Dossier publié dans le numéro de septembre/octobre 2022, puis en ligne en janvier 2023, avec Alex Giorgini de Valland. Les résultats ci-dessous sont ceux de scénarios d’analyse du cycle de vie rapportés à cette époque ; ils ne constituent pas une mesure de toutes les vannes en service.
Le secteur pétrolier et gazier cherchait en 2022 à maîtriser ses coûts dans un contexte de forte volatilité énergétique. Ce dossier examine le rôle possible de la fabrication additive à travers trois dimensions : les personnes, la performance économique et l’environnement. Des gains sur l’une de ces dimensions ne garantissent pas automatiquement un bénéfice sur les autres.
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
La sécurité du personnel guide notamment les opérations d’essai et de maintenance. Automatisation, diagnostic et surveillance peuvent aider à limiter l’exposition aux risques ou à décider d’une réparation. Ils doivent s’inscrire dans des procédures qualifiées, sans présumer qu’une vanne réparée ou imprimée est conforme du seul fait du procédé choisi.
Profit et planète
Le reconditionnement par un atelier qualifié peut prolonger la durée de service lorsque l’état de la vanne et les exigences applicables le permettent. Son intérêt économique dépend des réparations, essais, délais et coûts de remplacement. La fourchette de 40 à 60 % citée dans la version initiale n’était pas documentée et ne peut être généralisée.
Lorsqu’un remplacement est nécessaire, la valorisation du métal peut contribuer à la circularité. Elle consomme toutefois de l’énergie et exige un tri et une qualification adaptés. C’est dans ce contexte que le producteur de poudres f3nice et le fabricant de vannes Valland examinent la FA à partir de matière recyclée.
La confluence des forces qui modifient le paysage de la fabrication des vannes
Comme présenté dans notre entretien avec f3nice, l’entreprise transforme des déchets métalliques sélectionnés en poudres destinées à la FA. La qualification du matériau reste liée à la composition, à la propreté et aux exigences d’utilisation.
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 matières premières pour la 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.
L’étude menée avec f3nice examine la reconception et la fabrication du corps et de pièces de fermeture d’une vanne. Elle compare des consommations d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre selon plusieurs scénarios. Ce périmètre ne suffit pas à conclure sur tous les impacts environnementaux ni sur la conformité fonctionnelle de la 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, conventionnel, le modèle suppose une production de billettes d’acier en Inde ou en Chine, puis un usinage CNC à Singapour. L’Inde et la Chine sont situées en Asie, mais pas en Asie du Sud-Est.
Le scénario 2 suppose une poudre atomisée en Allemagne à partir de déchets européens, puis une fabrication à Singapour. Le scénario 3 rapproche l’atomisation de Singapour, en Indonésie ou en Malaisie, à partir de déchets locaux ; l’impression reste 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 :
| Contribution | Scénario 1 — conventionnel | Scénario 2 — poudre d’Europe | Scénario 3 — poudre régionale |
|---|---|---|---|
| Énergie intrinsèque | 874 | 95 | 95 |
| Produit brut | 266 | 80 | 80 |
| Fabrication | 93 | 867 | 867 |
| Utilisation (crédit relatif) | 0 | -116 | -116 |
| Logistique | 15 | 18 | 2 |
| Total rapporté | 1248 | 945 | 928 |
Note de lecture : pour le scénario 2, la somme des valeurs affichées est 944 MJ, alors que le total rapporté est 945 MJ. Les chiffres d’origine sont conservés ; l’écart de 1 MJ n’est pas expliqué dans les données disponibles.
Dans ce modèle, les totaux rapportés correspondent à une économie d’énergie d’environ 24 à 26 %. La contribution négative de la phase d’utilisation représente un crédit relatif lié à l’allègement sur le navire FPSO, pas une consommation d’énergie physiquement négative. Le recours au recyclé ne garantit pas, à lui seul, un meilleur résultat pour toute application.
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.
| Contribution | Scénario 1 — conventionnel | Scénario 2 — poudre d’Europe | Scénario 3 — poudre régionale |
|---|---|---|---|
| Énergie intrinsèque | 64,6 | 3,4 | 4,9 |
| Produit brut | 19,6 | 2,8 | 4,1 |
| Fabrication | 4,8 | 44,8 | 44,8 |
| Utilisation (crédit relatif) | 0 | -8,2 | -8,2 |
| Logistique | 1,1 | 1,3 | 0,1 |
| Total rapporté | 90,1 | 44,1 | 45,7 |
Les émissions rapportées sont de 90,1 kg CO₂e par unité pour le scénario 1, de 44,1 pour le scénario 2 et de 45,7 pour le scénario 3 : soit environ 51 % et 49 % de réduction. Ces écarts dépendent du mix électrique, des frontières du modèle et des hypothèses d’usage. Une atomisation plus proche réduit ici la logistique, mais ne donne pas automatiquement le total carbone le plus faible.
Au moment du dossier de 2022, ces scénarios n’étaient pas présentés comme un déploiement industriel démontré de composants de vannes en FA à partir de métal recyclé. 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
Le choix d’une chaîne de fabrication doit réunir la performance de la vanne, sa traçabilité, sa qualification et les impacts sur l’ensemble du cycle de vie. Les scénarios présentés offrent des pistes à évaluer ; ils ne prouvent ni un gain universel ni une réduction automatique des risques pour les personnes.
Cet article a été initialement publié dans le numéro de Septembre/Octobre 2022 de 3D ADEPT Mag.
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