Alignement des turbines : outils et stratégies pour des performances optimales

Les turbines sont un élément essentiel de nombreux secteurs, comme la production d'électricité et l'exploitation pétrolière et gazière. Leur maintien en état de fonctionnement est donc une priorité absolue pour les équipes de ces secteurs. Un alignement régulier est une pratique courante de maintenance préventive, mais l'alignement des machines complexes et de grande taille, comme les turbines à vapeur et à gaz, peut être particulièrement difficile.

Ce guide aborde l'importance de l'alignement des turbines et les défis auxquels les équipes sont confrontées lors de ce processus. Nous aborderons également les outils et les bonnes pratiques que les équipes peuvent utiliser pour garantir un alignement précis, même dans des environnements difficiles.

Qu'est-ce qu'une turbine ?

Une turbine est une machine qui convertit l'énergie d'un fluide en mouvement (liquide, gaz ou air) en énergie mécanique de rotation, souvent utilisée pour produire de l'électricité ou entraîner d'autres machines. Par exemple, les éoliennes convertissent l'énergie éolienne en électricité. Les turbines à vapeur font de même en convertissant la vapeur produite dans une chaudière (à partir de sources telles que les combustibles fossiles, les réactions nucléaires ou la géothermie) en énergie mécanique de rotation, laquelle peut ensuite être convertie en électricité. Les turbines à gaz industrielles sont également utilisées pour produire de l'énergie mécanique destinée à entraîner des générateurs, des compresseurs ou des pompes.

Pour que l'énergie soit transférée en douceur, qu'elle provienne d'une éolienne convertissant l'énergie électrique ou d'une turbine à vapeur créant de l'énergie mécanique, toutes les machines impliquées dans le processus doivent être correctement alignées le long du même axe de rotation.

Pourquoi l'alignement des turbines est important

Un mauvais alignement des turbines diminue le rendement du transfert de puissance. Ce défaut d'alignement augmente les frottements, ce qui entraîne une perte d'énergie thermique au lieu d'être transférée au fluide souhaité. Les vibrations peuvent également augmenter, ce qui constitue une forme de gaspillage d'énergie mécanique.

Outre le gaspillage d'énergie, la chaleur excessive et les vibrations peuvent endommager les machines et les composants. Un mauvais alignement entraîne une répartition inégale des forces entre les composants tels que les joints, les roulements et autres composants, réduisant ainsi leur durée de vie et augmentant les coûts de maintenance.

Le désalignement est la cause principale de plus de la moitié des pannes des équipements rotatifs. Pour les équipements de grande taille comme les turbines, le coût de réparation peut grimper rapidement. L'intensification des opérations de maintenance pour remplacer les composants défaillants entraîne également des temps d'arrêt excessifs et une hausse des coûts de main-d'œuvre, impactant ainsi le chiffre d'affaires et la production pendant que les équipes s'affairent à remplacer les composants ou à effectuer les réparations.

Plus une turbine est grande, plus elle peut convertir d'énergie. Cependant, leur taille importante pose également des défis importants en matière d'alignement.

Les défis de l'alignement des turbines

Dans un environnement plus restreint, il peut n'y avoir que deux arbres à aligner. Cependant, les alignements de turbines plus importants et plus complexes nécessitent l'alignement de tout un train de machines, comprenant turbines, générateurs, compresseurs et réducteurs, afin de respecter les tolérances géométriques requises.

Mais c'est plus facile à dire qu'à faire, surtout dans la production d'électricité et autres industries lourdes utilisant d'énormes turbines. Les principaux défis de ce type d'alignement multi-couplage sont les suivants :

• Contraintes de tailleLes rotors et les carters de turbines peuvent être extrêmement volumineux et lourds. Par exemple, les pales d'une turbine à vapeur peuvent atteindre 1.83 mètre de long, tandis que celles d'une éolienne peuvent dépasser 150 mètres, soit une longueur équivalente à celle d'un terrain de football. Les carters peuvent peser des milliers de tonnes. Ces dimensions colossales peuvent compliquer la mesure et la réalisation de l'alignement.
• PoidsLes turbines à vapeur sont enfermées dans un carter, qui doit être retiré pour un alignement correct. Cependant, le poids du carter peut fausser l'alignement. Même si l'alignement est parfaitement réalisé, la remise en place du carter peut déplacer les composants au point de provoquer un défaut d'alignement.
• Dilatation thermiqueL'alignement des turbines à vapeur peut s'avérer particulièrement complexe, car elles peuvent fonctionner à des températures supérieures à 1 093 °C (2 000 °F). La dilatation des matériaux à des vitesses variables et les températures extrêmement élevées que ces composants peuvent atteindre rendent la dilatation thermique un défi majeur pour l'alignement des turbines à vapeur et à gaz. Les composants peuvent se dilater de plusieurs millimètres à 2 000 °F, ce qui nécessite des ajustements prédictifs lors de l'alignement de la turbine.
• Augmentation des erreurs potentiellesLes trains de machines complexes à couplages multiples comprennent souvent un rotor, un réducteur et un générateur, qui doivent tous être alignés. Chaque couplage ajoute un point de désalignement potentiel. Les grandes distances entre les composants, ajoutées aux multiples couplages, complexifient le processus d'alignement des turbines.
• Accès limitéLes environnements de terrain difficiles limitent souvent l'accès et compliquent la prise de mesures d'alignement. Par exemple, les machines peuvent ne pas pouvoir pivoter complètement pendant le processus d'alignement en raison de la restriction des mouvements. Les turbines des centrales nucléaires se trouvent dans des zones à radioactivité contrôlée, ce qui limite l'accès des techniciens. Ces derniers peuvent également avoir une visibilité réduite ou être contraints de travailler dans des espaces exigus.

Malgré les défis, l’alignement des turbines est réalisable avec les bons outils et les bonnes pratiques de maintenance en place.

Meilleures pratiques d'alignement des turbines

Un alignement correct des turbines est essentiel pour garantir un transfert d'énergie efficace, minimiser l'usure et prolonger la durée de vie des composants des systèmes de production d'électricité et industriels. Vous trouverez ci-dessous les meilleures pratiques pour obtenir et maintenir l'alignement, même face à des défis tels que les grandes dimensions, la dilatation thermique et la complexité des trains de machines.

1. Aligner pendant la mise en service

L'alignement commence dès la mise en service, lors de l'installation ou de la révision d'un système de turbine. Cet alignement initial établit les bases de performance et de longévité. Par exemple, un rotor de turbine à vapeur, pouvant peser jusqu'à 40 tonnes, doit être aligné à 0.02 mm près pour assurer un fonctionnement fluide avec des générateurs ou des compresseurs. Utilisez des outils de haute précision, comme les systèmes d'alignement laser, pour mesurer l'axe des arbres sur de grandes distances, comme les 20 à 30 mètres d'un train de machines classique. Un alignement correct lors de la mise en service réduit les vibrations initiales et prévient l'usure cumulative, réduisant ainsi les coûts de maintenance tout au long de la durée de vie de la turbine.

2. Compenser la croissance thermique

Adresser dilatation thermique, utilisez les données de croissance thermique fournies par le fabricant ou les modèles logiciels pour prédire les taux de dilatation de matériaux tels que l'acier ou les alliages de titane.

3. Utiliser des fonctionnalités avancées pour l'alignement des trains de machines

Les systèmes d'alignement laser modernes, comme ceux de Pruftechnik, offrent des fonctionnalités de « déplacement en direct », permettant aux techniciens d'ajuster les composants en temps réel tout en surveillant l'alignement de tous les attelages. Les outils de déplacement en direct fournissent un retour visuel, garantissant que les ajustements respectent les tolérances de l'ensemble du train. Ceci est particulièrement crucial sur le terrain, où l'accès restreint complique les ajustements.

4. Vérifications de routine et données d'alignement des tendances

L'alignement n'est pas une tâche ponctuelle. Des contrôles réguliers sont essentiels pour maintenir les performances des turbines, même lorsque celles-ci vieillissent ou que leurs conditions d'exploitation évoluent. Planifiez des inspections d'alignement lors des opérations de maintenance planifiées ou après des événements importants comme la réinstallation du carter. Utilisez des capteurs de surveillance des vibrations et d'alignement pour suivre les tendances au fil du temps et identifier les désalignements progressifs avant qu'ils ne causent des dommages. Enregistrez les données d'alignement dans un logiciel de maintenance pour suivre les tendances, telles que l'augmentation des vibrations ou l'usure des roulements, et anticiper la nécessité d'un réalignement.

Comment les systèmes d'alignement laser simplifient l'alignement des turbines

L'alignement des turbines à l'aide de méthodes traditionnelles comme les comparateurs à cadran est extrêmement complexe en raison de la taille et de la complexité des machines. Cependant, les systèmes d'alignement à laser unique comme RotAlign, OptAlignet Alignement d'arbre sont conçus pour s'adapter à l'environnement difficile de l'alignement des arbres de turbine et présentent plusieurs caractéristiques qui permettent d'obtenir un alignement parfait.

La taille des turbines implique qu'elles ne tournent pas librement pendant le processus d'alignement sans l'aide de grues, de palans à chaîne ou de vérins hydrauliques. Des fonctionnalités comme le mode de mesure IntelliPoint enregistrent l'alignement à plusieurs points d'arrêt, éliminant ainsi les erreurs dues à une rotation irrégulière ou au tassement de l'arbre.

LiveTrend est une autre fonctionnalité de Pruftechnik qui mesure et enregistre en temps réel les variations de position dues à la croissance thermique pendant le fonctionnement, en mesurant le déplacement parallèle et angulaire. Les équipes peuvent ensuite utiliser ces informations lors des alignements à froid pour positionner les arbres de turbine de manière à ce qu'ils soient alignés lorsqu'ils atteignent leur température de fonctionnement maximale.

L'alignement de trains de machines complexes à couplage multiple est également facilité par les outils laser. RotAlign Touch Permet d'aligner un train de machines jusqu'à 14. En mode multi-accouplement, un seul tour d'arbre permet de mesurer chaque accouplement du train, sans avoir à déplacer les capteurs d'un accouplement à l'autre. Le système fournit ensuite des résultats indiquant le déplacement nécessaire à chaque machine du train pour atteindre l'alignement, offrant ainsi des flux de travail prêts à l'emploi pour simplifier les alignements de machines les plus complexes.

Tous les systèmes d'alignement laser Pruftechnik peuvent télécharger la documentation numérique directement dans le cloud pour un accès simplifié, la création de rapports et une traçabilité à long terme. Ainsi, chaque alignement est enregistré, vérifié et stocké, ce qui permet aux équipes de démontrer leur conformité et de simplifier la maintenance future.

Les systèmes d'alignement laser peuvent couper alignement des turbines à vapeur temps en deux. Avec Systèmes d'alignement laser de Pruftechnik, l'alignement des turbines devient non seulement réalisable mais aussi efficace, précis et répétable.