Production électrique : quels risques pour une turbine à vapeur ?

La turbine à vapeur est un des éléments clé pour atteindre le bon rendement d’une installation de production électrique. Les aubes font l’objet d’une conception soignée puisqu’elles permettent de convertir l’énergie présente dans la vapeur en énergie mécanique. Ce bon design fait appel à des contraintes imposées par la thermodynamique, la mécanique, les transferts thermiques, des considérations d’aérodynamique et de métallurgie.

En plus des caractéristiques de sa conception, l’efficacité et la durabilité dans le temps de la turbine sont également dépendants de plusieurs aspects liés à l’exploitation, à la chimie de l’eau et de la vapeur.

Les menaces pour les aubes de la turbine Elles subissent de fortes contraintes telles que : - des forces centrifuges, - des forces de flexion, - des forces de frottement, - des contraintes liées aux vibrations ainsi qu'un environnement plus ou moins corrosif, notamment lors des phases de démarrage.

Tout cela induit fatigue, corrosion sous-contrainte, fatigue-corrosion ou encore FAC (dont on a déjà parlé ici) : il s’agit de problèmes assez récurrents conduisant à une fissuration prématurée et donc une perte de performance, voire des arrêts nécessaires pour la maintenance (impliquant coûts et indisponibilités).

La fatigue est une exposition à des charges cycliques (traction/compression) qui modifie les propriétés d’une pièce et qui finit par provoquer des micro-fissures voire une rupture.

Fracture due à la fatigue sur une pièce très sollicitée

La corrosion est un phénomène chimique qui se traduit par une perte de matière de la pièce (la forme chimique est changée).

A la fois des contraintes fortes ou faibles mais répétées (fatigue), peuvent provoquer la corrosion, en disloquant le film de passivation qui recouvre un matériau : c’est la corrosion sous contrainte et la fatigue corrosion.

En quoi le design de la turbine joue-t-il sur la résistance à la fissuration et à la corrosion ?

Le design mécanique (mode de construction du rotor, sa forme, son assemblage et les liaisons entre les composants, sa forme et dimensions des passages inter-aubes, le mode de fabrication des différents éléments…) influence les contraintes subies par les aubes, les forces de frottement du fluide, l’intensité des vibrations…

Le choix de la forme des aubes est également crucial. Les aubes sont d’une conception tridimensionnelle complexe avec des parties convexes, concaves, un profil vrillé. Cette forme joue sur la concentration des contraintes, les frottements, la présence d’éventuels obstacles au flux de vapeur, l’état de surface et l’existence de micro-fissures (qui sont des pièges où des contaminants peuvent s’accumuler et atteindre une concentration élevée), le risque d’apparition de zones turbulentes ou de stagnation du fluide… Tout cela a un impact sur la performance de la turbine mais aussi sur les risques d’endommagement (casse mécanique, érosion sur les bords de fuite, corrosion).

Le choix des matériaux influence les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion… Mais les caractéristiques plus en amont de l’installation doivent aussi être prises en compte. En effet, - le flux de vapeur et ses caractéristiques thermodynamiques (niveaux de pression et température en tous points de la détente) jouent sur la transmission d’une onde de choc le long du profil de l’aube (vibrations), sur les phénomènes de condensation et d’humidité, sur l’angle d’incidence sur l’aube … - les transferts thermiques influencent la température de surface de l’aube, l’évaporation de l’humidité, les phénomènes d’expansion…

Lors de la conception, les aspects mécaniques sont assez bien compris et pris en compte afin de s’inscrire dans les meilleures pratiques pour la construction d’une turbine. En effet, la CFD (Calculs et Simulation en Dynamique des fluides) permet d’appréhender correctement la circulation du fluide au sein de la turbine et de vérifier l’absence de zones stagnantes (où des impuretés risquent de s’accumuler) ou l'absence de zones de by-pass des aubes (la vapeur ne circule pas où il faut).

Et si malgré tous les efforts, il y a décidément des zones « sensibles », on peut alors jouer sur le choix des matériaux plus résistants (bien que cette option présente d’autres risques, tels que la corrosion galvanique).

L'impact des autres aspects sont plus difficiles à estimer finement (caractéristiques chimiques et thermodynamiques).

Les actions au niveau de l’exploitation

Côté exploitation de l’installation, le traitement adéquat de l’eau de chaudière, le suivi de sa qualité ainsi que celle de la vapeur permettent de limiter les phénomènes de corrosion au sein de la turbine. Le prochain billet abordera les conditions les plus protectrices.

Références : M. Nurbanasari, Abdurrachim, “Crack of a first stage blade in a steam turbine”, Case Studies in Engineering Failure Analysis 2 (2014), pp 54–60

Kushwaha A D., Soni A. Garewal L., “Critical review paper of Steam Turbine Blades Corrosion and its solutions”, International Journal of Scientific Research engineering & Technology, Vol 3, Issue 4, July 2014