Proposition visant à modifier le dispositif de refroidissement du système d’air à basse pression

[*Adapté d’un document pour cours techniques sur le RQ-P2 Tech Mar de la Division du génie des systèmes maritimes d’octobre 2021.]

Le système d’air à basse pression (ABP) d’un certain nombre de frégates de la classe Halifax a été envahi par de l’eau de mer. L’infiltration a été causée par la défaillance du refroidisseur d’air arrière du compresseur ABP et par le fait que la pression du système de services d’eau de mer (SEM) utilisé pour le refroidissement était supérieure à celle du système ABP. En raison de la nature corrosive de l’eau de mer, les systèmes ABP ont dû être rincés et les composants en aval ont dû être remis à neuf à un coût élevé. Dans certains cas, le rinçage et d’autres travaux ont pris plus de six mois, période pendant laquelle le navire a été incapable de naviguer et de répondre aux exigences de la mission.

Deux solutions possibles pour modifier cet agencement ont été examinées dans le cadre du cours. L’option privilégiée (option A) utilise une disposition faisant intervenir la conduite principale du système d’eau douce réfrigérée, tandis que l’autre option (B) utilise le système auxiliaire de circulation d’eau de mer (ACEM) pour refroidir le système ABP.

Configuration actuelle

Les refroidisseurs ABP utilisent de l’eau de mer provenant du système SEM fonctionnant à 12 bar. Il s’agit d’une pression supérieure à celle du système ABP qui fonctionne à 8 bar. L’eau de mer provenant de la conduite principale du système SEM passe au-delà du robinet d’isolement principal normalement ouvert pour être acheminée vers un robinet d’isolement secondaire qui est aussi ouvert vers le régulateur de pression doté d’un robinet d’isolement de chaque côté. La pression est réduite à 2 bar par le réducteur de pression qui est muni d’une dérivation en cas de défaillance.

L’eau de mer traverse le refroidisseur d’air arrière protégé par deux anodes de zinc pour refroidir l’air comprimé. Lorsque l’eau de mer sort du refroidisseur arrière, elle passe par le refroidisseur d’huile du compresseur qui est protégé par trois anodes de zinc, puis par un robinet d’isolement à membrane avant d’être évacué dans le système ACEM. Dans la salle des Proposition visant à modifier le dispositif de refroidissement du système d’air à basse pression à bord des frégates de la classe Halifax* machines arrière, le système d’évacuation du refroidisseur ABP se connecte au côté refoulement du refroidisseur l’hélice à pas variable et réversible (HPVR). Dans la salle des machines avant, il se connecte au côté refoulement du refroidisseur du compartiment moteur bâbord.

L’air à la pression atmosphérique provenant de la citadelle sur le pont trois est comprimé à 8 bar par le compresseur à aubes rotatives, puis évacué vers le refroidisseur d’air arrière. Lorsque cela se produit, l’air passe par un séparateur d’eau en papier où les gouttelettes d’eau sont éliminées et déversées dans le drain à l’intérieur de la salle des machines. L’air est évacué vers le dessiccateur par un clapet de non-retour à vis (Figure 1) qui a pour but d’empêcher l’air basse pression de revenir par le compresseur. Pour que l’eau de mer pénètre dans le système ABP, l’eau de mer doit passer par ce clapet à une pression supérieure à celle du système ABP. Voici comment cette situation aurait pu se produire :

1. Le système d’évacuation d’eau de mer du refroidisseur arrière partage un système d’évacuation avec le refroidisseur bâbord HPVR dans la salle des machines arrière et avec le refroidisseur du compartiment moteur bâbord dans la salle des machines avant. Si l’un ou l’autre des systèmes d’évacuation à la mer était isolé, les tubes du refroidisseur d’air arrière pourraient se rompre, ce qui permettrait à l’eau de mer de pénétrer dans le système d’évacuation de l’air du compresseur devant le clapet de non-retour à vis, augmentant la pression au-delà de 8 bar. Comme la pression du système ABP ne pouvait maintenir le robinet fermé, l’eau de mer se déversait dans le système.

2. Si le réducteur de pression d’eau de mer n’arrivait pas à réduire la pression de l’eau de mer à 2 bar, le résultat serait le même qu’au paragraphe a.

3. Les changements constants de la pression du système SEM exigent des réglages manuels de la soupape de dérivation du régulateur de pression. Si la soupape de dérivation du régulateur de pression de l’eau de mer était ouverte et qu’elle n’était pas réglée manuellement à 2 bar, le résultat serait à nouveau le même qu’au paragraphe a.

Le problème et les pistes de solution

Le problème avec l’utilisation du système SEM actuel est que la pression d’alimentation provenant du collecteur principal d’incendie est supérieure à celle du système ABP qui maintient le clapet de non-retour fermé lorsque le compresseur ne fonctionne pas. L’eau de mer entraîne la corrosion du refroidisseur arrière, ce qui cause la dégradation des tubes qui refroidissent l’air comprimé. Si le régulateur de pression d’eau de mer tombe en panne, ce qui est courant, ou si le retour est fermé, les tubes affaiblis peuvent éclater et laisser passer l’eau de mer par le clapet de non-retour à vis dans le système ABP.

Afin de prévenir la migration d’eau de mer dans le système ABP et d’éliminer ainsi le coût élevé du rinçage dudit système et de la remise à neuf de tout dommage causé par la corrosion en aval, les points suivants doivent être examinés :

• La pression d’alimentation de l’agent de refroidissement doit être inférieure à la pression du système ABP afin de prévenir toute infiltration accidentelle.

• L’agent de refroidissement pourrait être empêché d’entrer dans le système ABP (c.-à-d. en utilisant un système d’alimentation en liquide de refroidissement fermé distinct).

• L’agent de refroidissement doit être non corrosif (c.-à-d. utiliser de l’eau douce plutôt que de l’eau salée).

Option A – Passage à un agent de refroidissement à l’eau réfrigérée

L’option A a été examinée et utilisait une conduite d’eau réfrigérée. Ce système utilise de l’eau douce mélangée à du glycol et à un antirouille. Il fonctionne à une pression maximale de 4 bar. Comme les conduites d’alimentation et de retour (Figure 2) sont acheminées sur les deux compresseurs ABP, la conduite principale d’eau réfrigérée peut être raccordée à l’admission devant le deuxième robinet d’isolement (Figure 3) du côté de l’alimentation et au robinet d’isolement de sortie du refroidisseur d’huile pour le côté retour (Figure 4). La conduite d’alimentation SEM actuelle à partir du collecteur principal d’incendie devrait être retirée et bouchée. Le coût total de l’installation est évalué à 28 800 $.

Option B – Passage au système ACEM pour le refroidissement

L’option B a été étudiée à l’aide du système ACEM. Cette option ne nécessiterait que l’installation d’un robinet d’isolement et d’une conduite en cuivre dur du côté admission du robinet d’isolement secondaire. La conduite d’alimentation du système SEM doit tout de même être retirée et bouchée. Toutefois, le point où le nouveau robinet d’isolement serait placé diffère pour les deux salles des machines : Dans la salle des machines arrière, ce serait par l’admission du refroidisseur no 2 (Figure 5); dans la salle des machines avant, ce serait devant le robinet d’isolement d’admission du refroidisseur du côté bâbord (Figure 6). Aucun changement ne serait requis pour les conduites de retour des refroidisseurs d’huile du compresseur ABP. Le coût total des pièces et de la main-d’œuvre serait le même que pour l’option A.

Analyse des options Option A (privilégiée)

Les frégates de la classe Halifax étaient initialement équipées de quatre refroidisseurs de 85 tonnes qui ne généraient pas une capacité d’eau refroidie suffisante pour répondre à la demande de refroidissement du système complet, y compris les refroidisseurs ABP, d’où l’utilisation du système SEM à cette fin. Cependant, les frégates d’aujourd’hui sont équipées de quatre refroidisseurs de 114 tonnes qui sont plus que suffisants pour assurer le refroidissement du système ABP.

L’utilisation du système d’eau réfrigérée présente un certain nombre d’avantages. Le fait d’avoir de l’eau douce mélangée à du glycol et à un antirouille comme agent de refroidissement, plutôt que de l’eau de mer, préviendra la corrosion des refroidisseurs ABP, augmentant ainsi leur durée de vie. Cela permettra d’économiser des millions de dollars en coûts de main-d’œuvre et de pièces non nécessaires pour rincer le système et remettre à neuf les composants endommagés par la corrosion au cours de la durée de vie des frégates. La MRC peut également utiliser les refroidisseurs de rechange qui se trouvent actuellement dans les magasins.

De façon critique, l’eau douce ne nuira pas aux composants en aval si elle venait à s’écouler dans le système ABP. En raison de la pression de fonctionnement constante du système d’eau réfrigérée qui n’est que de 4 bar, le liquide ne peut normalement pas forcer son chemin au-delà du clapet de non-retour à vis qui est maintenu fermé par la pression du système ABP qui est de 8 bar, même lorsque le compresseur n’est pas utilisé. L’impact environnemental en cas de défaillance du refroidisseur d’huile est également considérablement réduit puisque le système d’eau réfrigérée est un système fermé.

Un léger inconvénient de l’utilisation de la conduite d’eau réfrigérée est que les joints des refroidisseurs pourraient ne pas être compatibles avec le glycol et devraient donc être remplacés. Cela est largement compensé par les économies potentielles et la réduction de la perte de disponibilité des navires.

Option B

L’avantage d’utiliser le système ACEM est qu’une seule partie du système de refroidissement ABP devrait être modifiée : l’admission. Toutes les autres sections de l’agencement actuel, y compris le circuit d’évacuation d’eau de mer du compresseur ABP, demeureraient les mêmes. Comme le système ACEM ne fonctionne qu’à 1,3 bar, le réducteur de pression pourrait être complètement contourné sans que cela n’affecte le refroidissement du compresseur ABP. Et comme le système fonctionne à une pression beaucoup plus faible, l’eau de mer ne peut pas dépasser le clapet de nonretour à vis pour entrer dans le système ABP si le refroidisseur arrière tombe en panne ou si l’orifice d’évacuation du compresseur est bouché ou colmaté.

Il y a cependant plusieurs inconvénients. Le liquide de refroidissement est de l’eau de mer stagnante qui causera de la corrosion si elle pénètre d’une façon ou d’une autre dans le système ABP. La pression du système ACEM peut subir des chutes soudaines lorsque les vannes le long du trajet sont ouvertes.

Résumé et recommandations

Les navires de la MRC ont signalé quelques cas où de l’eau de mer s’est infiltrée dans le système ABP en raison de la défaillance du compresseur du refroidisseur d’air arrière, ce qui a permis à la pression plus élevée du circuit d’eau de mer de refroidissement de contourner le clapet de non-retour normalement fermé par la pression plus faible à l’intérieur du système ABP. Cela a coûté à la MRC des millions de dollars en frais de rinçage et de réparation.

Dans la présente étude menée à des fins de formation, la solution privilégiée (option A) recommande que le système d’eau réfrigérée, qui utilise de l’eau douce glycolée additionnée d’antirouille, soit utilisé à la place du système SEM pour prévenir la dégression du refroidisseur d’huile et du refroidisseur d’air arrière. Étant donné que le liquide est à une pression inférieure à celle du système ABP, la probabilité qu’il migre dans le système ABP est minime, mais s’il le faisait, il n’y aurait pas de sel dans le système pour corroder les composants qui sont en interface avec d’autres systèmes essentiels et un rinçage du système serait beaucoup moins exigeant en main-d’œuvre que dans le cas d’un rinçage suite à l’adduction d’eau de mer. Il y aurait ainsi beaucoup moins d’impact sur la disponibilité opérationnelle des navires.

Il est donc recommandé de prendre les mesures suivantes :

1. Produire un rapport d’état non satisfaisant (RENS) indiquant que la pression d’alimentation du SEM est supérieure à la pression du système ABP;

2. Demander que l’Installation de maintenance de la flotte Cape Scott (IMF Cape Scott) conçoive et mette à l’essai une nouvelle configuration pour l’utilisation d’eau refroidie; et

3. Créer une modification technique permanente pour tous les navires de la classe Halifax. [L’auteur a depuis soumis une modification technique temporaire aux fins d’évaluation concernant les changements proposés au dispositif de refroidissement ABP dans la salle des machines avant. Elle fait actuellement l’objet d’un examen. – Rédacteur en chef]

Le matelot-chef Nathanial R. Frid est technicien en génie maritime et superviseur de l’équipe d’entretien supplémentaire à l’Installation de maintenance de la flotte Cape Scott à Halifax (N.-É.).