The daily grind – Cat fines and engine wear, Part 1 | Alfa Laval

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Au quotidien – Les particules fines et l’usure du moteur, partie 1

En tant qu’industrie, nous avons l’habitude de voir les choses en grand. Les navires transportent la production des exploitations agricoles, des usines et des mines du monde entier vers toutes les terres dotées d’un port. Les violentes tempêtes visibles de l’espace et les murs d’eau font partie du quotidien de la vie en mer. Mais l’un des plus grands défis auxquels l’industrie est confrontée vient des choses les plus infimes. Et la menace qu’elles représentent pour le fonctionnement sécuritaire de la flotte mondiale risque de s’aggraver considérablement.

De nouvelles réglementations, qui entreront en vigueur au début de 2020, apporteront des changements radicaux en ce qui concerne la variété et disponibilité des combustibles marins dans le monde.

Pour les exploitants de navires, faire fonctionner des moteurs de manière fiable et sûre nécessitera inévitablement une plus grande compréhension et des stratégies de traitement de combustible plus sophistiquées qu’aujourd’hui. La portée du défi à venir est – même maintenant – impossible à prédire avec précision. Mais le succès des exploitants de navires dans la résolution des problèmes dépendra en grande partie des mesures qu’ils prendront au cours des prochains mois.

 

Combustibles

Le 1er janvier 2020, le secteur des transports maritimes entrera dans l’ère de la « faible teneur en soufre », ce qui constituera le plus grand bouleversement réglementaire du secteur depuis les conventions MARPOL 73/78 et l’un des plus importants changements opérationnels auxquels il ait été confronté.

À partir de ce jour, tout transport maritime devra respecter le plafond strict de 0,50 % (masse/masse) de soufre dans les combustibles exigé par l’Organisation maritime internationale (OMI). Le plafond de 0,50 % de la teneur en soufre applicable aux fuel-oils est considérablement inférieur au plafond actuel de 3,50 % introduit en 2012 et s’ajoute au plafond applicable aux fuel-oils utilisés à bord des navires exploités dans les zones de contrôle des émissions de SOx (SECA) qui a été fixé à 0,10 %.

Alors que l’OMI décrit, à juste titre, le nouveau plafond comme une décision historique à la fois pour l’environnement et la santé de l’homme, pour le secteur des transports maritimes, elle se profile comme un casse-tête majeur. Malheureusement, pour éliminer un risque environnemental, il faut en introduire un de nature mécanique, à savoir les particules fines – des particules minuscules qui, si elles ne sont pas capturées, peuvent causer des ravages aux moteurs. Le fuel-oil marin n’a jamais été ce que l’on pourrait décrire comme une substance « glamour ». À partir du pétrole brut, les raffineurs distillent et extraient des produits de grande valeur du haut de la colonne de distillat. Des gaz et de l’essence, en passant par le carburant d’aviation et le diesel, puis aux huiles lubrifiantes, jusqu’à ce qu’il reste un épais résidu noir qui est utilisé pour alimenter les navires et faire du bitume.

Ce n’est très pas beau, mais cela a littéralement contribué à la création du monde moderne. Le problème du soufre est que lorsque les moteurs brûlent des combustibles fossiles, ils libèrent dans l’atmosphère des oxydes de soufre (SOx), ce qui conduit à divers problèmes de santé et environnementaux, tels que les maladies respiratoires chez les humains et les animaux, ainsi que l’acidification des sols et de l’eau.

Le soufre est naturellement présent dans tout le pétrole brut et se trouve à des concentrations plus élevées dans les fractions résiduelles, dont le point d’ébullition est le plus élevé, du processus de distillation. Cela signifie que la production de combustibles devra changer afin de mieux gérer ce soufre et que les exploitants de navires devront faire face à des choix de combustible encore plus complexes dès le début de 2020.

Les navires fonctionnant au gaz naturel liquéfié (GNL) n’auront aucun problème à se conformer – mais ceux-ci ne représentent qu’une petite fraction de la flotte mondiale et le resteront pendant encore des décennies en raison des coûts d’investissement élevés et du manque d’infrastructures d’approvisionnement.

De nombreux navires continueront à utiliser du fuel-oil à haute teneur en soufre (HSFO) pour la propulsion ou l’exploitation du navire, mais s’appuieront sur des dispositifs d’épuration des gaz d’échappement, connus également sous le nom d’épurateurs, pour être conformes.

Mais pour la majorité de la flotte, à partir de 2020, il faudra choisir parmi une gamme croissante de distillats, de mélanges et, dans une moindre mesure, de nouveaux carburants à base d’huiles végétales.

 

2020 : Bouleversement réglementaire

Chaque nouveau type de carburant introduira une gamme de variables opérationnelles et économiques à prendre en compte. Un article distinct est consacré à l’exploration de toutes ces variables, même s’il est intéressant de noter que les variations de viscosité, de pouvoir lubrifiant et de température ont de profondes implications pour le fonctionnement sûr et fiable des moteurs, des pompes et des autres équipements.

 

Pleins feux sur les particules fines

Mais parmi toutes les variables présentes à l’ère de la faible teneur en soufre, la plus dommageable est peut-être la présence de particules fines. Bien que les particules fines constituent depuis longtemps un fait connu mais gérable pour le transport maritime, la prochaine ère à faible teneur en soufre les placera sous le feu des projecteurs en tant que facteur de risque croissant pour les moteurs des navires et le budget des exploitants.

Alors, que sont-elles ? Comment les particules fines se forment-elles ? Les raffineries modernes utilisent d’abord la distillation atmosphérique et la distillation sous vide pour éliminer les produits les plus volatils et les plus précieux du haut de la colonne de distillation. Elles procèdent ensuite au craquage du pétrole brut restant en différentes fractions en utilisant des procédés thermiques et catalytiques. Au cours du craquage catalytique, des catalyseurs physiques destinés à casser les molécules d’huile sont ajoutés. Les catalyseurs utilisés sont diverses formes de zéolithes cristallines synthétiques – des composés minéraux d’aluminium et de silicium extrêmement poreux et extrêmement durs.

Les catalyseurs sont coûteux, et les raffineries récupèrent et réutilisent ce qu’elles peuvent. Mais au-delà d’un certain point, ce n’est plus ni pratique ni économique. Les particules fines sont les particules qui sont laissées derrière. Elles restent dans le combustible de soute. Et elles sont pompées dans vos navires.

 

Normes en matière de combustible

Les spécifications du combustible marin sont définies par la norme internationale ISO 8217, qui limite la concentration de particules fines dans le combustible de soute.

Le carburant produit dans la version actuelle de la norme est limité à 60 parties par million (ppm). Ce plafond est fondamentalement un compromis : s’il était défini plus bas, l’approvisionnement mondial en mazout lourd ne pourrait plus être garanti. Mais même à 60 ppm, les particules fines posent un problème majeur aux moteurs et les constructeurs, tels que MAN et Wärtsilä, recommandent que les concentrations de particules fines dans les moteurs ne dépassent pas 15 ppm.

 

Nature des particules fines

Physiquement, les particules fines ont une forme irrégulière et, dans le combustible de soute, varient d’une taille inférieure au micron à environ 100 µm, ce qui correspond à peu près à la taille d’un grain de poussière et à l’épaisseur d’un cheveu. Leur densité varie également, mais est généralement légèrement supérieure à celle du fuel.oil lourd (HFO). Les particules fines plus grandes se déposeront dans l’huile, mais pas celles de faible densité.

Cependant, de toutes les propriétés physiques des particules fines, la plus problématique pour les navires est la dureté. Les particules fines sont extrêmement dures – elles mesurent jusqu’à 8,2 sur l’échelle de Mohs, où le diamant est égal à 10 – et peuvent facilement rayer et s’enfoncer dans les surfaces en acier. Dommages causés par les particules fines Lorsque les particules fines pénètrent dans un injecteur, elles peuvent se coincer entre la chemise de cylindre et le segment de piston, un écart d’environ 3 à 5 µm. Toute particule plus grosse peut provoquer une abrasion. À chaque coup de piston, la particule fine est broyée sur les surfaces lisses, sculptant des sillons qui se creusent au fil du temps.

Les pompes à carburant, injecteurs, vannes et autres composants sont également à risque. Et même les plus petites particules peuvent occasionner des dommages importants. Il est, bien entendu, tentant d’attribuer ce type de dommage par abrasion à une usure mécanique normale à long terme. Et dans de nombreux cas, c’est peut-être tout ce qu’elle représente. Mais les particules fines en fortes concentrations peuvent également causer des dégâts graves et catastrophiques en une période remarquablement courte.

Un rapport disponible en ligne décrit une attaque de particules fines qui a paralysé un moteur en seulement 100 heures d’utilisation. Lorsque le moteur a été démonté, les ingénieurs ont découvert que tous les pistons et toutes les chemises avaient été totalement détruits et devaient être remplacés. Il va sans dire que des dommages de cette nature sont extrêmement coûteux, avec des réclamations allant de 300 000 USD à 5 millions de dollars. Les particules fines sont non seulement un problème pour les exploitants, mais représentent également une préoccupation majeure pour le marché de l’assurance.

 

Un problème émergeant de son état de veille

Le problème des particules fines n’est pas nouveau. Le craquage catalytique s’est généralisé dans les années 1970, la hausse des prix du pétrole obligeant les raffineurs à extraire davantage de produits de valeur du pétrole brut. En conséquence, les premiers cas de dommages causés par les particules ont commencé à apparaître dans les années 1980.

S’il est toujours difficile d’éliminer les particules fines en mer, les équipements embarqués destinés à réduire les niveaux de contamination (dont nous parlerons dans la deuxième partie de cet article sont fondés sur des technologies éprouvées et bien comprises. Malheureusement, cette familiarité a entraîné un certain niveau de complaisance dans l’industrie.

Si, comme prévu, la contamination par particules fines devient plus répandue après 2020, cette complaisance pourrait s’avérer extrêmement coûteuse pour les exploitants qui ne mettent pas à jour leurs connaissances et leurs pratiques.

Un article récent dans Marine Propulsion devrait suffire à choquer de nombreux exploitants pour qu’ils y prêtent de nouveau attention. L’article cite une analyse d’ExxonMobil sur plus de 400 000 échantillons de pétrole, révélant que les particules fines constituent un problème potentiellement catastrophique pour 43 % des navires.

Même si seulement une fraction de ces problèmes potentiels se produit, c’est encore beaucoup d’argent, de temps et d’interruptions en jeu.

Il a également été signalé que sur une période de trois ans, l’équipe PrimeServ de MAN avait découvert que les particules fines étaient impliquées dans 190 des 226 cas (84 %) d’endommagement de chemise de cylindre.

Comme nous l’avons décrit ci-dessus, les particules fines sont un sous-produit du craquage et de l’extraction du soufre. Plus les huiles sont craquées et le soufre éliminé, plus le niveau de particules fines est élevé. Comme l’a dit succinctement Paul Hill de Braemar, « c’est un compromis fondamental entre le moteur et l’environnement. Vous ne pouvez pas avoir une faible teneur en soufre et des particules fines ».

Avec l’OPEP World Oil Outlook 2040 qui prévoit une capacité de craquage supplémentaire de 138 millions de tonnes par an entre 2017 et 2022, nous sommes certains de trouver beaucoup plus de particules fines dans les soutes à travers le monde.

Pour en rajouter au problème des niveaux plus élevés de particules, des observations anecdotiques suggèrent que les nouveaux catalyseurs qui entrent en production produisent des particules fines encore plus dures qui pénètrent dans le combustible. Et si cela ne suffisait pas, les combustibles à faible teneur en soufre tendent également à être moins lubrifiants que les huiles lourdes, ce qui signifie que l’abrasion est exacerbée.

Un des effets latéraux des plafonds en soufre actuels est que les niveaux particules fines – et les dommages associés – ont considérablement augmenté. La mise en conformité jusqu’en 2020 pourrait porter le problème à un tout autre niveau. Le service d’analyse et de conseil en matière d’avitaillement en combustible (Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service - FOBAS) de Lloyd’s Register surveille la qualité du soutage dans les ports du monde entier et émet des alertes en cas de problème.

Les exploitants doivent, bien entendu, prêter une attention particulière à ces rapports et à d’autres. Mais il est essentiel de noter que les dommages occasionnés par des particules peuvent se produire même lorsque le combustible est entièrement conforme à la norme ISO 8217.

Au final, il s’agit d’un vieux problème qui prend de nouvelles dimensions. Dans la deuxième partie de notre discussion sur les particules, nous examinerons les solutions et discuterons de la manière dont les exploitants devront renforcer leur jeu ou faire face à des coûts importants.

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