FR2986323A1 - Procede de detection d'anomalies de fonctionnement d'organes mecaniques d'un navire en milieu aquatique, et son utilisation pour la prevention des pannes - Google Patents

Abstract

Procédé de détection d'anomalies de fonctionnement d'organes mécaniques d'un navire 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détection acoustique desdits organes mécaniques lors du déplacement du navire 2 dans un couloir de navigation 1, par enregistrement d'un spectre acoustique dudit navire à l'extérieur du navire, en milieu aquatique, au moyen d'un capteur acoustique passif 3, suivie d'un traitement des données, notamment les données fréquentielles du spectre acoustique enregistré, l'extraction des données fréquentielles et de niveau dudit spectre, puis de l'identification de la source des anomalies, à partir des données traitées, et enfin la détermination des organes mécaniques du navire correspondants à ces anomalies. Utilisation pour la prévention des pannes desdits organes.

Description

La présente invention concerne un procédé de détection d'anomalies de fonctionnement d'organes mécaniques, notamment d'organes mécaniques de navires, et son utilisation pour la prévention des pannes desdits organes.

En vue de l'entretien et de la prévention des pannes des organes mécaniques principaux d'un navire nécessitant la réparation ou le remplacement de ces organes, on procède généralement à des vérifications visuelles ou vibratoires périodiques des différents organes mécaniques individuellement. Selon les organes mécaniques, ces vérifications sont effectuées, lorsque le navire est à l'arrêt, soit à l'intérieur même du navire, soit à l'extérieur dudit navire, ce dernier devant alors être en cale sèche. Pour procéder à ces vérifications, l'opérateur met en route, l'un après l'autre, chacun des organes à contrôler individuellement ou par groupe d'organes fonctionnant en association (hélices, moteur de propulsion, auxiliaires, tels que diesel auxiliaire pour la production électrique, pompes de lubrification, groupes électrogènes, systèmes de réduction, ligne d'arbre, treuil...). Certains de ces organes étant inter-dépendants, les vérifications vibratoires nécessitent l'utilisation d'un grand nombre de capteurs, positionnés sur chacun des organes de l'ensemble des organes à vérifier (par exemple sur un moteur et ses auxiliaires). Or pour s'affranchir des interactions vibratoires entre les différents organes en fonctionnement, une méthodologie d'analyse différente doit être mise en place. Outre leur complexité, de tels procédés ne conduisent qu'à une analyse grossière de l'état de ces organes (détection d'une panne) et ne permettent pas d'affiner l'analyse, qui permettrait d'anticiper ces pannes.

Ces opérations de vérification et de contrôle sont donc longues et fastidieuses, et imposent l'immobilisation du navire, augmentant ses coûts d'exploitation. De plus, certains fonctionnements défectueux ou anomalies de certains organes du navire ne sont pas détectables lors de l'arrêt du navire mais uniquement lors du déplacement du navire, par exemple, les organes liés à la propulsion du navire).

Par ailleurs, il s'avère qu'un grand nombre des organes mécaniques rotatifs de fonctionnement du navire sont situés en-dessous de la ligne de flottaison du navire (notamment les hélices, et l'ensemble du système de propulsion du navire), ce qui impose une vérification en cale sèche. Quant à certains autres organes rotatifs, il est nécessaire de les démonter pour procéder à des inspections visuelles, et/ou des vérifications techniques auprès du constructeur, pour vérifier la présence d'anomalies ou non (par exemple usure anormale, rupture de pièces, défaut d'étanchéité).

La présente invention a pour but de palier les inconvénients précités en proposant un procédé de détection d'anomalies de fonctionnement d'organes mécaniques d'un navire qui soit rapide et simplifié. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de détection d'anomalies de 10 fonctionnement ne nécessitant pas l'obligation d'un démontage de certaines pièces desdits organes. Encore un autre but de l'invention est de proposer un procédé permettant de limiter les périodes d'arrêt du navire et plus particulièrement d'éviter sa mise en cale sèche. 15 Encore un but de l'invention est de proposer un procédé de détection d'anomalies de fonctionnement de plusieurs organes mécaniques d'un navire simultanément pouvant s'appliquer à tout type de navires, plus particulièrement aux navires à moteur. 20 A cet effet, la présente invention concerne un procédé de détection d'anomalies de fonctionnement d'organes mécaniques d'un navire, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détection acoustique desdits organes mécaniques lors du déplacement du navire, par enregistrement d'un spectre acoustique dudit navire à l'extérieur du navire, en milieu aquatique, suivie d'un 25 traitement des données, notamment les données fréquentielles du spectre acoustique enregistré, l'extraction des données fréquentielles et de niveau dudit spectre, puis de l'identification de la source des anomalies, à partir des données traitées, et enfin la détermination des organes mécaniques du navire correspondant à ces anomalies. 30 En effet, tout dispositif mécanique en fonctionnement génère de façon inévitable du bruit. Les machines électriques, moteurs diesel, systèmes d'engrenages (systèmes de réduction), turbines... génèrent des vibrations mécaniques dont certaines sont généralement accentuées par des défauts mécaniques et/ou électromagnétiques.

Lorsque le navire est en milieu aquatique, en déplacement, tout ou une partie de ces vibrations mécaniques se transmettent à travers la coque du navire et se propagent dans l'eau. Ce sont ces ondes sonores qui sont interceptées et enregistrées dans le procédé de la présente invention.

Dans le procédé de détection selon l'invention, l'étape de détection acoustique comprend, de préférence, les opérations successives suivantes : - la détermination d'un couloir de déplacement du navire, - le positionnement d'au moins un capteur acoustique passif immergé à proximité dudit couloir, - le déplacement du navire à l'intérieur dudit couloir, - pendant le déplacement du navire dans ledit couloir, l'enregistrement par ledit capteur des fréquences émises à l'extérieur du navire par les organes mécaniques en fonctionnement, et l'obtention dans au moins une plage de fréquences donnée, d'un 15 spectre acoustique enregistré, - l'analyse du spectre acoustique enregistré et la comparaison du spectre acoustique enregistré par rapport à un spectre acoustique de référence. Ce traitement des fichiers sons comprend, de préférence, au moins une étape de 20 traitement permettant d'isoler les principales fréquences générées par le navire en déplacement et de quantifier les niveaux relatifs à chaque fréquence pertinente. Plus particulièrement, l'étape de traitement des données, comprend avantageusement une analyse spectrale des fichiers sons permettant d'identifier les différentes familles 25 de fréquences générées, les niveaux de bruit associés aux fréquences générées, la classification des sources sonores interceptées, puis la détection d'une ou plusieurs anomalie(s) fréquentielle(s). Cette détection finale peut résulter de l'observation d'un excès de niveau et/ou d'une anomalie lors de l'analyse audiophonique, ou résulter d'une comparaison avec un spectre établi précédemment. 30 Parmi les principales anomalies identifiables, le procédé selon la présente invention permet ainsi de distinguer notamment: - Les défauts mécaniques qui peuvent être occasionnés par des déséquilibres statiques ou dynamiques, des défauts d'alignement et les anomalies fréquentielles liées aux contacts de roues dentées en prise directe. - Les défauts électromagnétiques qui sont le résultat d'anomalies mécaniques et/ou électromagnétiques de moteurs électriques, le bruit électromagnétique étant généré par les changements de forme du circuit magnétique lorsque le rotor tourne. - Les bruits générés par un moteur de propulsion ou par un auxiliaire qui ont comme origine le bruit de combustion et/ou le bruit mécanique résultant notamment du cycle de combustion du moteur ainsi que des auxiliaires liés au fonctionnement. - Les phénomènes liés à la rotation de l'hélice du navire, en particulier : cavitation, phénomène de résonance.

L'étape de détection acoustique du procédé selon la présente invention, réalisée selon une plage de fréquences sélectionnées, est de préférence précédée de la détermination des plages de fréquences acoustiques théoriques des éléments mécaniques en fonctionnement du navire, afin de sélectionner la ou les plage(s) de fréquences d'enregistrement dudit spectre acoustique. Le spectre acoustique de référence peut être un spectre acoustique théorique qui est défini pour un navire selon sa configuration de navigation établie. Cela signifie que le spectre acoustique théorique est propre à chaque configuration de régime moteur du navire. En effet, la variation du régime moteur entraîne une modification de régime de rotation de l'ensemble du système propulsif couplé à ce dernier. Ainsi, le spectre acoustique théorique est déterminé par une analyse précise du système de propulsion et des caractéristiques de chaque élément le constituant.

Le spectre acoustique de référence peut aussi être un spectre acoustique réalisé antérieurement pour le même navire. L'opération d'enregistrement du spectre acoustique est donc, de préférence, réalisée pour un régime de fonctionnement donné, notamment une vitesse donnée de déplacement du navire, des conditions de chargement du navire ou la configuration des organes mécaniques en fonctionnement. En effet, certaines anomalies peuvent n'être détectées qu'à une vitesse importante du navire ou lorsque ce dernier est fortement chargé.

Le procédé de la présente invention présente ainsi des avantages importants par rapport aux procédés de détection d'anomalies actuels qui ne permettent pas une détection à différents régimes de fonctionnement et/ou de navigation du navire, puisqu'ils sont mis en oeuvre lorsque le navire est en cale sèche. L'étape de détection acoustique peut mettre en oeuvre au moins un couple de capteurs acoustiques passifs disposés de part et d'autre du couloir et synchronisés. Ainsi, un seul passage du navire dans le couloir prédéfini permet d'enregistrer un spectre acoustique correspondant à chacun des côtés, babord et tribord, du navire à étudier. Ce ou ces capteurs, qui sont avantageusement des capteurs acoustiques passifs omnidirectionnels (enregistrement sonore sur 360°) sont, de préférence, immergés à une profondeur h d'au moins 5 m, avantageusement d'au moins 10 m au-dessous de la ligne de flottaison du navire. 15 De plus, pour éviter les effets de réflexion sonore sur les fonds marins, la zone de mesure se situe avantageusement dans une zone présentant une colonne d'eau de hauteur H supérieure ou égale à 4 fois h. Ainsi tout enregistrement effectué par le capteur immergé s'affranchit notamment : 20 - des effets de surface tel que le clapot sur la coque du navire qui perturbe l'acquisition des données, et - du bruit propre du navire de mesure auquel est attaché le capteur. Cette étape de détection acoustique du procédé de la présente invention peut être 25 effectuée en milieu aquatique marin, le couloir prédéfini de déplacement du navire pouvant atteindre une longueur de plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres sur une largeur d'environ 50 mètres. Le couloir est choisi en fonction de la bathymétrie de la zone, dans une zone à bruit ambiant faible, en particulier dans une zone ayant peu de perturbations acoustiques, en particulier peu de trafic maritime. 30 Le dispositif acoustique passif pour la réalisation du procédé de détection décrit ci-dessus comprend un capteur de type hydrophone, un amplificateur, des moyens d'enregistrement et de stockage des données (fichiers sons) et une alimentation électrique autonome. Ce dispositif acoustique peut être soit embarqué sur un bateau 10 enregistreur et piloté par un opérateur, soit immergé dans la zone de mesure. Dans ce dernier cas il comporte alors également un logiciel programmant son fonctionnement. Le protocole d'acquisition des données in situ mis en oeuvre suivant le procédé de la 5 présente invention est spécifiquement dédié à l'analyse du bruit rayonné des sources sonores d'un navire. La distance de passage au plus près entre la source sonore et l'enregistreur est avantageusement comprise entre 50 mètres et 100 ou 200 mètres. Une telle distance 10 permet de déterminer plus facilement le niveau en dB, rapporté à sa valeur à 1 mètre, de la fréquence considérée de la source sonore étudiée. En effet, outre l'analyse des bruits générés et la classification des sources sonores, une étape importante du procédé de la présente invention repose sur l'évaluation des 15 niveaux de bruit rayonné. On appelle niveau de bruit rayonné, l'intensité du bruit rayonné mesuré à une certaine distance de la source et ramené à 1 mètre de celle-ci. Il est défini de façon générale en décibel par la formule : Nis(f) = 10 . log I(f)/I0 20 où Nis(f), représente le rapport de l'intensité sonore de ce bruit I dans la largeur de bande unité autour de f (fréquence caractérisée), sur le niveau de référence Io (intensité de référence). Pour cette évaluation du niveau de bruit, Nis(f) est donc exprimé en dB (décibel) 25 relativement à l'intensité de référence Io mesurée sous une pression de 1pPa, égale à 6,51.10-19 W/m2, dans les conditions standards. Le spectre acoustique enregistré, selon une bande passante pouvant, par exemple, s'étendre de 0 à 18 000 Hz ou de 0 à 50 000 Hz, établit des couples fréquence (en 30 Hz)/niveau (en dB ref1pPa) des différentes sources sonores interceptées et classifiées. L'analyse systématique des fichiers sons est ensuite effectuée par les différents traitements en analyse spectrale (par les méthodes DSP (Densité Spectrale de Puissance) et/ou Lofargramme) de manière à identifier : -les différentes familles de fréquences générées -les niveaux de bruit associés aux fréquences sélectionnées -la classification des sources sonores interceptées et donc de découvrir éventuellement d'une ou plusieurs anomalie(s) fréquentielle(s) : 5 soit par un excès de niveau et/ou anomalie à l'analyse audiophonique, soit par comparaison avec un spectre établi précédemment. Ces ou ces anomalies fréquentielles peuvent être le signe précurseur d'une future panne ou d'une défaillance de l'organe mécanique correspondant. Le procédé selon la présente invention présente l'énorme avantage de permettre l'analyse de l'état de plusieurs organes du navire, en fonctionnement simultanément (machine, hélice, moteur, auxiliaires, treuil) et à l'aide d'un seul capteur ou d'un couple de capteurs. Ainsi, le navire n'est pas immobilisé pendant de longues périodes. De plus, un suivi périodique de la signature acoustique d'un navire peut être un précieux indicateur de l'état d'usure des différentes machines en fonctionnement sur ce navire, permettant d'anticiper une panne sur une machine. 20 La présente invention concerne donc également l'utilisation du procédé décrit ci-dessus pour la prévention de pannes d'organes mécaniques d'un navire, telles que par exemple, sans que la liste soit limitative, sur la ligne d'arbre, l'hélice, le réducteur, le moteur de propulsion, les auxiliaires attelés au moteur de propulsion. 25 La présente invention va être décrite plus en détail par un exemple illustratif ci-après, en référence aux figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est un schéma représentant le couloir de déplacement du navire et un point unique d'enregistrement du spectre acoustique selon une première variante de 30 réalisation du procédé de la présente invention ; La figure 2 est un schéma représentant le couloir de déplacement du navire et deux points d'enregistrement du spectre acoustique selon une deuxième variante de réalisation du procédé de la présente invention ; 10 15 La figure 3 est un exemple d'analyse par DSP d'un fichier son enregistré ; La figure 4 est un exemple de spectre acoustique analysé.

Exemple : Le procédé présenté dans cet exemple comprend les différentes étapes présentées ci-après : 1. Préparation de l'installation : Un couloir 1 rectiligne d'une largeur li ou 12 d'environ 50 m et d'une longueur d'environ 2000 m, tel que schématisé sur les figures 1 et 2, est prédéfini dans un couloir de navigation existant et identifié par ses coordonnées GPS. Avant l'entrée du navire 2, dont on souhaite vérifier les organes de fonctionnement, un dispositif acoustique comprenant un capteur 3 (figure 1) acoustique passif omni-directionnel est positionné et immobilisé à une distance d1 dudit couloir 1, ou un couple de capteurs 3 et 4 (figure 2) disposés à une distance d2 des bords dudit couloir 1. Dans le plan de mouillage de la figure 2, les deux capteurs 3 et 4 sont positionnés de part et d'autre du couloir de mesure afin d'enregistrer en simultané la signature du 20 bruit généré par le navire 2 sur son côté gauche et son côté droit. Les deux capteurs 3 et 4 sont positionnés de telle sorte que les deux enregistrements effectués sont traités en cohérence l'un avec l'autre. Ce type de mouillage présente l'avantage de réduire le temps d'acquisition des données sur le terrain et de réduire l'influence de la variation de niveau de bruit ambiant puisque les enregistrements sont 25 simultanés. Les capteurs sont à une équidistance entre la position de départ du navire à analyser qui correspond au début de l'enregistrement et sa position d'arrivée qui correspond à la fin de l'enregistrement. 30 2. Etude des caractéristiques techniques du navire : On répertorie dans un premier temps l'ensemble de la documentation technique du navire 2 à analyser (type de propulsion, caractéristiques techniques des différents auxiliaires à bord, schémas techniques des installations du bord, différentes plages du régime moteur du navire), afin de définir le programme d'analyse acoustique en cohérence avec les performances du navire et le régime de transit du navire durant sa navigation en mer. Une première étude est menée pour déterminer le spectre acoustique théorique du navire, en fonction de ses caractéristiques techniques, de ses équipements et de la 5 nature des organes à vérifier. Ce spectre théorique permet de déterminer la ou les plages de fréquences pour l'enregistrement à effectuer. Dans le présent exemple, en ce qui concerne les composantes mécaniques et électriques du système de propulsion et des auxiliaires électriques présents sur le navire, on définit tout d'abord les fondamentaux de rotation pour chaque élément 10 mécanique étudié. S'il y a une liaison mécanique avec le moteur de propulsion, le spectre acoustique des éléments mécaniques liés est déterminé pour un régime d'allure fixé. Plus particulièrement si le nombre de tours vilebrequin/minute du moteur de propulsion 4 temps est de 1200 tours/min on définit un Fd (fondamental de rotation) 15 de 10Hz. Selon le type de démultiplication retenue pour coupler le moteur de propulsion à la ligne d'arbre un coefficient est déterminé. Par exemple pour un rapport de démultiplication permettant de faire tourner la ligne d'arbre 5 fois moins vite, on en déduit un nombre de tours ligne d'arbre de 120 tr/min, 20 soit un Fd égal à 2Hz. D'autres règles permettent de définir les auxiliaires attelés au système de propulsion, les auxiliaires électriques AC et DC, les compresseurs, systèmes hydrauliques, l'ensemble des installations en fonction. C'est par l'étude approfondie des plans de chaque installation du navire que cette 25 phase permet d'établir un spectre acoustique théorique du navire. Ce spectre se matérialise par un graphique qui représente de façon synthétique les fréquences théoriques pour un régime d'allure déterminé du navire et pour une situation définie des différentes machines tournantes en fonction. 30 3. Enregistrement : Le bruit de fond de l'environnement dudit couloir est alors enregistré, au moyen du capteur 3 unique (figurel) ou des deux capteurs 3 et 4 (figure 2), sur la plage de fréquences préalablement déterminées. Puis on procède à l'enregistrement d'un spectre acoustique dudit navire 2 pendant son déplacement dans la totalité dudit couloir 1 pendant son trajet aller a1 puis pendant son trajet retour r1 (cas de la figure 1) ou pendant son trajet a2 (figure 2), pour un régime et une vitesse du navire 2. On réalise autant d'enregistrements que de régimes et/ou de vitesse et/ou de configuration des organes mécaniques en fonctionnement du navire à tester. On obtient des séries de fichiers sons dont les données vont ensuite être analysées. 4. Analyse des données enregistrées : L'analyse comporte deux volets : - un premier volet d'analyse audio-phonique de chaque fichier enregistré (voir figure 2) afin de détecter une anomalie sonore, par exemple un grincement sur une ligne d'arbre, - un second volet d'analyse spectrale en corrélation avec l'analyse audio-phonique. Cette analyse spectrale met en oeuvre différents outils, notamment : - un traitement LOFARGRAMME, c'est-à-dire une analyse du spectre global du signal à partir de chaque fichier son enregistré puis la détermination des différentes familles de fréquences ayant la même source sonore (identifiées notamment par leur liaison harmonique) et la classification des sources interceptées en s'appuyant sur l'analyse théorique (par exemple, les fréquences théoriques générées par le moteur de propulsion sont présentes dans le spectre acoustique analysé à partir du fichier son enregistré) ; un traitement DSP (Densité Spectrale de Puissance), c'est-à-dire la quantification du niveau sonore de chaque source émettrice, après calcul des pertes de propagation sonore pour déterminer le niveau sonore de référence (en dB ref 1pPa à 1 mètre). On obtient un spectre de bande passante 0 à 1200 Hz tel que représenté à la figure 4. On peut en tirer des informations précises sur des anomalies de fonctionnement du diesel de propulsion sous la référence 10, et également dans l'exemple présenté ici, sur des niveaux de bruit suspects (schématisés dans les cercles 11 et 12 sur le spectre de la figure 4), correspondant respectivement à une anomalie sur l'auxiliaire attenant au diesel de propulsion (référence 11) et à une anomalie sur le système de réduction (référence 12). L'opérateur peut alors intervenir préventivement sur ces organes mécaniques avant une éventuelle défaillance.35

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'anomalies de fonctionnement d'organes mécaniques d'un navire (2), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détection acoustique desdits organes mécaniques lors du déplacement du navire, par enregistrement d'un spectre acoustique dudit navire à l'extérieur du navire, en milieu aquatique, suivie d'un traitement des données, notamment les données fréquentielles du spectre acoustique enregistré, l'extraction des données fréquentielles et de niveau dudit spectre, puis de l'identification de la source des anomalies, à partir des données traitées, et enfin la détermination des organes mécaniques du navire (2) correspondant à ces anomalies.
2. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détection acoustique comprend les opérations successives suivantes : - la détermination d'un couloir (1) de déplacement du navire (2), - le positionnement d'au moins un capteur (3) acoustique passif immergé à proximité dudit couloir, 20 - le déplacement du navire à l'intérieur dudit couloir, - pendant le déplacement du navire dans ledit couloir, l'enregistrement par ledit capteur des fréquences émises à l'extérieur du navire par les organes mécaniques en fonctionnement, et l'obtention dans au moins une plage de fréquences donnée, d'un spectre acoustique enregistré, 25 - l'analyse du spectre acoustique enregistré et la comparaison du spectre acoustique enregistré par rapport à un spectre acoustique de référence.
3. 3. Procédé de détection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de traitement des données, comprend une analyse 30 spectrale des fichiers sons permettant d'identifier les différentes familles de fréquences générées, les niveaux de bruit associés aux fréquences générées, la classification des sources sonores interceptées, puis la détection d'une ou plusieurs anomalie(s) fréquentielle(s), par observation d'un excès de niveau et/ou d'une anomalie lors de l'analyse audio-phonique, ou résulter d'une comparaison avec un spectre établiprécédemment.
4. 4. Procédé de détection selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de détection acoustique est précédée de la détermination 5 des plages de fréquences acoustiques théoriques des éléments mécaniques en fonctionnement du navire (2), afin de sélectionner la ou les plage(s) de fréquences d'enregistrement dudit spectre acoustique.
5. 5. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, 10 caractérisé en ce que le spectre acoustique de référence est un spectre acoustique théorique ou un spectre acoustique réalisé antérieurement pour le même navire (2).
6. 6. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'opération d'enregistrement du spectre acoustique est réalisée 15 pour un régime de fonctionnement donné, notamment une vitesse donnée de déplacement du navire (2), des conditions de chargement du navire ou la configuration des organes mécaniques en fonctionnement.
7. 7. Procédé de détection selon l'une des revendications 2 à 6, 20 caractérisé en ce que l'étape de détection acoustique met en oeuvre au moins un couple de capteurs (3) acoustiques passifs disposés de part et d'autre du couloir et synchronisés.
8. 8. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, 25 caractérisé en ce que le ou les capteur(s) (3) est(sont) immergé(s) à une profondeur (h) d'au moins 5 m, de préférence au moins 10 m au-dessous de la ligne de flottaison du navire.
9. 9. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que l'étape de détection acoustique est effectuée en milieu aquatique marin.
10. 10. Utilisation du procédé selon l'une des revendications précédentes, pour la prévention de pannes d'organes mécaniques d'un navire. 35