Observations et évaluations de terrain du MVR

Lors de nos visites sur site concernant les systèmes de recompression mécanique à vapeur (MVR), nous constatons des situations mécaniques et opérationnelles similaires dans différents secteurs. Il nous semble important de partager ces observations avec vous, utilisateurs de systèmes MVR. Notre objectif n’est pas de fournir un rapport de dysfonctionnement, mais d’attirer l’attention sur les premiers signes de défaillance pouvant affecter le bon fonctionnement du système et de renforcer la prévention.

Intégrité structurelle du rotor et mécanismes de dommages dus à la fatigue à des vitesses environnementales élevées

La fatigue des matériaux est un processus inévitable dans tous les systèmes de ventilation fonctionnant pendant une longue période. C’est pourquoi l’usure, l’amincissement local ou les petites ruptures de matériau sur le rotor sont considérés comme normaux au fil du temps dans les applications courantes de ventilation. Lors de notre examen sur le terrain, il est apparu clairement que le rotor en question était un équipement ayant rempli sa fonction pendant de nombreuses années. Ce cas est documenté dans la littérature ; le phénomène de fatigue du rotor et de rupture locale est généralement associé au mécanisme de fatigue à grand nombre de cycles (FGC) dans les roues à aubes rotatives à grande vitesse et a fait l’objet de nombreuses publications (par exemple, la rupture par fatigue des roues de compresseurs centrifuges).
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630723005460. Toutefois, considérer cette situation comme « normale » ne signifie pas que le système fonctionne correctement. Au contraire, de telles observations indiquent que le rotor a largement atteint sa fin de vie structurelle et ne peut plus assurer sa fonction avec un niveau de sécurité et d’efficacité suffisant. En résumé, la cause peut être naturelle, mais le résultat est négatif en termes de performance du système et de sécurité d’exploitation.

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Les systèmes de recompression mécanique de vapeur (MVR) et les turbosoufflantes sont des machines fonctionnant à des vitesses environnementales élevées, et le rotor, la pale et les fixations sont tous le résultat de calculs d’ingénierie sérieux.

Par exemple, considérons un rotor de 1 500 mm de diamètre et de rayon 0,75 m. En supposant une vitesse de rotation de 3 500 tr/min, sa vitesse angulaire est :

ω = 2π·n / 60 = 2π·3500 / 60 ≈ 366 rad/s.

Dans ce cas, la vitesse périphérique à l’extrémité du rotor atteint :

v = ω·r = 366 · 0,75 ≈ 275 m/s.

L’accélération centrifuge en ce même point est :

a = ω²·r = (366)² · 0,75 ≈ 100 000 m/s².

La contrainte circonférentielle approximative induite par cette charge dans le matériau du rotor s’exprime comme suit :

σ ≈ ρ · ω² · r²

En supposant ρ ≈ 8 000 kg/m³ :

σ ≈ 8 000 · (366)² · (0,75)² ≈ 590 MPa

Ces valeurs illustrent clairement l’importance du choix du matériau:

À ce stade, le problème ne se limite pas à la vitesse. Lors de la conception et de l’exploitation de tels systèmes, il est crucial de déterminer la durée de résistance du rotor à ces vitesses et de s’assurer que le choix des matériaux est approprié. Les valeurs typiques suivantes illustrent clairement cette différence :

Comme le montre cette comparaison, les aciers au carbone et les aciers inoxydables standards ont tendance à se déformer et à se fatiguer plus rapidement à ces vitesses environnementales, tandis que les matériaux à haute limite d’élasticité et à haute résistance à la fatigue, tels que le super duplex, peuvent supporter ces charges de manière plus sûre. Par conséquent, l’un des facteurs déterminants pour la santé d’un système MVR n’est pas seulement son mode de fonctionnement ; il est également essentiel d’intégrer dès la conception au système les informations relatives aux matériaux adaptés à ces conditions.

Érosion par gouttelettes de liquide induite par condensation dans les rotors à recompression mécanique de vapeur (MVR)

Dans les systèmes MVR, une part importante des dommages subis par le rotor est due à l’effet des gouttelettes de liquide entraînées par la condensation à haute vitesse. Si la condensation formée à la sortie de l’évaporateur ou à l’intérieur du système ne peut être correctement évacuée, ou si le drainage n’est pas assuré, le liquide accumulé dans la volute risque d’impacter les pales du rotor. Ces impacts provoquent une érosion importante, des ruptures localisées et des instabilités, comme observé fréquemment sur le terrain ; ce mécanisme affecte les performances et la marge de sécurité non seulement du rotor, mais aussi de l’ensemble du système MVR.

Vous pouvez également consulter une étude sur ce sujet, qui explique en détail les effets de l’impact des gouttelettes d’eau sur les surfaces des turbines à grande vitesse, à l’aide d’expériences et de visuels clairs. (Par exemple : « Étude expérimentale des caractéristiques de résistance à l’érosion des revêtements de turbines de compresseurs sous l’effet de l’impact des gouttelettes d’eau – https://www.mdpi.com/2079-6412/15/7/767).

Effets de la fatigue thermique et mécanique dans des conditions de travail avec arrêts et démarrages fréquents

Les cycles de démarrage et d’arrêt fréquents des systèmes de recompression mécanique des vapeurs (MVR) génèrent un apport et un dégagement de chaleur continus sur le rotor. Ces cycles thermiques répétés entraînent des dilatations différentes selon les zones du rotor. Cette fatigue thermique, qui s’accumule au fil du temps, notamment au niveau des moyeux et des soudures, favorise l’affaiblissement de la structure. Conjuguée aux contraintes d’écoulement et centrifuges, elle accroît le risque de dommages progressifs.

Encrassement / Formation de dépôts

Encrassement (formation de dépôts) sur la surface interne du rotor

Lors de l’inspection sur site, d’importants dépôts et encrassements ont été constatés sur les surfaces internes du rotor. À l’heure actuelle, aucun problème de vibration n’a été signalé. Ceci est probablement dû à la forte adhérence des débris à la surface du rotor, conséquence du fonctionnement du système à des vitesses périphériques élevées, et à l’absence, pour l’instant, de déséquilibre significatif. De ce point de vue, on peut considérer que le système fonctionne de manière optimale à court terme, dans les conditions actuelles.

Toutefois, le maintien de tels dépôts sur le rotor pendant une période prolongée présente des risques importants. La rupture ou le déplacement de ces dépôts au fil du temps peut entraîner des déséquilibres soudains et imprévisibles. De plus, les composants chimiques contenus dans les débris peuvent provoquer une usure localisée, de la corrosion ou des dommages superficiels sur le matériau du rotor. C’est pourquoi il est recommandé de nettoyer ces dépôts sans délai.

Lors de l’évaluation des sources potentielles, il convient de vérifier spécifiquement la composition et l’état de filtration du fluide alimentant la buse de pulvérisation située en amont du rotor. Si ce fluide n’est pas suffisamment propre, les contaminants transportés peuvent former des dépôts directement sur la surface du rotor. Il a également été établi que la pollution pourrait provenir de l’évaporateur ou de la ligne de traitement et avoir été acheminée vers le système de ventilation. C’est pourquoi il est recommandé d’effectuer une évaluation globale du système, et non pas seulement du ventilateur, et de déterminer la source des débris en collaboration avec le responsable du procédé ou le fournisseur du système.

Contamination de la zone par les escargots due à une fuite du joint

Dans ce cas précis, il a été établi que la pollution observée dans la zone de la volute, derrière le rotor, était due à une fuite au niveau du joint d’étanchéité. Le système étudié est une application de recompression mécanique de vapeur (MVR) fonctionnant sous vide. Lors de sa mise en service, une fuite au niveau du joint et une température anormalement élevée dans la conduite de drainage ont été constatées. Il a été supposé que cette situation avait entraîné une accumulation progressive du fluide dans la zone de la volute.

Conformément aux observations actuelles, il est recommandé dans un premier temps d’ajouter un élément filtrant adapté à la conduite d’étanchéité. De plus, il a été recommandé de vérifier et de remplacer les bagues de carbone dont l’étanchéité semble compromise. Un suivi du système est nécessaire après la filtration et le remplacement des bagues de carbone. Si la pollution persiste, il est recommandé de procéder à une nouvelle évaluation conjointe du ventilateur et du circuit de traitement.

Dans cette étude, nous avons tenté de partager brièvement et de manière concise certaines des situations techniques observées lors de nos visites sur site. Notre objectif est de favoriser une sensibilisation précoce et une approche préventive plutôt qu’une intervention a posteriori.

Il convient de rappeler que les systèmes de recompression mécanique de vapeur (MVR) fonctionnent à des vitesses élevées et avec des tolérances très serrées. Pour cette raison, une inspection régulière du rotor, des zones d’étanchéité et des surfaces internes, notamment lors des arrêts planifiés ou par périodes de 3 à 4 mois, est essentielle au bon fonctionnement du système. Un symptôme apparemment mineur peut annoncer des pertes de performance importantes.

Si vous avez des avis différents, des situations similaires ou différentes rencontrées sur le terrain, ou des questions techniques spécifiques que vous souhaiteriez aborder, n’hésitez pas à nous en faire part. Vous pouvez également nous soumettre, si vous le souhaitez, des images de rotor ou des observations de terrain. Nous serons ravis de vous apporter notre soutien pour toute évaluation technique nécessaire.

Nous sommes toujours prêts à réaliser des évaluations conjointes afin de garantir le fonctionnement sûr, efficace et durable de vos systèmes. Vous pouvez contacter immédiatement notre équipe Efsan Makina.