Projet de Fin d’Etudes
Projet de Fin d’Etudes
Dédicace
A la mémoire de mes chers grands parents, que dieu ait leur âme.
A mes chers parents, qui ont toujours su nous prodiguer les bons conseils, pour tous les
sacrifices qu’ils ont dû faire pour nous donner les meilleures conditions de vie.
Veuillez trouver en ce travail la preuve d’amour et du respect que je porte pour vous.
A mon cher frère Nabil, à mes chères sœurs Fadoua et Hajar,
A ma chère belle sœur Lamiae et mon cher beau frère Khalid,
A mes chers neveux Saad, Elyazid et Ali
Pour l’amour et le soutien que vous m’avez prodiguée, et pour tous les agréables moments
passés et à venir.
A mes chers oncles, et mes chères tantes,
A mes chers cousins et chères cousines,
Que ce travail puisse être le témoignage de mon amour et mon respect.
A mes chères amies : Firdaous, Khaoula, Boutaina, Hind, Farah, Sarah, Houda, Sanae, Nihad et
Salsabille pour tous les moments agréables et difficiles qu’on a partagées.
A tous mes amis et les gens que j’aime, qui ont cru en moi et m’ont soutenu.
Imane
Projet de Fin d’Etudes
Remerciements
Je tiens à exprimer ma gratitude et ma plus haute reconnaissance, en premier lieu, à
mes encadrants Monsieur ELMALIKI et Monsieur MESKINI pour tout le temps qu’ils m’ont
consacrée et tous les conseils qu’ils m’ont prodiguée durant tout mon Projet de Fin
d’Etudes.
Je tiens à remercier aussi LAFARGE BOUSKOURA de m’avoir accueilli tout au long
de mon Projet de Fin d’Etudes au sein du service mécanique.
Je remercie particulièrement :
Monsieur EL FAKIR, mon parrain industriel, qui m’a formé tout au long de la période
de mon stage en me faisant part de son expérience professionnelle et de ses compétences.
Le personnel du bureau des méthodes pour leur aide, et plus particulièrement
Monsieur WAOUA et Monsieur NABIH.
Je tiens à remercier aussi tout le corps professoral de l’Ecole Nationale Supérieure
d’Electricité et de Mécanique, et tous ceux qui ont participé de près ou de loin à la réussite
de ce travail.
Projet de Fin d’Etudes
Résumé
Dans ce projet de fin d’études, nous avons réalisé l’étude d’une avarie apparue sur un
galet du broyeur vertical BC3 à LAFARGE Bouskoura.
Notre étude s’est basée sur cinq axes essentiels. Nous avons commencé par une analyse
de la fissure qui nous a permis de définir les différents éléments intervenant dans l’apparition
de cette avarie.
Une analyse détaillée de ces éléments et de leur influence sur l’état du galet a été nécessaire
pour déterminer l’origine exacte de la fissure et proposer les solutions adéquates.
Afin d’établir un plan de maintenance du galet, nous avons réalisé une étude AMDEC
permettant ainsi la connaissance des organes les plus défaillants du broyeur.
Enfin, une étude technico-économique a mis en valeur les solutions proposées par un
important rendement sur le niveau financier.
Projet de Fin d’Etudes
Abstract
In this final project of studies, we have realized the study of an average appeared on a
pebble of the vertical crusher BC3.
Our study is based on five essential axes. We have begun with an analysis of the crack
which allowed us to define the various elements occurring in the appearance of this average.
A detailed analysis of these elements and their influence on the state of the pebble was necessary
to determine the exact origin of the crack and propose the adequate solutions.
In order to set up a plan of maintenance of the pebble, we have realized the FMEA skill which
allowed us to know the most failing organs of the crusher.
Finally, a technico-economic study has reclaimed the proposed solutions by an important
financial efficiency.
Projet de Fin d’Etudes
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1
Projet de Fin d’Etudes
Table des matières
Liste des figures .................................................................................................................................5
Liste des tableaux ...............................................................................................................................7
Introduction .......................................................................................................................................8
Cahier des charges ..............................................................................................................................9
1. LAFARGE groupe.................................................................................................................11
2. LAFARGE Maroc .................................................................................................................12
3. LAFARGE BOUSKOURA ....................................................................................................14
3.1. Les dates clés .................................................................................................................14
3.2. Organigramme de l’entreprise .........................................................................................15
4. Procédé de fabrication du ciment ............................................................................................16
5. Présentation des différentes étapes de fabrication du ciment .....................................................16
5.1. Exploitation de la carrière ...............................................................................................16
5.2. Le concassage ................................................................................................................17
5.3. La pré-homogénéisation..................................................................................................18
5.4. Le broyage du cru...........................................................................................................18
5.5. La cuisson......................................................................................................................18
5.6. Broyage du ciment .........................................................................................................20
5.7. Ensachage et expédition..................................................................................................21
CHAPITRE II : Description du broyeur .............................................................................................24
1. Prinicipe de fonctionnement du broyeur vertical à galets BC3...................................................25
1.1. Les galets du broyeur vertical BC3 ..................................................................................26
2
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Le plateau de broyage .....................................................................................................27
1.3. Les tirants ......................................................................................................................28
1.4. L’anneau de buses ..........................................................................................................28
CHPITRE III : Analyse de la fissure ..................................................................................................29
1. Enquête préliminaire ..............................................................................................................30
1.1. Observations générales de la fissure.................................................................................30
1.2. Matériau utilisé ..............................................................................................................31
1.3. Contrôles effectués sur les galets .....................................................................................31
1.4. La gamme de fabrication.................................................................................................32
1.5. Conditions d’utilisation prévues ......................................................................................32
1.6. Circonstances de l’incident .............................................................................................36
1.7. Informations susceptibles d’être liées à l’incident .............................................................38
2. Analyse morphologique de la fissure.......................................................................................39
2.1. Classification de la défaillance ........................................................................................39
2.2. L’aspect général de la fissure ..........................................................................................39
2.3. Influence du type du chargement sur le faciès...................................................................40
3. Analyses complémentaires .....................................................................................................41
3.1. Analyse chimique de l’échantillon ...................................................................................41
3.2. Mesure de la dureté ........................................................................................................42
3.3. L’examen microscopique de la fonte................................................................................42
CHAPITRE IV : Analyse des causes de l’avarie .................................................................................45
1. Etude de la fatigue .................................................................................................................46
1.1. Les cycles de travail .......................................................................................................46
2. Etude de l’influence de la corrosion et des contraintes thermiques ............................................47
3
Projet de Fin d’Etudes
2.1. Etude de la corrosion ......................................................................................................47
2.2. Etude de la résistance aux chocs thermiques .....................................................................48
3. Etude des vibrations ...............................................................................................................49
3.1. Outil de mesure ..............................................................................................................50
3.2. Observations générales ...................................................................................................50
3.3. Analyse des différentes causes des vibrations ...................................................................53
CHAPITRE V : Les solutions proposées ............................................................................................57
1. Contrôles Non Destructifs ......................................................................................................58
2. Amélioration du matériau.......................................................................................................58
2.1. Le Xwin ........................................................................................................................59
2.2. Les bandages duocast de l’Xwin......................................................................................59
2. Equilibrage de l’usure ............................................................................................................60
2.1. Mesure de l’usure ...........................................................................................................60
2.2. Retournement du train de galets.......................................................................................61
3. Traitements superficiels .........................................................................................................62
3.1. Principe .........................................................................................................................62
4. Solutions relatives aux vibrations ............................................................................................63
4.1. L’épaisseur de la couche de matière.................................................................................63
4.2. L’anneau de buses ..........................................................................................................64
4.3. La puissance absorbée par le moteur ................................................................................64
4.4. Les éléments de la matière première ................................................................................64
4.5. Les balourds...................................................................................................................64
4.6. Préventions pour garder un niveau vibratoire commode ....................................................64
CHAPITRE VI : Analyse des Modes de Défaillances de leur Effets et de leur Criticité(AMDEC) ..........67
4
Projet de Fin d’Etudes
1. Définition..............................................................................................................................68
2. Démarche pratique de la méthode AMDEC .............................................................................68
3. Analyse des mécanismes de la défaillance ...............................................................................68
4. Estimation de la criticité .........................................................................................................71
4.1. Indice de fréquence F .....................................................................................................71
4.2. Indice de gravité G .........................................................................................................72
4.3. Indice de non-détection D ...............................................................................................73
4.4. Calcul de la criticité C ....................................................................................................73
5. Courbe de criticité .................................................................................................................75
6. Les actions rectificatives ........................................................................................................76
7. Estimation de la criticité par les indices finaux ........................................................................77
8. Courbe de criticité finale ........................................................................................................78
9. Le suivi.................................................................................................................................79
10. Gamme de maintenance concernant le broyeur vertical BC3 .................................................80
CHAPITRE VII : L’étude technico-économique .................................................................................82
1. Coût de la maintenance effectuée en cas de la fissure/rupture du bandage ..................................83
1.1. Les coûts directs.............................................................................................................83
1.2. Les coûts indirects ..........................................................................................................84
1.3. Coût des arrêts programmés du broyeur BC3....................................................................85
2. Coût des solutions proposées ..................................................................................................85
2.1. Contrôle par ultrasons .....................................................................................................85
2.2. Le matériau Xwin...........................................................................................................86
Annexes ...........................................................................................................................................88
5
Projet de Fin d’Etudes
Liste des figures
Figure 1 : LAFARGE dans le monde .................................................................................................11
Figure 2 : Chiffre d’affaires de LAFARGE par activité et par zone ......................................................12
Figure 3 : Implantations des usines de LAFARGE au Maroc ...............................................................13
Figure 4 : LAFARGE BOUSKOURA ................................................................................................14
Figure 5 : Organigramme de l’usine de BOUSKOURA .......................................................................15
Figure 6 : Composants du ciment .......................................................................................................16
Figure 7 : La phase du concassage .....................................................................................................17
Figure 8 : les différentes étapes de la cuisson ......................................................................................19
Figure 9 : Le broyage ciment .............................................................................................................20
Figure 10 : Ensachage et expédition ...................................................................................................21
Figure 11 : L’organigramme de fabrication de ciment ........................................................................22
Figure 12 : Le broyeur vertical à galets ..............................................................................................25
Figure 13 : Position des galets par rapport au plateau de broyage .........................................................27
Figure 14 : Le galet fissuré ................................................................................................................30
Figure 15 : Observations macroscopiques de la fissure ........................................................................30
Figure 16 : Eléments intervenant dans la rotation du galet ...................................................................32
Figure 17 : Représentation des forces appliquées sur le galet ...............................................................33
Figure 18 : La fissure apparue sur le galet du BC3 ..............................................................................36
Figure 19 : Le profil d’une paire de galet............................................................................................38
Figure 20 : Gabarit de mesure de l’usure ............................................................................................38
Figure 21 : Usure de la paire de galet .................................................................................................39
Figure 22 : Observation du faciès de la rupture ...................................................................................40
6
Projet de Fin d’Etudes
Figure 23 : Structure microscopique de la fonte GRS 100 ....................................................................42
Figure 24 : Structure microscopique de la fonte GRS 200 ....................................................................43
Figure 25 : Structure microscopique de la fonte GRS 500 ....................................................................43
Figure 26 : Relevé de la pression d’une paire de galets ........................................................................46
Figure 27 : Représentation schématique du mécanisme de progression d’une piqûre dans une fonte .......47
Figure 28 : Position du capteur vibrations ...........................................................................................50
Figure 29 : Le relevé des vibrations durant la période entre Janvier et Février 2009 ...............................51
Figure 30 : Le relevé des vibrations durant Février-Mars 2009.............................................................52
Figure 31 : Relevé des vibrations du 09/2008 au 01/2009 ....................................................................52
Figure 32 : Exemples de balourds ......................................................................................................55
Figure 33: Comparaison entre le Xwin et un alliage standard ...............................................................59
Figure 34 : Section d’un bandage en Xwin .........................................................................................60
Figure 35 : Positions des crochets ......................................................................................................61
Figure 36 : L’anneau de retenue.........................................................................................................63
Figure 37 : Analyse du mécanisme de défaillance ...............................................................................69
Figure 38 : Alimentation du silo par les broyeurs BC2 et BC3 .............................................................84
Figure 39: Principe du contrôle par ultrasons ......................................................................................92
Figure 40 : Principe du contrôle par contact ........................................................................................93
Figure 41 : Principe du contrôle par immersion...................................................................................94
Figure 42: L’émission acoustique ......................................................................................................95
Figure 43 : Principe du contrôle par magnétoscopie ............................................................................97
Figure 44: Principe du contrôle par ressuage..................................................................................... 100
Figure 45: Principe du contrôle par magnétoscopie ........................................................................... 103
Figure 43 : Grenaillage de précontrainte ........................................................................................... 105
7
Projet de Fin d’Etudes
Liste des tableaux
Tableau 1 : Les dates clés de l’usine de BOUSKOURA ......................................................................15
Tableau 2 : Les éléments composants les différents types de ciment .....................................................20
Tableau 3 : La production du broyeur BC3 .........................................................................................37
Tableau 4 : L’historique de la maintenance du BC3 ............................................................................37
Tableau 5 : Composition chimique de la fonte ....................................................................................41
Tableau 6 : Composition chimique donnée par la norme......................................................................41
Tableau 7 : Examen de la dureté Rockwell de l’échantillon .................................................................42
Tableau 8 : Analyse des mécanismes de défaillances des différents composants du broyeur ...................70
Tableau 9 : Les indices de fréquence F ...............................................................................................71
Tableau 10 : Les indices de gravité G.................................................................................................72
Tableau 11 : Les indices de la non-détection C ...................................................................................73
Tableau 12 : Tableau de l’AMDEC du broyeur BC3 ...........................................................................75
Tableau 13 : Tableau de l’AMDEC du broyeur BC3 après application des actions rectificatives ............78
Tableau 14 : Planning de maintenance du broyeur BC3 .......................................................................81
Introduction
8
Projet de Fin d’Etudes
Introduction
Lafarge Bouskoura a mis en service des broyeurs verticaux de cru. Le broyeur BC3 est
destiné à broyer 180 tonnes/heure, et pour répondre à la forte demande, cet équipement
travaille à 250 tonnes/heure. En conséquence, une fissure est apparue sur le bandage du BC3,
il nous a été confié dans le cadre du projet de fin d’études d’analyser les causes probables de
cette fissure.
L’objectif de notre stage de fin d’études, est de déterminer en premier lieu, l’origine de
cette fissure, de proposer des remèdes efficaces à ce problème, et d’effectuer une étude
technico-économique pour s’assurer de l’efficacité de ces solutions sur le plan économique.
Afin d’atteindre ces objectifs, nous avons effectué une enquête préliminaire qui nous a
permis de connaître le fonctionnement du broyeur, et de détecter les différents facteurs
agissant sur le broyeur pendant son fonctionnement. Ensuite, pour pouvoir cerner l’origine de
l’avarie étudiée, on a traité toutes les causes susceptibles de provoquer la fissure sur le
bandage.
Après avoir analysé les différentes causes, nous avons présenté les solutions qui
pourront augmenter la résistance du bandage à la fatigue, à la corrosion et à l’usure, et
recommander des suivis nécessaires pour diminuer les vibrations au sein du broyeur.
Une étude AMDEC est faite afin d’évaluer la criticité des galets, et pour proposer les
actions correctives qui diminueront cette criticité.
Finalement, une étude technico-économique est réalisée pour évaluer les coûts des
solutions proposées, et déterminer le gain de la société après application de ces solutions
proposées.
Cahier des charges
9
Projet de Fin d’Etudes
Cahier des charges
Objectifs
Les objectifs de ce projet de fin d’études sont les suivants :
Déterminer l’origine de cette fissure et sa gravité.
Proposer des remèdes efficaces à ce problème.
Faire une étude technico-économique.
Intérêts
Minimiser les arrêts de production.
Augmenter la production.
10
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE I : Présentation de LAFARGE
Présentation de LAFARGE
11
Projet de Fin d’Etudes
1. LAFARGE groupe
Le groupe LAFARGE est héritier d’une longue tradition et d’un savoir- faire
exceptionnel dans les matériaux de construction. Depuis plus de 160 ans le groupe
LAFARGE s’est développé en France d’abord, puis en Amérique du nord et du sud, et
progressivement sur tous les continents. L’histoire de LAFARGE a été marquée par une
forte expansion et élargissement de ses activités. Aujourd’hui elle occupe la position de
leader par excellence à travers ses produits : Ciment (n°1 mondial), Granulats (n°1 mondial),
Bétons (n°3 mondial), et Plâtre (n°3 mondial), et qui mettent en œuvre des programmes
d’amélioration de performances, des actions de réduction des coûts, d’amélioration de la
qualité des produits et des services rendus aux clients.
Figure 1 : LAFARGE dans le monde
En 2007, il a réalisé un chiffre d’affaires de 17,6 milliards d’euros et un résultat net de
1,9 milliards d’euros.
Présentation de LAFARGE
12
Projet de Fin d’Etudes
Figure 2 : Chiffre d’affaires de LAFARGE par activité et par zone
Il a développé et mis en œuvre à travers le monde un savoir-faire d’efficacité
industrielle, création des valeurs, économie des ressources naturelles et de l’énergie, respect
des hommes et de l’environnement.
Le groupe Lafarge est la seule entreprise dans le domaine de construction, répertoriée
dans la liste 2008 des 100 multinationales les plus engagées en matière de développement
durable.
2. LAFARGE Maroc
En 1930, LAFARGE s’implanta au Maroc en créant la première cimenterie du pays à
Casablanca, principal marché jusqu’à lors de consommation de ciments. Quelques années
plus tard, le groupe se développe et crée une 2ème cimenterie à Meknès pour qu’entre 1982
et 1984 fasse acquisition de deux autres cimenteries au nord du pays (Tétouan et Tanger),
une usine de plâtre à Safi, et neuf centrales à béton.
Il fallait attendre le 10 juin 1995 pour que la naissance du groupe LAFARGE
MAROC voit le jour lors de la signature d’une convention de partenariat entre la SNI
(Société Nationale d’Investissement) et la groupe LAFARGE qui aboutit à la mise en œuvre
d’un holding (50% LAFARGE et 50%SNI).
Présentation de LAFARGE
13
Projet de Fin d’Etudes
La conséquence immédiate de cet accord est de pouvoir doter d’un groupe d’une
structure financière forte avec une augmentation du capital qui s’élève dès lors à 1,5 milliards
de dirhams.
Premier cimentier marocain, Lafarge Maroc dispose d'une capacité de production
supérieure à 6,5 millions de tonnes par an et détient plus de 42% de part de marché.
En 2008, le chiffre d’affaire de LAFARGE Maroc était de 4.178 Milliards de dirhams
soit une augmentation de +11,1%. Son résultat net est de 1.817 Milliards de dirhams soit
+43,3%.
Figure 3 : Implantations des usines de LAFARGE au Maroc
Présentation de LAFARGE
14
Projet de Fin d’Etudes
3. LAFARGE BOUSKOURA
L'usine de BOUSKOURA est la plus importante unité de production dans le pays en
termes de capacité. C’est aussi la seule usine qui dispose d’un atelier de broyage et
d’ensachage de ciment blanc au Maroc.
La capacité de l'usine, est passée de 2.000.000 de tonnes de ciments par an en 2004, à
3.000.000 de tonnes par an en 2006 grâce à l'extension de la seconde ligne de production.
Figure 4 : LAFARGE BOUSKOURA
3.1. Les dates clés
Dates Evénement
1983 -Démarrage de l’usine constituée d’une seule
ligne avec une capacité de production de 1.200.
000 tonnes.
1993 -Démarrage de la deuxième ligne de cuisson
(800 000 tonnes) portant la capacité de
production de l'usine de 2.000.000 tonne de
ciment par an; elle devient ainsi la plus grande
cimenterie du pays.
Présentation de LAFARGE
15
Projet de Fin d’Etudes
1999 -Lancement de la production de ciment blanc
avec une unité de broyage et d'ensachage
2004 -Certification ISO 9001 (qualité) version 2000.
-Lancement du projet d'extension de la ligne 2
pour porter la capacité annuelle de production
à 3 millions de tonnes.
2005 -Démarrage de l'atelier de palettisation.
-Certification ISO 14001 (environnement).
2006 -Démarrage des ateliers concernés par le projet
de l'extension de la ligne 2.
Tableau 1 : Les dates clés de l’usine de BOUSKOURA
3.2. Organigramme de l’entreprise
L’usine de LAFARGE BOUSKOURA est organisée de la manière suivante :
Figure 5 : Organigramme de l’usine de BOUSKOURA
On a effectué notre projet de fin d’études au sein du service mécanique, au bureau des
méthodes.
Présentation de LAFARGE
16
Projet de Fin d’Etudes
4. Procédé de fabrication du ciment
Le ciment est un lien hydraulique constitué d’une poudre minérale, d’aspect grisâtre,
obtenue par broyage et cuisson à 1450 °C d’un mélange de calcaire et d’argile. Le produit de
la cuisson, appelé clinker, forme une combinaison de chaux, de silice, d’alumine et d’oxyde
ferrique.
Le ciment résulte du broyage de clinker et de sulfate de calcium ajouté généralement
sous forme de gypse. Il forme avec l’eau une pâte plastique faisant prise et durcissant
progressivement, même à l’abri de l’air, notamment sous l’eau.
Figure 6 : Composants du ciment
Les constituants anhydres, présents sous forme de cristaux polygonaux assez réguliers
et homogènes, se combinent à l’eau et se décomposent. En s’hydratant, ils recristallisent,
prenant des formes très variées : aiguilles, bâtonnet, prismes, divers…
Ces cristaux adhèrent aux adjuvants granuleux du béton : sable, gravier, cailloux…c’est
l’hydratation qui constitue le ciment.
5. Présentation des différentes étapes de fabrication du ciment
5.1. Exploitation de la carrière
La cimenterie de LAFARGE BOUSKOURA dispose de carrières fournissant deux
matières premières : le calcaire riche en carbonates de calcium CaCO3 et le schiste contenant
des pourcentages importants de silice SiO2, d’alumine Al2O3, et d’oxyde de fer Fe2O3.
Présentation de LAFARGE
17
Projet de Fin d’Etudes
Les matières premières sont extraites des parois rocheuses d’une carrière à ciel ouvert
par abattage à l’explosif ou à la pelle mécanique. La roche est reprise par des dumpers vers
un atelier de concassage. Pour produire des ciments de qualités constantes, les matières
premières doivent être très soigneusement échantillonnées, dosées et mélangées de façon à
obtenir une composition parfaitement régulière dans le temps.
5.2. Le concassage
L’opération de concassage a pour but de réduire la granulométrie des blocs de pierre en
fragments de faibles dimensions (25 à 40 mm).
Elle assure également un certain mélange des matières premières arrivant de la carrière
et contenant de fortes proportions des éléments suivants : CaCO3, Fe2O3, SiO2 et des traces
d’autres éléments.
En effet, le calcaire et le schiste transportés par les camions sont déchargés dans une
trémie qui est reliée à un alimentateur à vitesse variable qui permet de réguler le débit
d’alimentation.
La matière passe par deux étages de concassage, dont le premier est un concasseur à
deux mâchoires, l’une fixe et l’autre mobile montée sur un support articulé et mis en
mouvement par un mécanisme de bielle et de double volet. Et le deuxième un concasseur à
marteaux. Les deux concasseurs traitent jusqu’à 1100 t/h.
Les matières concassées sont ensuite stockées par qualités dans le hall de stockage de
l’usine.
Figure 7 : La phase du concassage
Présentation de LAFARGE
18
Projet de Fin d’Etudes
5.3. La pré-homogénéisation
Après concassage, la matière crue présente toujours des fluctuations importantes dans
sa composition, c'est pourquoi elle est introduite dans une tour d’échantillonnage puis
stockée dans l’installation de pré homogénéisation.
5.4. Le broyage du cru
Les matières premières pré homogénéisées doivent être finement broyées pour être
chimiquement plus réactives au cours de leur cuisson dans le four, elles passent donc dans
des doseurs alimentant un broyeur sécheur (il ne doit pas pratiquement subsister de particule
de dimensions supérieures à 0.2 mm).
La fonction du séchage est nécessaire car le broyage ne peut s’effectuer que dans la
mesure où la matière ne s’agglomère pas sous l’effet conjugué de son humidité et du
compactage produit par les outils de broyage.
En plus du séchage et de la fragmentation, le broyeur assure un mélange intime entre
les différents minerais apportés par les matières premières et les ajouts de correction en
faibles proportions.
A la fin du broyage, la matière est dirigée vers un séparateur qui sélectionne les
particules selon leur grosseur.
5.5. La cuisson
On entend par cuisson le processus de transformation de la matière crue en clinker par
un apport thermique suffisant pour obtenir des réactions chimiques complètes conduisant à
l’élimination presque totale de chaux non combinée.
Pour améliorer le bilan thermique, des échangeurs à cyclone sont utilisés en amont du
four pour préchauffer la farine à une température aux environs de 900°C. Le transfert de la
chaleur dans les cyclones est dû à l’échange entre les gaz chauds sortant du four et le cru
circulant à contre courant, ce qui permet la décarbonation du carbonate de calcium pour
Présentation de LAFARGE
19
Projet de Fin d’Etudes
donner la chaux (CaO) avec dégagement du gaz carbonique (CO2). Ce processus est appelé
pré-calcination.
Figure 8 : les différentes étapes de la cuisson
A l’extrémité du four, outre les dispositifs d’injection des combustibles, se trouve le
refroidisseur. Ce refroidisseur permet de récupérer la plus grande partie de la chaleur
contenue dans le clinker à sa sortie du four en vue de sa recirculation vers d’autres parties de
l’usine ayant besoin de source chaude.
Le refroidisseur assure donc trois fonctions principales :
Refroidir le clinker sortant du four,
Récupérer le maximum de chaleur contenu dans le clinker,
Assurer la trempe du clinker par un refroidissement énergétique et rapide.
Présentation de LAFARGE
20
Projet de Fin d’Etudes
5.6. Broyage du ciment
Après refroidissement, les granules de clinker sont ensuite broyés avec addition de
gypse. Cette addition a pour but de régulariser la prise du ciment, notamment de ceux qui
contiennent des proportions importantes d’aluminate tricalcique et aussi de conférer au
ciment des propriétés spécifiques correspondant aux différentes qualités du ciment (CPJ 35 ;
CPJ 45 ; CPA 55 et blanc 45).
Désignation du
type de ciment
Clinker % Calcaire % Cendres Volantes
%
Gypse%
CPA 55 94,36 0 0 5,64
CPJ 45 66.34 24 6.52 3.14
CPJ 35 58.29 35.6 3.21 2.8
Blanc 45 74 23 0 3
Tableau 2 : Les éléments composants les différents types de ciment
Le clinker est le composant de base du ciment, cela dit, selon le type de ciment,
différents produits sont ajoutés pour apporter des propriétés supplémentaires. Le gypse
confère au ciment un temps de prise moins lent, le calcaire augmente la résistance du produit,
et les cendres volantes sont utilisées pour des ciments de prise mer.
Figure 9 : Le broyage ciment
Le ciment blanc a des caractéristiques physiques similaires à celles du ciment gris. La
couleur de ce ciment provient de la craie blanche.
Présentation de LAFARGE
21
Projet de Fin d’Etudes
5.7. Ensachage et expédition
A la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers des silos de stockage à partir
desquels il est expédié soit en sacs, soit en vrac, par camions ou par voie ferrée.
Figure 10 : Ensachage et expédition
Présentation de LAFARGE
22
Projet de Fin d’Etudes
On peut résumer toutes les étapes de la fabrication du ciment dans l’organigramme suivant :
Figure 11 : L’organigramme de fabrication de ciment
Présentation de LAFARGE
23
Projet de Fin d’Etudes
Après avoir présenté l’organisme d’accueil, et les différentes étapes nécessaires à la
production du ciment, on va décrire dans le chapitre suivant, le fonctionnement du broyeur
étudié.
24
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE II : Description du broyeur
Description du broyeur
25
Projet de Fin d’Etudes
.
1. Prinicipe de fonctionnement du broyeur vertical à galets
BC3[1]
Figure 12 : Le broyeur vertical à galets
Le broyeur cru BC3 est un broyeur vertical à galets intégrant les trois opérations
suivantes dans une unité :
► le broyage,
► le séchage,
► la séparation.
1.0 Carter
2.0 Groupe de commande
3.0 Train de galet
4.0 Table de broyage
5.0 Tirants
6.0 Groupe hydraulique
7.0 Système d’air de barrage et
système de démontage
9.0 Séparateur
10.0 Injection d’eau
Description du broyeur
26
Projet de Fin d’Etudes
Il fonctionne suivant le processus ci-dessous :
La matière à broyer est introduite par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité (un doseur
et une goulotte d’alimentation) au centre de la table de broyage. La rotation de celle-ci
entraîne la matière sous les deux trains de galets pour être broyée. Une fois cette dernière est
écrasée et broyée, elle est envoyée par la force centrifuge vers l’extérieur et par-dessus le
bord de la table de broyage. Le choix de la double paire de galets se traduit par une faible
vitesse relative entre les galets et la table de broyage (voir figure 12), ce qui permet de limiter
le glissement de la matière entre les galets et la table et de minimiser l’usure.
Un flux de gaz chaud arrivant par le bas à travers l’anneau entraîne la matière et la
transporte entièrement ou partiellement au séparateur installé au dessus de la chambre de
broyage (circuit interne). En même temps il sèche la matière.
Le séparateur sépare la matière contenue dans le flux gazeux en produit fini et gruaux.
Les gruaux retombent au centre de la table de broyage. Le produit fini est extrait avec le flux
gazeux.
L’effort nécessaire au broyage de la matière est généré par un système hydraulique qui
permet un réglage en continu de la pression, en vue d’adapter l’effort de broyage à l’état
d’exploitation du broyeur.
Deux vérins hydrauliques par train de galets garantissent une introduction de force
identique dans les galets par l’intermédiaire de tirants, en conservant une mobilité maximale.
1.1. Les galets du broyeur vertical BC3
La paire de galets se compose de deux galets de broyage rotatifs, indépendants l’un de
l’autre. Le palier est étanché par la bague à lèvres. De l’air d’étanchéité est conduit vers les
galets par l’intermédiaire du porte-galet, afin d’éviter la pénétration de poussière dans les
paliers à galets-support. Les bandages de galets en acier anti-usure sont fixés sur le corps de
galet avec les anneaux de serrage et les boulons filetés.
Les paliers des galets de broyage sont alimentés en lubrifiant nécessaire à l’aide d’un
graissage à circulation d’huile.
Description du broyeur
27
Projet de Fin d’Etudes
La température d’huile des paliers à galets-support est contrôlée par les thermomètres à
résistance électrique. Le niveau d’huile dans chaque galet est surveillé par des sondes d’huile
capacitives.
Les bagues à lèvres sont alimentées en huile de l’extérieur par l’intermédiaire du
dispositif de graissage à l’aide de la conduite d’air d’étanchéité. Des réservoirs situés à
l’extérieur du broyeur, à un endroit facilement accessible, plus haut que le point le plus élevé
de la conduite d’air d’étanchéité intérieure (max.2m), servent de réserve d’huile. La pression
statique de l’huile ainsi présente est suffisante pour assurer l’alimentation en huile.
Les crochets peuvent être décalés parallèlement à l’axe. Par ce décalage, l’état d’usure
des outils de broyage peut être influencé.
1.2. Le plateau de broyage
Le plateau de broyage est monté directement sur la bride de sortie du réducteur.
Une isolation thermique protège le plateau de broyage contre une charge thermique
résultant des gaz chauds.
La matière à broyer tombe au centre du plateau de broyage en rotation, et sous l’effet
de la force centrifuge, elle est entraînée sous les galets. La hauteur du lit de matière peut être
ajustée par l’anneau de retenue supplémentaire servant de rehaussement.
Figure 13 : Position des galets par rapport au plateau de broyage
Description du broyeur
28
Projet de Fin d’Etudes
1.3. Les tirants
Les tirants transmettent l’effort de broyage des vérins aux trains de galets.
Le détecteur de l’équipement de mesure ultrasonique de l’épaisseur du lit de matière est
fixé sur les tirants à l’extérieur du broyeur. La position des tiges de position des vérins
hydrauliques renseigne clairement sur la hauteur du lit de matière.
Une protection anti-usure spéciale est prévue dans la zone où les tirants passent à
travers le carter.
1.4. L’anneau de buses
L’anneau de buses est l’endroit le plus étroit dans le broyeur à galets. Le flux de gaz
sort à vitesse élevée, entraîne la matière à broyer débordée du plateau de broyage pour la
transporter dans le séparateur.
Pour une distribution optimale des gaz chauds, les sections ouvertes peuvent, segment
par segment, être ouvertes davantage ou fermées à l’aide de registres commandés de
l’extérieur.
Conclusion
En connaissant le fonctionnement du broyeur et de ses différents composants, nous
allons pouvoir entamer, par la suite, l’analyse de la fissure étudiée.
29
Projet de Fin d’Etudes
CHPITRE III : Analyse de la fissure
Analyse de la fissure
30
Projet de Fin d’Etudes
1. Enquête préliminaire
1.1. Observations générales de la fissure
En mars 2009, le galet du BC3 a connu une fissure au niveau du bandage, chose qui a
conduit au changement du galet pour éviter toute rupture brusque de ce dernier.
L’observation macroscopique de ce galet montre que les surfaces de la fissure se
déplacent perpendiculairement l’une par rapport à l’autre, donc c’est une fissure de mode I.
Elle est d’une longueur de 230mm et d’une épaisseur de 10 à 13mm selon le rapport du
Centre Technique des Travaux Industriels CTTI (voir annexe 1).
Figure 14 : Le galet fissuré
Figure 15 : Observations macroscopiques de la fissure
Analyse de la fissure
31
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Matériau utilisé
Le matériau utilisé dans le bandage des galets du broyeur est une fonte blanche de type
FMU 18, elle est composée de : 3% de Carbone, 2% de Magnésium, et 16% de Chrome. Elle
contient aussi des pourcentages très faibles de molybdène et de nickel.
C’est une fonte utilisée surtout dans les équipements du broyage (boulets, galets,
barres, blindages…) car elle a une très grande résistance à l’usure.
Le fournisseur de ces galets est POLYSIUS (une société spécialiste dans l’installation
des cimenteries).
Caractéristiques : (Annexe 2)
Dureté : 65,8 HRC
La limite élastique et la charge de rupture : Rm= 481 MPa
La ténacité selon ASTM E399 : Kc=30,7 MPa.m1/2
La limite d’élasticité : Re= 225120 MPa
1.3. Contrôles effectués sur les galets
Le fournisseur effectue un Contrôle Non Destructif de type magnétoscopique avant de
les transporter à l’usine.
Lors de l’arrêt programmé du broyeur, et dans le cadre de la maintenance préventive
des différents équipements, l’entreprise effectue les contrôles suivants :
Contrôle des boulons de fixation des galets.
Vérification des circuits d’eau destinés au refroid issement des galets.
Retournement des trains de galets si nécessaire.
Les galets subissent aussi les contrôles suivants lorsque le broyeur est en marche :
Le suivi de pression, de température, et de vibrations.
Le contrôle des fissures.
Le contrôle de l’usure par abrasion.
Analyse de la fissure
32
Projet de Fin d’Etudes
1.4. La gamme de fabrication
Les galets du broyeur vertical BC3 sont des galets en fonte fragile obtenus par
moulage, de structure martensitique, ils sont fabriqués en petite série. Afin d’améliorer leur
dureté, les galets ont subi une trempe.
1.5. Conditions d’utilisation prévues
1.5.1 Sollicitations appliquées
Le train de galets est soumis à plusieurs sollicitations qui influent sur sa durée de vie,
ainsi que sur l’apparition des défaillances sur ce dernier. Parmi les forces appliquées sur les
galets, il y a la force de broyage, qui est la force sous l’effet de laquelle les galets sont
pressés contre la table de broyage. Elle se compose de la force due au poids des deux paires
de galets et des forces hydrauliques générées par les vérins hydrauliques et transmises à
travers les tirants aux porte-galets.
La figure ci-dessous présente une modélisation simple du galet ainsi que la force de
broyage appliquée sur celui-ci.
Figure 16 : Eléments intervenant dans la rotation du galet
Analyse de la fissure
33
Projet de Fin d’Etudes
Pour calculer les forces appliquées sur le train de galet, on a modélisé le galet comme
représenté ci-dessous :
Figure 17 : Représentation des forces appliquées sur le galet
En étudiant les forces appliquées sur le galet, on a établi le bilan de forces suivant :
La force F
appliquée par le vérin hydraulique sur le train de galet.
La force de frottement T
.
La force normale N
.
Le poids du train de galet P
.
En supposant qu’il existe un frottement sans glissement entre le bandage et le galet, et à
l’équilibre du système au point B :
On a : 0BM
La force normale : NF ( sin cos )N x y
Analyse de la fissure
34
Projet de Fin d’Etudes
Donc ( ) ( )B O NM N M N BO F
D’où ( ) ( sin cos )B N N NM F aF bF z
La force de frottement : ( ) ( )B CM T M T BC T
Or on a: . NT f F
D’où: .(cos sin )T f x y
Et on a : ( cos ) ( sin )BC a R x b R y
D’où ( ) ( . .cos ( sin ) . .sin ( cos )}B N NM T f F b R f F a R z
La force appliquée par le vérin : ( ) ( )B AM F M F AB F
Donc ( ) ( . .cos )BM F F d z
Le poids du train de galet : ( ) ( )B CM P M P BC P
D’où ( ) . .BM P a m gz
D’où à l’équilibre, et en considérant que α+δ=π/2, on trouve :
. .cos . .
2. . .sin (1 )cos (1 )sinN
F d a m gF
f R a f b f
D’après le manuel du broyeur BC3, on a pu avoir les données suivantes :
Le coefficient de frottement entre le bandage et la matière : f=0.15
Le rayon du bandage : R=1075mm
Analyse de la fissure
35
Projet de Fin d’Etudes
Les distances d=3844mm et b=1296mm
La masse du galet est : m=20637.5kg
La pression au niveau du vérin est : P=85 bars
La force appliquée par le vérin est : F=P.S avec S=70 686mm2 est la section du vérin, et p
est la pression maximale au niveau du vérin P=120bars.
La constante d’accélération de la pesanteur est : g=9.8m/s2
On prend 20 et 10 (valeurs estimées après observation du fonctionnement du
broyeur).
Après observation du fonctionnement du broyeur, on a : 12
D’où par application numérique, on a :
A partir de la valeur obtenue, on remarque que la force normale appliquée sur le
bandage est très importante en tenant compte des autres efforts appliqués sur ce dernier, donc
on peut dire que le bandage est surchargé.
1.5.2 Ambiance du travail des galets
Les galets du broyeur fonctionnent dans un milieu agressif connaissant des vibrations
importantes. Ils subissent une forte usure par abrasion vu qu’ils sont toujours en contact avec
la poussière, les gaz chauds et aussi l’eau utilisée pour leur refroidissement.
A l’entrée du broyeur, la température atteint jusqu’à 280°C, et à la sortie, la
température est d’environ 90°C, ce qui crée un écart de température de 190°C.
Au sein du broyeur, il y’a une dépression qui vaut 54 mbar.
Analyse de la fissure
36
Projet de Fin d’Etudes
1.6. Circonstances de l’incident
Le broyeur cru BC3 a été installé à LAFARGE BOUSKOURA en 2006, il travaille
avec un débit élevé par rapport au débit conseillé par le fournisseur (250 tonnes/heure au
lieu de 180 tonnes/heure). Depuis son installation à l’usine, le broyeur a été suivi par une
maintenance préventive, afin d’assurer un bon fonctionnement à ce dernier.
En Mars 2009, le galet extérieur a connu une fissure au niveau du bandage, chose qui
a obligé l’équipe de maintenance de le changer pour éviter toute rupture due à l’amorçage
de la fissure.
Figure 18 : La fissure apparue sur le galet du BC3
Analyse de la fissure
37
Projet de Fin d’Etudes
Nombre d’arrêts, heures de marche et production du BC3 :
Année Production en tonne Heures de marche Arrêts sur
incidents(h)
2007 896910 4432.16 336.85
2008 1332712 5962.75 219.92
2009 251059 1073,08 26,16
Tableau 3 : La production du broyeur BC3
On remarque que les heures de marche et la production du broyeur BC3 ont
augmenté entre 2007 et 2008.
Pour connaître la fréquence des pannes des galets du broyeur BC3, on a consulté
l’historique de la maintenance de ce dernier.
Historique de la maintenance du BC3 :
Date Intervention
12 /06/2006 Resserrage des boulons de fixation piste, racleur
13/06/2006 Modification du circuit d’eau de retour.
13/06/2006 Remise en place de la plaque de blindage
13/06/2006 Remise en état des goulottes rejets
01/03/2007 Reprendre le rechargement des parties usées
23/03/2007 Entretien du broyeur
01/11/2008 Démontage des trains de galets pour le
retournement
11/09/2008 Remplacer les contre écrous des boulons de
fixation
24/12/2008 Mettre en place de deux manomètres (0-100mbar)
04/03/2009 Remplacer le galet fissuré « A »
17/03/2009 Remplacer les secteurs de la piste
17/03/2009 Remplacer le tirant du vérin fixe côté moteur
17/03/2009 Mettre en place une protection sur les supports
Tableau 4 : L’historique de la maintenance du BC3
Analyse de la fissure
38
Projet de Fin d’Etudes
On remarque que dans une période de 3 ans de travail, le galet extérieur du BC3 a été
fissuré, et cela peut être dû à l’augmentation des heures de marche en 2008, et aussi au haut
débit avec lequel travaille le broyeur.
1.7. Informations susceptibles d’être liées à l’incident
Pour équilibrer l’usure des deux paires de gale ts du broyeur BC3, elle est mesurée par
un gabarit contenant 7 points de contrôle. Ceci est illustré sur les figures ci-dessous .
Figure 19 : Le profil d’une paire de galet
Figure 20 : Gabarit de mesure de l’usure
Ces mesures montrent que l’usure par abrasion augmente de plus en plus à cause du
contact permanent avec la poussière causée par le broyage du cru.
Analyse de la fissure
39
Projet de Fin d’Etudes
Figure 21 : Usure de la paire de galet
Le broyeur BC3 est en marche tous les jours, et durant toute la semaine, avec un débit
beaucoup plus élevé que le débit conseillé par le fournisseur, donc la fatigue peut être une
cause parmi d’autres qui ont causé cette fissure.
2. Analyse morphologique de la fissure[2]
2.1. Classification de la défaillance
Le faciès de la fissure montre que l’avarie ne s’est pas produite à cause d’une
déformation initiale mais à cause des contraintes et chargements appliqués sur le bandage du
galet.
2.2. L’aspect général de la fissure
D’après l’observation du faciès de la rupture d’un galet du broyeur BC2, travaillant
dans les mêmes conditions, on distingue une zone relativement lisse, caractéristique de la
propagation lente de la fissure, et une zone à grains plus accidentée de rupture brutale, cette
dernière se produit en fin de propagation, lorsque la partie restante de la pièce est devenu
d’aire insuffisante pour supporter la charge maximale appliquée.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000 1200
Côtes initiales
USURE au 30/09/2006
USURE au 19/02/2007
USURE au 25/04/2007
USURE au 06/10/07
USURE au 25/03/08
Analyse de la fissure
40
Projet de Fin d’Etudes
La figure ci-dessous montre le faciès d’un échantillon du galet déjà cassé dans le bro yeur
BC2.
Figure 22 : Observation du faciès de la rupture
La zone à grains est une zone attaquée par la corrosion, ce qui ne nous permet pas de
décrire les stries apparues dans cette zone, et donc de faire une analyse complète du faciès de
la rupture.
2.3. Influence du type du chargement sur le faciès
Les cas de fissure par fatigue par efforts axiaux purs sont rares. En effet, pour les
pièces qui travaillent en traction-compression, il existe pratiquement toujours des
sollicitations parasites de flexion ou de torsion.
Néanmoins, toutes les fois qu’un effort axial pur provoquera une fissuration
progressive, cette dernière présente un faciès caractérisé par l’amorçage qui se situe en
surface de la pièce du fait de la sollicitation uniforme sur toute la section, en l’absence de
concentration de contrainte.
Analyse de la fissure
41
Projet de Fin d’Etudes
Afin de s’assurer de la conformité de la fonte utilisée avec les normes internationales,
on a effectué des analyses physico-chimiques dans le laboratoire de MAFODER après avoir
traité les différents éléments intervenant dans le fonctionnement du broyeur dans l’enquête
préliminaire.
3. Analyses complémentaires
3.1. Analyse chimique de l’échantillon
L’analyse chimique de l’échantillon a donné les résultats suivants (Annexe 2) :
Elément
chimique
C Si Mn P S Cu Mo Ni Cr Fe
Concentration
%
3.28 0.43 1.72 0.023 0.054 0.44 0.90 0.74 16.35 76.05
Tableau 5 : Composition chimique de la fonte
Cette analyse montre que les valeurs de concentration en éléments chimiques sont
conformes avec celles données par le fournisseur.
Pour la nuance FB Cr15 Mo Ni, la norme NFA 32-401 donne les concentrations
suivantes :
Elément C Si Mn Cr Ni Mo Cu P S
min 2.6 0.5 0.50 15.0 - 0.6 - - -
max 3.2 1.0 1.50 18.0 2.0 3.0 1.2 0.08 0.08
Tableau 6 : Composition chimique donnée par la norme
La comparaison entre l’examen chimique et les spécifications de la norme NFA 32-401
de la nuance FB Cr15 Mo Ni, montre que la composition de la fonte est conforme à la norme.
Analyse de la fissure
42
Projet de Fin d’Etudes
3.2. Mesure de la dureté
Les examens de la dureté Rockwell sur 6 points de l’échantillon du galet a donné les
résultats suivants :
Point 1 2 3 4 5 6
Dureté
HRC
51 54 51.2 52.8 54.9 50
Tableau 7 : Examen de la dureté Rockwell de l’échantillon
Les examens de dureté montrent que le matériau a une dureté moyenne de 52.3 HRC,
on remarque qu’il y’a une différence entre la valeur donnée par le fournisseur et celle donnée
par l’examen de l’échantillon, ce qui prouve que les conditions de travail du galet diminuent
la dureté du matériau et sa résistance mécanique.
3.3. L’examen microscopique de la fonte
L’examen microscopique de la pièce a donné les structures suivantes :
Figure 23 : Structure microscopique de la fonte GRS 100
Analyse de la fissure
43
Projet de Fin d’Etudes
Figure 24 : Structure microscopique de la fonte GRS 200
Figure 25 : Structure microscopique de la fonte GRS 500
Les structures de l’échantillon montrent que c’est une fonte blanche de type
martensitique, ce qui est conforme avec la structure donnée par le constructeur.
Analyse de la fissure
44
Projet de Fin d’Etudes
Conclusion
L’étude de l’historique de la maintenance et de l’évolution de la production, nous a
permis de remarquer que l’avarie apparue sur le galet est en relation avec l’augmentation de
la production. La modélisation des sollicitations appliquées sur le galet montre aussi que le
grand chargement des galets peut entraîner une fissuration par fatigue.
L’étude du faciès de la rupture nous a permis de déduire que c’est une rupture par
fatigue, si on tient compte des deux zones qui apparaissent sur le faciès, on remarque qu’il y
avait une période d’amorçage de la fissure, avant la rupture brutale.
L’analyse de l’échantillon du galet au laboratoire de MAFODER, nous a montré qu’il
n’existe pas un problème dans le choix de la fonte utilisée en prenant en considération sa
grande résistance mécanique et sa résistance à l’usure, et en tenant compte aussi des
traitements mécaniques qu’elle a subis.
Donc, après avoir traité les différents éléments de l’enquête effectuée, il est
indispensable d’analyser les différentes causes susceptibles d’être liées à l’incident pour
déceler la cause essentielle.
45
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE IV : Analyse des causes de
l’avarie
Analyse des causes de l’avarie
46
Projet de Fin d’Etudes
La fatigue, la corrosion, l’usure et les vibrations sont tous des causes probables de la
fissure apparue sur le broyeur, pour définir la cause exacte, on va analyser toutes les causes
déjà citées et leur influence sur le galet.
1. Etude de la fatigue
1.1. Les cycles de travail
Pour évaluer le nombre des cycles de travail des galets intérieurs et extérieurs, on a
accédé aux données de la salle de contrôle, cette salle permet de visualiser les différents
paramètres de fonctionnement des unités de l’usine.
Le relevé de pression ci-dessous nous permet d’estimer le nombre des cycles de travail
des deux galets.
Figure 26 : Relevé de la pression d’une paire de galets
Le nombre de cycles estimé est de 42 cycles/min pour le galet extérieur, soit 2520
cycles/heure. Et pour le galet intérieur, le nombre de cycles est de 34 cycles/min soit 2040
Analyse des causes de l’avarie
47
Projet de Fin d’Etudes
cycles/heure. Donc le nombre des cycles de travail des galets reflètent le niveau élevé de
l’exploitation du broyeur, ce qui peut mener à une fissuration par fatigue.
2. Etude de l’influence de la corrosion et des contraintes
thermiques [3]
2.1. Etude de la corrosion
Le jet d’eau sur la matière à broyer peut être un facteur corrosif pour les galets. En
effet, l’eau distribuée dans les villes, appelée aussi l’eau douce, contient des ions de chlore
(Cl-) qui est un élément chimique très corrosif, ces ions exercent une action catalytique sur la
réaction suivante : 2 ( )n
nM Cl nH O M OH nH Cl
Figure 27 : Représentation schématique du mécanisme de progression d’une piqûre dans
une fonte
La figure ci-dessus, montre que l’eau utilisée cause une fissuration par piqûres. Ce
genre de fissure est particulièrement dangereux, car même dans le cas où la perte de poids du
matériau est faible, si l’équipement est perforé, il faut le changer.
Analyse des causes de l’avarie
48
Projet de Fin d’Etudes
Dans les matériaux de grande résistance, comme dans notre cas, seule l’action des
facteurs corrosifs ne peut pas causer une corrosion avec de grands dommages, mais si on
ajoute l’action des contraintes mécaniques, la corrosion devient dans ce cas plus dangereuse,
et peut mener à des fissures claires à l’œil nu, ou encore à la rupture.
2.2. Etude de la résistance aux chocs thermiques
2.2.1. Contraintes thermiques
Le galet est soumis à des variations de température plus ou moins brusques, lors des
arrêts programmés pour la maintenance du broyeur. L’ouverture des portes du broyeur à des
températures moyennement grandes entraîne des variations dimensionnelles du matériau. Par
conséquent, lorsque le matériau n’est pas libre de se dilater ou de se contracter, il se trouve
soumis à des contraintes thermiques. Ces contraintes sont dues aux gradients de déformation
qui se développent dans le matériau.
La dilatation thermique du galet subit une restriction au niveau de la couche externe à
cause de l’eau froide injectée, ce qui provoque des contraintes de compression à la surface, et
de traction au cœur du matériau.
D’après la loi de HOOKE généralisée, l’amplitude de cette contrainte est [3] :
. .
1
E
Où υ est le coefficient de Poisson du matériau.
α est le coefficient de dilatation thermique.
E est le module de Young.
Application numérique :
E=225 GPa ; ν=0,28 ; α=8.10-6°C-1
Pour la variation de température :
On a la température régnant au sein du broyeur lorsqu’il est en marche est d’environ : 100 °C
et la température de l’eau injectée est d’environ 30°C
d’où un écart de température de : 70 C
Analyse des causes de l’avarie
49
Projet de Fin d’Etudes
on obtient ainsi : 300MPa
On remarque que la contrainte thermique est faible par rapport aux autres efforts
appliqués sur les galets, donc on peut dire que cette contrainte n’a pas un effet remarquable
sur l’apparition de l’avarie sur le bandage.
Pour faire une étude thermique complète, il faut aussi étudier le choc thermique dans le
broyeur et son effet sur la fissuration du galet.
2.2.2. Choc thermique
Lorsque le gradient de température n’est pas très élevé et que sa valeur est stable, les
contraintes thermiques peuvent être atténuées par la déformation des éléments du solide. Par
contre, lorsque ce gradient de température est transitoire, c’est-à-dire lorsqu’il varie plus ou
moins dans le temps, on a ce qu’on appelle un choc thermique.
Dans le cas des galets, puisqu’ils sont portés à une température finale d’environ 90°C,
qui est inférieure à la température initiale qui vaut environ 280°C, alors la périphérie de ces
derniers qui subit cette variation de température se contracte, alors que les dimensions du
cœur restent sensiblement constantes. L’extérieur des galets est par conséquent soumis à des
tensions et le cœur à des compressions.
Une fissure ou une rupture locale peuvent se produire soit sur la périphérie, soit au
cœur, dans le cas où la valeur des contraintes engendrées par le choc thermique excède celle
de la résistance mécanique du matériau. Ces avaries apparaissent au début sous forme de
microfissures qui se développent à des fissures vues à l’œil nu, et qui peuvent conduire à une
rupture. Dans le cas du galet, on ne peut pas calculer la contrainte due au choc thermique car
la variation de la température n’est pas infiniment rapide.
3. Etude des vibrations
Le fonctionnement des machines engendre des efforts qui seront souvent la cause des
défaillances ultérieures (efforts tournants, turbulence, chocs, instabilité).
Analyse des causes de l’avarie
50
Projet de Fin d’Etudes
Les efforts causent à leur tour de vibrations qui vont endommager les structures et les
composants des machines. L’analyse de ces vibrations va permettre d’identifier les efforts
dés qu’ils apparaissent, avant qu’ils n’aient causé de dommage irréversible. Elle permettra
aussi après analyse d’en déduire l’origine et d’estimer les risques de défaillance.
3.1. Outil de mesure
Les vibrations au niveau du broyeur sont mesurées par un capteur de vibrations de type
VS-069 placé sur le réducteur.
Figure 28 : Position du capteur vibrations
La tension transmise par le capteur est proportionnelle à la vitesse des vibrations. Le
niveau de vibrations est suivi par les opérateurs de la salle de contrôle, qui arrêtent le broyeur
dans le cas de fortes vibrations.
3.2. Observations générales
En fonctionnement normal, l’amplitude des vibrations varie entre 2 à 3mm/s, si cette
amplitude dépasse 6mm/s, le broyeur est arrêté automatiquement.
Analyse des causes de l’avarie
51
Projet de Fin d’Etudes
Les figures suivantes montrent, à titre indicatif, les relevés des variations des vibrations
par le logiciel IP-21 dans le cas d’une marche normale du broyeur.
Figure 29 : Le relevé des vibrations durant la période entre Janvier et Février 2009
Analyse des causes de l’avarie
52
Projet de Fin d’Etudes
Figure 30 : Le relevé des vibrations durant Février-Mars 2009
Le niveau des vibrations a diminué progressivement après l’arrêt de production
s’étalant sur la première quinzaine du mois de novembre 2008. Cette période a connu le
retournement de train des galets, et le changement de l’anneau de retenu, après ces opérations
l’amplitude s’est réduite au dessous de 4 mm/s à partir du mois de janvier 2009 jusqu’au
mois en cours.
Figure 31 : Relevé des vibrations du 09/2008 au 01/2009
Analyse des causes de l’avarie
53
Projet de Fin d’Etudes
3.3. Analyse des différentes causes des vibrations
Les vibrations continues dans le broyeur vertical BC3 peuvent être dues à plusieurs
facteurs. Ces facteurs sont directement liés aux différents paramètres influençant sur le
fonctionnement du broyeur.
3.3.1 L’épaisseur de la couche de matière
L’épaisseur de la couche de la matière est réglée par l’anneau de retenue placée sur le
bord extérieur de la table de broyage.
Cette épaisseur est contrôlée en fonction de plusieurs paramètres comme :
La stabilité de la matière pendant le broyage.
La matière.
Le niveau des vibrations.
Dans le cas où cette épaisseur diminue, les vibrations deviennent fortes, ce qui mène à
l’arrêt du broyage afin d’éviter toute défaillance possible.
3.3.2 Anneau de buses
L’anneau de buses est placé sur la partie supérieure du galet, il sert à contrôler le débit
des gaz chauds. Dans le cas où cet anneau est bouché, le débit des gaz chauds devient
insuffisant, et donc la matière ne peut pas être ni transportée complètement vers le séparateur,
ni séchée. Ceci peut ainsi causer des vibrations au sein du broyeur.
3.3.3 La puissance absorbée par le moteur
Quand la puissance absorbée par le moteur au démarrage est importante, elle entraîne
de fortes vibrations au niveau de l’équipement, ce qui peut causer des endommagements et
des défaillances remarquables à la machine.
Analyse des causes de l’avarie
54
Projet de Fin d’Etudes
3.3.4 Les éléments de la matière première
La matière première est composée généralement de :
Schiste+ calcaire en grande quantité.
Le schiste seul en quantité faible.
La bauxite et la pyrrhotite en très faible quantité.
La granulométrie de chacune de ces matières ne représente aucune anomalie, et donc
elle ne représente aucun problème de broyage.
Donc, on peut déduire que la matière première n’est pas une cause des fortes vibrations
que connait le BC3.
3.3.5 Déséquilibre massique des rotors
Quel que soit le soin apporté à la construction des machines, il n’est pas possible de
faire coïncider l’axe de rotation avec le centre de gravité de chaque tranche élémentaire du
rotor, ce qui caractérise le balourd. Il en résulte que l’arbre en rotation est soumis à des
efforts centrifuges qui le déforment. Ces efforts se traduisent par des vibrations liées à la
fréquence de rotation.
Les déséquilibres proviennent en général des défauts d’usinage, d’assemblage des
rotors ou de montage. En fonctionnement, les rotors peuvent alors aussi se déformer sous
l’effet d’échauffement dissymétrique. La figure ci-dessous montre quelques exemples de
causes de déséquilibre.
Analyse des causes de l’avarie
55
Projet de Fin d’Etudes
Figure 32 : Exemples de balourds
Sur cette figure, les défauts semblent exagérés, surtout si l’on se réfère aux
déformations réelles des rotors. Mais si l’on considère que ces défauts peuvent être amplifiés
par les phénomènes de résonance, les figures deviennent réalistes. En effet, un décentrage du
rotor de 10µm par rapport à son axe de rotation peut se traduire par des vibrations élevées si
l’amortissement interne du rotor est faible.
Analyse des causes de l’avarie
56
Projet de Fin d’Etudes
Conclusion
L’étude de la fatigue nous a permis de déduire que ce phénomène a une grande
influence sur le fonctionnement du broyeur, l’augmentation des heures de production, et du
débit du broyeur réduit la durée de vie de ce dernier.
L’étude de la corrosion et des contraintes thermiques a montré que ces deux
phénomènes ne peuvent pas être omis dans l’étude des principaux facteurs qui causent la
défaillance des galets, et leur influence demeure importante sur l’apparition de la fissure
étudiée.
Pour diminuer l’effet de ces deux phénomènes, il faut procéder par traitement
thermique pour éviter la corrosion, et pour les contraintes thermiques, il faut proposer
quelques recommandations concernant notamment l’eau injectée au sein du broyeur.
L’analyse vibratoire qu’on a effectuée nous a permis d’analyser les différents facteurs
causant les fortes vibrations au sein du broyeur vertical BC3. L’analyse de chacune de ces
causes, va nous permettre de trouver des solutions pour réduire le niveau de vibrations.
Donc, en conclusion, et en étudiant les circonstances du travail du broyeur, et les
différents phénomènes régissant dans le milieu du travail, on déduit que la fatigue est
l’origine essentielle de l’avarie apparue sur le broyeur, car elle a la plus grande influence sur
le fonctionnement de ce dernier, vu la surcharge appliquée sur l’équipement étudié.
Dans le chapitre suivant, on traitera les solutions pour lesquelles on a opté, afin d’éviter
l’amorçage des microfissures et d’augmenter la durée de vie du galet.
57
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE V : Les solutions proposées
Les solutions proposées
58
Projet de Fin d’Etudes
1. Contrôles Non Destructifs
Pour détecter les fissures avant leur amorçage et anticiper toute défaillance susceptible
de nuire à la production, les galets du broyeur vertical BC3 nécessitent des contrôles
programmés. On a choisi les contrôles par moyen de Contrôle Non Destructif.
En effet, les termes « Essais non destructifs » END ou « contrôles non destructifs »
CND évoquent le diagnostic que le médecin formule lors de l’examen de son patient. Le
même principe appliqué aux pièces industrielles consiste à mettre en œuvre des méthodes
d’investigation pour apprécier sans destruction leur état de santé et formuler un avis sur leur
aptitude à remplir la fonction à laquelle elles sont destinées.
Pour le cas de l’avarie étudiée, on a choisi d’étudier les contrôles suivants pour pouvoir
choisir la solution convenable du côté technique et économique :
Contrôle par ultrasons car ils permettent un examen volumique de la pièce et une
haute sensibilité de détection des défauts (annexe 3).
Contrôle par émission acoustique car elle permet la détection et l’analyse des
signaux permettant d’obtenir des informations inédites sur les anomalies du champ de
contraintes, liée à la présence de défauts (annexe 4).
Contrôle par ressuage car il permet de mettre en évidence toutes les discontinuités
débouchantes sur le matériau, et il est utilisé pour les fontes (annexe 5).
Contrôle par magnétoscopie car même s’il est un contrôle surfacique, il permet de
détecter les problèmes sous jacents (annexe 6).
2. Amélioration du matériau
La société POLYSIUS a proposé une amélioration du matériau composant le bandage
du galet, ce nouveau matériau possède un niveau de résistance à l’usure et à la fatigue plus
haut que celui du FMU18, le matériau utilisé actuellement.
Les solutions proposées
59
Projet de Fin d’Etudes
2.1. Le Xwin
Le Xwin est un composite à matrice métallique dans lequel un alliage de Cr est
renforcé avec les particules en céramique également distribuées selon une conception
spéciale de nid d'abeilles. Il permet l’augmentation de la durée de vie de la table et des
bandages de 2 à 4 fois selon l’exploitation, et permet aussi d’éviter de 1 à 3 arrêts
programmés.
Perte de production Pièces usées Nouvelles pièces
Figure 33: Comparaison entre le Xwin et un alliage standard
Le Xwin maintient le profil initial du galet plus longtemps, ce qui assure un bon débit
de sortie au niveau du broyeur et une réduction des coûts de la production.
2.2. Les bandages duocast de l’Xwin
Le Duocast Xwin garantit la résistance à l'usure et une fiabilité améliorée au niveau des
bandages en associant le Xwin à la technologie de duocast.
Cette technologie confère au bandage une ductilité interne supportant les efforts dus
aux contraintes mécaniques et une dureté externe due à la présence du Xwin et de la matrice
en céramique.
Les solutions proposées
60
Projet de Fin d’Etudes
Figure 34 : Section d’un bandage en Xwin
Le matériau Xwin a été utilisé par HOLCIM Liban. En effet, après la rupture d’un
galet, la cimenterie a décidé de remplacer le bandage défaillant avec un bandage composé de
Xwin. Le nouveau bandage a été installé en avril 2004 et n’a été changé qu’en Janvier 2008,
avec une durée de vie de 26.200h et une quantité de production de 9.367.661 tonnes,
dépassant ainsi, tous les alliages utilisés auparavant.
Des recommandations concernant l’équilibrage de l’usure, et l’élimination de la
corrosion sont nécessaires pour éviter que ces deux phénomènes soient des causes d’une
fissuration de l’un des galets.
2. Equilibrage de l’usure
2.1. Mesure de l’usure
POLYSIUS exige le contrôle régulier de l’usure en utilisant un gabarit contenant 7
points de mesure sur chacun des 4 bandages. Afin d’évaluer la progression de l’usure, le
constructeur propose un procès verbal qui doit être rempli soigneusement et envoyé au
fournisseur qui se chargera de choisir la meilleure solution. POLYSIUS recommande un
contrôle de l’usure chaque 6 mois, et en cas d’une progression de l’usure, le contrôle doit être
trimestriel.
Les solutions proposées
61
Projet de Fin d’Etudes
2.2. Retournement du train de galets
Les paires de galets sont à pivoter de 180° si une usure différente se présente sur les
galets intérieurs et extérieurs. Les galets tournant jusqu’à maintenant à l’extérieur,
tourneraient alors sur la position intérieure. On atteint de cette manière une usure plus
régulière. Après le pivotement des paires de galets, il y aura impérativement lieu de veiller,
que le décalage du crochet (en grandeur et sens) soit le même que celui ajusté avant le
pivotement.
Si une usure irrégulière est constatée sur la piste de broyage, le crochet sur la paire de
galets est à corriger. L’état d’usure sur la piste de broyage peut être influencé par le décalage
du crochet.
Après la mesure de l’usure sur les outils de broyage, il y aura lieu de décider dans quel
sens le décalage du crochet devra s’effectuer. Il est toujours considéré un décalage vers
l’extérieur (+Y) lorsque l’usure la plus importante se présente sur la piste de broyage
intérieure, et vers le milieu du plateau de broyage (–Y) lorsque l’usure la plus importante se
situe sur l’aire de broyage extérieure.
Lors de la livraison des paires de galets, le crochet se trouve toujours monté en
“Position zéro (A).
Figure 35 : Positions des crochets
Les solutions proposées
62
Projet de Fin d’Etudes
2.3. Recommandations pour l’eau injectée
A cause de la mauvaise orientation de la conduite d’eau sur le galet intérieur, le jet
d’eau peut facilement toucher directement le bandage accidentellement si la matière versée
n’est pas suffisante. Ce cas est rencontré souvent au démarrage et même au moment de
l’arrêt, le bouchage de l’injection est important avant l’arrêt de l’alimentation en matière.
A cause de la grande quantité injectée dedans (qui peut atteindre 6t/h), le taux
d’humidité de la matière sur la table est assez élevé. Ainsi, pour diminuer le débit d’eau
touchant la table, on pulvérise de l’eau dans le flux entrant, en effet, cette méthode joue le
rôle de conditionnement de la température de sortie, donc, le rôle de l’eau injectée sur la table
est de stabiliser la matière. La quantité d’eau nécessaire sera fonction du niveau vibratoire. Il
sera alors judicieux d’installer des injecteurs au niveau de l’anneau de buses.
3. Traitements superficiels
En tenant compte de l’usure par abrasion et la corrosion qui se manifestent d’une
manière remarquable sur la surface du bandage du galet, on juge qu’il est nécessaire de
procéder par des traitements superficiels appropriés afin d’améliorer les couches
superficielles du matériau.
Ces traitements ont essentiellement pour but de réaliser une structure à gradient de
propriétés mécaniques permettant d’améliorer d’une part la résistance au frottement et à
l’usure sans dégrader la tenue à l’oxydation et à la corrosion, d’autre part, la résistance à la
fatigue mécanique, thermique et de surface sans dégrader la tenue à la propagation des
fissures et à l’écaillage.
3.1. Principe
Pour améliorer la tenue en service d’une pièce métallique soumise à des sollicitations
mécaniques globales, en particulier cycliques ou à des actions de contact locales, associées
éventuellement à un environnement hostile, plusieurs démarches sont possibles.
Les solutions proposées
63
Projet de Fin d’Etudes
La démarche qui paraît la plus sage et la moins coûteuse, consiste à améliorer les
propriétés locales du matériau par mise en précontrainte de compression des zones les plus
sollicitées c’est-à-dire, le plus souvent, les couches superficielles de la pièce. En outre, dans
beaucoup de cas, l’introduction de contraintes résiduelles superficielles de compression est
associée à une augmentation de la dureté et de la limite d’endurance du matériau ce qui
justifie d’autant plus une telle approche.
Tout le problème réside dans le choix du procédé le mieux adapté et le plus efficace à
long terme.
L’amélioration des propriétés des zones superficielles des pièces est donc un moyen
curatif permettant de se prémunir contre les effets néfastes d’une surcharge au sens large du
terme.
4. Solutions relatives aux vibrations
4.1. L’épaisseur de la couche de matière
Il est indispensable de régler l’épaisseur de la couche de la matière, pour assurer la
stabilité du broyeur.
Pour régler ce paramètre, il faut régler l’anneau de retenue, en fonction de la
progression de l’usure des galets et de la table de broyage.
Figure 36 : L’anneau de retenue
Les solutions proposées
64
Projet de Fin d’Etudes
4.2. L’anneau de buses
Dans le cas du bouchage de l’anneau de buses, les gaz chauds deviennent insuffisants,
ce qui entraîne un problème de transportation de la matière, ce qui peut engendrer des
vibrations.
Donc, il faut effectuer des contrôles continus de l’état de l’anneau de buses pour éviter
tout bouchage possible de cette dernière.
4.3. La puissance absorbée par le moteur
Afin de réduire les vibrations dues à la grande puissance absorbée par le moteur, le
remède est de réduire la puissance transmise, trop élevée, en allongeant le temps de
démarrage du moteur par interposition d’une auto- inductance, le nouveau régime transitoire
étant acceptable.
4.4. Les éléments de la matière première
Afin d’assurer un bon fonctionnement du broyeur, sans vibrations nuisibles à sa marche
normale, le service procédés de LAFARGE doit contrôler de manière continue, les éléments
sortant du concasseur, et s’assurer de la conformité de leur granulométrie avec celle
recommandée par le fournisseur, et ceci pour éviter toutes vibrations possibles qui ont pour
cause les composantes de la matière entrant dans le broyeur.
4.5. Les balourds
Pour éviter les effets de balourd, on recommande à l’équipe de maintenance chargée du
broyeur vertical BC3 de vérifier de manière continue les rotors afin d’annuler toute
coïncidence possible entre leur axe de rotation et leur centre de gravité.
4.6. Préventions pour garder un niveau vibratoire commode
Le broyeur BC3 est équipé d’un capteur permanent de vibration lié à un système de
gestion des capteurs de toute l’usine, ce système permet la consultation des données en temps
Les solutions proposées
65
Projet de Fin d’Etudes
réel ainsi que l’historique des différents enregistrements. D’où l’aisance du suivi l’état de
santé du broyeur. Parmi les préventions à appliquer on cite :
Connaître la vibration limite appliquée au broyeur.
Connaître l’épaisseur optimale de la couche de matière.
Faire fonctionner le capteur d’épaisseur du lit de matière et veiller à sa fiabilité.
Equilibrer la pression des vérins, le contrôle de cette entité donne une idée sur la taille de
la couche.
Maintenir un lit équilibré :
o Contre les grosses granulométries.
o Contre l’excès des grains fins à l’entrée.
o Contre le débit d’alimentation variable.
o Introduire la matière au centre du plateau de broyage.
Maintenir l’injection de l’eau en amont de chaque galet, et contrôler sa quantité selon
l’humidité de la matière.
Connaître le flux de gaz critique et la pression commode et veiller à leur stabilité.
Eviter l’introduction des éléments ferreux et magnétiques.
Profiter de chaque arrêt du broyeur sous l’effet de vibration afin de déterminer sa cause.
On peut se servir de l’étude spectrale de la vibration pour distinguer les défaillances
mécaniques et celles liées au procédés.
Ne démarrer le broyeur qu’après avoir une quantité de matière suffisante à l’intérieur.
Effectuer des contrôles en permanence et surtout en période d’arrêt sur tout l’atelier de
broyage.
Conclusion
A cause des quelques difficultés que posent le contrôle par ultrasons pour la
localisation de l’avarie dans le cas de notre problème, on a opté pour un ressuage qui précède
le contrôle par ultrasons. Ces contrôles doivent se faire par POLYSIUS avant la livraison des
galets à l’usine. Ces solutions vont permettre d’augmenter la résistance des galets aux
différents phénomènes régnant le milieu du travail de ces derniers.
Les solutions proposées
66
Projet de Fin d’Etudes
L’utilisation du nouveau matériau composite Xwin sera aussi une solution efficace, qui
va permettre une durée de vie des galets 2 à 4 fois plus grande que la durée de vie des galets
utilisés actuellement.
Pour équilibrer l’usure des galets, et diminuer l’effet de la corrosion causée par l’eau
injectée, on a cité quelques recommandations qui doivent être appliquées pour garantir le bon
fonctionnement du broyeur BC3, et dont certaines sont données par le constructeur.
Concernant le traitement superficiel, et en tenant compte de la géométrie de la pièce
(changement de section…), on a choisi le grenaillage par précontrainte, mais pour opter pour
cette solution, on doit non seulement s’assurer de la disponibilité des entreprises effectuant ce
traitement, mais aussi du coût de ce traitement pour une pièce de grandes dimensions comme
le bandage étudié.
Pour réduire les vibrations au niveau du BC3 qui nuisent au fonctionnement normal de
ce dernier, et qui peuvent causer d’énormes défaillance à chacun de ses composants, ce qui
peut engendrer de grandes pertes au niveau de la production, il est nécessaire d’effectuer les
contrôles réguliers recommandés ci-dessus.
Dans le chapitre suivant, nous avons réalisé une étude technico-économique qui va
nous permettre de quantifier l’efficacité des solutions proposées.
Les solutions proposées
67
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE VI : Analyse des Modes
de Défaillances de leur Effets et de leur
Criticité(AMDEC)
L’AMDEC
68
Projet de Fin d’Etudes
1. Définition
L’AMDEC est une technique d’analyse qui a pour but d’évaluer et de garantir la sûreté
de fonctionnement des machines par la maîtrise des défaillances. Elle a pour objectif final
l’obtention, au meilleur coût, du rendement global maximum des machines de production et
équipements industriels.
2. Démarche pratique de la méthode AMDEC
L’étude AMDEC nous a mené à suivre 3 étapes successives. La puissance d’une étude
AMDEC réside autant dans son contenu que dans son exploitation. Notre étude AMDEC
resterait sans valeur si elle n’est pas suivie par la mise en place effective des actions
correctives préconisées par le groupe, accompagnées d’un contrôle systématique.
L’étude peut être prolongée par des travaux complémentaires tels que les calculs de
fiabilité et disponibilité, l’élaboration de plans de maintenance et des aides au diagnostic, etc.
3. Analyse des mécanismes de la défaillance
Cette phase consiste à examiner comment et pourquoi les fonctions du broyeur risquent
de ne plus être assurées correctement. On identifie les mécanismes de défaillance des
éléments du broyeur de manière exhaustive.
L’AMDEC
69
Projet de Fin d’Etudes
L’analyse des mécanismes de défaillance se base sur l’état actuel du broyeur.
Causes de la
défaillance
Conception
Fabrication
Exploitation
Détection
Internes ou externes à
l'élément
MODES DE
DEFAILLANCE
Détection
Dégradation et perte de
fonction de l'élément
Effets sur le
fonctionnement
de la machine
Dégradations
fonctionnelles et
matérielles de la
machine
Effets sur la
disponibilité du
moyen de
production
Effets sur la
qualité du produit
fabriqué
Effets sur les
coûts de
maintenance
Effets sur la
sécurité des
opérateurs et de
l'environnement
Figure 37 : Analyse du mécanisme de défaillance
L’AMDEC
70
Projet de Fin d’Etudes
Élément Fonction Mode de
défaillance
Cause de la
défaillance
Effet de la
défaillance
Détection
Bandages des
galets
Broyage
Usure
Fissure/Rupture
Frottements
Abrasif
Chocs/
fatigue/corrosion
Diminution de la
durée de
vie/concentration
de contraintes.
Arrêt de
mouvement/dégât
sur l’ensemble
Visuel
après
ouverture
du broyeur
Visuelle
Trains de
galets
Maintenir les
galets et les
tirants
Déviation de la
position verticale
Déséquilibre des
trains de galets et
des tirants
Usure excessive
des galets et de la
piste.
Contrôle de
l’usure
Guide galets et
socles
Orienter le
mouvement
des trains de
galets
Jeu anormale
Socle
Piste de
broyage
Support de la
matière
broyée
Usure
Fissure
Usure abrasive
Chocs/fatigue/
corrosion
Diminution de la
durée de
vie/broyage
anormal
Arrêt de
mouvement/dégât
sur l’ensemble
Mesure de
l’usure
Visuelle
Tirants Maintenir les
galets en
contact avec
la table
Rupture Fatigue Arrêt du
mouvement
visuelle
Vérins
hydrauliques
Pression de
maintien des
galets
Non stabilité de
la pression
Usure des joints
Fuite d’huile
Défaut de la
pompe
Chute de pression
Contrôle de
pression
d’huile
Tableau 8 : Analyse des mécanismes de défaillances des différents composants du broyeur
L’AMDEC
71
Projet de Fin d’Etudes
4. Estimation de la criticité
Cette phase consiste à évaluer la criticité des défaillances de chaque élément, à partir de
plusieurs critères de cotation indépendants. Pour chaque critère de cotation, on attribue un
niveau (note ou indice). Un niveau de criticité en est ensuite déduit, ce qui permet de
hiérarchiser les défaillances et d’identifier les points critiques.
L’évaluation de la criticité se fonde sur l’état actuel du broyeur. Les critères de criticité
s’expriment dans le tableau AMDEC par leurs niveaux respectifs.
4.1. Indice de fréquence F
Il représente la probabilité que la cause de défaillance apparaisse et qu'elle entraîne le
mode potentiel de défaillance considéré. Il faut donc tenir compte simultanément de la
probabilité d'apparition de la cause et de la probabilité que cette cause entraîne la défaillance.
La note F correspond alors à la combinaison de ces deux probabilités. Le barème de cotation
varie entre 1 et 4 (voir tableau ci-dessous).
Valeurs de F Fréquence d’apparition de la défaillance
1 Défaillance pratiquement inexistante.
2 Défaillance rarement apparue (un défaut par
an)
3 Défaillance occasionnellement apparue
(un défaut par trimestre).
4 Défaillance fréquemment apparue
(un défaut par moi).
Tableau 9 : Les indices de fréquence F
L’AMDEC
72
Projet de Fin d’Etudes
4.2. Indice de gravité G
Les barèmes de cotation, variant de 1 à 5 (tableau suivant), se basent sur les effets
provoqués par la défaillance, en terme :
De Temps d'Intervention (TI) qui correspond au Temps Actif de Maintenance Corrective
(diagnostic + réparation ou échange + remise en service),
de sécurité des hommes ou des biens.
L'indice sanctionne uniquement l'effet le plus grave produit par le mode de défaillance,
même lorsque plusieurs effets ont été identifiés.
La note G = 5 est automatiquement attribuée lorsque l'effet peut impliquer des
problèmes de sécurité des personnes, en dysfonctionnement ou en intervention.
Valeurs de gravité G Gravité de la défaillance
1 Défaillance mineure aucune dégradation
notable du système
TI<30 min
2 Défaillance moyenne nécessitant une
remise en état de courte durée. 30
min<TI<10 h
3 Défaillance majeure nécessitant une
intervention de longue durée 10 h<TI< 24 h
4 Défaillance catastrophique très critique
nécessitant une longue intervention
dommage matériel très important
TI>24h
5 Sécurité/qualité, accident pouvant
provoquer des problèmes de sécurité des
personnes, lors du dysfonctionnement ou lors
de l’intervention
Tableau 10 : Les indices de gravité G
L’AMDEC
73
Projet de Fin d’Etudes
4.3. Indice de non-détection D
C'est la probabilité que la cause ou le mode de défaillance supposés apparus
provoquent l'effet le plus grave, sans que la défaillance ne soit détectée au préalable. Le
barème de cotation varie entre 1 et 4 (tableau ci-dessous).
Valeurs de la non-détection Non-détection de la défaillance
1 Les dispositions prises assurent une détection
totale de la cause initiale ou du mode de
défaillance, permettant ainsi d’éviter l’effet
le plus grave provoqué par la défaillance
pendant la production.
2 Il existe un signe avant-coureur de la
défaillance mais il y a risque que ce signe ne
soit pas perçu par l’opérateur. La détection
est exploitable.
3 La cause et/ou le mode de défaillance sont
difficilement décelables ou les éléments de
détection sont peu exploitables. La détection
est faible.
4 Rien ne permet de détecter la défaillance
avant que l’effet ne se produise : il s’agit du
cas sans détection.
Tableau 11 : Les indices de la non-détection C
4.4. Calcul de la criticité C
On calcule le niveau de criticité, pour chaque combinaison cause / mode / effet, à partir
des niveaux atteint par les critères de cotation. La valeur de la criticité est calculée par le
produit des niveaux atteints par les critères de cotation.
C F G D
L’AMDEC
74
Projet de Fin d’Etudes
Date de l'analyse:
AMDEC – ANALYSE DES MODES DE DÉFAILLANCE DE
LEURS EFFETS ET DE LEUR CRITICITÉ Phase de
fonctionnement :
page : 1 / 2
Système : Broyeur vertical
BC3
Sous - Ensemble : Les éléments de
broyage
Nom :
LAFARGE
Élément Fonction Mode de
défaillance
Cause de la
défaillance
Effet de la
défaillance Détection
Criticité
F G D C
Bandages
des galets Broyage
Usure Frottements
Diminution
de la durée de vie
Visuel après
ouverture du
broyeur
2 3 4 24
Fissure/Rupture Chocs/
frottements
Arrêt de mouvement
Non
détectable
Trains de
galets
Maintenir
les galets et les tirants
Déviation de la
position
verticale
Déséquilibre
des trains de galets et des tirants
Usure
excessive des galets et de la piste
Contrôle de l’usure
2 3 3 18
Guide
galets et
socles
Orienter le
mouvement des trains de
galets
Usure
Jeu anormale
entre le guide de galet et le
socle
Vibration excessive
Vibration 2 3 2 12
Piste de
broyage
Support de la matière broyée
Usure Usure abrasive
Diminution de la durée de vie
Mesure de l’usure
2 4 2 16
Fissure Arrêt de
mouvement Non détectable
L’AMDEC
75
Projet de Fin d’Etudes
Date de l'analyse:
AMDEC – ANALYSE DES MODES DE DÉFAILLANCE DE LEURS EFFETS ET DE LEUR CRITICITÉ
Phase de fonctionnement
:
page : 2 / 2
Système : Broyeur
vertical BC3 Sous - Ensemble :
Nom :
LAFARGE
Élément Fonction Mode de
défaillance
Cause de
la
défaillance
Effet de la
défaillance Détection
Criticité
F G D C
Tirants
Maintenir
les galets en contact avec la
piste
Rupture Fatigue Arrêt de mouvement
Non détectable 1 3 4 12
Vérins
hydrauliques
Pression
de maintien des galets
Non
stabilité de la pression
Usure des joints
Fuite d’huile Bouleversement
de l’indication de la pression
2 3 2 12 Panne de la pompe
Chute de pression
Tableau 12 : Tableau de l’AMDEC du broyeur BC3
5. Courbe de criticité
Après avoir calculé les criticités des différents organes du broyeur BC3, on trace la
courbe de criticité qui nous permet de détecter l’organe le plus défaillant (l’organe qui a la
plus grande criticité), et ainsi, on peut savoir les actions à appliquer pour diminuer le niveau
de criticité des composants du broyeur.
L’AMDEC
76
Projet de Fin d’Etudes
Graphe 1 : Diagramme de criticité des éléments du broyeur avant rectifications
6. Les actions rectificatives
En effet l’étude AMDEC doit être suivie pour la proposition et la mise en place de
certaines actions correctives afin d’améliorer la rentabilité et la fiabilité du broyeur
vertical.ces actions sont :
Effectuer un contrôle non destructif à la réception des équipements notamment les
bandages des galets, afin de s’assurer de l’absence de fissures dépassant la longueur
critique.
Effectuer un retournement périodique (une fois tout les six mois) afin d’équilibrer
l’usure.
Réduire la charge de production du broyeur BC3.
Choisir des matériaux appropriés pour les bandages et la table de broyage, ayant une
certaine dureté extérieure pour assurer un broyage sans être détérioré, et une ductilité
interne pour supporter les sollicitations.
24
18
12
16
12 12
0
5
10
15
20
25
30
Diagramme de criticité
L’AMDEC
77
Projet de Fin d’Etudes
Régler la position des crochets des trains de galets (assistance POLYSIUS) afin
d’équilibrer l’usure ou quand le train n’est plus vertical.
7. Estimation de la criticité par les indices finaux
Après avoir discuté les actions correctives, le groupe de travail à évalué les indices finaux
de criticité comme suit :
Date de
l'analyse:
AMDEC – ANALYSE DES MODES DE DÉFAILLANCE DE LEURS EFFETS ET DE LEUR CRITICITÉ
Phase de fonctionnement
:
page : 1 / 2
Système : Broyeur vertical BC3
Sous - Ensemble : Les éléments de broyage
Nom :
LAFARGE
Élément Fonction Mode de
défaillance
Cause de la
défaillance
Effet de la
défaillance Détection
Criticité
F’ G’ D’ C’
Bandages
des galets Broyage
Usure Frottements Diminution de la durée
de vie
Visuel après ouverture
du broyeur
1 1 3 3
Fissure/Rupture Chocs/
frottements
Arrêt de
mouvement
Non détectable
Trains de
galets
Maintenir les galets et les tirants
Déviation de la
position
verticale
Déséquilibre
des trains de galets et des
tirants
Usure
excessive des galets et de la
piste
Contrôle de l’usure
1 1 2 2
Guide
galets et
socles
Orienter le mouvement
des trains de galets
Usure
Jeu anormale entre le
guide de galet et le socle
1 1 1 1
Piste de
broyage
Support de
la matière broyée
Usure Usure
abrasive
Diminution
de la durée de vie
Mesure
de l’usure 1 2 1 2
Fissure Arrêt de
mouvement Non détectable
L’AMDEC
78
Projet de Fin d’Etudes
Date de l'analyse:
AMDEC – ANALYSE DES MODES DE DÉFAILLANCE DE LEURS EFFETS ET DE LEUR CRITICITÉ
Phase de fonctionnement :
page : 2 / 2
Système : Broyeur
vertical BC3 Sous - Ensemble :
Nom :
LAFARGEMI
Élément Fonction Mode de
défaillance
Cause de
la
défaillance
Effet de la
défaillance Détection
Criticité
F’ G’ D’ C’
Tirants
Maintenir
les galets en
contact avec la piste
Rupture fatigue Arrêt de
mouvement Non détectable 1 1 3 3
Vérins
hydrauliques
Pression de
maintien des galets
Non
stabilité de la pression
Usure des
joints
Fuite
d’huile Bouleversement
de l’indication de la pression
1 2 2 4 Panne de la
pompe
Chute de
pression
Tableau 13 : Tableau de l’AMDEC du broyeur BC3 après application des actions rectificatives
8. Courbe de criticité finale
Après avoir évalué la criticité finale on trace la courbe de criticité finale afin d’évaluer
l’impact des actions correctives.
Graphe 2 : Diagramme de criticité des éléments du broyeur avant rectifications
32
12
34
012345
Diagramme de criticité
L’AMDEC
79
Projet de Fin d’Etudes
On remarque que les actions correctives pourront contribuer de façon très significative
dans la prévention des incidents qui surgissent au niveau du broyeur vertical BC3.
9. Le suivi
Afin d’assurer l’efficacité de la mise en œuvre de l’AMDEC une opération de suivi
paré nécessaire, puisqu’elle nous permettra de s’assurer que toutes les actions décidées ont
été réalisées et que la nouvelle valeur de criticité sont effectivement atteintes.
Le suivi s’effectue suivant les étapes suivantes :
La mise en place d’un planning pour entamer les actions.
Contrôler la bonne application des mesures prises.
Assurer une bonne gestion logistique en matière d’approvisionnement des ressources et
des moyens nécessaire aux actions mises en œuvre.
Prendre en compte les mises à jour :
Documentation.
Gamme de maintenance.
L’AMDEC
80
Projet de Fin d’Etudes
10. Gamme de maintenance concernant le broyeur vertical
BC3
Afin d’assurer une bonne gestion de la maintenance du broyeur vertical BC3, une
gamme de maintenance parée nécessaire à mettre en œuvre.
Composant Action Type de
maintenance
Fréquence Etat du
broyeur
Trains de
galets
Bandages du
galet
Piste de
broyage
Contrôle de
l’usure
Contrôle des fissures par
moyens de CND
Si l’usure des bandages est supérieure à 30
mm, effectuer un retournement
des trains de galets
Régler la
position des crochets lorsque l’usure n’est
plus uniforme ou lorsque le
train de galet n’est plus droit.
Préventive
Préventive
Corrective
Corrective
1 fois/trimestre
1 fois/semestre
Arrêt
Arrêt
Arrêt
Arrêt
L’AMDEC
81
Projet de Fin d’Etudes
Tableau 14 : Planning de maintenance du broyeur BC3
Conclusion
Cette analyse nous a permis de définir les éléments les plus défaillants du BC3. Les galets
du broyeur ont le plus grand facteur de criticité, ce qui explique les actions correctives qui
doivent s’appliquer sur ce dernier.
En déterminant les suivis et les actions nécessaires pour réduire la criticité des galets, on a
établi une gamme de maintenance relative au broyeur vertical BC3.
Vérins
hydrauliques
Contrôle de la
pression des vérins.
Contrôle des fixations
Contrôle des fuites d’huile.
Contrôle des
vibrations
Préventive
Préventive
Préventive
Préventive
Chaque jour
(salle de contrôle)
1 fois/semaine
Chaque 2 jours
Chaque jour (salle de contrôle)
Marche
Arrêt
Marche
Marche
Tirants Contrôle de la fixation des tirants
Préventive 1 fois/semaine Arrêt
Guide galets et
socles
Contrôle de l’usure
Si le jeu est supérieur à 15 mm
rechargement en matière
Préventive
Corrective
1 fois/trimestre Arrêt
Arrêt
82
Projet de Fin d’Etudes
CHAPITRE VII : L’étude technico-économique
Etude technico-économique
83
Projet de Fin d’Etudes
Introduction
L’étude technico-économique consiste à déterminer le coût des solutions proposées,
d’évaluer les dépenses causées par la maintenance et les arrêts de production, et ainsi, elle
permet de chiffrer les gains réalisés par l’application des solutions.
1. Coût de la maintenance effectuée en cas de la fissure/rupture
du bandage
Pour pouvoir effectuer cette étude, il faut connaître certaines informations permettant
de déterminer les dépenses de l’entreprise pour la maintenance des galets.
Les informations nécessaires sont les suivantes :
Le débit du broyeur vertical BC3 qui est de 250 tonnes/heure.
La capacité des silos de stockage qui est de 6000 tonnes.
Le débit de l’alimentation du four qui est de 275 tonnes/heure.
Le prix de transformation de la matière cru en clinker.
Le prix de transformation du clinker en ciment.
La maintenance du broyeur en cas d’une défaillance cause des arrêts de production, ce
qui génère des coûts directs et des coûts indirects.
1.1. Les coûts directs
Le bandage en FMU18 utilisé actuellement dans les galets est fourni par POLYSIUS.
Pour connaître son approvisionnement, LAFARGE Bouskoura a lancé un appel d’offre, qui
nous a permis de connaître le coût du bandage qui est de 400 000 dirhams, et le délai
d’approvisionnement qui est de 37 semaines.
Le changement du bandage du galet demande un arrêt de 24 heures.
Etude technico-économique
84
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Les coûts indirects
Le broyeur vertical BC2 fonctionne avec un débit de 180 tonnes/heure, donc les deux
broyeurs contribuent au remplissage du silo avec un débit total qui atteint 430 tonnes/heure.
Ainsi, si le broyeur BC3 tombe en panne et en prenant le cas le plus favorable qui est le
remplissage total du silo de stockage de la matière crue, la différence entre le débit de
remplissage du silo et celui de l’alimentation du four est de 95 tonnes/heure, après 38 heures,
le silo sera à sec, et le broyeur BC2 continuera à alimenter le four, ce qui présente une perte
de production de 95 tonnes/heure.
Figure 38 : Alimentation du silo par les broyeurs BC2 et BC3
D’où, dans le cas du changement du galet, la quantité du cru non produite est de 2280
tonnes/heure.
Afin de connaître la quantité non produite du ciment pendant l’arrêt du broyeur, on a
contacté le service procédé qui nous a donné les équations suivantes :
ker65%
Clin
Cru
Etude technico-économique
85
Projet de Fin d’Etudes
1.42ker
Ciment
Clin
D’où : 0.923 kerCiment Clin
Donc la quantité de ciment non produite est de 2088.25 tonnes.
Sachant que le prix du ciment est de 1300 DH/t, le coût des pertes de production est de
2 .714.725 DH.
Donc le coût total des pertes qui est la somme des coûts directs et indirects s’élève à
3.114.725 DH.
1.3. Coût des arrêts programmés du broyeur BC3
Afin d’assurer son bon fonctionnement, le broyeur BC3 connait des arrêts programmés
chaque semaine. Ainsi, le broyeur est arrêté cinq heures en moyenne, soit cinq heure d’arrêt
de production.
En prenant le débit nominal qui est de 180 tonnes/heure, la quantité de cru non produite
sera de 900 tonnes, ce qui génère une perte annuelle d’environ 46.800 tonnes, soit une
quantité de ciment non produite de 43.196,4 tonnes.
Donc, pendant les arrêts programmés, le prix du ciment non produit est de 56.155.320
DH par an.
2. Coût des solutions proposées
2.1. Contrôle par ultrasons
En utilisant le contrôle non destructif par ultrasons (TUD-360 Ultrasonic Flaw
Detector, annexe 8), qui coûte 5400 dollars, soit 43.497,69 DH, ce qui fera 130.475,07 DH
pour les 4 bandages, on pourra assurer le suivi de l’évolution des microfissures.
Etude technico-économique
86
Projet de Fin d’Etudes
Ainsi, le nombre des arrêts programmés va diminuer (un arrêt par quinzaine), ce qui
fera gagner à LAFARGE 28.077.660 DH par an.
2.2. Le matériau Xwin
Le bandage en Xwin coûte 43.375 €, soit 489.287,44 DH, (voir annexe 9), et pour les 4
bandages, le coût est de 1.957.149,76 DH, ce matériau permettra de réduire le nombre des
arrêts programmés à un arrêt par trois semaines, ce qui fera gagner à Lafarge 35.095.320 DH
par an.
Donc le coût total des solutions proposées sur une durée de 3ans est :
Le contrôle par ultrasons : pour un contrôle semestriel durant la première année, et
un contrôle trimestriel durant les deux années, le coût total est de 130.475,07 DH .
Un galet en Xwin coûte 1.957.149,76 DH.
Donc le coût total est de : 2.087.624,83 DH.
Conclusion
Afin d’augmenter la durée de vie des galets, et avoir une meilleure résistance à la
fatigue, à la corrosion et à l’usure, LAFARGE doit investir un montant de 2.087.624,83 DH.
L’entreprise va réaliser ainsi une économie de 33.007.695,17 DH grâce à la réduction des
arrêts programmés et des coûts d’indisponibilité du broyeur.
Il est à noter que cette économie représente 0,9% du chiffre d’affaire le l’usine de
Bouskoura.
Conclusion générale
87
Projet de Fin d’Etudes
Conclusion générale
Dans le cadre de notre projet de fin d’études, on a effectué une analyse de l’avarie
apparue sur le bandage du galet du broyeur BC3, et à partir de cette expertise, et de l’analyse
des différents facteurs agissant sur le broyeur, on a pu déterminer l’origine majeure de cette
fissure.
En effet, on a remarqué que les vibrations élevées au sein du broyeur, l’effet corrosif de
l’eau injectée, et le non équilibrage de l’usure au niveau du train de galets, sont tous des
phénomènes qui peuvent réduire la durée de vie du bandage, et ainsi mener à une défaillance
de ce dernier (fissure, rupture…). Mais, à notre avis, le phénomène majeur qui a mené à
l’apparition de l’avarie est le phénomène de la fatigue, du à la surcharge appliquée sur le
bandage.
A partir de l’analyse de ces facteurs, on a proposé les solutions suivantes :
Effectuer un contrôle non destructif par ultrasons.
Changer le matériau utilisé actuellement, par le composite Xwin.
Equilibrer l’usure et effectuer le suivi des vibrations.
Une étude AMDEC est réalisée nous permettant ainsi de détecter les organes les plus
défaillants du broyeur BC3, et de mesurer leur criticité afin de proposer les actions
correctives nécessaires. On a réussi ainsi, à réduire la criticité du bandage du galet d’un
facteur de 24 initialement à un facteur de 3.
Finalement, nous avons effectué une étude technico-économique qui nous a été
bénéfique dans la mesure où elle nous a permis de s’assurer du rendement économique des
solutions proposées.
Annexes
88
Projet de Fin d’Etudes
Annexes
Annexes
89
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 1 : Rapport concernant la longueur et la profondeur de la fissure communiqué par le Centre Technique des Travaux Industriels
Annexes
90
Projet de Fin d’Etudes
Annexes
91
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 2 : Mail contenant les caractéristiques concernant la fonte utilisée actuellement
dans les galets
----- Réacheminé par Abdelhak Waoua/Bouskoura/Ma/Ciment/Lafarge le 25/03/2009 13:26 -----
m
24/03/2009 16:06
Pour :[email protected]
Objet :Re: DEMANDE DE RENSEIGNEMENT POUR DES STAGIAIRES INGENIEURS
Monsieur Waoua,
Je vous demande de nous excusez le retard des informations.
En réponse à votre demande ensuite les données.
Dureté: 65,8HRC
Limite elastique et charge de rupture: 481MPa
Tenacité selon ASTM E399: 30,7MPam1/2
Module d'élasticité: 225120N/mm²
coéfficient de poisson: 0,28
À votre disposition pour plus d'informations
Meilleures salutations
-----------------------------------------------------------------------------
Annexes
92
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 3
1. Contrôle par ultrasons
1.1. Principe
Les ultrasons sont émis au moyen de « traducteurs » qui fonctionnent le plus souvent
par effet piézoélectrique. On analyse la propagation d’ondes mécaniques de haute fréquence
(quelques Mégahertz en général) au sein du matériau constitutif de la pièce à contrôler.
Les ultrasons, aux fréquences utilisées (1 à 10 MHz) ne se propagent pas dans l’air.
Pour assurer leur passage entre le traducteur et la pièce à contrôler, il faut placer entre les
deux un milieu dit de couplage. Deux techniques existent pour assurer ce couplage : le
contrôle par contact et le contrôle par immersion.
Figure 39: Principe du contrôle par ultrasons
Annexes
93
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Contrôle par contact
Le traducteur est directement placé sur la pièce à contrôler. La liaison acoustique est
assurée par une couche d’agent de couplage : graisse, huile, colle cellulosique, gels spéciaux
dont l’épaisseur est de l’ordre du dixième de millimètre.
Cette technique, dite de palpage, est surtout employée lors de contrôles manuels. Elle
nécessite l’intervention d’un opérateur pour le déplacement du traducteur. La constance du
couplage, et donc du contrôle, n’est pas assurée.
Figure 40 : Principe du contrôle par contact
1.3. Contrôle par immersion
Le traducteur est situé à une certaine distance de la pièce, le couplage est assuré par un
liquide, habituellement de l’eau. Il peut s’agir :
D’une immersion totale : le traducteur et la pièce sont entièrement immergés dans une
cuve de contrôle.
D’une immersion locale : le traducteur et la partie de la pièce qui est contrôlée sont
reliés entre eux par un volume de liquide, grâce à des dispositifs spéciaux.
Des techniques sans contact ne faisant pas appel à l’immersion sont en développement
actuellement mais les applications industrielles sont encore très limitées.
Annexes
94
Projet de Fin d’Etudes
Figure 41 : Principe du contrôle par immersion
1.4. Mise en œuvre
La méthode de contrôle la plus employée est de type échographique. Il s’agit de
rechercher les signaux d’échos réfléchis par les anomalies ou défauts rencontrés lors de
l’exploration de la pièce contrôlée. L’écho est généralement recueilli par le traducteur ayant
servi à l’émission.
La position des signaux d’échos sur l’écran de l’appareil de contrôle permet de
déterminer la distance parcourue par l’onde ultrasonore et par conséquent la position du
réflecteur à l’origine de l’écho. Le contrôleur doit pouvoir distinguer les échos provenant de
la géométrie de la pièce qui peuvent provenir d’une anomalie. L’amplitude des signaux
d’échos est en relation avec le pouvoir réfléchissant du réflecteur et dépend donc, dans le cas
d’un défaut, de diverses caractéristiques : nature, grandeur, forme, orientation, etc.
Les deux informations essentielles relatives à un écho – position et amplitude – ne
permettent l’interprétation que si l’appareil est convenablement réglé et si on a vérifié
périodiquement son bon fonctionnement. L’amplitude d’un écho n’est jamais mesurée en
absolu mais toujours comparée à l’amplitude de l’écho d’un réflecteur bien définies.
Annexes
95
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 4
1. Contrôle par émission acoustique
1.1. Principe
L’Émission Acoustique (EA) est un phénomène de libération d’énergie sous forme
d’ondes élastiques transitoires au sein d’un matériau soumis à une sollicitation.
La détection et l’analyse des signaux permettent d’obtenir des informations inédites sur
les anomalies du champ de contraintes, liées par exemple à la présence de défauts. La
détection est réalisée par un capteur piézoélectrique avec une fréquence de 50 kHz à 1 MHz
(généralement 50 à 500 kHz).
Figure 42: L’émission acoustique
La technique de CND par émission acoustique n’est sensible qu’aux processus
irréversibles qui s’accompagnent par une libération d’énergie dont une partie se transforme
en une énergie mécanique qui se propage sous forme d’onde élastique.
Un tel processus peut être un endommagement en évolution tel que une plastification
en croissance, une fissure qui se propage, une corrosion active ou encore un processus actif
tel que la turbulence d’un fluide passant une fuite soumise à un différentiel de pression.
Annexes
96
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Conditions liées à l’onde émise
Pour être détectée, l’onde générée doit atteindre un capteur d’émission acoustique
située au voisinage de sa source. Ce capteur doit être adéquatement choisi, principalement, en
fonction des caractéristiques fréquentielles de l’onde détectée.
L’onde doit aussi présenter des caractéristiques particulières permettant de la distinguer du
bruit de fond ambiant.
Dans la plus part des applications industrielles, l’onde émise par le processus sous
contrôle atteint le capteur le plus proche de sa source avec une amplitude supérieure à celle
du niveau de bruit de fond. Dans ce cas, il suffit de sélectionner un seuil de détection
légèrement supérieur au niveau de bruit de fond ambiant pour ne garder que les signaux
utiles à l’analyse.
Il est parfois nécessaire d’effectuer le contrôle en présence d’un niveau de bruit de fond
qui excède les amplitudes des ondes émises par le processus contrôlé. Dans ce cas, pour
pouvoir les distinguer du bruit de fond, ces ondes doivent présenter au moins une
caractéristique commune permettant de les identifier. Elle se présente souvent sous la forme
d’une combinaison de paramètres appelée «signature acoustique».
1.3. Conditions liées à la procédure de contrôle
La façon dont le test est réalisé peut aussi affecter la sensibilité. La procédure contrôle
par EA doit, en effet, prévoir les dispositions favorables à l’activation du processus contrôlé.
A titre d’exemple : Le suivi par émission acoustique de l’épreuve de qualification d’un
appareil à pression a pour but d’évaluer l’intégrité mécanique de la structure avant de la
mettre en service. La procédure du contrôle prévoit d’imposer à l’appareil un cycle de
pressurisation précis afin de favoriser une propagation contrôlée des fissures. Une évaluation
en temps réel des données d’émission acoustique, sur la base des critères spécifiés
Annexes
97
Projet de Fin d’Etudes
préalablement par la procédure, permet de stopper le chargement de l’appareil en présence
d’une propagation instable de fissure.
De la même façon la procédure de contrôle d’un fond de bac de stockage prévoit le
remplissage du bac au maximum de sa capacité pour favoriser l’activation des fuites et les
fissurations de dépôts de produits de corrosion qui traduisent par leur présence une corrosion
plus au moins avancée (corrosion ancienne). Ce type de contrôle est souvent réalisé en
utilisant le produit de service afin de réunir les conditions favorables à l’activation des
réactions de corrosion (corrosion active).
2. Contrôle par magnétoscopie
2.1. Principe
Cette méthode consiste à créer un flux d'induction magnétique intense (saturation
magnétique) dans des structures ferromagnétiques entraînant, au droit des défauts, des flux de
fuite. Ces flux sont mis en évidence par des traceurs magnétiques finement micronisés et
déposés à la surface des matériaux.
La reproductibilité de l'examen peut être obtenue à condition d'éliminer ou de réduire
l'aimantation rémanente qui peut subsister dans les pièces.
Figure 43 : Principe du contrôle par magnétoscopie
Annexes
98
Projet de Fin d’Etudes
L'examen peut être effectué en lumière blanche avec des fonds contrastants et des
traceurs (révélateurs magnétiques) colorés ou en lumière ultraviolette avec des traceurs
fluorescents.
Les traceurs peuvent être secs ou humides :
Les traceurs secs : ils sont ferromagnétiques, très mobiles sur la pièce et très visibles à
l'œil.
Les traceurs humides : les liquides porteurs sont soit des produits aqueux non
inflammables (eau + mouillant + anti moussant + antioxydant + bactéricides), soit des
produits au kérosène inflammables (kérosène + anti dermique).
2.2. Les méthodes d’aimantation
Par passage de flux magnétique dans les pièces (aimantation longitudinale) :
Cette méthode permet de détecter les discontinuités transversales (ou perpendiculaires).
Le flux est parallèle à l’axe principal entre les pôles. Les lignes de force sont sensiblement
parallèles à l’axe Nord-Sud.
Par passage de courant dans les pièces (aimantation transversale)
Cette méthode permet de détecter les discontinuités longitudinales (ou parallèles). Le
flux se boucle dans la pièce perpendiculairement à l’axe électrique. Les lignes de force
traversent le produit perpendiculairement à l’excitation électrique.
2.1.2. Avantages
Les défauts sous jacents peuvent être détectés (de 1 à 2 mm à partir de la surface).
Il existe plusieurs méthodes d’aimantation.
Les défauts peuvent être obstrues (oxyde, calamine…).
Bonne sensibilité de détection des défauts avec appréciation de leur longueur : la
sensibilité des défauts dépend de l'acuité visuelle et du seuil différentiel de contraste de
Annexes
99
Projet de Fin d’Etudes
l'opérateur, de l'orientation des défauts et de la forme du flux magnétique utilisé, de la
qualité du produit révélateur, de l'état de surface et de la qualité du nettoyage de la pièce,
de la présence ou pas de colorations parasites.
2.1.3. Inconvénients
Méthode de contrôle ne s’appliquant qu’à des alliages susceptibles d’être démagnétisés
(aciers magnétisables).
Difficile à mettre en œuvre pour des pièces de grandes dimensions (longueur du banc de
magnétisation, puissance électrique ou magnétique) ou de formes complexes (comme par
exemple les filetages).
Risque d’amorçage d’arc et d’échauffement des pièces en surface au niveau des contacts
électriques (méthode d’aimantation par passage de courant).
Nécessité de démagnétiser et de nettoyer les pièces après le contrôle.
Hygiène et sécurité : utilisation de lumière ultraviolette, utilisation stockage et
élimination de produits chimiques dont certains sont inflammables.
Annexes
100
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 5
1. Le ressuage
1.1. Principe du ressuage
Cette méthode, très ancienne (déjà utilisée en 1910 chez Rolls Royce), consiste à
appliquer un pénétrant (liquide coloré ou fluorescent) sur la surface à contrôler.
Le liquide pénètre à l'intérieur des défauts débouchants (criques, fissures, porosités,
piqûres).
Après élimination par lavage de l'excès de pénétrant, la surface est recouverte d'une
fine couche de révélateur qui, agissant comme un buvard, "aspire" le pénétrant contenu dans
les défauts et donne une tache colorée.
Figure 44: Principe du contrôle par ressuage
Annexes
101
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Le mode d’examen
Quel que soit le procédé utilisé : ressuage coloré, lumière blanche (lumière du jour) et
pénétrant coloré (rouge) ou ressuage fluorescent, lumière ultraviolette et pénétrant
fluorescent, la mise en œuvre reste identique.
Précautions :
La sensibilité de détection des défauts est souvent déterminée par le mode de préparation
des surfaces.
La rigueur apportée au nettoyage préliminaire favorise grandement les résultats de
l’examen.
1.3. Mise en œuvre
Cette méthode s'applique à une grande variété de matériaux compacts et non poreux
(matériaux métalliques, plastiques, composites...). Le pénétrant peut être appliqué au
pinceau, au pistolet, à la bombe aérosol ou par immersion.
Les récents développements de la visionique et du traitement d'image permettent
d'accéder à des systèmes experts de reconnaissance de forme.
1.4. Avantages
Il peut être effectué sur toutes sortes de matériaux non poreux et no n rugueux, de
géométrie et de dimensions quelconques.
Facilité de la mise en œuvre.
Bonne sensibilité de détection des défauts avec appréciation de leur longueur (la
sensibilité de détection des défauts dépend de l'acuité visuelle et du seuil différentiel
de contraste de l'opérateur, de l'état de surface et de la qualité du nettoyage de la
pièce).
Méthode globale autorisant l’examen de la totalité de la surface de la pièce.
Annexes
102
Projet de Fin d’Etudes
1.5. Inconvénients
Les défauts doivent être débouchant et non obstrues (par de la graisse, de la peinture,
de l’oxyde, de la calamine ou des contraintes résiduelles de compression).
Il est nécessaire d’effectuer un dégraissage et un décapage préalables soignés.
Les opérateurs doivent posséder une grande expérience.
Annexes
103
Projet de Fin d’Etudes
Annexe 6
1. Contrôle par magnétoscopie
1.1. Principe
Cette méthode consiste à créer un flux d'induction magnétique intense (saturation
magnétique) dans des structures ferromagnétiques entraînant, au droit des défauts, des flux de
fuite. Ces flux sont mis en évidence par des traceurs magnétiques finement micronisés et
déposés à la surface des matériaux.
La reproductibilité de l'examen peut être obtenue à condition d'éliminer ou de réduire
l'aimantation rémanente qui peut subsister dans les pièces.
Figure 45: Principe du contrôle par magnétoscopie
L'examen peut être effectué en lumière blanche avec des fonds contrastants et des
traceurs (révélateurs magnétiques) colorés ou en lumière ultraviolette avec des traceurs
fluorescents.
Annexes
104
Projet de Fin d’Etudes
1.2. Les méthodes d’aimantation
Par passage de flux magnétique dans les pièces (aimantation longitudinale) :
Cette méthode permet de détecter les discontinuités transversales (ou perpendiculaires).
Le flux est parallèle à l’axe principal entre les pôles. Les lignes de force sont sensiblement
parallèles à l’axe Nord-Sud.
Par passage de courant dans les pièces (aimantation transversale)
Cette méthode permet de détecter les discontinuités longitudinales (ou parallèles). Le
flux se boucle dans la pièce perpendiculairement à l’axe électrique. Les lignes de force
traversent le produit perpendiculairement à l’excitation électrique.
Avantages
Les défauts sous jacents peuvent être détectés (de 1 à 2 mm à partir de la surface).
Il existe plusieurs méthodes d’aimantation.
Les défauts peuvent être obstrues (oxyde, calamine…).
Bonne sensibilité de détection des défauts avec appréciation de leur longueur.
Inconvénients
Méthode de contrôle ne s’appliquant qu’à des alliages susceptibles d’être démagnétisés
(aciers magnétisables).
Difficile à mettre en œuvre pour des pièces de grandes dimensions (longueur du banc de
magnétisation, puissance électrique ou magnétique) ou de formes complexes (comme par
exemple les filetages).
Risque d’amorçage d’arc et d’échauffement des pièces en surface au niveau des contacts
électriques (méthode d’aimantation par passage de courant).
Nécessité de démagnétiser et de nettoyer les pièces après le contrôle.
Annexes
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Projet de Fin d’Etudes
Annexe 7
1. Le grenaillage de précontrainte (5)
Le grenaillage est une technique consistant à projeter, à l'aide d'une grenailleuse, des
microbilles sur la surface d’un objet pour en modifier la structure superficielle. Les buts
désirés sont :
le nettoyage des surfaces pour en améliorer l’aspect, technique similaire au sablage.
la précontrainte pour améliorer les qualités techniques des surfaces.
Figure 46 : Grenaillage de précontrainte
1.1. Principe
Le principe est la projection à grande vitesse et en continu, jusqu’à 100 m/s, de petites
billes d'acier, de verre ou de céramique, sur la surface des pièces à traiter. Sous cette action
de martelage ou de matage ou d’écrouissage, la limite d’élasticité du matériau augmente.
Le résultat à obtenir dépend de plusieurs facteurs :
la nature de la matière à traiter,
la nature et la dimension de la grenaille,
le débit et la vitesse d’impact,
la direction du jet et la durée de l’opération.
Annexes
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Projet de Fin d’Etudes
1.2. Les dimensions de la grenaille
La grenaille est une arrondie métallique ou céramique, d’arêtes vives, elle ne doit pas
être fragile, et son diamètre varie entre 0.2 et 3mm, mais il n’a pas une grande influence sur
la variation de la contrainte. Généralement, ce diamètre varie en fonction de la nature de la
surface sur laquelle on applique le grenaillage.
1.3. La vitesse d’impact
Cette vitesse varie en général entre 30 et 100m/s, elle a une grande influence sur
l’efficacité de l’opération. Dans la plupart des industries, l’appareil utilisé pour le grenaillage
est un appareil de projection par turbine car il a une vitesse d’impact importante.
1.4. La durée du grenaillage
La durée du grenaillage varie entre 2 et 4min. Cette durée ne doit pas être courte pour
éviter les effets indésirables sur la qualité de la surface, et ne doit pas être plus longue que la
durée maximale.
1.5. Les avantages
Moins coûteux que le traitement thermique traditionnel comme la trempe.
Ne demande pas de recuit ou de revenu après traitement.
Ne déforme pas les pièces.
Améliore la durée de vie et la résistance à la fatigue des pièces (jusqu’à 10 fois pour un
ressort hélicoïdal).
1.6. Les inconvénients
Ce traitement représente quelques micro-défauts dus aux hétérogénéités de surface
crées par les billes.
Pour éviter ces défauts, il est préférable d’effectuer un polissage léger.
Annexes
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Annexe 8
Annexes
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Annexes
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Annexe 9
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Annexes
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Bibliographie
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Bibliographie
[1] : POLYSIUS. Manuel BOUSKOUVER (Partie 6).
[2] : G.BARATTO, J.J.GUERIN, J.MONGIS, C.TOURNIER, A.VIEU. Analyse
morphologique des défaillances d’organes de machines , Centre Technique des Industries
Mécaniques (CETIM), 3ème édition.
[3] : JEAN-MARIE DORLOT, Des matériaux, Juillet 1980.
[4] : www.cofrand.com.
[5] : www.techniques- ingenieur.fr.