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Dossier délivré pour DOCUMENTATION 06/10/2008

Maintenance des turbines à vapeur par Henri-Pierre RAMELLA Ingénieur, EDF

1. 1.1 1.2

Obje Object ctif ifs s de de la la mai maint nten enan ance ce .......................................... ............................................................... ....................... .. Prév Prévent ention ion des accid accident ents s majeu majeurs rs ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Limita Limitatio tion n des indisp indisponi onibil bilité ités s fortui fortuites..... tes........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... ..

2. 2.1 2.2 2.3

Exploitation ......... .............. ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... Survei Surveilla llance nce... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Essai Essais s et analys analyses es périod périodiqu iques.. es..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Maint Maintena enance nce préven préventiv tive e ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... ..

— — — —

2 2 3 3

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Comp Compos osan ants ts de de la tur turbi bine ne ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Part Parties ies mobil mobiles es (ou rotors rotors)) ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Organe Organes s d’adm d’admiss ission ion vapeur vapeur... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Clape Clapets ts de soutir soutirage.. age..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Palie Paliers rs et butée butée de la ligne ligne d’arbr d’arbres.. es..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Part Parties ies fixes fixes ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... ..

— — — — — —

3 3 5 5 5 6

4.

Cons Conser erv vatio ation n à l’a l’arr rrêt êt ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... ..

—

6

5.

Conclusion .......... ............... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... ....

—

6

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a turbine à vapeur est un des matériels stratégiques des installations de pro-

L duction d’énergie électrique. Son indisponibilité entraîne la perte de la pro-

duction d’énergie, contrairement à d’autres matériels (pompes alimentaires, pompes de circulation assistée, ventilateurs...) dont la redondance permet de poursuivre l’exploitation des installations soit à pleine charge, soit éventuelle- ment à charge partielle. Par ailleurs, la turbine peut être le siège d’incidents graves, qualifiés d’accidents majeurs, caractérisés par la destruction de la machine, voire l’émission de projectiles des parties tournantes. Ces accidents, heureusement rares, présen- tent des risques notables pour la sécurité des personnes et l’intégrité des installations. La maintenance des turbines à vapeur revêt un caractère important qui vise les deux objectifs suivants : — la prévention des accidents majeurs . Il s’agit d’assurer la sécurité des personnes et des biens en prenant les dispositions pour éviter l’émission de projectiles par les rotors ; — la limitation des indisponibilités fortuites fortuites et de leurs conséquences écono- miques. Plus généralement, cette préoccupation d’éviter l’accident majeur est éga- lement prise en compte dans la conduite des groupes turboalternateurs par la mise en œuvre de moyens de surveillance et la réalisation d’essais périodiques des systèmes de sécurité.

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1. Obje Object ctif ifs s de la maintenance 1.1 Prévention Prévention des accidents majeurs L’énergie emmagasinée dans les rotors est à l’origine des conséquences potentiellement graves des accidents majeurs de turbines de grande puissance (figure 1). Les précautions prises au stade de la conception, de la fabrication , de la conduite et de la maintenance des turbines visent à maintenir la probabilité d’apparition d’un accident majeur à un niveau très faible (environ 10 −4 par tranche et par an). Cependant, des destructions partielles ou totales de groupes turboalternateurs se produisent parfois sur le parc mondial. Les accidents majeurs peuvent résulter de différentes causes.

Éclatement brutal en survitesse de l’arbre d’un rotor sain : ce mode de ruine est engendré, lors de l’emballement du groupe turboalternateur, par les efforts centrifuges supérieurs à la limite de résistance du matériau. 



Fissuration transverse à l’axe d’un rotor sous l’effet de la fatigue

par flexion rotative.

Rupture brutale de l’arbre d’un rotor en survitesse ou à vitesse nominale. Ce mode de ruine, qui intervient à une vitesse inférieure à la survitesse d’éclatement du rotor sain, a pour origine la présence de défauts qui se développent : — sous l’action l’action de de la fatigue (en (en particulier lors des cycles démarrage-arrêt) ; — sous sous l’effet l’effet de fatigue-fretting , fatigue-corrosion ; ; — sous sous l’effet l’effet de de la corrosion sous contrainte ; ; — sous sous l’effet l’effet du du fluage pour pour les rotors « haute température ». 

Dans le cas de turbines ayant accumulé un grand nombre d’heures de fonctionnement, la nocivité de certains de ces phénomènes est accrue par l’augmentation de la température de transition avec le vieillissement du matériau en température qui conduit à des tailles de défauts critiques inférieures. Afin d’éviter l’apparition d’accidents majeurs, l’exploitant cherche à limiter les risques d’emballement de la ligne d’arbres et à maîtriser le développement des défauts pouvant affecter l’intégrité des rotors. Il doit porter son attention en priorité sur : — l’état l’état et le fonctionnemen fonctionnementt des organes d’admission d’admission vapeur (§ 3.2) ; 3.2) ; — l’état et le fonctionnement fonctionnement des clapets de soutirage (si la machine est équipée de ces dispositifs) (§ 3.3) ; 3.3) ; — le bon fonctionnement fonctionnement des dispositifs dispositifs de sécurité contre les survitesses ; — la recherche recherche et la surveillance surveillance des défauts sur les rotors rotors (§ 3.1). 3.1).

1.2 Limitation des indisponibilités fortuites

Ces considérations ont amené un développement particulier de la maintenance préventive et de la surveillance dans ces domaines.

2. Ex Expl ploi oita tati tion on Les turbines à vapeur peuvent être classée s en deux grandes catégories suivant qu’elles sont situées sur un cycle thermodynamique de type classique [B [B 1 250] ou nucléaire basse température (réacteur (réacteur à eau pressurisée [B 3 312] ou réacteur à eau bouillante). Les caractéristiques des cycles entraînent des différences d’une part dans la conception des machines, d’autre part sur les modes de dégradation et les actions de maintenance correspondantes. Le cycle classique se caractérise par une température élevé e de la vapeur qui nécessite que le concepteur et l’exploitant se préoccupent du phénomène de fluage des matériaux. 

Le cycle nucléaire basse température , qui se caractérise par une température de vapeur plus faible, ne soumet pas les machines au phénomène de fluage. Par contre, la détente de la vapeur, qui s’effectue pour une grande partie dans le domaine humide, rend les machines sensibles aux phénomènes d’ érosion et de corrosion corrosion sous contrainte . En général, ces machines fonctionnent à mi-vitesse de rotation des turbines des cycles classiques et leur s composants présentent des dimensions plus importantes. 

Cependant, à l’exception de quelques points spécifiques de surveillance liés aux caractéristiques des cycles thermodynamiques, la maintenance des turbines à vapeur des cycles classiques et des cycles nucléaires relève de la même philosophie. L’optimisation des coûts de maintenance s’appuie sur le retour d’expérience général du comportement des machines. Cette analyse conduit à l’établissement de spécifications d’exploitation dans les domaines de la surveillance, des essais et analyses périodiques, et de la maintenance des turbines à vapeur.

2.1 Surve Surveill illanc ance e La surveillance en exploitation relève généralement de la con duite des installations ; elle constitue la pre mière action de maintenance. Elle revêt un caractère essentiel et permet de déte cter, par l’évolution anormale d’un ou de plusieurs paramètres, une défaillance potentielle qui pourrait compromettre à terme la disponibilité des machines. Elle permet d’engager des actions d’analyse, de diagnostic et de maintenance conditionnelle pertinentes. Les coûts de maintenance et les indisponibilités seront d’autant plus faibles que les spécifications auront été respectées et les anomalies détectées de façon précoce. La surveillance en exploitation s’exerce au travers de différentes actions.

2.1.1 Ronde Ronde En complément des actions destinées à éviter l’accident majeur, des dispositions sont nécessaires pour limiter les indisponibilités fortuites des turbines. Les défaillances correspondantes, si elles ne remettent pas en cause l’intégrité de la ligne d’arbres, entraînent généralement des indisponibilités longues et des réparations lourdes et onéreuses. Les analyses statistiques montrent que les principales causes d’indisponibilité concernent trois grands ensembles : — les parties mobiles mobiles (rotors (rotors équipés de leurs ailettes) ailettes) (§ 3.1) ; — les organes organes d’admissio d’admission n vapeur (§ 3.2) ; — les paliers paliers et la butée de de la ligne d’arbres d’arbres (§ 3.4). 3.4).

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Certaines anomalies de matériels peuvent se manifester par des symptômes observables lors des rondes effectuées par l’exploitant sur les installations. Ces manifestations peuvent permettre de détecter de façon précoce des maladies potentielles. Ce sont notamment : — l’appa l’apparit rition ion de fuites ; — un niveau niveau anormal anormal de vibration ou de température à proximité des machines ; — l’évol l’évoluti ution on du niveau sonore ou l’apparition de bruits suspects.

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Toute évolution jugée anormale doit faire l’objet d’une analyse complémentaire afin d’en déterminer la cause. Dans certains cas, l’analyse de paramètres mesurés s’avère indispensable et nécessite l’examen des enregistrements d’exploitation, voire la mise en œuvre d’instrumentations complémentaires, de contrôles ou d’essais spécifiques afin de préciser le diagnostic.

2.1.2 2.1.2 Surveillance des paramètres paramètres d’exploitation d’exploitation Il est essentiel d’effectuer un suivi de l’évolution de l’ensemble des paramètres mesurés en exploitation qui sont, pour la plupart, enregistrés en salle de commande des tranches tranches de production. Cette surveillance est réalisée lors du fonctionnement des installations aux conditions nominales mais elle s’avère également utile lors des phases transitoires d’exploitation (démarrage, arrêt, prise de charge...). L’objecti L’objectiff n’est pas seulement de vérifier véri fier que les critères admissibles ou les seuils d’alarme ne sont pas atteints, l’analyse doit porter sur toute évolution anormale, même si celle-ci reste en deçà des limites préconisées par les consignes. Les variations de certains paramètres paramètres (par exemple, les vibrations de la ligne d’arbres ou la température des coussinets), représentatifs du comportement des machines, peuvent alerter sur l’apparition ou l’évolution d’un processus de dégradation. L’exploitation hors des domaines préconisés par les consignes est susceptible d’affecter à terme la durée de vie des machines. C’est le cas par exemple des consignes de températures du metal turbine et et des spécifications chimiques du circuit eau-vapeur. Parmi les paramètres d’exploitation enregistrés en salle de commande, on peut relever : — les caractéristiques pression – température de la vapeur à l’admission de la turbine ; — les températures températures du métal des stators en différents différents points de la ligne de détente ; — les dilatations des des parties fixes et des parties tournantes, leur dilatation différentielle étant particulièrement surveillée lors des démarrages ; — l’usure et la température température de la butée ; — l’amplitude des vibrations de la ligne d’arbres d’arbres ; — la température du métal antifriction des des coussinets qui supportent la ligne d’arbres ; — l’écart de température température avant/arrière avant/arrière de chaque coussinet, représentatif de la position de la ligne d’arbres en service ; — la température de l’huile l’huile de graissage, graissage, à la sortie du réfrigérant réfrigérant et sur le retour d’huile après passage dans les paliers ; — le vide au au condenseu condenseur. r. Certains de ces paramètres sont assortis de seuils d’alarme et de déclenchement du groupe turboalternateur. Il faut noter que les enregistreurs d’exploitation disposent des performances limitées limitées pour ce qui concerne l’analyse du comportement vibratoire des lignes d’arbres. L’évolution des capteurs et la mise en œuvre de baies de surveillance spécialisées permettent le traitement et l’analyse des différentes composantes harmoniques du signal vibratoire. Les informations peuvent être transmises en temps réel aux experts chargés du diagnostic par le réseau de télécommunications communications des entreprises.

2.2 Essais Essais et analyses périodiq périodiques ues Les essais et les analyses périodiques sont destinés à vérifier que les caractéristiques fonctionnelles fonctionnelles des matériels et des fluides sont maintenues dans des domaines admissibles et permettent de suivre leur évolution par la comparaison régulière de leurs valeurs. Les essais destinés à la prévention des risques d’emballement de la ligne d’arbres sont :

— les essais périodiques périodiques des organe organes s d’admission vapeur vapeur (temps de fermeture, course, temps de ralentissement de la machine) ; — les essais périodiques périodiques des protections protections des turbines, turbines, en particulier les protections contre les survitesses sont testées périodiquement par simulation et en réel. On peut relever d’autres essais ou analyses réalisés couramment en exploitation : — la signature vibratoire vibratoire de la ligne d’arbres d’arbres lors du du ralentissement ; — les analyses physico-chimiques physico-chimiques des fluides de de graissage et de régulation ; — les essais de bon fonctionnement des matériels de secours secours (pompes de graissage).

2.3 Maintenan Maintenance ce préventive préventive Si la surveillance permet de mettre en œuvre certaines actions de maintenance conditionnelle, conditionnelle, la plupart des dégradations observées sur les composants de la turbine restent difficilement détectables et contrôlables lorsque la machine est en exploitation ou à l’arrêt corps fermé. Par ailleurs, le temps d’incubation avant amorçage et la cinétique des phénomènes sont très variables et dépendent de nombreux paramètres. On peut citer par exemple : — la fabrication des pièces pièces (conception, hétérogénéité hétérogénéité des matématériaux, qualité d’usinage...) ; — le montage montage du groupe groupe turboalternateur turboalternateur ; — l’historique de l’exploitation l’exploitation de la tranche (cycles (cycles arrêt/démararrêt/démarrage, caractéristiques chimiques de la vapeur, température de la vapeur, conditions de vide, humidité de la vapeur basse pression, conditions de conservation à l’arrêt, incidents de type pollution ou choc thermique...). L’entretien ’entreti en des turbines s’appuie s’appu ie donc principalement principalemen t sur un programme de maintenance préventive systématique réalisé lors de visites périodiques dites révisions. Selon le mode d’exploitation des installations, la fréquence des révisions est déterminée de façon calendaire ou en fonction de critères de fonctionnement. On détermine, pour les installations qui ne fonctionnent pas en base, les « heures équivalentes de marche » représentatives des heures de marche réelles et du nombre de démarrages à froid et à chaud du groupe. Certains processus de dégradation connus conduisent à la réalisation de visites partielles dont la fréquence est liée à la cinétique d’évolution de la dégradation correspondante. correspondante. Suivant les résultats, des expertises expertises réalisées lors des révisions, des analyses et des contrôles plus approfondis sont alors à engager pour préciser l’état de santé des matériels. L’exploitant ’exploit ant sera particulièrement vigilant quant à l’applicati on des programmes de maintenance relatifs aux organes dont la défaillance peut entraîner un accident majeur.

3. Com Compos posan ants ts de la turb turbine ine 3.1 Parties Parties mobiles mobiles (ou rotors) rotors) Nous avons vu précédemment (§ 1.1) que l’ampleur des accidents majeurs est la conséquence des niveaux d’énergie emmagasinés dans les rotors. Nous nous intéressons ici aux actions de maintenance qui concernent ces seuls composants, destinées à garantir leur intégrité, sachant que la maintenance visant à limiter les risques


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d’emballement de la ligne d’arbres est traitée dans le paragraphe relatif aux organes d’admission vapeur (§ 3.2). 3.2). Les turbines à vapeur sont équipées de rotors construits selon trois types de conception : — rotor monobloc monobloc forgé forgé ; — rotor à disques disques frettés frettés ; — rotor rotor soudé. soudé. Ces différentes conceptions, qui dépendent de la dimension des pièces et de la maîtrise technique correspondante des constructeurs, sont déterminantes pour la définition des zones sensibles à contrôler sur ces composants.

3.1.1 3.1.1 Fissuration transverse transverse à l’axe l’axe d’un rotor rotor Cette fissuration, de direction transverse à l’axe du rotor, se propage par fatigue en flexion alternée . Le développement de ce type de défaut peut conduire, dans le cas extrême, à la rupture de l’arbre du rotor et engendrer la destruction complète de la ligne d’arbres. La première disposition consiste à réaliser et à maintenir un

lignage rigoureux de la ligne d’arbres. Un désalignement des paliers engendre en effet une augmentation des contraintes de flexion alternée dans les rotors (§ 3.3). 3.3). La maintenance préventive a pour objet de détecter le déve loppement de ces défauts dans les zones sensibles des rotors et de surveiller l’apparition d’anomalies dans le comportement vibratoire de la machine. 

Inspection des zones sensibles

La recherche des défauts est conditionnée par la technique de fabrication des rotors : arbres des rotors à disques frettés, congés de raccordement des disques sur le fût des rotors monoblocs, soudures des rotors à disques soudés. Ces contrôles sont généralement réalisés par magnétoscopie ou contrôle ultrasonore (voir encadré ). Contrôles non destructifs ). 

Analyse du comportement vibratoire

L’expérience montre que la fissuration se propage génér alement de manière non axisymétrique et influe sur le comportement vibratoire de la ligne d’arbres. Cependant, la variation du comportement vibratoire, qui n’est détectée par les appareils d’exploitation qu’à un stade tardif du processus de fissuration, nécessite une instrumentation spécifique pour être décelée de façon précoce. La réalisation de la signature vibratoire du groupe lors des ralentissements et l’analyse de la situation des vitesses critiques peut également permettre la détection d’une anomalie : la fissuration transverse peut entraîner un léger déca lage des vitesses critiques de l’arbre. Il faut noter que ce ty pe d’analyse n’est plus du ressort de l’exploitant mais requiert des compétences d’experts (constructeurs de turbines, fournisseurs d’appareillages et de systèmes d’analyse vibratoire, par exemple).

3.1.2 3.1.2 Rupture brutale d’un d’un rotor à vitesse vitesse nominale ou en survitesse Les dispositions portent sur la recherche de défauts dont le développement peut être à l’origine de la rupture brutale des rotors. Elle s’effectue dans les zones les plus sensibles telles que : — les disques des rotors à disques frettés, par par contrôle ultrasonore ; — les congés de raccordement raccordement des disques « haute température » sur le fût des rotors des turbines des cycles « classiques ». Ces examens sont réalisés par magnétoscopie ; Nota : la zone affectée de fissuration par fatigue thermique peut être régénérée par l’enlèvement de la couche superficielle endommagée. Des défauts plus profonds peuvent être éliminés par usinage d’un nouveau profil.

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Contrôles non destructifs destructifs 

Ressuage

Le ressuage consiste à enduire la zone à contrôler d’un liquide pénétrant et, après rinçage de l’excès de pénétrant à la surface de la pièce, à appliquer sur cette surface un révélateur. Le pénétrant contenu dans les défauts diffuse dans le révélateur et permet ainsi leur détection et l’évaluation de leur longueur. Ce type de contrôle, de mise en œuvre simple, est fréquemment utilisé. Il permet de caractériser les dimensions en surface des seuls défauts débouchants. 

Magnétoscopie

La magnétoscopie consiste à aimanter la pièce à contrôler par un électroaimant à poste fixe ou en l’entourant de spires et à examiner sa surface sur laquelle un révélateur a été appliqué. Les produits indicateurs déposés sur la pièce peuvent être une poudre sèche (oxyde de fer magnétique) ou une liqueur magnétique (poudre magnétique en suspension dans du kérosène ou de l’eau). Il existe des produits indicateurs fluorescents révélant des images magnétiques visibles sous lumière ultraviolette A. Les défauts présents dans la pièce créent localement des perturbations des lignes de champ magnétique et sont révélés par l’accumulation des particules ferromagnétiques. Ce type de contrôle permet, sur des matériaux ferromagnétiques, de caractériser les dimensions en surface des défauts, à condition qu’ils soient débouchants ou sous-jacents. 

Contrôle ultrasonore

Le contrôle ultrasonore consiste à générer une impulsion mécanique dans la pièce à examiner à partir d’éléments piézoélectriques. La fréquence nominale des palpeurs et la dimension des pastilles piézo-électriques sont choisis en fonction de la nature du matériau et des dimensions de la pièce considérée. Le faisceau acoustique se propage dans la pièce et est réfléchi par les obstacles présents sur son parcours. Le palpeur est placé de façon à obtenir l’écho maximum sur le réflecteur présent (défaut). L’écho L’écho est recueilli par un récepteur e t traduit en signal électrique permettant de mesurer l’amplitude de l’écho en fonction du temps de parcours. Ce type de contrôle permet la détection de défauts situés à l’intérieur des pièces. Les performances de la méthode sont cependant très sensibles à la nature du matériau contrôlé. — les dernières dernières ailettes des rotors rotors basse pression des groupes groupes de grande puissance, par contrôle ultrasonore ou magnétoscopie. Le balourd engendré par le départ de telles ailettes peut conduire, selon les capacités de tenue mécanique des paliers, à la destruction de la ligne d’arbres.

3.1.3 3.1.3 Autres Autres dispositio dispositions ns En complément des actions de maintenance destinées à éviter l’accident majeur de turbine, des dispositions sont prises pour limiter l’indisponibilité due aux rotors. Les principales dispositions sont : — le contrôle magnétoscopique des ailettes destiné à détecter les fissurations dans la pale des ailettes ; — le contrôle de l’accrochage des des ailettes sur le rotor, contrôle ultrasonore des « pieds » d’ailettes ; — le contrôle du liaisonnement entre les ailettes (fils de liaison ou étançons) ; — l’examen visuel destiné à rechercher des traces d’érosion, de frottement ou de chocs ; — le contrôle du débattement du rotor, des jeux axiaux et radiaux entre rotor et stator afin de réduire les risques de contact entre les parties mobiles et les parties fixes de la turbine ;



— le contrôle géométrique géométrique de la déformation déformation des rotors ; — l’examen de l’état des soies soies (zones en regard des coussinets), coussinets), du collet de butée et des accouplements.

— la mesu mesure re de déformation des corps dans les zones à fortes contraintes mécaniques sous l’action du fluage. Suivant la conception des appareils, cette déformation se développe dans la zone d’emboîtement du tampon autoclave de fermeture et peut être accompagnée accompagnée d’un phénomène de fissuration.

3.2 Organes Organes d’admissi d’admission on vapeur Les organes d’admission vapeur comprennent : — les vannes d’arrêt d’arrêt destinées à interrompre le débit de vapeur dans un temps requis de quelques dixièmes de seconde lors des déclenchements déclenchements ; — les soupapes de réglage réglage dont le rôle est de régler la la vitesse de la turbine et, une fois le groupe turboalternateur couplé au réseau électrique, de régler sa puissance. Il faut considérer que les soupapes de réglage, également capables d’interrompre le flux de vapeur en cas de déclenchement, constituent, avec les vannes d’arrêt, un système de sécurité redondant.

3.2.1 Limitation du risque d’emballement de la ligne d’arbres Les dispositions de maintenance visent principalement à vérifier que ces organes assurent bien leur rôle de sécurité vis-à-vis du risque d’emballement de la ligne d’arbres. Les premières dispositions sont constituées par des essais périodiques réalisés en exploitation : — le contrôle d’étanchéité, d’étanchéité, par la mesure mesure du temps d’arrêt d’arrêt de la machine lors des déclenchements ; — le contrôle du bon fonctionnement, réalisé de manière manière systésystématique. Il s’agit, tranche en marche, de fermer un organe et de vérifier que l’obturateur effectue la totalité de sa course dans un temps inférieur à la durée maximale admissible de fermeture. Ces appareils sont soumis en exploitation à de fortes sollicitations mécaniques dues à : — leur fermeture rapide rapide lors des déclenchements déclenchements de la turbine ; — l’excitation permanente permanente des structures structures des organes organes de réglage travaillant en laminage par l’écoulement de vapeur. Ces sollicitations mécaniques entraînent des dégradations préjudiciables au bon fonctionnement des organes qui nécessitent la réalisation d’expertises lors de révisions périodiques. Les principales dispositions de maintenance concernent : — l’examen des portées du couple couple siège/clapet. siège/clapet. L’attention est est portée sur la recherche de fissuration dans le revêtement en Stellite (alliage de cobalt, chrome, tungstène et carbone) du siège. Ces contrôles sont généralement réalisés par ressuage ; — l’examen de l’état l’état mécanique des éléments éléments internes : expertis expertise e visuelle, contrôle géométrique et dimensionnel (recherche des déformations, rayures, contrôle des jeux fonctionnels...). fonctionnels...).

3.2.2 Autres Autres dispositi dispositions ons Par ailleurs, les organes installés sur des cycles classiques sont également soumis à des contraintes thermiques dues : — aux gradients de température température supportés supportés lors des transitoires transitoires de démarrage (supérieurs (supérieurs à 100 °C/h pendant plusieurs minutes) ; — à une température température en service élevée (en général général supérieure à 500 °C). Les dégradations engendrées, si elles ne remettent pas directement en cause la fonction de l’organe, imposent néanmoins des dispositions particulières. On recense deux types de défauts qui font l’objet des examens suivants : — la recherche recherche par ressuage des défauts de fissuration par fatigue thermique. Ces défauts se développent dans les zones réparées lors de la fabrication par fonderie des corps des appareils ou dans les zones fortement sollicitées (zones des purges par exemple). Ces défauts sont en général éliminés par affouillement ;

3.3 Clapets Clapets de soutir soutirage age 3.3.1 Limitation du du risque risque d’emballement d’emballement de la ligne d’arbres Les clapets de soutirage protègent la turbine contre les survitesses consécutives à une éventuelle revaporisation de l’eau contenue dans les réchauffeurs lors de la fermeture des organes d’admission. Les dispositions de maintenance visent à vérifier leur fonctionnement lors d’essais périodiques et à examiner leur état lors des révisions. Elles sont similaires aux dispositions prises pour la maintenance des organes d’admission vapeur (§ 3.2.1).

3.3.2 Retours d’eau d’eau dans la turbine turbine Sans conduire dans tous les cas à la mise en survitesse de la ligne d’arbres, la défaillance d’un clapet de soutirage peut entraîner des dommages importants importants tels que la déformation d’un rotor par retour d’eau ou de vapeur « froide » des réchauffeurs.

3.4 Paliers et butée de la ligne ligne d’arbres d’arbres Les principales dispositions de maintenance pour limiter les indisponibilités imputables à ces matériels portent sur l’ensemble de la ligne d’arbres, y compris l’alternateur. Elles comprennent : — le maintien d’une géométrie géométrie rigoureuse de lla a ligne d’arbres, ou lignage, du groupe turboalternateur qui permet de diminuer les risques : • de fissuration transverse des rotors par flexion rotative, rotative, • de comportement comportement vibratoire anormal suite à des reports de charges charges favorables à l’apparition des phénomènes d’instabilité de film d’huile, • d’échauffement d’échauffement du métal métal antifriction des des coussinets, coussinets, • de rupture de film film d’huile ; Nota : un lignage correct permet de limiter à des valeurs faibles les moments de flexion transmis par les accouplements lors du fonctionnement du groupe. Le réglage est réalisé à froid pour obtenir, machine en service, des plateaux d’accouplement des rotors parallèles et concentriques correspondant à une géométrie de la ligne d’arbres la plus proche de la forme idéale de la chaînette.

— le maintien d’un équilibrage équilibrage (voir encadré encadré Méthodes d’équili- brage des rotors ) satisfaisant de l’ensemble de la ligne d’arbres à vitesse nominale et au passage des vitesses critiques lors des ralentissements ; — le contrôle de l’état l’état du métal antifriction antifriction des coussinets, coussinets, et contrôle ultrasonore de son adhérence sur le métal de base ; — le contrôle contrôle du du jeu de la butée butée ; — le contrôle de l’état l’état du métal antifriction antifriction des patins patins de butée et de son adhérence sur le métal de base ; — le maintien de la qualité qualité de l’huile de graissage, graissage, par des analyanalyses périodiques de ses caractéristiques physico-chimiques. physico-chimiques. Il faut noter que la sensibilité des machines au désalignement dépend de la technique de construction adoptée : un ou deux paliers par rotor, coussinets elliptiques ou à patins, conception des rotors. Cela se traduit par des différences de comportement notables en fonction des technologies. On constate également des différences dans le comportement de machines de conception identique qui imposent que les règles de lignage et d’équilibrage soient adaptées à la spécificité de chaque ligne d’arbres.


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Des dispositions de surveillance en exploitation sont également prises, qui concernent les paramètres les plus sensibles aux anomalies de lignage et d’équilibrage, soit les vibrations des rotors et les températures du métal antifriction des coussinets. Ces dernières, qui sont mesurées au plus près de la surface du métal antifriction en deux points situés à l’avant et à l’arrière sur la génératrice la plus chargée du coussinet, constituent les paramètres les plus représentatifs de la situation de la ligne d’arbres. La surveillance doit porter sur les valeurs respectives de ces températures et leur évolution dans le temps et sur l’observation de l’écart entre les températures avant/arrière d’un même coussinet.

— la mesure mesure de la déformation déformation des des diaphragmes « chauds » qui peut entraîner une réduction des jeux entre parties fixes et mobiles ; — la recherche par examen visuel ou ou ressuage des défauts initiés par fatigue thermique dans les zones de concentration de contraintes (pipes d’admission, emboîtement des diaphragmes...) ; — le contr contrôle ôle des des jeux de de clavettes clavettes de positionnement positionnement des corps corps ; — le contrôle contrôle ultrasonore ultrasonore ou magnétoscopiqu magnétoscopiques es de la goujonnerie ; — la mesure de l’allong l’allongement ement résiduel résiduel des goujons « chauds » pour les machines des cycles classiques.

Méthodes d’équilibrage des rotors L’équilibrage des rotors peut être réalisé soit par adjonction de masses positionnées sur les « plans d’équilibrage », soit par enlèvement de matière. 

Équilibrage séparé des rotors

Cette méthode permet de disposer de l’accès à tous les plans d’équilibrage d’un rotor, mais l’influence des autres rotors de la même ligne d’arbres n’est pas prise en compte. 

Équilibrage séparé à vitesse nominale

Les constructeurs qui disposent d’installations adaptées (fosses d’équilibrage sous vide) réalisent l’équilibrage des rotors à vitesse nominale dans leur atelier avant le montage sur site du groupe turboalternateur. Le rotor est équilibré au plus près des conditions de service. En exploitation, ce type d’équilibrage nécessite le transport des rotors sur le lieu de la fosse sous vide. 

Équilibrage séparé à basse vitesse

Cette opération est réalisée en général sur le site d’exploitation où est transporté un banc d’équilibrage mobile. Les rotors sont équilibrés, selon leur taille, à une vitesse de quelques centaines de tours par minutes environ. Il faut noter que cette méthode n’est pas adaptée pour des rotors très flexibles dont le comportement à vitesse nominale diffère du comportement à basse vitesse. Nota : la vitesse nominale est de 3 0 00 tr/min pour les groupes turboalternateurs à une paire de pôles, 1 500 tr/min pour ceux à deux paires de pôles dans les pays alimentés en 50 Hz. Dans les pays alimentés en 60 Hz, les vitesses sont respectivement 3 600 et 1 80 0 tr/min. Certaines turbines, de faible puissance, sont équipées de réducteurs et disposent de vitesses de rotation supérieures à la fréquence du réseau. 

Équilibrage à chaud in situ de de la ligne d’arbres

Le groupe turboalternateur est instrumenté spécifiquement pour l’équilibrage et lancé à vitesse nominale. Cette méthode permet d’équilibrer l’ ensemble d’une ligne d’arbres dans les conditions réelles de fonctionnement. Le nombre de plans d’équilibrage accessibles est cependant limité : en général, ceux-ci se situent sur les disques d’extrémité des rotors ou sur les plateaux d’accouplement.

3.5 Parties Parties fixes fixes Les principales dispositions relatives à la maintenance des parties statoriques portent sur : — l’examen l’examen visuel et le contrôle contrôle par ressuage des tuyères d’admission (ou premier étage fixe) des turbines des cycles classiques. Ces pièces sont soumises à des phénomènes d’érosion et/ou d’abrasion dont le développement peut entraîner la déformation des canaux et perturber l’écoulement de vapeur. La modification de l’angle d’attaque de la vapeur sur la première roue du r otor peut être à l’origine d’une excitation néfaste pour la tenue mécanique des ailettes ; — le contr contrôle ôle des des aubages fixes : recherche des traces de frottement, érosion, chocs, fissures... ;

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4. Co Conse nserva rvatio tion n à l’arrê l’arrêtt L’arrêt prolongé des installations (pour des tranches qui présentent un fonctionnement saisonnier par exemple) peut s’avérer plus préjudiciable à l’état des matériels que leur exploitation aux conditions nominales de fonctionnement. En particulier, le maintien de la turbine dans une atmosphère humide et éventuellement agressive constitue un facteur favorisant les phénomènes de corrosion ou de fatigue-corrosion susceptibles de se développer dans les zones sensibles. La première préoccupation de l’exploitant est la mise en conservation en ambiance sèche le plus tôt possible, dès l’arrêt de la machine. La mise en état de conservation est assurée par un balayage de toutes les parties du circuit vapeur de la turbine par un flux d’air sec grâce à des moyens externes. Quand cela est possible, la vidange et le séchage du condenseur sont préconisés. La qualité de la conservation est vérifiée régulièrement par l’analyse du taux d’humidité de l’air aux exutoires. D’autres actions viennent compléter ces dispositions dont les principales sont : — le virage virage périodique périodique de la ligne d’arbres , destiné à conserver un film d’huile protecteur sur les soies des rotors ; — le dégomm dégommage age des des actionneurs des organes d’admission vapeur par leur manœuvre périodique ; — la mise en en service service régulière régulière des circuits de fluides (graissage, régulation, soulèvement) ; — l’analyse des caractéristiques physico-chimiques physico-chimiques de l’ huile de graissage.

5. Co Conc nclu lusi sion on La gravité potentielle des accidents de turbines à vapeur nécessite de mettre en œuvre des dispositions rigoureuses de surveillance et de maintenance afin de limiter le risque d’emballement des lignes d’arbres et de maîtriser le développement des défauts d’intégrité des rotors. Il ne faut cependant pas négliger les autres facteurs de défaillance qui, s’ils ne présentent pas un caractère de destruction majeure, peuvent entraîner des dégradations notables et en conséquence, des réparations lourdes et des pertes de production imporimportantes. On peut citer par exemple : — la défaillance de la butée qui peut engendrer le frottement des rotors et des stators et nécessiter le remplacement des aubages mobiles et fixes ; — la défaillance d’un coussinet qui peut aboutir à la destruction du métal antifriction et au contact de la soie du rotor avec le métal de base du coussinet, et nécessiter la reprise de la portée du rotor par usinage. Enfin, le respect des spécifications d’exploitation, spécifications chimiques du circuit eau-vapeur notamment, est essentiel pour le maintien dans la durée du bon état des matériels.



Rotor HP

Corps interne HP

Butée

Soupape HP

Rotor MP

Soupape MP

Rotor BP

Accouplement MP/BP

Corps externe HP

Échappement au condenseur Coussinet d'admission HP

Palier HP avant

Coussinet d'admission MP

Module haute pression

Palier HP/MP

Soutirage

Module moyenne pression

Palier MP/BP

Module basse pression

Palier BP/alternateur

Figure 1 – Turbine de 250 MW MW à trois corps haute haute pression/moy pression/moyenne enne pression/bass pression/basse e pression


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