Performances des vannes : un élément clé pour la fiabilité et l'efficacité des compresseurs à pistons dans les applications à l'hydrogène

Par Steve Chaykosky, Siemens Energy et Joel Sanford, Siemens Energy20 mars 2023

Les compresseurs alternatifs sont des équipements critiques dans le secteur aval traditionnel, qui dépend de volumes élevés d'hydrogène gazeux sous pression. Le reformage du méthane à la vapeur produit la majeure partie de l'hydrogène consommé par les procédés de raffinage du pétrole. Le besoin croissant d'hydrogène plus propre tout au long de la chaîne de valeur, y compris le transport et le stockage, élargit rapidement le marché des compresseurs nouveaux et rénovés. Avec plus d'actifs de compression à maintenir, les opérateurs se concentrent sur l'obtention de temps de disponibilité plus longs. Les vannes jouent un rôle important dans l'efficacité et la fiabilité des compresseurs à pistons.

Une vaste enquête menée en 1995 auprès des utilisateurs finaux de compresseurs à hydrogène (Leonard, S M. Augmenter la fiabilité des compresseurs à hydrogène alternatifs. Traitement des hydrocarbures, janvier 1996) a révélé que les vannes étaient la principale cause des temps d'arrêt imprévus. Cette découverte a contribué à stimuler les efforts de recherche et de développement qui ont conduit à des améliorations significatives dans la technologie des vannes au cours des 25 dernières années.

Dans cet article, nous discutons de la fonctionnalité de base des vannes de compresseurs alternatifs et décrivons les variables clés qui ont un impact sur leurs performances dans les applications d'hydrogène.

Les vannes de compresseur à piston sont des clapets anti-retour à grande vitesse, actionnés par pression et à ressort. Bien qu'il existe de nombreux styles de vannes différents, tous utilisent quatre composants principaux : 1) siège, 2) plaque d'arrêt, 3) élément mobile et 4) ressort.

La figure 1 ci-dessous montre une vanne MAGNUM™ avec les composants étiquetés. Ces clapets anti-retour spécialisés se présentent sous différentes formes et tailles. Cependant, ils remplissent tous la même fonction, à savoir permettre au gaz à basse pression d'entrer dans la bouteille où il est comprimé et de sortir sous forme de gaz à haute pression.

La pression différentielle à travers la vanne fournit une force pour pousser l'élément mobile loin de sa position fermée contre le siège vers sa position ouverte contre la plaque d'arrêt. La distance de déplacement vertical de l'élément mobile est définie comme la levée de soupape. Les ressorts fournissent une force pour ramener l'élément mobile de la plaque d'arrêt vers sa position fermée contre le siège. Les vannes s'actionnent toutes les 200 millisecondes ou moins (selon la vitesse du compresseur) et sont soumises à de fortes charges de fatigue.

Pourtant, on s'attend à ce qu'ils fonctionnent efficacement et sans problème entre les révisions programmées du compresseur, qui ont généralement lieu tous les trois ans ou plus. Cela souligne la criticité de la conception, du fonctionnement et de la maintenance des vannes.

Les éléments d'étanchéité et les ressorts sont les pièces mobiles de la vanne. Les ingénieurs de conception les étudient de près car ils supportent le poids de l'usure. "Combien de temps ça va durer?" est la question la plus fréquemment posée à propos des vannes de compresseur. La réponse dépend de nombreuses variables, généralement réparties entre facteurs de conception et facteurs opérationnels.

Les facteurs de conception sont contrôlés par l'OEM de la vanne, tandis que les facteurs opérationnels sont déterminés par l'utilisateur final du compresseur. Les concepteurs équilibreront la fiabilité des soupapes et l'efficacité du compresseur en sélectionnant la levée des soupapes, la force du ressort et les matériaux de construction. Des algorithmes informatiques simulent la dynamique de la vanne à l'aide de paramètres de fonctionnement tels que la pression, la température, le poids moléculaire et la vitesse du compresseur. La conception finale de la vanne est adaptée conformément aux directives d'application.

Les facteurs opérationnels sont le plus souvent liés à la qualité du gaz, en particulier la présence de contaminants solides ou liquides. Si la saleté et les débris du flux de gaz pénètrent dans le cylindre, les soupapes, les segments de piston, les bandes de cavalier et les garnitures courent un risque plus élevé d'usure accrue et de défaillances prématurées. Étant donné que les liquides sont pratiquement incompressibles, les vannes peuvent être surchargées lorsque le piston tente de comprimer le gaz entraîné par le liquide. Une mauvaise lubrification du cylindre, trop ou trop peu, peut entraîner une dynamique de soupape sous-optimale. Le fonctionnement du compresseur dans des conditions hors conception significatives peut également affecter négativement la dynamique de la vanne. Enfin, une mauvaise pratique de réparation des vannes peut réduire considérablement la durée de vie des vannes. Si l'hydrogène produit commercialement est généralement considéré comme un gaz propre, la plupart des facteurs opérationnels affectant la fiabilité des vannes sont moins préoccupants que les facteurs de conception des vannes.

De nombreux styles de vannes différents ont émergé au fil des ans, ce qui a donné lieu à une large gamme de géométries d'éléments mobiles. Pratiquement tous ont été appliqués au service de l'hydrogène avec plus ou moins de succès. Les cinq principaux types de vannes sont décrits ci-dessous (et illustrés à la figure 2).

Vanne à anneau concentrique - Chaque ensemble de soupape utilise plusieurs anneaux de différentes tailles (diamètres). Bien que la figure montre un ensemble de vannes avec seulement quatre anneaux, les vannes plus grandes peuvent en accueillir jusqu'à 10. Chaque anneau a son propre jeu de ressorts. Pour protéger le ressort lors de l'actionnement, un petit bouton cylindrique est situé entre chaque ressort et son anneau. Ces bagues ont une section transversale rectangulaire et scellent contre une surface d'assise plate. Les vannes à anneau concentrique étaient couramment utilisées dans les compresseurs à hydrogène au milieu des années 1990, date à laquelle l'enquête a été menée.

Vanne à plaque à port - La plaque à orifices est essentiellement un ensemble connecté d'anneaux concentriques dans un seul élément de soupape. Étant donné que les tailles de soupape varient considérablement, il en va de même pour les tailles de la plaque. La plaque est soutenue par un arrangement de ressort bien équilibré. Comme pour les anneaux concentriques ci-dessus, la plaque se scelle contre une surface de siège plate.

Soupape de ventilation - L'élément de soupape à champignon présente une tête en forme de champignon, qui a un diamètre nettement plus grand que la tige. Chaque ressort de rappel est logé dans la tige. Les ressorts ont un rapport d'élancement (longueur sur diamètre moyen) plus élevé que les autres types de soupapes. La tête de clapet est profilée et se scelle contre une surface biseautée sur le siège.

Vanne MAGNUM HAMMERHEAD™ - La valve brevetée HAMMERHEAD utilise un élément dont le diamètre tête-tige est beaucoup plus petit que le clapet. Les ressorts de rappel, également plus petits, utilisent des inserts non métalliques. La tête profilée de l'élément scelle contre une surface d'assise inclinée.

Vanne MAGNUM - La vanne MAGNUM utilise un élément de forme cylindrique, de sorte que le diamètre de la tête et le diamètre de la tige sont identiques. Alternativement, l'élément de balle MAGNUM'S peut être considéré comme "sans tête". Les ressorts de rappel relativement petits utilisent les mêmes inserts non métalliques que le HAMMREHEAD. La tête inclinée de l'élément assure l'étanchéité contre une surface biseautée sur le siège. Le MAGNUM est la vanne de choix dans les compresseurs à hydrogène depuis près de 25 ans.

Une vanne efficace permet au compresseur de fournir le débit de gaz le plus élevé aux pressions souhaitées en consommant le moins d'énergie. Les vannes peuvent être considérées comme un orifice avec une zone d'écoulement définie par la géométrie de la vanne. Un orifice plus grand a moins de restriction de débit et induit moins de chute de pression.

Étant donné qu'il existe une relation entre la chute de pression et la consommation d'énergie, plus l'orifice est grand (c'est-à-dire la zone d'écoulement de la vanne), plus la consommation d'énergie est faible. Étant donné que tout le gaz entrant dans le compresseur doit s'écouler à travers les vannes, la minimisation de la chute de pression de la vanne favorise une meilleure efficacité du compresseur en minimisant la consommation d'énergie du pilote.

Les compresseurs à hydrogène sont généralement entraînés par de gros moteurs électriques, et il est utile de minimiser leur consommation d'énergie. La maximisation de la zone d'écoulement de la vanne n'est que l'une des deux considérations principales pour optimiser l'efficacité de la vanne. L'autre est le jeu des soupapes.

La plupart des soupapes sont positionnées aussi près que possible de l'alésage du cylindre. Plus précisément, la plaque d'arrêt de soupape d'admission et le siège de soupape de refoulement sont situés à côté de l'alésage du cylindre. Le jeu des soupapes est défini comme le volume de gaz contenu dans les passages d'écoulement de la plaque d'arrêt d'admission et du siège de refoulement car ces volumes communiquent avec l'alésage du cylindre et s'ajoutent donc au jeu du cylindre. Étant donné qu'un jeu de cylindre plus élevé réduit le débit du compresseur, un jeu de soupape plus élevé entraîne également un débit de compresseur inférieur, et donc une efficacité moindre du compresseur. Les compresseurs à hydrogène doivent fonctionner efficacement, de sorte que l'objectif de conception devient de fournir des vannes avec une zone d'écoulement optimisée et un faible jeu.

Une zone d'écoulement de soupape plus élevée est obtenue avec une levée de soupape plus élevée, mais seulement jusqu'à une certaine limite. Les caractéristiques géométriques de chaque type de vanne déterminent cette limite de levée, au-delà de laquelle plus de section d'écoulement ne peut être obtenue. Les tests en laboratoire mesurent les coefficients de débit à différentes levées, permettant d'obtenir des zones de débit pour chaque type de vanne.

Un graphique de la levée par rapport à la surface d'écoulement effective comparant différents types de vannes est présenté dans la figure. Étant donné que l'hydrogène pur est le gaz le plus léger, avec un poids moléculaire de 2,02, et que la chute de pression de la vanne est directement proportionnelle au poids moléculaire, une chute de pression raisonnable de la vanne pour les applications d'hydrogène peut normalement être obtenue avec une section d'écoulement de vanne relativement faible. Par conséquent, des levées de soupapes inférieures sont normalement appliquées en service hydrogène. La zone en surbrillance de la figure compare les zones d'écoulement de différents types de vannes dans la plage de levée de 0,030" à 0,080".

Par conséquent, l'efficacité de la vanne pour les applications d'hydrogène est déterminée en évaluant les distinctions entre le jeu et la zone d'écoulement entre les différents types de vannes. La vanne MAGNUM, avec son élément mobile relativement petit et une distance optimisée entre les éléments, est spécialement conçue pour un faible jeu tout en ayant une section d'écoulement égale aux vannes à anneau concentrique. L'anneau concentrique, la plaque à orifices et le HAMMERHEAD ont des volumes de jeu de soupape plus élevés. La soupape à clapet, avec son élément mobile relativement haut et ses grands passages de gaz, a le volume de dégagement le plus élevé et la section d'écoulement la plus faible de tous les types de soupapes.

Tout comme l'efficacité des vannes est importante pour l'efficacité globale du compresseur, il en va de même pour la fiabilité des vannes et la disponibilité globale du compresseur. Les résultats de l'enquête de 1995 sur les compresseurs à hydrogène illustrent clairement ce point. Plusieurs facteurs de conception influencent la fiabilité de la vanne, tels que les matériaux de construction et la géométrie/configuration.

La compatibilité avec les gaz, la solidité, la résistance aux chocs et la résistance à la corrosion sont des variables importantes à prendre en compte lors de la sélection d'un matériau de construction. Les matériaux pour le service de l'hydrogène sont bien établis. La fonte nodulaire (également appelée fonte ductile) est un matériau de siège et de plaque d'arrêt éprouvé pour tous les types de vannes, mais d'autres qualités de fer et d'acier peuvent également être utilisées.

Avant l'avènement des éléments mobiles non métalliques, qui sont utilisés dans presque tous les types de vannes aujourd'hui, les anneaux et plaques concentriques étaient en acier inoxydable. Cependant, lorsque des anneaux et des plaques en acier tombaient en panne en service, des fragments des pièces brisées causaient des dommages secondaires aux pistons, aux chemises de cylindre et aux soupapes adjacentes.

Le PEEK (PolyEtherEtherKetone), un thermoplastique à haute résistance qui n'absorbe pas l'humidité, est couramment utilisé pour fabriquer les éléments mobiles d'aujourd'hui. Le PEEK absorbe bien mieux les vitesses d'impact que l'acier inoxydable, et si un élément se brise, les morceaux cassés causent rarement des dommages secondaires importants.

Une large gamme de matériaux de fil est utilisée pour les ressorts, y compris l'acier allié au chrome-silicium et l'acier inoxydable 17-7 PH.

Tous les matériaux mentionnés ci-dessus sont compatibles avec l'hydrogène pur, y compris l'hydrogène produit par des électrolyseurs alcalins pouvant contenir des traces d'hydroxyde de potassium (KOH). Certains mélanges riches en hydrogène peuvent contenir des constituants corrosifs comme le sulfure d'hydrogène (H2S). Dans ce cas, les normes NACE (National Association of Corrosion Engineers) pour le service de gaz acide peuvent s'appliquer, ce qui modifiera la sélection des matériaux de certains composants. Par exemple, même si le fer nodulaire est un matériau éprouvé pour le siège et la plaque d'arrêt en service acide, les utilisateurs finaux peuvent préférer l'acier inoxydable 17-4 PH plus résistant à la corrosion. Le PEEK est inerte à la plupart des gaz et fonctionne bien en service acide. ELGILOY® et HASTEALLOY® font partie des différents matériaux de ressorts qui répondent aux normes NACE.

Les éléments mobiles de la vanne sont soumis à des contraintes imposées par des forces de pression différentielle et des forces d'impact. La pression différentielle est la différence entre la pression de refoulement et la pression d'entrée à chaque étage de compression. L'élément mobile doit être suffisamment solide pour résister à la force de pression différentielle lorsqu'il est fermé contre le siège de soupape. Sa résistance dépend de la géométrie et du matériau de construction.

L'élément de clapet impacte la plaque d'arrêt lors de son ouverture et le siège lors de sa fermeture. Les vitesses d'impact d'ouverture et de fermeture augmentent avec des levées de soupapes accrues, des pressions de fonctionnement plus élevées et des vitesses de compresseur plus élevées. Par conséquent, il est important de calculer les vitesses d'impact de l'élément mobile pour s'assurer qu'il peut résister aux forces d'impact. Les compresseurs à hydrogène utilisent normalement des vannes avec des levées inférieures, dans la plage de 0,030" à 0,060". La plupart des vitesses de moteur sont relativement faibles, de l'ordre de 300 à 600 tr/min. Cette combinaison est de bon augure pour une bonne fiabilité de la vanne, même à des pressions de refoulement élevées.

La capacité d'un élément de valve mobile à absorber des vitesses d'impact élevées détermine souvent sa durée de vie. Certaines géométries d'éléments sont mieux adaptées que d'autres pour supporter des charges d'impact importantes. La nature et la quantité des surfaces de contact de l'élément mobile sont essentielles. Le contact plat peut être problématique. Les anneaux concentriques à section rectangulaire ont des surfaces de contact planes. En fonctionnement, le contact initial se produit sur le bord extérieur de chaque anneau. Cette charge ponctuelle relativement élevée confère une contrainte de traction (flexion) élevée aux anneaux. Le mode de défaillance typique d'un anneau concentrique est une fracture qui a pris naissance sur un bord extérieur.

Les plaques à orifices ont également une surface de contact plane. Si le diamètre extérieur de la plaque à orifices est circulaire, il fonctionne de la même manière qu'un anneau concentrique. Le mode le plus fréquent de rupture de plaque avec orifice est également une fracture initiée au niveau d'un bord extérieur. La géométrie de plaque à orifices polygonaux brevetée de Siemens Energy force les impacts initiaux sur un bord avec une section transversale plus élevée qu'une plaque circulaire et est mieux à même d'absorber les vitesses d'impact.

Les éléments de champignon en forme de champignon ont été parmi les premiers à utiliser un contact de surface incliné au lieu d'un contact plat. Le profil de contrainte sur la tête de champignon s'est avéré favorable pour de nombreuses applications d'hydrogène.

Cependant, le rapport tête-tige élevé impose une limite de pression différentielle sur l'élément champignon, de sorte qu'il n'a pas pu être appliqué à l'étage final de certains compresseurs à hydrogène. Des années plus tard, les éléments MAGNUM et HAMMERHEAD ont été conçus avec des surfaces de contact inclinées optimisées qui dispersent plus efficacement l'énergie d'impact et résistent donc à des vitesses d'impact beaucoup plus élevées.

L'analyse par éléments finis (FEA) montre des contraintes de traction minimales sur les éléments MAGNUM et HAMMERHEAD, même sous des charges élevées. Cela aide qu'ils aient des diamètres beaucoup plus petits que les anneaux et les plaques concentriques. Les éléments de valve avec des contraintes de traction minimales doivent être robustes et durables car s'ils ne peuvent pas se plier facilement, ils ne peuvent pas facilement se casser.

Des tests internes à long terme en laboratoire sur un compresseur à grande vitesse ont confirmé que l'élément MAGNUM peut résister à des pressions différentielles et des températures de refoulement extrêmes sous des charges d'impact élevées. Là où les géométries à plaques plates échoueraient, le MAGNUM a survécu. Après trois ans de tests bêta réussis sur plus de 100 cylindres de compresseur, avec un temps de fonctionnement cumulé de la vanne de 250 000 heures, la vanne MAGNUM a été introduite sur le marché. Bien dans sa troisième décennie, la vanne MAGNUM a été appliquée avec succès dans des centaines de compresseurs à hydrogène, dont beaucoup avec des plaques signalétiques non Dresser-Rand.

Alors que l'économie de l'hydrogène continue de se développer à l'échelle mondiale, les applications de compresseur nécessitant des alésages de cylindre beaucoup plus grands sont de plus en plus courantes. Étant donné que la minimisation du jeu des cylindres est essentielle pour atteindre les débits de compresseur requis, ces cylindres plus grands utilisent des soupapes moins nombreuses mais plus grandes. Pour atteindre simultanément l'efficacité requise du compresseur, ces vannes plus grandes doivent être conçues pour fournir des zones de débit beaucoup plus élevées. Ce défi de conception unique a été surmonté en appliquant la vanne Siemens Energy HAMMERHEAD. Les tests de débit en interne montrent que le HAMMERHEAD fournit une zone de débit nettement plus importante que la vanne MAGNUM. Pour obtenir des zones de débit de soupape élevées, l'élément de clapet HAMMERHEAD présente une tête légèrement profilée, optimisée avec l'analyse de la dynamique des fluides informatisée (CFD). Les vannes HAMMERHEAD ont été rapidement déployées et adoptées sur le marché et s'avèrent aussi fiables que la vanne MAGNUM.

Lorsque les soupapes du compresseur ne fonctionnent pas correctement, des ressorts endommagés peuvent être impliqués. La dynamique des ressorts de soupape de compresseur alternatif est compliquée. Une compréhension complète s'est révélée insaisissable. Le conservatisme dans la conception des ressorts est donc utile. En plus d'utiliser un matériau compatible avec les gaz, il est important de sélectionner un fil avec une résistance à la traction et à la fatigue adéquate pour l'application. Cela peut être difficile si la géométrie de l'élément de vanne et les conditions de fonctionnement contraignent la conception du ressort à être fabriqué à partir d'un certain matériau, diamètre de fil, diamètre extérieur et longueur libre.

Le mouvement des éléments de soupape du compresseur ressemble à une onde carrée, avec des événements d'ouverture et de fermeture rapides. Ce mouvement d'onde carrée peut imposer des contraintes de ressort élevées. Les ressorts sont conçus pour être toujours en compression et sont donc précontraints en position fermée. Cependant, si l'élément de soupape s'ouvre avec une force particulièrement élevée, le ressort initialement préchargé pourrait se déplacer au-delà de sa hauteur de conception finale et s'éloigner de l'élément. Un tel dépassement signifie que le ressort pourrait se comprimer à sa hauteur solide, surchargeant potentiellement le fil.

Sur le terrain, si des ressorts sont trouvés avec des bobines plates adjacentes, souvent brillantes, c'est le signe révélateur d'un contact bobine à bobine. Dans le cas de la vanne MAGNUM, tous les ressorts sont conçus avec de très faibles contraintes de hauteur solide pour minimiser les problèmes de contact bobine à bobine. Étant donné que les ensembles de vannes MAGNUM et HAMMERHEAD sont conçus pour utiliser des ressorts individuels identiques, il existe une pression de ressort équilibrée intégrée. Cela contraste avec les anneaux concentriques individuels, qui ont une pression de ressort non uniforme (force du ressort divisée par la surface de l'anneau). La dynamique des soupapes avec une pression de ressort aussi déséquilibrée peut être médiocre, ce qui peut entraîner la fermeture tardive de certains anneaux et d'autres qui flottent (oscillent mal). Un tel mouvement de soupape peut entraîner des défaillances prématurées du ressort, des défaillances de l'anneau ou les deux.

Les utilisateurs finaux qui utilisent et entretiennent correctement les compresseurs à hydrogène avec des vannes éprouvées et fiables s'attendent à ce qu'ils durent jusqu'à la prochaine révision planifiée de l'unité (généralement trois à cinq ans ou plus). La vanne la plus durable est toujours une pièce d'usure et doit éventuellement être réparée ou remplacée. La meilleure pratique consiste donc à stocker des pièces de rechange et des outils de reconditionnement de vanne sur site.

La plupart des compresseurs d'appoint à hydrogène sont des unités à plusieurs étages avec différentes tailles de cylindres, de sorte que de nombreuses tailles de vannes différentes sont souvent rencontrées dans un seul compresseur. Par conséquent, lorsque des vannes à anneau concentrique et à plaque à orifice sont utilisées, plusieurs tailles d'anneau et de plaque doivent être stockées. Ces types de vannes utilisent également des raideurs de ressort différentes, ce qui nécessite de stocker également différents ressorts. Cela peut être coûteux et fastidieux.

En revanche, l'élément de soupape MAGNUM, fabriqué à partir d'un mélange spécial de PEEK, est utilisé dans toutes les soupapes à tous les stades de compression. La gamme de ressorts MAGNUM se compose de seulement quatre ressorts différents et de deux matériaux de ressort différents. Par conséquent, les composants de remplacement de soupape typiques pour un compresseur entier consistent en un numéro de pièce d'élément MAGNUM et seulement un ou deux numéros de pièce de ressort.

Si des HAMMERHEADS sont appliqués au lieu de MAGNUMS, la situation de stockage sera la même. L'élément de valve HAMMERHEAD serait utilisé dans toutes les étapes de compression. Étant donné que la conception de la soupape HAMMERHEAD utilise la gamme de ressorts MAGNUM, seuls un ou deux numéros de pièce de ressort sont utilisés dans l'ensemble du compresseur. Lorsque la réparation des soupapes MAGNUM ou HAMMERHEAD devient nécessaire, un outil spécial de reconditionnement du biseau du siège est disponible pour ramener les surfaces d'étanchéité aux spécifications d'usine. Le MAGNUM et le HAMMERHEAD facilitent le défi logistique du stockage des composants de valve de rechange dans toute la mesure du possible.

Une importante raffinerie de pétrole aux États-Unis connaissait un temps moyen entre pannes de soupape (MTBF) de 10 mois sur une flotte de 21 compresseurs qui avaient 50 cylindres en fonctionnement continu. Ce court MTBF représentait la principale raison des arrêts imprévus des compresseurs à la raffinerie. La plupart des compresseurs sont en service à l'hydrogène et fonctionnent à des pressions de refoulement allant jusqu'à 1825 psia et à des vitesses de moteur allant de 285 tr/min à 585 tr/min. Une moyenne annuelle de 16 défaillances de vannes de 2000 à 2002 signifiait qu'une équipe dédiée de mécaniciens changeait les vannes toutes les trois à quatre semaines. C'est dans ce contexte que les vannes MAGNUM ont été testées en version bêta sur un petit compresseur de la raffinerie pendant environ deux ans. Après des tests réussis, les vannes MAGNUM ont été installées dans deux des plus grands compresseurs à hydrogène de la raffinerie et ont fonctionné sans problème jusqu'à la prochaine révision prévue.

La plupart des compresseurs restants ont été équipés de vannes MAGNUM au cours des trois années suivantes. La moyenne annuelle des pannes de vannes entre 2003 et 2007 est passée de 16 à 2 sur le même parc de 21 unités. De 2008 à 2015, la flotte s'est étendue à 27 compresseurs avec 70 cylindres en fonctionnement continu, au cours desquels il y a eu en moyenne une seule panne de vanne MAGNUM par an. Pour une idée d'échelle, il y a plus de 500 vannes installées dans les 27 compresseurs.

En 2016, tous les compresseurs étaient équipés de vannes MAGNUM ou HAMMERHEAD. Le nombre moyen de défaillances de vannes de 2016 à 2022 était également d'un seul par an. En fait, la seule défaillance de vanne enregistrée en 2022 n'a pas été attribuée à une usure typique, mais plutôt à des dépôts de traitement dans le flux de gaz.

Le MTBF de la vanne a considérablement augmenté jusqu'à 60 mois après que les vannes MAGNUM sont devenues la norme de la raffinerie, ce qui représente une amélioration multipliée par six qui continue d'être maintenue. La figure 5 montre la forte réduction des défaillances de vannes après l'introduction des MAGNUMS il y a 20 ans. L'amélioration rapide et soutenue du MTBF signifie que les vannes du compresseur ne sont plus la principale raison des arrêts imprévus à la raffinerie.

Pour citer un ingénieur fiabilité d'une raffinerie : « L'objectif initial était de pouvoir faire fonctionner nos compresseurs à des intervalles d'au moins 5 ans sans aucun entretien nécessitant un arrêt. Avant de convertir les vannes en vannes MAGNUM, nous ne pouvions même pas rêver d'approcher cet objectif. . Depuis l'utilisation des vannes MAGNUM, notre MTBF a régulièrement augmenté jusqu'à plus de 5 ans. Il s'agissait d'un effort conjoint entre nous et le fabricant/concepteur qui a nécessité une quantité importante de travail dans un court laps de temps pour atteindre et dépasser cet objectif. Cette augmentation de la durée de vie de la soupape s'est traduite par une durée de vie accrue du piston et de la bague de cavalier.

Auparavant, lorsque les vannes commençaient à tomber en panne, il y avait une augmentation rapide de la température locale en raison de la conception des vannes. Cet échauffement localisé est très probablement la cause de la dégradation du cavalier et du segment de piston. Les opérations se poursuivront toujours jusqu'à ce que l'arrêt de la température de décharge globale se produise. Un scénario potentiel serait une vanne de décharge de tête de réseau défaillante ou défaillante un vendredi qui entraînerait une défaillance de la goupille de poignet d'ici lundi. La capacité de la vanne MAGNUM à continuer de fonctionner alors qu'elle est partiellement endommagée (que nous appelons "limpability") est ce qui empêche ces mécanismes de défaillance de se produire.

Avant cet effort, nous avions un nombre important d'arrêts « coûteux » non planifiés. Aujourd'hui, nous faisons généralement demi-tour pour faire demi-tour où nous effectuons nos révisions sur une base de maintenance préventive.

Nous voyons des machines fonctionner 7-8 ans et notre objectif est d'avancer à partir de 5 ans. Un jour, nous pourrons atteindre 10 ans sans arrêt comme un événement courant sur une grande population de cylindres."

Pendant des décennies, les compresseurs alternatifs ont joué un rôle essentiel dans la fourniture d'hydrogène à haute pression dans les applications de raffinage. Ces dernières années, leur gamme d'utilisations s'est élargie pour inclure les usines d'électrolyse, les usines de liquéfaction d'hydrogène et les canalisations d'hydrogène. Bien que les exigences de compression dans ces différentes installations varient, la disponibilité et l'efficacité restent essentielles. La conception des vannes est essentielle à cet égard et constitue un domaine d'intérêt clé pour les utilisateurs finaux et les opérateurs. Une application correcte des vannes évite les pertes de revenus associées aux temps d'arrêt imprévus.