etude tyrbine a gaz

Estimation de la fiabilit des turbines gaz selon le modle de Weibull Ali Benamar* - Cheikh BOUHAMAR** - Rachid Noureddine* *Laboratoire de Recherche Technologique en Fabrication Mcanique LaRTFM - ENSET Oran B.P. 1523 Oran El-MNaouer 31000 (Algrie) [email protected] **GP1Z, SONATRACH AVAL, ORAN (Algrie) [email protected] RSUM. La maintenance joue un rle primordial permettant de garantir la disponibilit pour la production. Peru comme une source de dpenses, cette fonction de maintenance a souvent t nglige. Avec lvolution technologique des quipements et des techniques de production, cet tat desprit tend changer. Les industriels cherchent exploiter ces quipements leur plein rgime dans un souci de comptitivit et de respect des dlais tout en cherchant garantir les exigences de qualit et de scurit requises. Ces objectifs peuvent difficilement tre atteints sans une maintenance adquate. Le prsent travail consiste tudier une mthodologie de maintenance prventive, et qui sadaptera sur les quipements stratgiques de lentreprise de production des hydrocarbures en Algrie. Vu les changes entre le secteur universitaire et lentreprise, il tait opportun de faire le cas de ltude dune problmatique en liaison avec lentreprise par lapplication de ce travail aux turbines gaz en utilisant la loi de Weibull. Nous avons dtermin les indicateurs relatifs la fiabilit tels que la MTBF, la MTTR, le taux de panne et la disponibilit des quipements et ceci partir dune base de donnes. Sur la base de la mthodologie propose et les paramtres de fiabilits calcules, nous avons dduit un modle de fiabilit permettant lestimation de temps de bon fonctionnement des quipements tudis. MOTS-CLS : Fiabilit, maintenance, scurit, disponibilit de fonctionnement, productivit.

2 CIM2010 Sousse (Tunisie)

1. Introduction

La maintenance est lensemble de toutes les actions techniques, administratives et de management durant le cycle de vie d'un bien, destines le maintenir ou le rtablir dans un tat dans lequel il peut accomplir la fonction requise (norme NF EN 13306 X 60-319). Produire ou assurer un service, exige des quipements, des installations ou machines de plus en plus sophistiques et coteuses. La mission de la maintenance vis--vis de ces investissements est en priorit [1], [2] :

Assurer la disponibilit optimale de loutil de production ; Assurer les conditions opratoires optimales ; Obtenir lefficacit maximale des ressources alloues la maintenance ; Tenir des dossiers de maintenance complets et prcis ; Obtenir la meilleure dure de vie possible des quipements ; Minimiser les stocks ; Maintenir laptitude ragir trs vite

Le choix entre les stratgies de maintenance seffectue dans le cadre de la

politique de maintenance et doit soprer en accord avec les objectifs de la direction de lentreprise. Pour choisir il faut connatre le fonctionnement, les caractristiques et le comportement du matriel en exploitation, ainsi que les cots lis la maintenance. Gnralement on peut distinguer diffrents types de maintenance (figure 1).

Figure 1: Les diffrents types de maintenance [3]

Maintenance

Corrective Prventive

Curative Palliative Systmatique Conditionnelle

Prdictive

Estimation de la fiabilit des turbines gaz selon le modle de Weibull 3

2. Disponibilit et cots

Le but dune politique de maintenance est la recherche dun optimum entre des objectifs opposs :

- La disponibilit maximale quel quen soit le cot ; - La meilleure disponibilit possible en respectant les limites budgtaires

alloues ; - Le budget minimum dans la mesure o la disponibilit est jug

acceptable. Quand la fiabilit saccrot, le nombre de dfaillances dcrot ce qui diminue le nombre des rparations, leur cot et le cot global des dfaillances [2] (figure 2).

Figure 2: Evolution des cots des rparations [2]

3. Fiabilit

Selon la norme X 06-50, la fiabilit est laptitude dun dispositif accomplir une fonction requise dans des conditions dutilisation et pour une priode de temps donnes, dnot R(t) [2]. Au temps O la probabilit de fonctionnement est 1 (100%), au fur et mesure que la dure de vie augment cette probabilit diminue (figure 3). Une machine pour laquelle la fiabilit 1 an, ou le taux de survie 1 an, R(12mois)= 0,45 est une machine pour laquelle la probabilit de fonctionner pendant un an sans tomber en panne est de 45%. La probabilit de panne sur la priode dun an est donc de 55%.

Cot global

OPTIMUM

Dpenses Prventives

Cot Global Des dfaillances


Figure 3: Courbe de la fonction fiabilit R(t) pour un ensemble de machines de

mme type [2]

Cette grandeur R nest pas trs facile calculer ni manipuler cause de ce temps et lon se contente trs souvent dutiliser des indicateurs de la fiabilit [2].

1. MTBF (Mean Time Between Failures) 2. MTTF (Mean Time To Failure) 3. MTTR (Mean Time To Repair) 4. Disponibilit (D)

Le dernier critre (D) est trs intressant puisquil englobe les autres critres (MTBF et MTTR) :

MTTRMTBFMTBFD

+= (1)

4. Prise en considration de loi de Weibull en maintenance

La loi de Weibull est une loi continue trois paramtres, utilise en fiabilit, plus particulirement en mcanique. Cette loi a lavantage dtre trs souple et de pouvoir sajuster diffrents rsultats dexprimentations [4], [5] et [6]. Dans ce papier nous commenons par une description des caractristiques de cette loi, en second lieu nous ltudions du point de vue fiabilit, ensuite nous montrons les mthodes destimation de ses paramtres.

b

hg

--

=t

etR )( (2) Avec :

b : Paramtre de forme (sans unit) : Paramtre dchelle (unit de temps)

g : Paramtre de position ou dorigine (unit de temps)


La fonction fiabilit est dpendante du temps ainsi que la fonction dfaillance qui lui est complmentaire.

Pour lestimation des paramtres de la loi de Weibull : ghb ,, , nous allons utiliser le papier de Weibull ou graphique dAllen Plait [3].

5. Etude dun cas rel sur les Turbines gaz

5.1 Historique sur les installations dexploitation

Lentreprise tudie est un des principaux complexes de sparation de gaz de ptrole liqufi (GPL) qui produit des GPL de qualit commerciale issus du propane, butane et pentane pour les marchs algrien et international. La premire Phase de ce complexe commena sa production en 1983 avec quatre trains de traitement parallles. En 1998, deux trains de traitement supplmentaires furent commands pour Phase 2. Une troisime phase du complexe est en cours de construction et qui se compose de trois trains de traitement [7], do limportance de ltude de la fiabilit de cet quipement. La charge de GPL venant des sources des gisements du sud du pays par le biais de la RTO est stocke dans les 16 sphres, avant de passer travers les trois principales sections de traitement. Chaque train de traitement comprend les sections suivantes [8]:

- Section de dshydratation - Section de sparation - Section huile chaude - Section de rfrigration.

5.2 Description du procd GPL

Le procd dexploitation du GPL est schmatis dans la figure 4, suivante.


Figure 4: Schma de process dun train de production GP1Z [8]

5.3 Gnralit sur la turbine a gaz type S3

La turbine gaz est de type Sulzer S3 du constructeur suisse Man - turbo destin fournir de lnergie mcanique ncessaire pour lentranement dun compresseur centrifuge radial de gaz propane pure partir de lnergie contenue dans un mlange dair et de gaz combustible (figure 5).

Figure 5: Turbine Gaz type S3 MAN-TURBO [9]


5.4 Etude de la fiabilit des turbines gaz des 04 trains de production

5.4.1 Problmatique

Le sujet relatif la fiabilit des quipements industriels, savre dune grande importance. La disponibilit dun quipement est fonction dune combinaison de la fiabilit, de la maintenabilit et du soutien en maintenance de lquipement [10]. Pour cela on va dtailler dans ce qui suit, ltude de la fiabilit des turbines Gaz (dun mme type, fonctionnant dans les mmes conditions) en utilisant la loi de Weibull en se basant sur lhistorique des interventions. Pour tudier la fiabilit on a relev le nombre de jour de bon fonctionnement avant pannes des 4 turbines et on a obtenu les rsultats ci-dessous.

5.4.2 Etude de la fiabilit Turbine GAZ 02-CT-1001

Dans le cadre de lapplication ce travail, nous proposons de donner la mthode de calcul des paramtres de la Loi de Weibull, pour la premire turbine Gaz, sur la base de lhistorique des interventions portes sur le tableau 1.

Date de dfaillance

Temps de rparation (j) TBF (j) Description d'intervention

17/07/2006 35 82 Rvision gnrale de la turbine.

07/10/2006 3 90 Changement dhuile de lubrification aprs nettoyage du carter.

05/01/2007 3 94 Graissage des vannes motorises XV- 1212 /1213 /1214 /1215 /1216 TR-100. 09/04/2007 5 98 Travaux extracteur des vapeurs dhuile. 16/07/2007 2 102 Changement pr-filtre dadmission turbine.

26/10/2007 1 105 Etancher la fuite dhuile entre brides par serrage des boulons au niveau de la turbine.

08/02/2008 5 109 Etanchit de la fuite dair de barrage entre bride sortie CT-1001 vers E-1055 T100.

27/05/2008 2 112 Changement dhuile de lubrification aprs nettoyage carter.

16/09/2008 1 116 Nettoyage des ailettes du filtre primaire dair. Inspection des pr - filtre haut rendement et caisson daspiration.

10/01/2009 35 122 Rvision gnrale de la turbine.

12/05/2009 3 - Vrification et serrage de tous les raccords et crous au niveau de laccouplement pour liminer la fuite dhuile.

Tableau 1: Historique des interventions de la turbine Gaz 02-CT-1001 [11]


1. Calcul TBF- (sachant que =50) car le nombre de panne n


5. Calcul de la MTBF

MTBF = dttFt

0)( = + A = 50 + 1392 * 0.9126 (3)

MTBF = 1320 h A= 0.9126 : cfficient li , pris du tableau en annexe correspond la loi de Weibull

6. Exploitation du modle tabli : Les paramtres du modle (D) sont :

- est le paramtre dchelle - est le paramtre de forme - g est le paramtre de position

Le modle ainsi tabli permet destimer la fiabilit de la machine tudie. Exemple : Calcul de la fiabilit pour un temps t = 1000 h de fonctionnement.

5,4

13921000

)1000(

-

== etR = 0,798 (4) 7. Pour justifier que la TBF de ces machines suit une loi de Weibull, on applique

le test dadquation de modle test de Khi-deux (x2) pour cela, on calcule la fonction de rpartition relle Fe (ti) = (ni-0,3)/(N+0,4) en pourcentage (tableau 2)

Remarque :

a. Si le nombre de panne 50, Fe (ti) = ni/N

8. Test dadquation de modle

Pour la validation du modle labor, il est recommand dappliquer le test de Kolmogorov- Smirnov, pour lequel :

On pose les conditions suivantes :

Si D max < D n, Le modle est accept.

Si D max > D n, Le modle est rejet.

o D exprime la plus grande valeur absolue tire du tableau 3, cette valeur absolue est gale la fonction F (t) pratique moins la fonction F (t) thorique.


Tableau 3: Test dadquation de modle

Dtermination de la valeur absolue : : niveau significatif

Pour nombre de panne = 10 (notre cas), gnralement pris est 5% (Selon la loi de Kolmogorov-Smirnov)

D n, = D10, 0.05 = 0.41 Donc dans notre cas : D max = 0.84 % Le modle est accept

3.3.6 Dtermination des indicateurs FMD (MTBF, MTTR, MTTF et Disponibilit)

Dans le tableau 4, nous allons prsenter les rsultats des indicateurs FMD pour 04 turbines gaz tudies.

Remarques :

Suite aux rsultats obtenus ci-dessus on remarque que la turbine gaz 02CT4001 est la plus disponible D=94 %, le temps moyen entre dfaillances est le plus long pour MTBF qui correspond 1375 h, le temps moyen de rparation est le plus petit : MTTR = 6,8 jours. On remarque aussi, une bonne maintenabilit MTTF correspondante 2352 h par rapport lensemble des turbines. Ce paramtre a un effet trs important sur laugmentation de la disponibilit des quipements [13]. Sur le tableau 4 est prsent les valeurs dindicateurs pour 03 autres turbines tudies dans le mme contexte.

Fe (ti) =

(%) R(t)= exp(-[(TBF-)/])

F(t) th = 1-R(t) (%)

Val.Abs.[Fe (ti) - F(t) th] (%)

6,73 0,93 6,65 0,08

16,35 0,84 16,27 0,08

25,96 0,74 25,95 0,01

35,58 0,65 34,74 0,84

45,19 0,54 45,76 0,57

54,81 0,46 54,50 0,31

64,42 0,35 64,63 0,21

74,04 0,26 74,08 0,04 83,65 0,17 83,28 0,37

93,27 0,07 92,91 0,36

(ni-0,3) (N+0,4)


Tableau 4 : Dtermination des indicateurs FMD

Indicateurs Turbines gaz

02CT1001 02CT2001 02CT3001 02CT4001 MTBF historique (heure) 2472 1848 1704 2520 MTBF = + A (Calcul par la mthode de Weibull) 1320 688 566 1375

Maintenabilit MTTF = MTBF MTTR (heure) 2256 1656 1488 2352

MTTR (Le temps moyen de rparation en heure) 8,636 7,818 9,454 6,818

Disponibilit D= MTBF/ (MTBF+MTTR) (%) 92 90 87 94

Fi gure 6. Dtermination des paramtres et de la Turbine GAZ 02CT1001


6. Conclusion

La turbine gaz est un quipement stratgique dans le complexe GP1Z. Cette dernire fait tourner le compresseur qui est un lment fondamental pour le fonctionnement du train de production sans arrt. Au cours de notre tude nous avons constat que : Le paramtre est suprieur une valeur de 2, donc les phnomnes se centrent autour de la dure de vie la plus probable avec une dispersion restreinte. Cest le cas le plus intressant pour appliquer si ncessaire une politique prventive. Les 4 turbines gaz tudies suivent le modle appliqu de la loi de Weibull o : - Le MTBF est autours de 3 4 mois alors que pour une turbine gaz, il doit tre suprieur, selon les recommandations des constructeurs et les cas dexperts rencontrs. Donc, il est recommand selon notre analyse de suivre ces quipements de prs et appliquer une politique de maintenance prdictive. - A partir dun historique complet et juste avec une analyse probabiliste dtaille des indicateurs de fiabilit, on peut apporter une amlioration de la fiabilit de ses quipements et prdire par ailleurs le fonctionnement dun tel quipement. - Par ailleurs prvoir un systme de recherche permanente des dfaillances imprvues possibles et de leur criticit et faire appel des techniques prdictives de test et dinspection qui permet de vrifier ltat de la turbine.

7. Bibliographie

[1] ENSPM, Formation Industrie , IFP Training 2004. [2] F. MONCHY, Maintenance : Mthodes et organisation, Ed. Dunod, 2000. [3] COTAINA N., Utilisation de la Maintenance Base sur la Fiabilit (MBF) pour

dvelopper et optimiser les politiques de maintenance , Albi France. [4] AISSANI A., Modles stochastiques de la thorie de fiabilit. Ed.OPU. [5] LIGERON J.C., La fiabilit en mcanique. Ed. Desforges. [6] P. LYONNET, La maintenance : mathmatiques et mthodes, 3me dition, Ed. Lavoisier,

1992. [7] Prsentation du complexe GP1Z , documentation du dpartement DRH, complexe

GP1Z. [8] IHI Japon, Prsentation du procd GPL , documentation du dpartement technique,

complexe GP1Z. [9] MAN TURBO, Manuel mcanique sur la turbine gaz type S3 , complexe GP1Z. [10] G. ZWINGELSTEIN, La maintenance base sur la fiabilit (guide pratique dapplication

de la RCM), Ed. Herms, Paris, 1996 [11] Rapports techniques, dpartement technique, service inspection, Historiques des

turbines gaz , complexe GP1Z. [12] LAURENT F., Sret de fonctionnement , TECWRIS, France. [13] BOUHAMAR C., Etude dune stratgie de maintenance des turbines gaz au complexe

de GP1Z, Mmoire de DPGS en Maintenance et Scurit Industrielle, ENSET Oran, Fvrier 2010.

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