Maintenance des turbines à vapeur: aubes, paliers et régulation est le soin discipliné du parcours de la vapeur tournant et fixe, du système de paliers et d'huile de lubrification, des joints d'arbre et des systèmes de régulation et de protection qui maintiennent une turbine à vapeur efficace, stable et sûre.
Cet article traite des modes de défaillance qui comptent, des inspections qui les détectent et de la surveillance qui transforme un arrêt catastrophique en un arrêt planifié.
Les aubes et les buses fixes convertissent l'énergie thermique en travail d'arbre, et elles se dégradent de façons prévisibles. Dans les étages surchauffés à haute pression (HP), l'ennemi est la déposition et l'érosion par particules solides.
Le charriage depuis la chaudière de silice, de sels de sodium et de cuivre se dépose sur les surfaces des aubes, rugosifiant le profil et réduisant la section d'écoulement, ce qui augmente les pressions d'étage et diminue le rendement.
L'érosion par particules solides provient d'oxydes de fer durs qui se détachent des tubes des surchauffeurs et des réchauffeurs, et qui martèlent les arêtes d'attaque des premiers étages HP et des étages de réchauffage.
Dans les étages humides à basse pression (BP), le mécanisme change. Lorsque l'expansion croise la région diphasique, la vapeur nucléise en fines gouttelettes qui se coalisent sur les surfaces fixes et sont projetées contre les aubes mobiles.
Cette érosion par humidité attaque les arêtes d'attaque des dernières rangées BP, ce qui explique pourquoi ces aubes portent des protections rapportées en Stellite brasé ou des bords durcis au chalumeau et pourquoi l'évacuation de l'humidité et les buses creuses sont importantes.
Lors des arrêts, inspecter l'amincissement des arêtes, la couleur et l'épaisseur des dépôts, les fissures au bord de fuite, et toute indication de fissuration par corrosion sous contrainte dans les racines d'aubes et les gorges de clavette des disques.
Le rotor repose sur des paliers lisses hydrodynamiques, généralement à coussinets basculants ou à revêtement en babbitt elliptique, et sa position axiale est fixée par un palier de poussée qui absorbe la charge nette de vapeur.
L'état des paliers se lit en continu à partir de la température du film d'huile et des vibrations de l'arbre. Une augmentation de la température du métal blanc, un déplacement de l'orbite vibratoire ou des débris de babbitt sur le bouchon magnétique signalent tous un problème.
Les paliers de poussée méritent une attention particulière car une perte de la position de poussée permet au rotor de se déplacer axialement et d'entrer en contact avec les aubes fixes, voie rapide vers une destruction du parcours vapeur.
Suivre conjointement les tendances des températures des coussinets actifs et inactifs ainsi que la sonde de position axiale.
L'alignement et les jeux déterminent la durée de vie des paliers. Un désalignement d'accouplement se manifeste par une vibration marquée à 2x la vitesse de rotation, tandis qu'un déséquilibre apparaît à 1x. Confirmer la gravité par rapport aux zones de sévérité de vibration de la norme ISO 10816-3 avant de décider de continuer, surveiller ou arrêter.
Les turbines à vapeur assurent l'étanchéité de l'arbre au passage dans le carter par des joints labyrinthiques sans contact . Ces dents en forme de couteau restreignent les fuites à travers une série de petits jeux plutôt que de frotter sur l'arbre.
Des frottements dus à des dilatations différentielles transitoires ouvrent les jeux, si bien que les fuites au presse-étoupe augmentent, la charge sur le condenseur de presse-étoupe croît et le rendement des étages baisse.
Lors de la révision, mesurer les jeux radiaux et axiaux par rapport au schéma constructeur, rechercher des dents frottées ou repliées, et recalfeutrer ou remplacer les bandes usées. Les garnitures inter-étages se comportent de la même manière, et des joints inter-étages usés dérobent silencieusement la chute d'enthalpie de plusieurs étages.
Le régulateur et les vannes d'admission de vapeur contrôlent la vitesse et la charge et forment la première ligne de défense contre la survitesse.
Les vannes d'arrêt et de régulation principales, et sur les unités à réchauffage les vannes d'arrêt et d'interception de réchauffage, doivent parcourir toute leur course et se refermer rapidement en cas de déclenchement.
Parce qu'un arrêt en charge peut amener une grande turbine à une survitesse destructive, ces vannes sont exercées en course partielle en service et en course complète lors des arrêts.
Tester le déclenchement de survitesse électronique ou mécanique, les vannes d'arrêt d'urgence et la réponse des servos à chaque arrêt majeur, et vérifier la rétroaction de position des vannes par rapport à la consigne.
Une huile propre, froide et correctement conditionnée est le levier le plus important pour la durée de vie des paliers et du régulateur. La contamination et l'entrée d'eau détruisent le film d'huile et corrodent le babbitt, tandis que les vernis d'oxydation collent les tiroirs de vanne et obstruent les orifices. Entretenir le réservoir, les refroidisseurs, les filtres et les pompes auxiliaires et d'urgence, et confirmer que la pompe d'urgence démarre automatiquement en cas de basse pression du collecteur. Surveiller l'état de l'huile par rapport à une cible et agir avant d'atteindre les limites.
| Paramètre | Cible typique | Pourquoi c'est important |
|---|---|---|
| Température d'alimentation d'huile | 40 à 50 °C | Détermine la viscosité du film et la température des coussinets |
| Teneur en eau | Inférieure à 200 ppm | Prévient l'effondrement du film et la corrosion du babbitt |
| Propreté (ISO 4406) | Environ 18/16/13 | Limite l'usure abrasive et le blocage des servos |
| Température du métal du palier | Alarme et déclenchement réglés par l'OEM, souvent près de 110 et 120 °C | Avertissement précoce de perte de film |
Les grandes turbines sont équipées de sondes de proximité sur chaque palier ainsi que de capteurs keyphasor et de position axiale, alimentant un système continu de protection et de diagnostic.
Le contenu en fréquence localise la faute: 1x pour le déséquilibre, 2x pour le désalignement ou un arbre fissuré, sous-synchrone pour les instabilités hydrodynamiques (oil whirl et oil whip), et la fréquence de passage des aubes pour les problèmes du parcours vapeur.
Surveiller les diagrammes de Bode lors du démarrage et de l'arrêt en roue libre pour voir la machine traverser ses vitesses critiques, et maintenir la répétabilité de la réponse d'équilibrage.
La même discipline s'applique aux machines à combustion, et la comparaison dans la maintenance des turbines à gaz constitue une utile référence croisée pour la dynamique des rotors et les considérations de la partie chaude.
| Composant | Mode de défaillance dominant | Contrôle principal |
|---|---|---|
| Aubes et buses HP | Érosion par particules solides, dépôts | Endoscopie, tendance de la pression d'étage |
| Aubes du dernier étage BP | Érosion par humidité, fissuration des racines | Inspection des arêtes, CND des racines |
| Paliers lisses | Usure du babbitt, instabilité hydrodynamique | Spectre de vibration, température du métal |
| Palier de poussée | Surcharge, déplacement axial | Température des coussinets, sonde de position axiale |
| Joints labyrinthiques | Frottement, ouverture des jeux | Mesurage des jeux lors de la révision |
| Vannes de commande et d'arrêt | Blocage, fermeture lente | Test de course, test de déclenchement de survitesse |
Les dépôts et l'ouverture des jeux s'annoncent rarement par une panne. Ils se manifestent d'abord par une détérioration lente et coûteuse du rendement thermique. Une plateforme de maintenance comme Fabrico peut planifier ces inspections, conserver les enregistrements des jeux et faire le suivi des données de paliers et d'huile afin que la dégradation soit détectée tôt. Réservez une démo Fabrico pour voir comment l'historique d'inspection et de surveillance s'articule.
Suivre l'intervalle et les données d'état du fabricant plutôt qu'un calendrier fixe. Des inspections mineures sont courantes sur une base annuelle, avec une révision majeure du parcours vapeur typiquement tous les quatre à six ans ou selon les heures d'exploitation accumulées, avancée si les tendances de vibration, d'efficacité ou de paliers l'exigent. Les unités dotées d'un solide suivi d'état prolongent souvent cet intervalle.
Principalement les dépôts dans le parcours vapeur, l'érosion des arêtes d'aubes et l'ouverture des jeux d'étanchéité aux presse-étoupes et des garnitures inter-étages. Chacun augmente les fuites ou rugosifie le profil, si bien que les étages produisent moins de travail. L'augmentation des pressions d'étage et la hausse du taux de chaleur sont les premiers signaux.
Le palier de poussée fixe la position axiale du rotor face à la charge de vapeur. S'il tombe en panne ou est surchargé, le rotor se déplace axialement et les aubes en rotation peuvent entrer en contact avec des parties fixes, provoquant des dégâts rapides et sévères du parcours vapeur. La surveillance continue de la température des coussinets et de la position axiale fournit les avertissements les plus précoces.
Dans les étages humides à basse pression, des gouttelettes d'eau condensée sont projetées contre les aubes mobiles et érodent leurs arêtes d'attaque. Elle se concentre sur les dernières rangées BP, d'où l'utilisation sur ces aubes d'arêtes durcies ou de protections rapportées en Stellite brasé ainsi qu'une évacuation efficace de l'humidité.
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