de déplacement du G2 de Salignac en 2010 à MPMAX Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 54 C) EXEMPLE SUR UNE CASCADE La cascade ci-‐dessous a permis d’enregistrer le défaut sur le G2 de Salignac pendant la prise de charge. A partir d’un curseur, il a été facile d’évaluer par la suite l’amplitude maximale du défaut. Figure 47 : Cascade pendant la prise de charge du G2 de Salignac en 2010 Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 55 VII. BILAN Le manque de retour d’expérience sur les analyses vibratoires empêchait d’interpréter les mesures de manière précise et certaine. Face à la demande d’optimisation du rendement des groupes de production hydro-‐électriques, il était nécessaire de rendre les analyses plus pertinentes pour les acteurs de la maintenance. Pour cela, il a été effectué lors du projet : -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ -‐ Un retour d’information sur les caractéristiques machines La réalisation d’un historique des opérations de maintenance sur les machines concernées par les analyses vibratoires L’analyse de l’existant pour les paliers et les pivoteries La fixation de la liste des phénomènes vibratoires pour clarifier les rapports L’interprétation des mesures vibratoires La rédaction de 5 fiches anomalies pour améliorer les échanges entre les services de DTG et les EIM. (Un groupe d’ingénieur de la DTG s’occupera de rédiger les fiches manquantes.) A travers une analyse de l’existant, une étude des outils d’analyses et une interprétation des mesures vibratoires, ce projet a donc permis : - un accès rapide aux caractéristiques machines nécessaire pour les diagnostics d’enrichir le retour d’expérience des analyses vibratoires une préparation plus exhaustive et anticipée des travaux de maintenance à réaliser L’ensemble des fichiers qui constituent le livrable est stocké sur le serveur du GMH Méditerranée dont l’accès est autorisé au service tel que la DTG et les EIM. Aucun document ou mode opératoire n’obligent l’utilisation de cet outil, mais son utilisation est recommandée par le GMH. Ce PFE m’a permis de me former sur des outils d’analyse vibratoire qui m’étaient jusqu’à maintenant inconnus, d’avoir des connaissances techniques sur la maintenance et la mécanique des groupes de production hydro-‐électriques. De plus, grâce à un contact humain nécessaire pour l’avancement du projet, j’ai pu acquérir de l’expérience dans les relations humaines qui me sera très utile pour mes ambitions professionnelles. Du fait de l’isolement de mon équipe (Basé à Ste-‐Tulle au lieu de Aix-‐en-‐Provence), j’ai pu mesurer l’importance d’une réunion professionnelle avec celle-‐ci tant au niveau motivation qu’au niveau du cheminement intellectuel. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 56 VIII. ANNEXES A. NORMES ISO Les valeurs présentées dans les documents ci-‐dessous indiquent les seuils en déplacement et en vitesse vibratoire pour les machines hydrauliques de puissance supérieure à 1 MW dont la vitesse est comprise entre 60 tr/min et 1800 tr/min. Ces seuils permettent d’établir l’état de la machine et donc de définir une zone de fonctionnement. La répartition se fait selon 4 zones : Zone de fonctionnement A État de la machine Vibrations normales de machines neuves Peut fonctionner pendant une longue durée Ne peut pas fonctionner pendant une longue durée Vibrations importantes qui peuvent endommager la machine B C D 1. NORME ISO 10816-‐5 (MESURES SUR PARTIE NON TOURNANTE) Voici les seuils fixés par la norme 10816-‐5 :2000(E) : Nota : Valeurs de vitesse de vibration pas applicable pour les bulbes. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 57 2. NORME TOURNANTE) ISO 7919-‐5 (MESURES SUR PARTIE Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 58 (QUESNEL, 2010) Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 59 B. PLAN D’UN GROUPE VERTICAL Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 60 IX. BIBLIOGRAPHIE AFNOR. (2000). Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants. AFNOR. EDF. (1992). XMA 07 53. EDF. DYNAE. (2009). DynaVIB -‐ Le recueil pratique du vocabulaire vibratoire 2ème édition. DYNAE. QUESNEL, L. (2010). Etude de fiabilité des systèmes de freinage des groupes verticaux. EDF. Emmanuel BÉNÉVISE Mécatronique 61
