Qu'est-ce que l'arc thermique ? Flexion d'arbre induite par la température • Équilibreur portable et analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors. Qu'est-ce que l'arc thermique ? Flexion d'arbre induite par la température • Équilibreur portable et analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors.

Qu'est-ce que l'arc thermique ? Flexion de l'arbre induite par la température

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Comprendre l'arc thermique dans les machines tournantes

Définition : Qu'est-ce que l'arc thermique ?

Arc thermique (également appelé arc chaud, pliage thermique ou arc d'arbre induit par la température) est une courbure temporaire qui se développe dans un rotor L'arbre est sujet à une répartition inégale de la température sur sa circonférence. Lorsqu'un côté de l'arbre est plus chaud que l'autre, la dilatation thermique provoque un allongement du côté chaud, forçant l'arbre à se courber, le côté chaud se trouvant du côté convexe (extérieur) de la courbe.

Contrairement aux permanents arc d'arbre En cas de dommages mécaniques, l'arc thermique est réversible : il disparaît lorsque l'arbre retrouve une température uniforme. Cependant, il crée des dommages importants. vibration pendant les périodes d'échauffement et de refroidissement et peut causer des dommages permanents s'ils sont graves ou répétés fréquemment.

Mécanisme physique

Différence de dilatation thermique

La physique derrière l’arc thermique est simple :

  • Le métal se dilate lorsqu'il est chauffé (coefficient de dilatation thermique généralement de 10 à 15 µm/m/°C pour l'acier)
  • Si la température est uniforme autour de la circonférence, la dilatation est symétrique (l'arbre s'allonge mais reste droit)
  • Si un côté est plus chaud, ce côté se dilate plus que le côté froid
  • La dilatation différentielle provoque une courbure
  • Magnitude de l'arc proportionnelle à la différence de température et à la longueur de l'arbre

Différences de température typiques

  • Une différence de température de 10 à 20 °C sur le diamètre peut créer une courbure mesurable
  • Dans les grandes turbines, une différence de 30 à 50 °C peut produire de fortes vibrations
  • L'effet s'accumule sur toute la longueur de la tige : les tiges plus longues sont plus sensibles

Causes courantes de l'arc thermique

1. Conditions de démarrage (les plus courantes)

  • Chauffage asymétrique : La vapeur chaude, le gaz ou le fluide de traitement entre en contact avec le haut de l'arbre tandis que le bas reste plus froid
  • Chauffage radiant : Chaleur provenant des carters ou des tuyauteries chaudes réchauffant la partie supérieure de l'arbre
  • Frottement des roulements : Un roulement fonctionnant plus chaud que les autres chauffe la section locale de l'arbre
  • Démarrage rapide : Un temps de préchauffage insuffisant permet le développement de gradients thermiques

2. Conditions d'arrêt (affaissement thermique)

  • Arrêt à chaud : L'arbre s'arrête de tourner alors qu'il est encore chaud
  • Affaissement gravitationnel : La chaleur monte, ce qui fait que le haut de l'arbre horizontal refroidit plus rapidement que le bas
  • Arc affaissé thermique : La partie inférieure reste chaude plus longtemps, la tige s'incline vers le bas
  • Période critique : Les premières heures après l'arrêt

3. Causes opérationnelles

  • Frottement rotor-stator : Le frottement du contact génère un échauffement local intense
  • Refroidissement inégal : Flux d'air de refroidissement asymétrique ou pulvérisation d'eau
  • Chauffage solaire : Équipement extérieur avec exposition au soleil d'un côté
  • Perturbations du processus : Changements soudains de température dans le fluide de travail

Symptômes et détection

Caractéristiques de vibration

L'arc thermique produit des modèles de vibrations distinctifs :

  • Fréquence: 1× vitesse de course (vibration synchrone)
  • Timing: Élevé pendant le réchauffement, diminue lorsque l'équilibre thermique est atteint
  • Changements de phase : Angle de phase peut changer à mesure que l'arc se développe et se résout
  • Vibration à roulement lent : Vibrations élevées même à très basse vitesse (contrairement à déséquilibrer)
  • Apparence: Similaire au déséquilibre mais dépendant de la température

Distinguer l'arc thermique du déséquilibre

Caractéristiques Déséquilibrer Arc thermique
Fréquence 1× vitesse de course 1× vitesse de course
Sensibilité à la température Relativement stable Élevé pendant l'échauffement/le retour au calme
Roulement lent (50-200 tr/min) Très faible amplitude Amplitude élevée
Phase vs. Température Constante Changements à mesure que l'arc se développe
Persistance Constant à tout moment Temporaire, se résout à l'équilibre thermique
Réponse à l'équilibrage Vibrations réduites Amélioration minimale ou nulle

Tests de diagnostic

1. Essai de vibration à roulement lent

  • Faire tourner l'arbre à 5-10% de la vitesse de fonctionnement
  • Mesurer les vibrations et s'épuiser
  • Une vibration élevée de roulement lent indique un arc thermique ou mécanique, et non un déséquilibre.

2. Surveillance de la température

  • Surveiller les températures de l'arbre ou des roulements pendant le démarrage
  • Mesurer la température à plusieurs endroits autour de la circonférence du roulement
  • Corréler les changements de vibration avec les gradients de température

3. Tendances des vibrations des startups

  • Tracer l'amplitude des vibrations en fonction du temps pendant l'échauffement
  • Arc thermique : élevé initialement, diminue à mesure que l'on se rapproche de l'équilibre
  • Déséquilibre : augmente avec la vitesse, indépendamment de la température

Stratégies de prévention

Procédures opérationnelles

1. Procédures d'échauffement appropriées

  • Augmentation progressive de la température : Laisser l'arbre chauffer uniformément
  • Temps de préchauffage prolongé : Les grandes turbines peuvent nécessiter 2 à 4 heures
  • Surveillance de la température : Températures des roulements et du carter de chenilles
  • Surveillance des vibrations : Surveiller pendant l'échauffement, retarder l'augmentation de la vitesse si les vibrations sont élevées

2. Fonctionnement du vireur

  • Pour les grandes turbines, utilisez le vireur (rotation lente, environ 3 à 10 tr/min) pendant le préchauffage et le refroidissement
  • La rotation continue empêche l'arc thermique en répartissant la chaleur uniformément
  • Norme industrielle pour les turbines à vapeur > 50 MW
  • Peut faire fonctionner le mécanisme de virage pendant 8 à 24 heures pendant le refroidissement

3. Procédures d'arrêt

  • Refroidissement progressif : Réduisez lentement la charge et la température avant l'arrêt
  • Vireur allongé : Maintenir le rotor en rotation pendant qu'il refroidit
  • Évitez les arrêts à chaud : Les arrêts d'urgence laissent l'arbre chaud et sujet à l'affaissement de l'arc

Mesures de conception

  • Isolation thermique : Isoler les boîtiers pour maintenir une température uniforme
  • Vestes chauffantes : Chauffages externes pour un préchauffage uniforme
  • Drainage: Empêcher l'accumulation de condensat chaud au fond de l'arbre
  • Ventilation: Assurer un flux d'air de refroidissement symétrique

Conséquences de l'arc thermique

Effets immédiats

  • Vibration élevée : Peut atteindre 5 à 10 fois les niveaux normaux pendant l'échauffement
  • Charge de roulement : L'arc asymétrique augmente les charges portantes
  • Frottements de phoque : La déflexion de l'arbre peut provoquer un contact avec des joints ou des pièces fixes
  • Retards de démarrage : Il faut attendre que les vibrations diminuent avant d'augmenter la vitesse

Dommages à long terme

  • Usure des roulements : Des vibrations élevées répétées accélèrent la détérioration des roulements
  • Dommages au joint : Les frottements répétés détruisent les composants du joint
  • Fatigue: Les contraintes de flexion cycliques lors de chaque démarrage contribuent à la fatigue
  • Ensemble permanent : Un arc thermique sévère ou répété peut provoquer une déformation plastique permanente

Correction et atténuation

Pour arc thermique actif

  • Prévoir du temps : Attendre l'équilibre thermique avant d'augmenter la vitesse
  • Roulement lent : Tournez lentement pour répartir la chaleur si possible
  • N'essayez pas d'équilibrer : L'équilibrage ne peut pas corriger l'arc thermique et sera inefficace
  • Adresse de la source de chaleur : Identifier et éliminer le chauffage asymétrique

Pour l'arc thermique (après l'arrêt)

  • Vireur : Maintenir le rotor en rotation lente pendant le refroidissement
  • Durée de roulement prolongée : Peut nécessiter 12 à 24 heures de fonctionnement du mécanisme de virage
  • Surveillance de la température : Continuer jusqu'à ce que la température de l'arbre soit uniforme
  • Redémarrage différé : Si une courbure s'est développée, attendez un redressement naturel avant de redémarrer

Considérations spécifiques à l'industrie

turbines à vapeur

  • Le plus sensible à l'arc thermique en raison des températures élevées et des rotors massifs
  • Élaborer des procédures d'échauffement et de récupération, une pratique standard
  • Vireur obligatoire pour les unités > 50 MW
  • Peut nécessiter 2 à 4 heures d'échauffement et 12 à 24 heures de refroidissement avec un mécanisme de virage

turbines à gaz

  • Réponse thermique plus rapide grâce à une masse plus petite
  • Arc thermique au démarrage moins fréquent mais toujours possible
  • Le chauffage côté combustion peut créer des asymétries
  • Des cycles de préchauffage généralement plus rapides que ceux des turbines à vapeur

Gros moteurs et générateurs électriques

  • Arc thermique dû à la chaleur de l'enroulement du rotor ou au frottement des roulements
  • Installations extérieures soumises au chauffage solaire
  • Peut nécessiter un tournage ou un chauffage avant le démarrage

Surveillance et alarme

Paramètres clés de surveillance

  • Vibration à roulement lent : Mesurer à basse vitesse avant le démarrage normal
  • Différence de température des roulements : Comparer les températures en haut et en bas
  • Vibrations vs. Température : Tracer l'amplitude des vibrations en fonction de la température du roulement
  • Angle de phase: Suivre les changements de phase indiquant le développement de l'arc

Critères d'alarme

  • Vibration lente > 2× la ligne de base déclenche l'alarme
  • Un différentiel de température > 15-20°C indique un déséquilibre thermique
  • Les changements de phase rapides (> 30° en 10 minutes) suggèrent le développement d'un arc
  • Les vibrations augmentent pendant l'échauffement plutôt que de diminuer

Stratégies de démarrage avancées

Accélération contrôlée

  1. Roulement lent initial : Vérifier les vibrations acceptables à 100-200 tr/min
  2. Accélération par étapes : Augmentation des vitesses intermédiaires (par exemple, 30%, 50%, 70% de la normale) avec maintien
  3. Périodes de trempage thermique : Maintenir une vitesse constante pendant 15 à 30 minutes à chaque étape
  4. Vérification des vibrations : À chaque étape, vérifiez la diminution des vibrations avant de continuer
  5. Surveillance de la température : Assurer la réduction des gradients thermiques tout au long du processus

Systèmes de démarrage automatisés

Les systèmes de contrôle modernes peuvent automatiser la gestion de l'arc thermique :

  • Séquences d'échauffement programmables
  • Périodes de maintien automatique si les limites de vibration ou de température sont dépassées
  • Calcul en temps réel de la magnitude de l'arc thermique à partir des vibrations et de la température
  • Profils de vitesse adaptatifs basés sur les conditions mesurées

Relation à d'autres phénomènes

Arc thermique vs arc permanent

  • Arc thermique : Temporaire, disparaît à l'équilibre thermique
  • Arc permanent : Déformation plastique, persiste même à froid
  • Risque: Des arcs thermiques répétés et sévères peuvent éventuellement provoquer une déformation permanente.

Arc thermique et équilibrage

  • Tenter de équilibre pendant l'arc thermique est futile
  • Les poids de correction calculés pour la condition d'arc thermique seront erronés une fois l'équilibre atteint
  • Toujours laisser la stabilisation thermique avant l'équilibrage
  • L'arc thermique peut masquer une véritable condition de déséquilibre

Meilleures pratiques de prévention

Pour les nouvelles installations

  • Concevoir des systèmes de chauffage et de refroidissement symétriques
  • Installer un vireur pour les équipements > 100 kW ou > 2 mètres de longueur d'arbre
  • Assurer un drainage adéquat pour éviter l'accumulation de liquide chaud
  • Isoler pour minimiser le transfert de chaleur radiante

Pour les équipements existants

  • Élaborer et suivre strictement des procédures d’échauffement écrites
  • Former les opérateurs sur les risques et les symptômes de l'arc thermique
  • Installer un système de surveillance de la température à plusieurs endroits
  • Utiliser les tendances vibratoires lors des démarrages pour identifier les problèmes thermiques
  • Documenter les données historiques pour optimiser les procédures

Pratiques d'entretien

  • Vérifier le fonctionnement du vireur avant chaque arrêt
  • Vérifier l'étalonnage des capteurs de température des roulements
  • Inspecter les systèmes de drainage pour détecter les blocages
  • Vérifier l'intégrité de l'isolation
  • Vérifiez et éliminez toutes les sources de chauffage asymétrique

L'arc thermique, bien que temporaire et réversible, constitue un défi opérationnel majeur pour les grandes machines tournantes. Comprendre ses causes, reconnaître ses symptômes et mettre en œuvre des procédures de préchauffage et de refroidissement appropriées est essentiel pour un fonctionnement fiable des turbines à vapeur, des turbines à gaz et autres équipements tournants à haute température.

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