Le triple bilan et la confluence des forces qui modifient le paysage de la fabrication des valves (imprimées en 3D)

Compte tenu de la situation économique actuelle, il est difficile d’avoir une conversation décente sur le pétrole et le gaz sans avoir à se plaindre de la fluctuation actuelle des prix. Pourtant, si on regarde la situation dans son ensemble – et qu’on laisse les gouvernements s’occuper de la guerre en Ukraine et de ses conséquences -, on réalisera qu’une manière pour les entreprises pétrolières et gazières de réduire leurs coûts et d’augmenter leurs marges serait de se concentrer sur la durabilité. Comme cela a été mentionné à plusieurs reprises dans cette édition de 3D ADEPT Mag, « une organisation peut vraiment dire qu’elle est durable lorsqu’elle est responsable vis-à-vis de ces trois aspects : le profit, les personnes et la planète » – le triple bilan – ou plus communément « triple bottom line » en anglais. Ce qui est fou dans cette idée, c’est que plus on y réfléchit, plus on se rend compte que la fabrication additive peut jouer un rôle clé dans le respect des directives liées à chacun de ces aspects. C’est un cercle vertueux.

Les défis de l’industrie pétrolière et gazière en matière de durabilité ont déjà été abordés dans une édition précédente de 3D ADEPT Mag. Au fil du temps, nous nous sommes rendu compte que, si les réglementations dictées par les organes directeurs continuent d’établir des directives strictes à suivre, les clients eux-mêmes fixent de plus en plus d’exigences strictes pour les vannes dans les processus industriels.

Au cas où vous ne connaîtriez pas ce secteur, sachez que les vannes sont un élément central de tout système de tuyauterie, d’où leur importance pour l’industrie pétrolière et gazière. Elles peuvent être utilisées pour contrôler les débits, isoler, protéger les équipements et intervenir dans le processus de raffinage du pétrole, du gaz, de l’hydrogène et d’autres milieux similaires. Elles sont donc essentielles à un large éventail de fonctions et d’applications.

Le fait est que les entreprises qui fabriquent des vannes doivent répondre à une confluence de forces qui modifient leur paysage manufacturier – automatisation, agilité et numérisation, pour n’en citer que quelques-unes – . Quelles que soient ces forces, elles doivent être parfaitement en phase avec cette triple bottom line.

La triple bottom line

Les personnes 

Pour toute organisation du secteur pétrolier et gazier, l’une des pires situations qui puisse se produire est de voir quelqu’un se blesser dans ses installations. Pour atténuer certains de ces risques, de nombreuses entreprises investissent dans l’intelligence artificielle (IA) et la robotique pour effectuer des tests à haute pression sur leurs vannes. D’autres utilisent le diagnostic des vannes de contrôle pour surveiller leurs performances, remettre en état les anciennes vannes ou simplement les remplacer. Il est intéressant de noter que dans l’une ou l’autre de ces deux dernières solutions (reconditionnement et remplacement), vous pouvez réaliser des bénéfices tout en respectant les directives environnementales.

Profit et planète

Ceux qui choisissent de reconditionner de vieilles vannes le font souvent par l’intermédiaire d’un centre de réparation de vannes qualifié qui les reconditionne selon les spécifications d’usine, c’est-à-dire dans un état « comme neuf ». Par ce biais, ils peuvent économiser 40 à 60 % par rapport à l’achat de nouvelles vannes. Parfois, cela permet également de réduire les déchets et les coûts de recyclage.

Dans un autre ordre d’idées, lorsque les vannes sont remplacées, elles sont souvent jetées dans une décharge ou envoyées au recyclage. Cela peut nécessiter une certaine quantité d’énergie pour recycler le métal, mais avec le bon processus de fabrication et les bonnes poudres, il est possible d’obtenir un meilleur retour sur investissement. C’est ce que nous avons découvert avec le producteur de matériaux f3nice et la société pétrolière et gazière Valland.

La confluence des forces qui modifient le paysage de la fabrication des vannes

Si vous êtes un lecteur régulier de 3D ADEPT Media, vous avez peut-être déjà entendu parler de F3nice. Tout ce qui concerne ce producteur de matériaux est intéressant : l’histoire de sa création, sa vision, sa façon de travailler… mais ce qu’il faut retenir ici, c’est qu’il s’approvisionne en déchets métalliques et en pièces désaffectées et les transforme en poudre métallique imprimable en 3D.

Valland, quant à lui, opère dans le secteur du pétrole et du gaz depuis 2006. Fondée par des experts qui travaillent depuis plus de trois décennies dans le domaine des vannes, l’entreprise se concentre sur les vannes d’ingénierie. Leur marché principal est les secteurs de l’exploration et de la production de pétrole et de gaz, y compris le sous-marin et la transmission, et d’autres applications industrielles de services spéciaux. En 2016, ils ont commencé à faire l’expérience de la fabrication additive (FA) et de la façon dont la technologie pourrait bénéficier à leurs industries cibles. L’année 2019 marque une période d’engagement dans le développement d’une activité liée à la FA avec l’installation de 2 imprimantes 3D FDM. Cette activité se développe continuellement et 2021 a vu le développement d’une unité commerciale dédiée à la FA, nommée Valland3D, avec un laboratoire d’impression 3D capable de traiter une large gamme de matériaux couvrant les polymères, les résines et les métaux.

« Valland3D utilise actuellement les technologies de FA pour développer des solutions innovantes et produire des composants afin d’obtenir des vannes de haute qualité et sur mesure pour les secteurs du pétrole, du gaz et de l’énergie. Sur cette base, la société vise à diffuser dans l’industrie de la FA une approche innovante basée sur le concept de travail en synergie avec le client (par exemple, les utilisateurs finaux ou les EPC) en l’assistant tout au long de la chaîne de valeur de la FA. Pour confirmer cela, en plus des services purement liés à l’impression 3D, nous offrons la conception ou la re-conception de composants en utilisant des outils avancés d’optimisation de la topologie et des services de simulation de processus additifs. En outre, l’action de Valland3D vise également à soutenir les partenaires pendant le cycle de vie des composants en leur offrant la possibilité d’adopter des solutions d’inventaire numérique des pièces de rechange, ce qui contribue de manière significative à réduire le délai de livraison des pièces de rechange et permet ainsi de mettre en œuvre une approche de maintenance à la demande », a déclaré Alex Giorgini, ingénieur R&D, à 3D ADEPT Media. En plus de ses capacités internes de FA qui incluent les technologies FDM, SLA, LB-PBF et une plateforme hybride de R&D d’atomisation de poudre métallique capable de combiner des technologies alternatives de production de FA, Valland3D peut également prendre en charge des activités de post-traitement telles que le traitement thermique des composants et l’optimisation du degré de finition de surface par des processus de grenaillage et de sablage.

Valland3D est l’une de ces entreprises qui pensent que la FA peut influencer positivement le passage à un paradigme de triple résultat. En fait, l’équipe a pris l’habitude de soutenir les projets de FA par des études d’analyse du cycle de vie (ACV). L’année dernière, elle a pris part à un projet industriel conjoint promu par Wilhelmsen et Thyssenkrupp, portant sur la reconception pour la FA et l’impression 3D subséquente de composants critiques de vannes. « Dans le contexte du projet décrit, environ 50 % des économies d’émissions de gaz à effet de serre ont été évaluées en comparant le scénario de la FA à celui de la fabrication conventionnelle grâce au développement d’un modèle de simulation basé sur des méthodologies d’ACV », commente Giorgini.

Cependant, ce qui suscite davantage notre intérêt est l’ACV d’une pièce fabriquée de manière additive, réalisée en collaboration avec f3nice. Cette dernière visait à fournir une évaluation qualitative des économies environnementales liées à la reconception et à l’impression du corps et des pièces de fermeture d’une vanne.

Analyse du cycle de vie des composants de vannes imprimés en 3D

Dans le cadre de ce projet, f3nice a apporté son expertise dans le développement de poudres métalliques imprimables en 3D grâce à l’approvisionnement en déchets métalliques et en pièces désaffectées, tandis que Valland a apporté son expérience dans la conception et la fabrication de composants de vannes dans l’industrie pétrolière et gazière.

Selon un rapport publié à ce sujet, cinq contributions principales concernant les voies conventionnelles et la fabrication additive (FA) ont été prises en compte :

• L’énergie intrinsèque du matériau en acier, qui correspond au coût énergétique associé à l’extraction de nouveaux matériaux pour produire l’acier et/ou au recyclage de déchets métalliques préexistants.
• La création du produit brut. Ce terme désigne la fabrication de la barre métallique qui est ensuite utilisée pour fabriquer les composants des vannes à partir d’un usinage traditionnel. En revanche, dans la chaîne de valeur de FA, l’énergie nécessaire à la production de la poudre d’acier est prise en compte.
• La fabrication des composants finis, comprenant l’usinage CNC pour les pièces conventionnelles, l’impression et la finition pour les pièces imprimées en 3D.
• L’utilisation, une contribution relative basée sur la réduction du poids des pièces imprimées installées sur le navire FPSO.
• Le transport et la logistique, en raison des différents modèles de chaîne d’approvisionnement adoptés dans les approches conventionnelles et les approches de FA.

L’équipe du projet a étudié trois scénarios pour cette dernière considération (transport et logistique).

Dans le scénario 1 dédié à un processus de fabrication conventionnel, ils ont pris en compte le fait que la production des billettes d’acier a lieu dans les principaux pays situés dans la région de l’Asie du Sud-Est, comme l’Inde ou la Chine, tandis que l’usinage CNC est effectué à Singapour.

Deux autres scénarios ont été explorés pour la FA : l’un (Scénario 2) où la poudre est atomisée en Allemagne à partir du recyclage de la ferraille provenant d’Europe – et ensuite utilisée à Singapour pour la production par FA de la pièce et un autre (Scénario 3) où la poudre est atomisée à proximité de Singapour (à nouveau, en Indonésie ou en Malaisie) à partir de la ferraille locale, et imprimée en 3D à Singapour.

Les calculs ont été effectués en prenant des données de référence pour chaque processus spécifique (c’est-à-dire des valeurs de consommation d’énergie en MJ/kg). Lorsque cela était possible, des données réelles ont été utilisées, à commencer par l’atomisation de la poudre réalisée par f3nice en 2021, peut-on lire. Les résultats finaux ont été partagés à travers différents tableaux :

L’équipe du projet a pu obtenir ces résultats grâce au contenu 100% recyclé de la poudre f3nice. Les économies d’énergie sont de l’ordre de 24 % à 26 % par rapport à la chaîne d’approvisionnement conventionnelle. Malgré la contribution significative de la phase de fabrication (c’est-à-dire l’impression) dans les scénarios de FA, l’utilisation de matériaux de rebut garantit une meilleure ACV. En même temps, la réduction du poids total des pièces imprimées 3D diminue également les coûts des produits bruts (moins de métal à traiter). Enfin, la réduction du poids est également bénéfique dans la phase d’utilisation, puisque la présente analyse porte sur des composants qui seront transportés tout au long de leur durée de vie, note l’équipe.

Les résultats de la consommation d’énergie dans chaque scénario ont également permis d’estimer l’empreinte carbone de chacun d’entre eux. Dans le but de faciliter les calculs, les mix énergétiques standard des pays susmentionnés ont été considérés comme des paramètres d’entrée.

Les résultats concernant les émissions de carbone sont encore plus positifs que ce qui a été observé précédemment pour les consommations d’énergie. Les émissions totales de carbone par unité sont près de la moitié de ce qui a été calculé pour la chaîne d’approvisionnement conventionnelle. Les économies réalisées avec la FA se situent entre 51 % et 49 % pour la poudre produite en Europe ou localement à Singapour, respectivement. L’augmentation des économies dépend de l’intensité de carbone (c’est-à-dire du mix énergétique) des pays considérés dans les calculs. Comme pour la création du produit brut dans la chaîne d’approvisionnement classique, l’intensité de carbone de l’Inde ou de la Chine aggrave considérablement l’empreinte carbone totale du scénario 1. D’autre part, les intensités moyennes en carbone de l’Europe (par exemple, l’Allemagne ou l’Italie) et de Singapour apportent une contribution bénéfique aux calculs des émissions de carbone, ce qui accroît encore l’écart entre les chaînes d’approvisionnement conventionnelle et la FA, précise le rapport.

En fin de compte, malgré leurs résultats encourageants, ces scénarios ne sont pas (encore) appliqués dans la vie réelle – du moins la partie concernant l’utilisation de la FA et du métal recyclé pour produire des composants de vannes. L’une des toutes premières mesures qui encourageront les organisations à suivre les scénarios de FA et à bénéficier des avantages du triple bilan pourrait être de favoriser l’adoption de matières premières durables produites à partir de déchets ou de composants en fin de vie. Pour l’ingénieur en R&D de Valland, un autre domaine d’intérêt serait « l’efficacité de la consommation d’énergie et de consommables des technologies de FA« . En se concentrant sur ce domaine, l’impact environnemental lié au processus de fabrication des composants serait considérablement réduit.

En outre, alors que les fournisseurs de technologies de FA devraient continuellement travailler à l’optimisation de leurs processus, l’exploration du remplacement des composants de vannes par la FA et la poudre de métal recyclé imprimable en 3D pourrait être une solution gagnante pour l’utilisateur final et les activités des producteurs de matériaux. Le rôle des « fournisseurs de matières premières pour la FA (…) deviendra de plus en plus pertinent compte tenu des problèmes de disponibilité des matières premières critiques auxquels l’économie mondiale devra progressivement faire face« , explique Giorgini.

Agilité et changement

Alors que les considérations croissantes en matière de durabilité affectent la conception et la fabrication des vannes, il est important de garder à l’esprit que toutes les actions de durabilité ne doivent pas nécessairement être compliquées et énormes. Parfois, les solutions permettant de sauver des vies peuvent se résumer à l’utilisation de la fabrication agile, qui fait appel à des outils d’automatisation et de numérisation, à la FA et à la poudre métallique recyclée imprimable en 3D. Il est trop tôt pour dire où se dirige ce secteur de niche, mais le moment est bien choisi pour dire aux entreprises qu’elles doivent prévoir des changements dans leur processus de fabrication afin de rester compétitives. C’est en tout cas ce que font les entreprises comme Valland en aidant les industries cibles à naviguer dans cette nouvelle ère de fabrication de vannes en gardant à l’esprit la durabilité.

Cet article a été initialement publié dans le numéro de Septembre/Octobre 2022 de 3D ADEPT Mag.

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