Dossier publié dans 3D ADEPT MAG en juillet–août 2020, puis mis en ligne en mars 2021. Les fonctions des intervenants, les projets et les perspectives correspondent à cette période. Les précisions éditoriales distinguent démonstrateurs, projections et qualifications.
Les industries pétrolière, gazière et maritime doivent concilier disponibilité des équipements, sécurité et maîtrise des coûts. La fabrication de composants destinés à des environnements exigeants nécessite une surveillance et une qualification adaptées à chaque application.
Une analyse publiée par DNV GL en 2020 place les tubes et les conduites en tête des composants représentés dans les dossiers de défaillance étudiés. La fatigue et la corrosion sont les mécanismes les plus fréquents dans cet échantillon.
L’étude porte sur plus de 1 000 cas examinés aux États-Unis, en Europe et en Asie. Ces proportions décrivent les cas analysés ; elles ne mesurent pas la probabilité de défaillance de tous les équipements en service.
« Le coût de la prévention, de la surveillance, de la réparation ou du remplacement à la suite de ces formes de dégradation des composants peut se chiffrer en milliards de dollars. Potentiellement, des pénalités financières peuvent se produire si des incidents majeurs et des pertes de vies humaines résultent d’une telle défaillance », a expliqué Koheila Molazemi, directrice de la technologie et de l’innovation, DNV GL – Oil & Gas.
La fabrication additive offre des pistes pour concevoir, réparer ou produire certains composants. Elle ne supprime pas les risques de fatigue ou de corrosion : le choix des matériaux, le procédé, les traitements et les contrôles restent déterminants. Ce dossier examine les possibilités et les limites observées en 2020.
Cet article vise à mettre en évidence les principales caractéristiques et opportunités commerciales à prendre en compte lors de l’étude de la FA dans ce secteur d’activité.
Pour aborder ce sujet, nous avons fait appel à l’expertise de deux entreprises :
– DNV GL, une société de classification et d’enregistrement accréditée au niveau international qui fournit des services à plusieurs secteurs, notamment le secteur maritime, les énergies renouvelables, le pétrole et le gaz, l’électrification, l’alimentation et les boissons et les soins de santé.
Guaranteed, issue de Finindus, ArcelorMittal Belgium et OCAS, est présentée ici pour son activité de production et de réparation par dépôt métallique à arc et fil (WAAM).
Ramesh Babu Govindaraj, Spécialiste principal maritime pour la fabrication de matériaux, de soudures et de la FA et Eva Junghans, Ingénieur principal maritime pour les matériaux et les soudures ont répondu à nos questions dans l’équipe de DNV GL. Les deux collègues donnent de plus amples informations sur l’utilisation de la FA dans l’industrie maritime.
Joachim Antonissen et Sander Plasschaert ont répondu à nos questions concernant l’utilisation de la FA dans les industries pétrolières et gazières.
Anticiper les risques dans les secteurs pétrolier, gazier et maritime
Dans son étude de 2017, SmarTech Publishing projetait un marché de 2 milliards de dollars en 2027 pour la fabrication additive destinée au pétrole et au gaz. Ce chiffre est une prévision historique, et non un revenu constaté.
Sur la base des expériences en matière de prototypage rapide et d’outillage dans d’autres industries, plusieurs opérateurs et fournisseurs du secteur pétrolier et gazier ambitionnent maintenant d’utiliser la fabrication additive pour obtenir un avantage concurrentiel clé dans la production de pièces finales avancées et complexes.
DNV GL a annoncé en décembre 2017 son guide de classification consacré à la fabrication additive, afin d’encadrer l’évaluation des procédés, matériaux et composants.
Ce cadre organise l’assurance qualité et l’évaluation des fournisseurs. Son existence ne vaut pas approbation automatique d’une pièce : les exigences applicables doivent être définies et démontrées pour l’usage prévu.
En 2018, deux projets industriels conjoints (JIP) ont été lancés pour préparer des lignes directrices et un modèle économique de la FA dans ces secteurs. Selon les informations réunies pour ce dossier, les 11 participants initiaux ont été rejoints par neuf autres entreprises fin 2019.
« L’approche du programme JIP DNVGL était basée sur l’atelier FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) qui a été suivi par tous les participants. Le processus d’atténuation des défaillances y a été établi et les essais pour capturer la zone la plus faible dans les applications ont été considérés.
Dans le cadre de ce projet, les opérateurs sont les utilisateurs finaux et répondent à leurs attentes en matière de qualité, de fonctionnalité et de durabilité des services pour leurs actifs.
Les entrepreneurs réalisent la conception, spécifient les exigences détaillées des composants et optimisent la conception pour tirer pleinement parti de la FA.
Les fabricants fournissent des informations relatives au processus d’impression et établissent les variables essentielles qui sont importantes pour obtenir des propriétés matérielles répondant aux exigences » ont commenté Ramesh Babu Govindaraj & Eva Junghans.
L’achèvement de ces projets a conduit à des applications tangibles de la FA dans ce segment et à une meilleure compréhension des défis qu’un fabricant peut rencontrer pour produire une pièce imprimée en 3D pour ce segment. Nous avons demandé à Guaranteed, l’une des entreprises impliquées dans ces projets, quels peuvent être ces défis et en quoi le processus de fabrication est différent de ce que les opérateurs ont l’habitude de voir avec les processus de fabrication conventionnels.
Joachim Antonissen et Sander Plasschaert ont expliqué que les industries pétrolière et gazière utilisent souvent des composants moulés ou forgés en alliages spéciaux assez coûteux comme l’Inconel. D’une part, le processus de forgeage lui-même entraîne un important gaspillage de matériaux, tout en étant caractérisé par des délais d’exécution prolongés et des taux de défaillance non négligeables qui peuvent avoir un impact sur les opérations futures. Bien que cela souligne clairement l’opportunité de la FA dans le secteur, les conditions d’exploitation sévères exigent un cadre d’assurance qualité clair, tout en imposant souvent des composants de grande taille et lourds.
« En même temps que la technologie passe du laboratoire à la fabrication, l’analyse de rentabilité doit vraiment être présente pour que l’industrie adopte la FA. La combinaison de la taille des composants et de la complexité fonctionnelle fait de la technologie DED un argument convaincant en faveur des procédés à base de fil, comme le procédé WAAM proposé par Guaranteed B.V., car il permet de produire des pièces de plusieurs mètres en quelques heures à un coût compétitif. Le large choix de matériaux disponibles pour les fils, dont le coût est considérablement inférieur à celui de leurs homologues en poudre, combiné au fait que des pièces denses à quasi 100% sont produites, sans recourir à une compression isostatique à chaud (HIP), contribue encore à l’attrait économique de cette technologie pour ce segment. Comme la technologie WAAM permet en outre de déposer sur un composant existant (par exemple, une plaque ou un cylindre) ou même de réparer une pièce existante, l’analyse de rentabilité peut être améliorée même sans tenir compte des économies logistiques telles que la réduction des délais ou des coûts de stockage. Outre les avantages économiques qui en résultent, la réparation localisée ou la production à la demande de formes proches de la forme nette contribue également à la durabilité car elle réduit considérablement le besoin de matières premières et de logistique de transport.
En même temps, les exigences strictes de certification imposées par les conditions d’exploitation sévères de l’industrie pétrolière et gazière doivent également être prises en compte lors de l’évaluation du dossier commercial. Selon le niveau de criticité du composant, la certification peut imposer la production d’une quantité importante d’échantillons de test destructifs en plus de la pièce elle-même. »
Précision éditoriale : la densité, la nécessité d’un traitement HIP et les gains économiques décrits par Guaranteed concernent les cas présentés. Ils doivent être vérifiés pour chaque alliage, procédé et niveau de criticité ; ils ne constituent pas une garantie générale du WAAM.
Les experts de DNV GL ont mis l’accent sur les coûts de production importants requis pour utiliser la FA dans l’industrie maritime, par rapport à des procédés de fabrication bien établis tels que le laminage, le moulage et le forgeage.
Les exigences diffèrent selon les pièces et les secteurs. Comme le soulignent les intervenants, « les pièces sur mesure en acier épais de grandes dimensions sont plus typiques de l’industrie maritime ».
Cette question du prix avait déjà été soulevée lors d’une précédente conversation que nous avions eue avec le directeur général de voestalpine Additive Manufacturing.
Pour Armin Wiedenegger, alors directeur général de voestalpine Additive Manufacturing Center GmbH, les critères de qualité, de coût et de délai propres au pétrole et au gaz doivent guider la sélection des applications. L’allègement n’y est pas systématiquement la priorité, contrairement à certaines pièces aéronautiques ou automobiles.
Fabrication de pièces détachées dans l’industrie pétrolière et gazière
Des centaines de pièces complexes sont régulièrement utilisées par les professionnels de ce domaine d’activité. Il s’agit par exemple de plaques de turbine, de turbo-détendeurs ainsi que de pièces de compresseur telles que des pistons, des segments, des sièges de soupape, des joints ou des plaques latérales de cylindre.
Les possibilités évoquées comprennent la réparation, la production à la demande de pièces de rechange, l’essai de nouveaux designs et la gestion de stocks numériques. Leur intérêt dépend des dimensions, des tolérances, du matériau et du besoin de qualification. La fabrication sur site n’est donc pas une solution automatique pour toutes les pièces.
« Les ressources pétrolières et gazières étant déployées dans des régions de plus en plus isolées pendant de plus longues périodes, la probabilité que des pièces essentielles tombent en panne, deviennent obsolètes en raison de changements technologiques ou de modifications des normes, ou cessent d’être produites avant que la ressource ne soit mise hors service est donc plus grande. Le petit nombre et la courte durée de vie de ces pièces par rapport au composant présentent un défi unique en matière de gestion des stocks et renforcent encore les arguments en faveur du déploiement de la FA. Les pièces obsolètes peuvent faire l’objet d’une rétro-ingénierie numérique et être fabriquées de manière additive à la demande, ce qui permet d’augmenter la longévité des actifs dans les cas où la partie défectueuse d’un composant critique peut simplement être imprimée en 3D et remplacée comme si elle était identique », a déclaré le porte-parole de Guaranteed.
Précision éditoriale : reproduire la géométrie d’une pièce obsolète ne suffit pas à établir son équivalence. Propriétés, traçabilité, droits d’utilisation et conformité doivent aussi être vérifiés avant son remplacement.
En outre, il pourrait être nécessaire d’automatiser davantage la production de pièces, mais il convient de noter que les entreprises ne peuvent pas décider seules des pièces qu’elles peuvent produire par FA, étant donné le contrôle des composants dans les installations et les exigences strictes de test et de certification auxquelles elles doivent satisfaire. Pour Guaranteed, les entreprises qui explorent les possibilités de la FA dans les industries du pétrole et du gaz doivent également tenir compte d’autres avantages.
« Nous pensons donc qu’à court terme, l’opportunité dans les industries pétrolière et gazière ne réside pas seulement dans la production de pièces, mais aussi dans les produits qui soutiennent les opérations pétrolières et gazières, qui ont une importance critique moindre, et donc des exigences de qualité moins élevées.
Les groupes de produits qui promettent une application à grande échelle de la FA pour les composants sont par exemple les valves, les systèmes de tuyauterie, les systèmes hydrauliques, les buses et l’outillage. Divers composants de fond de puits et de surface ont également été indiqués pour montrer les possibilités et les avantages de l’utilisation de la FA », soulignent nos experts.
La criticité dépend du service réel : une vanne ou une tuyauterie peut être un composant de sécurité. Les exemples cités ne dispensent donc pas d’une analyse de risque.
Technologie et matériaux
Un large éventail de méthodes de fabrication peut être déployé dans le paysage de la FA, en fonction des exigences techniques des composants et de l’environnement dans lequel ils fonctionnent.
Les procédés polymères et métalliques répondent à des usages différents, de l’outillage aux composants fonctionnels. Les projets évoqués ici portent notamment sur la qualification de pièces métalliques.
Pour rappel, la portée du projet était de fournir un cadre permettant de s’assurer que les pièces métalliques produites par la technologie SLM et la fabrication additive à l’arc métallique répondent aux spécifications de l’industrie pétrolière, gazière et maritime.
En ce qui concerne les matériaux, les experts de Guaranteed ont déclaré à 3D ADEPT Media que les matériaux candidats pour les applications de FA dans les industries pétrolière et gazière devaient répondre à quatre critères principaux :
- « – Une résistance et une ductilité élevées dans une large gamme de températures de fonctionnement (de la cryogénie jusqu’à 400°C) pour résister aux conditions de travail
- La résistance à la corrosion induite par la présence d’eau, de CO₂ et/ou de H₂S
- Résistance à la piqûre induite par le chlorure
- Possibilité d’approvisionnement économique (disponibilité dans des délais courts et coût limité) ».
Les aciers inoxydables duplex et des alliages à base de nickel tels que l’Inconel 718 font partie des matériaux étudiés. Leur pertinence dépend notamment du milieu corrosif, de la température et des propriétés obtenues après fabrication et traitement.
Quelle est la prochaine étape pour les compagnies pétrolières, gazières et maritimes ?
Au niveau de la fabrication, la FA prouve son rôle essentiel en tant que catalyseur de plusieurs nouvelles applications et opportunités dans les industries MOG. Cependant, étant donné les exigences strictes à respecter, il faut du temps pour rendre efficace l’utilisation des pièces imprimées en 3D.
« Dans l’industrie maritime, les fabricants de matériaux pour les composants importants doivent d’abord être approuvés par une société de classification comme DNV GL. DNV GL a développé un programme d’approbation – DNVGL-CP-0267 – spécifiquement pour la fabrication additive ainsi que DNVGL-CP-0291 pour l’approbation des matières premières. Le premier fabricant pour la fabrication additive a été approuvé en 2019. Pour les composants critiques, l’industrie maritime exige un coupon test sacrificiel pour chaque lot. Les règles de DNV GL et les normes offshores ont également été révisées pour accepter la fabrication additive comme une méthode de fabrication similaire au laminage, au moulage et au forgeage », ont déclaré les experts de DNV GL.
Précision éditoriale : ces propos décrivent le cadre connu des intervenants en 2020. Pour un nouveau projet, consulter les éditions applicables des programmes de certification DNV et les exigences du client et de la société de classification.
En 2020, la pandémie a perturbé la demande et accentué la volatilité du pétrole. Ce contexte rendait plus incertaines les décisions d’investissement industriel.
Les perspectives de la FA devaient donc être évaluées à partir de cas d’usage précis : disponibilité des pièces, délais, coûts et performances attendues. Une contrainte environnementale ou économique ne suffit pas, à elle seule, à justifier son adoption.
Applications notables de la fabrication additive dans les industries pétrolière, gazière et maritime
Les exemples suivants concernent la construction navale, les équipements embarqués et la production ou réparation de composants industriels. Ces applications se recoupent parfois avec le pétrole et le gaz, mais elles ne relèvent pas toutes du même secteur.
Les annonces et témoignages ci-dessous sont replacés dans leur chronologie, jusqu’à la préparation du dossier en 2020.
L’industrie maritime
En ce qui concerne les entreprises participant à ce dossier, il convient de noter que DNV GL a rejoint d’autres projets de développement en Corée avec KOSWIRE ; des projets qui impliquent l’approbation des matières premières et qui sont réalisés en collaboration avec SY Metal Co et HHI, le but ultime étant de développer une hélice de navire.
« La production conventionnelle nécessite des efforts et des coûts élevés pour la préparation, la fabrication et l’expédition de l’hélice de remplacement. De plus, le navire est soumis à un temps de pose obligatoire. La production de l’hélice par fabrication additive réduit considérablement le délai de fabrication. Un autre atout attrayant est de libérer de nouvelles opportunités de conception, par exemple en combinant un acier pratique avec de bonnes propriétés structurelles et géométriques dans n’importe quel ordre, avec un acier coûteux résistant à la corrosion », a déclaré DNV GL.
« De plus, nous travaillons avec SHI, INSSTEK, KOSWIRE, PK VALVE, KIMS et KAERI pour fabriquer une vanne cryogénique. Aux Pays-Bas, un projet est en cours pour développer un crochet de grue offshore avec Huisman et Ramlab. En Allemagne, DNV GL participe au réseau maritime pour l’impression 3D (consortium du réseau MN3D). D’autres projets avec des acteurs réputés de l’industrie maritime sont en cours de négociation », ont ajouté Ramesh Babu Govindaraj et Eva Junghans, en parlant des projets actuels de DNV GL dans l’industrie maritime.
En février 2019, Naval Group et Centrale Nantes ont présenté une pale creuse de démonstration à l’échelle un tiers, représentative d’une hélice de porte-conteneurs.
Ce travail s’inscrivait dans le projet européen H2020 RAMSSES consacré à des solutions pour des navires plus durables.
Comme l’expliquent les experts de DNV GL, « la fabrication additive permet de réduire les émissions de carbone en diminuant la quantité de matières premières – et de matériaux qui sont rejetés dans le processus de fabrication – et en raccourcissant les trajets de transport. »
La pale en acier inoxydable, d’environ 300 kg, a été imprimée par WAAM en moins de 100 heures. Les hélices de six mètres étaient un objectif de développement, non le démonstrateur réalisé.
Le communiqué annonçait un allègement potentiel supérieur à 40 % ; il ne rapportait pas une réduction mesurée de la consommation en exploitation.
Un démonstrateur pour l’US Navy
En octobre 2018, NAVSEA a annoncé l’approbation de sa première pièce métallique fabriquée par FA destinée à une installation sur un navire de l’US Navy. Cet exemple relève du secteur naval.
Le prototype, un système d’orifice de crépine de vidange (DSO), sert à évacuer l’eau d’une conduite de vapeur. L’annonce prévoyait une installation sur l’USS Harry S. Truman pendant l’exercice 2019 et une évaluation d’un an. Elle ne constitue pas, à elle seule, un compte rendu de cet essai.
Production et réparation chez Guaranteed
Lors de l’entretien en 2020, Guaranteed indiquait avoir mis en service en Belgique la première de deux lignes de production.
« Sur ces lignes, des pièces métalliques provenant de l’industrie lourde, du pétrole et du gaz, de l’offshore, de la navigation, … sont réparées ou produites avec la technologie WAAM. La cellule de production de Guaranteed peut traiter des pièces allant jusqu’à dix mètres sur six par cinq, avec un poids maximum de 20 tonnes. Actuellement, la base de données des matériaux est déjà bien remplie (acier, inox, Inconel, Titane, aluminium, bronze, …), mais peut facilement être élargie à la demande des clients. Grâce à sa double proposition de valeur, Guaranteed offre aux clients la possibilité de réaliser des économies directes en réparant les pièces, soit de réaliser des économies logistiques en produisant des pièces de rechange complètes à la demande et rapidement. Pour permettre et soutenir cela, Guaranteed est activement impliqué dans plusieurs projets industriels conjoints gérés par DNV GL pour faciliter l’adoption de la FA dans des secteurs tels que le pétrole et le gaz où la certification est importante », ont déclaré Joachim Antonissen et Sander Plasschaert, en parlant de leurs projets actuels.
Conclusion
Les cas étudiés montrent l’intérêt de la FA pour certaines pièces difficiles à approvisionner, réparations ou géométries complexes. La décision doit comparer l’ensemble de la chaîne aux solutions conventionnelles : qualification, usinage, traitements, contrôles, délais et coût. Les gains environnementaux nécessitent une évaluation adaptée au cas d’usage, et ne sont pas automatiques.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro juillet–août 2020 de 3D ADEPT MAG.
Image de une : Siemens.
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