Analyse complète des défaillances : prévention des pertes d'équipement et réduction des coûts

Analyse de défaillance

Les défaillances de composants et d'assemblages d'équipement, ou de structures dans l'industrie peuvent causer des pertes de vie, des arrêts non planifiés, une augmentation des coûts de maintenance et de réparation, et des litiges préjudiciables.

Pour prévenir la récurrence future du problème causé par les défaillances, il est essentiel de mener une enquête pour chaque défaillance. La conduite d'une enquête pour une défaillance est connue sous le nom d'analyse de défaillance.

L'analyse de défaillance est un processus de collecte et d'analyse de données et elle est réalisée pour déterminer les causes ou facteurs qui ont conduit à la perte indésirable de fonctionnalité ou aux défaillances de composants et d'assemblages d'équipement, ou de structures. C'est un processus à plusieurs niveaux qui comprend une investigation physique. La portée normale d'une analyse de défaillance est de trouver le mécanisme de défaillance et la cause la plus probable de la défaillance. Le terme mécanisme de défaillance est normalement décrit comme le processus métallurgique, chimique, mécanique ou tribologique menant à un mode de défaillance particulier.

Les défaillances des composants et d'assemblages d'équipement, ou de structures surviennent à la suite d'une sorte d'erreur causant un maillon faible dans la chaîne du processus continu d'ingénierie, de conception, de fabrication et d'exploitation. La cause d'une défaillance peut être l'une ou plusieurs des suivantes :

• Défaut de conception
• Défauts de matériau
• Déficiences lors du traitement et de la fabrication
• Défauts d'assemblage ou d'installation
• Conditions de service hors conception ou non intentionnelles
• Déficiences de maintenance (négligence et procédures, etc.)
• Fonctionnement incorrect

Les étapes principales lors de la conduite d'une analyse de défaillance sont données à la Fig. 1.

Fig. 1 Étapes principales de l'analyse de défaillance

Le principe principal d'une analyse de défaillance est de préserver les preuves et les informations nécessaires de la pièce ou de l'assemblage concerné dans l'état tel que reçu et cela est capturé avant que quoi que ce soit ne soit fait pour altérer son état. De plus, pendant l'analyse de défaillance, il est nécessaire d'effectuer les tests dans l'ordre du moins destructif au plus destructif.

L'analyse de défaillance commence par la collecte d'informations concernant l'historique du composant impliqué dans la défaillance, telles que : (i) processus impliqué, (ii) l'application, (iii) type de matériau, ses spécifications, forme, dimensions et technique de traitement, (iv) paramètres de conception, (v) conditions de service, (vi) historique de maintenance, (vii) séquence d'événements précédant la défaillance, (viii) fréquence de défaillance et si elle est de nature localisée, etc.

L'inspection du site de la défaillance est une étape très importante qui aide à l'analyse de défaillance. Un examen approfondi de l'état du composant défaillant sur le site de la défaillance peut fournir beaucoup d'informations. Pendant l'inspection du site, il est nécessaire de prêter attention à des caractéristiques telles que la localisation des fissures, les caractéristiques de fracture, les perforations, les dépôts, l'amincissement des parois, l'affaissement et les pièces détachées, etc. De plus, chaque fois que possible, il est nécessaire d'obtenir autant d'informations que possible des témoins oculaires sur toute condition anormale précédant la défaillance. Dans certains cas, l'inspection visuelle du composant défaillant peut révéler des informations qui ne peuvent pas être obtenues autrement.

Pendant l'inspection visuelle, il est important de photographier la machine et les environs, la pièce défaillante et la pièce d'accouplement. La documentation photographique du composant défaillant est toujours nécessaire pour référence future et inspection ultérieure après avoir quitté le site. Il est important de photographier toutes les caractéristiques du composant défaillant.

La définition claire du problème est une partie essentielle d'une analyse de défaillance. La profondeur de l'information obtenue, l'inspection du site, ainsi que la compétence et le jugement de la personne effectuant l'analyse de défaillance aident à définir clairement le problème. Par exemple, le problème peut être défini comme métallurgique, mécanique ou environnemental ou une combinaison de deux ou plusieurs d'entre eux. De plus, grâce aux discussions avec le personnel concerné sur le site et par l'inspection visuelle, la personne effectuant l'analyse de défaillance peut réduire les diverses possibilités. De plus, la défaillance peut ressembler à un cas de défaillance précédent.

Sur la base de la cause probable de la défaillance selon le problème défini lors de l'inspection du site, un programme expérimental est développé pour déterminer la cause de la défaillance. La nature et le nombre d'expériences sélectionnées doivent être tels qu'ils doivent conduire à l'identification de la cause de la défaillance. Les échantillons nécessaires pour réaliser les expériences sélectionnées doivent être soigneusement prélevés de manière à représenter autant que possible toutes les caractéristiques du composant défaillant. Les dépôts ou pièces détachées du composant peuvent fournir des informations précieuses. Chaque fois que possible, des échantillons prélevés sur des sections saines, ainsi que des échantillons jamais utilisés en service, doivent également être collectés à des fins comparatives.

Les outils d'investigation utilisés dans les études d'analyse de défaillance sont généralement de deux types : (i) outils pouvant être utilisés sur site et (ii) outils de laboratoire.

La vérification du matériau par rapport à la spécification est un composant important de l'analyse de défaillance. L'analyse chimique et l'analyse de la macrostructure ainsi que de la microstructure sont effectuées à cette fin. Des essais mécaniques sont également réalisés si suffisamment de matériau est disponible pour déterminer la résistance à la traction, la ténacité à l'impact, etc., pour évaluer les propriétés du composant défaillant. Dans de nombreux cas, des essais de dureté de surface et de microdureté sont effectués pour évaluer la résistance mécanique. Ces tests sont effectués sur le composant défaillant pour vérifier la conformité des résultats avec les spécifications.

L'analyse de contrainte, la mécanique de la rupture et l'analyse de défaillance par corrosion sont des activités très précieuses dans les investigations d'analyse de défaillance. Ces analyses fournissent des informations à la personne enquêtant sur la défaillance sur le fait que le matériau utilisé a été le bon choix pour répondre aux exigences de son application.

À partir de la connaissance des conditions de service telles que les charges ou pressions appliquées, et la géométrie et la taille du composant, il est possible de calculer les contraintes principales développées dans la pièce. La comparaison de la contrainte principale maximale avec la résistance du matériau utilisé dans l'application fournit des informations importantes à la personne enquêtant sur la défaillance sur l'adéquation du matériau pour l'application et si les paramètres de conception ont été strictement respectés pendant le service.

L'analyse utilisant les principes de la mécanique de la rupture fournit des informations précieuses à la personne enquêtant sur la défaillance sur la contrainte développée dans le composant défaillant au moment de la rupture par rapport à la contrainte de conception, en particulier dans le cas de la propagation de fissure par un mécanisme fragile.

En cas de défaillance due à la fatigue, il est important de déterminer le nombre de cycles précédant la rupture par un mécanisme de fatigue. La méthode basée sur la mesure de l'espacement des stries de fatigue est généralement commode, à condition que les stries soient clairement visibles sur les surfaces de fracture.

Un examen attentif et approfondi de la macrostructure (grossissement habituel 10x) et de la microstructure du matériau impliqué dans la défaillance peut fournir des indices importants. Si possible, les caractéristiques structurales des échantillons prélevés sur le composant défaillant doivent être comparées à celles d'échantillons représentatifs prélevés sur des sections saines, ainsi que d'échantillons jamais utilisés en service. Il est également nécessaire de se référer à toute recommandation spécifique du fabricant de l'équipement concernant l'utilisation du matériau.

L'examen macrostructurel peut fournir des informations sur le chemin de fracture et l'endroit d'où il a pris naissance, par exemple, surface interne ou surface externe.

La sélection de la technique appropriée pour l'examen microstructurel dépend du type d'information requis. Cependant, la microscopie optique est généralement employée pour commencer pour connaître les caractéristiques microstructurales globales telles que la taille et la forme des grains, les précipités secondaires et leur distribution, et les microfissures et leur localisation. Une taille de grain anormalement grande est une indication que le matériau a été exposé à une température excessivement élevée. La forme des grains et la forme des macles de recuit fournissent des informations sur la quantité de travail à froid. L'allongement des grains indique que le matériau a été fortement travaillé à froid. Les bords de macles courbés indiquent que le matériau est déformé plastiquement. De fines lignes de glissement à l'intérieur des grains indiquent également la déformation plastique du matériau. Si des précipités secondaires sont observés dans la microstructure, alors leur nature et leur morphologie doivent être examinées.

Pendant l'examen des caractéristiques microstructurales, il est nécessaire de prêter attention à la présence de microfissures. Par exemple, les fissures aux joints de grains peuvent résulter soit de la déformation par fluage, soit de la fragilisation des joints de grains par des précipités d'une phase secondaire.

Bien qu'il soit possible d'obtenir beaucoup d'informations sur les caractéristiques de fracture par examen visuel, un examen microstructural de la surface de fracture en utilisant un microscope électronique à balayage est nécessaire pour connaître le mécanisme qui a été responsable de la fracture. Une fracture peut se produire par surcharge soudaine ou par propagation d'une fissure jusqu'à ce qu'elle cause la fracture. La propagation de la fissure peut avoir lieu par différents mécanismes. Donc, il est nécessaire de connaître la morphologie de la surface de fracture pour trouver le mécanisme qui a causé la fracture.

Pendant l'examen visuel, si des dépôts de corrosion sont remarqués, alors il est nécessaire de déterminer la nature des dépôts. Le dépôt peut être oxyde, sulfure, chlorure ou carbure, etc. En cas de dépôts de corrosion, il est nécessaire de connaître la nature de l'environnement d'exploitation et la résistance à la corrosion du matériau à cet environnement.

Il est très important pour la personne enquêtant sur la défaillance de distinguer entre le mode de défaillance et la cause de défaillance. Parfois, les deux termes sont mélangés, conduisant à beaucoup de confusion. Pour prévenir les défaillances futures, il est essentiel d'identifier la cause de la défaillance. Par exemple, le mode de défaillance est une dureté de surface inadéquate du composant défaillant, mais la cause de la défaillance peut être soit liée à la mauvaise sélection du matériau, soit à des conditions d'exploitation inappropriées.

Une interprétation précise et détaillée de l'ensemble des données obtenues pendant les différentes étapes de l'analyse de défaillance est importante pour une analyse de défaillance. Sans elle, les inférences appropriées qui sont nécessaires pour trouver la cause exacte de la défaillance ne peuvent pas être tirées. Une détermination incorrecte de la cause pendant l'analyse de défaillance conduit à des actions correctives erronées qui n'aident pas à la prévention des défaillances futures.

Les investigations d'analyse de défaillance ne sont pas terminées sans un rapport détaillé. Le rapport doit inclure un ensemble de recommandations pour prévenir les défaillances futures. Les recommandations doivent être cohérentes avec les résultats de l'investigation. De plus, les recommandations peuvent fournir des solutions à court terme ainsi que des solutions à long terme.