Défauts courants, causes et solutions lors du fonctionnement des pompes centrifuges

Les pompes centrifuges font partie des équipements rotatifs les plus utilisés dans les processus industriels, que l'on retrouve presque partout, depuis la pétrochimie et la production d'électricité jusqu'à la métallurgie, de l'approvisionnement en eau urbaine à l'irrigation agricole. Cependant, de nombreuses pompes n'atteignent pas leur durée de vie prévue.-Une pompe centrifuge standard, fonctionnant près de son point d'efficacité optimale et correctement entretenue, pourrait durer de 15 à 20 ans, voire plus de 25 ans. En réalité, un grand nombre de pompes centrifuges tombent en panne prématurément, nécessitent des réparations fréquentes et entraînent d'importantes pertes de production en raison de temps d'arrêt imprévus.

Cet article identifie systématiquement les défauts courants dans le fonctionnement des pompes centrifuges, analyse leurs mécanismes, chemins de défaillance et caractéristiques destructrices et, sur la base de normes telles que l'API 610 et les pratiques d'ingénierie, propose une stratégie de gestion du cycle de vie complet, depuis la sélection de la conception et l'exploitation/maintenance jusqu'à la surveillance de l'état. Ce document vise à aider les gestionnaires d'équipements à identifier les signes de défauts cachés, à établir un système de maintenance prédictive, à prolonger fondamentalement la durée de vie des pompes centrifuges et à améliorer la fiabilité des unités.

 

 

• Force radiale et déflexion de l'arbre

La force radiale est la force latérale résultante agissant sur l'arbre de la pompe lorsque la roue fonctionne en dehors de ses conditions de conception. Lorsque la pompe s'écarte de son point d'efficacité optimale (BEP), la répartition de la pression dans la volute devient inégale et la pression autour de la roue devient asymétrique, générant une force radiale pointant dans une certaine direction. L'ampleur de cette force varie avec le débit : plus le débit est faible, plus la force radiale est grande ; plus le débit est élevé, plus la force radiale est importante ; ce n'est qu'au BEP que la force radiale est minimale.

 

Le danger de la force radiale réside dans sa nature « cachée ». Sous l'influence de la force radiale, un arbre de pompe parfaitement droit à l'arrêt peut se plier pendant le fonctionnement ; une fois arrêté, l'arbre revient à sa position droite. Cela signifie que les contrôles d'alignement statique conventionnels ne peuvent pas détecter le problème. Un arbre de pompe fonctionnant à 3 550 tr/min se plie (dévie) 7 100 fois par minute, 426 000 fois par heure et plus de 3,7 milliards de fois par an. Cette contrainte alternée à haute -fréquence est à l'origine de la défaillance des garnitures mécaniques et de la défaillance prématurée des roulements. Des forces radiales élevées provoquant une déflexion de l'arbre rendent difficile le maintien du contact entre les faces d'étanchéité, perturbant ainsi la couche de fluide nécessaire à l'étanchéité. Simultanément, ils surchargent le roulement radial et la durée de vie du roulement est liée de manière exponentielle au désalignement : un désalignement de 1,5 mm entraînera une défaillance du roulement dans un délai de trois à cinq mois, tandis qu'un désalignement de 0,025 mm peut permettre au même roulement de fonctionner pendant plus de 90 mois.

 

La solution :Faire fonctionner la pompe centrifuge à proximité de son BEP (Boundary Effect Point) est le principe principal du contrôle des forces radiales. La largeur de la roue est l’un des principaux facteurs affectant les forces radiales : plus la roue est large, plus la force radiale est élevée. Le choix d'une géométrie de volute raisonnable et d'un diamètre d'arbre suffisant peut réduire les forces radiales grâce à la conception. Pour les pompes déjà en fonctionnement, éviter un fonctionnement prolongé en dessous du débit minimum.

 

• cavitation

Lorsque la pression absolue locale près de l'entrée de la pompe ou de l'entrée des aubes de la turbine tombe en dessous de la pression de vapeur saturée du liquide à cette température, le liquide se vaporise, formant de nombreuses petites bulles de vapeur. Ces bulles, transportées par l'écoulement du liquide dans la zone à haute-pression, s'effondrent rapidement ou "implosent", générant des ondes de choc à haute-fréquence (600 ~ 25 000 Hz) avec des pressions locales atteignant jusqu'à 49 MPa. Cet impact agit de manière répétée sur la surface métallique, provoquant une érosion mécanique ; simultanément, la corrosion chimique générée par la chaleur de vaporisation aggrave encore les dommages. La cavitation interfère également avec l'échange d'énergie au sein de la roue, entraînant une baisse complète des courbes Q-H, Q-P et Q-η, et dans les cas graves, interrompant même le débit de liquide et rendant la pompe inutilisable.

 

Il existe différents types de cavitation. La plus courante est la cavitation par vaporisation (type de déficit NPSHa), dans laquelle la vitesse du fluide augmente et la pression diminue lorsqu'il passe à travers l'entrée de la turbine, provoquant l'ébullition et la vaporisation du liquide. La cavitation turbulente est provoquée par des tourbillons et des différences de pression générés par des composants tels que des coudes et des vannes dans le pipeline. La cavitation du syndrome des pales se produit lorsque l'écart entre la roue et le corps de la pompe est trop petit, ce qui entraîne une forte augmentation de la vitesse d'écoulement et une chute de pression. La cavitation de recirculation interne se produit lorsque la vanne de sortie de la pompe est fermée ou que le débit est trop faible, provoquant la circulation du fluide autour de la roue, générant de la chaleur et des bulles. De plus, l'air entrant dans la pompe par des vannes défectueuses ou des connexions desserrées peut également provoquer une cavitation entraînée par l'air.

 

Les zones les plus vulnérables à la cavitation dans les pompes centrifuges comprennent :la plaque de recouvrement avant où la courbure de la turbine est la plus grande, le côté basse-pression près du bord d'entrée de l'aube, la languette de volute de la chambre de décharge et le côté basse-pression du bord d'entrée de l'aube directrice.

 

Solutions :Assurez-vous que la hauteur d'aspiration nette positive (NPSHA) du système est toujours supérieure à la hauteur d'aspiration nette positive requise (NPSHR), généralement recommandée pour avoir une marge d'au moins 0,5 à 1,0 m. L'amélioration de la résistance à la cavitation peut être abordée sous deux aspects : premièrement, en améliorant la conception de la pompe elle-même : en augmentant la zone d'écoulement, en augmentant le rayon de courbure de la section d'entrée de la plaque de recouvrement de la turbine et en utilisant un inducteur monté à l'avant-ou une turbine à double-aspiration ; Deuxièmement, améliorer les conditions du système – augmenter la pression du niveau de liquide dans le réservoir en amont, réduire la hauteur d'installation de la pompe, passer de l'aspiration supérieure au refoulement et réduire les pertes dans les canalisations, etc.

 

• vibration

Les sources de vibrations peuvent être classées selon les principaux types suivants :

1. Problèmes liés au moteur :L'excentricité ou la flexion du rotor entraîne un équilibre statique et dynamique excessif ; les barreaux brisés de la cage d'écureuil provoquent un déséquilibre du champ magnétique ; une résistance déséquilibrée de l’enroulement du stator génère une force électromagnétique inégale.
2. Fondation et soutien :Les fondations lâches ou flexibles réduisent la rigidité des contraintes ; les boulons d’ancrage desserrés exacerbent les vibrations.
3. Accouplements :Espacement inégal des boulons, sections d'extension excentriques, mauvais équilibre statique et dynamique, jeux d'ajustement inappropriés, etc.
4. Roue : Une qualité de moulage ou d'usinage inférieure aux normes entraîne une excentricité ; la corrosion du canal d'écoulement provoque une excentricité ; les bagues d'usure usées augmentent la friction.
5. Système d'arbre :Rigidité de l'arbre insuffisante, déflexion excessive ; un jeu excessif du disque d’équilibrage ou un mouvement axial incorrect.
6. Conditions de fonctionnement :Un écart par rapport aux conditions de conception entraîne une augmentation de la force radiale ; sélection incorrecte ou connexions parallèles incompatibles.
7. Roulements et lubrification :Rigidité des roulements insuffisante, jeu excessif, mauvaise lubrification.

 

De plus, le fluide lui-même est également une source de vibrations : le débit d'eau impactant l'aube directrice et le bord d'attaque de la roue, les pulsations de pression à l'intérieur du corps de la pompe et la cavitation peuvent tous induire des vibrations. Des vibrations excessives peuvent entraîner une friction du rotor-stator ou même un grippage, une défaillance et une fuite du joint d'arbre, et peuvent également affecter les raccords de tuyauterie, les vannes et les fondations, entraînant des risques secondaires pour les opérateurs et l'environnement.

 

Solution:Le diagnostic vibratoire nécessite une approche systématique. Grâce à l'analyse de la forme d'onde temporelle, du spectre et de la phase, combinée à une surveillance continue, la source de vibration peut être localisée avec précision. Il est recommandé d'établir une référence en matière de santé vibratoire pour les équipements, en se référant aux normes d'évaluation des vibrations telles que la norme ISO 10816-7. Lors des inspections de routine, une augmentation anormale des valeurs de vibration est souvent le premier signal d'alarme.

 

• Contamination des roulements et de la lubrification

Les roulements sont parmi les composants les plus vulnérables des pompes centrifuges, et plus de 85 % des défaillances des roulements sont causées par des contaminants, qu'il s'agisse de saletés, de corps étrangers ou d'eau. Le pouvoir destructeur des contaminants est stupéfiant : seulement 250 parties par million (ppm) d’eau peuvent réduire de quatre fois la durée de vie des roulements.

 

La contamination de l'huile lubrifiante provient de diverses sources : elle peut être due à une infiltration du fluide de traitement après une défaillance du joint, à des impuretés introduites lors de la maintenance ou à une détérioration de l'huile lubrifiante elle-même au cours d'un fonctionnement à long terme. Les modes de défaillance courants des roulements comprennent l'usure par adhésif, l'usure par fatigue et l'usure par abrasion, souvent causées par un jeu inapproprié de la surface de contact, une mauvaise rugosité de la surface ou une détérioration des propriétés physico-chimiques de l'huile lubrifiante.

 

En plus de la contamination, les roulements sont soumis à des charges supplémentaires provenant de forces radiales, de forces axiales, de désalignement et de contraintes de tuyauterie. Ces forces font fonctionner les roulements bien au-delà de leur charge de conception, accélérant ainsi le processus de défaillance.

 

La solution :Maintenir une huile lubrifiante propre est la mesure la plus efficace pour prolonger la durée de vie des roulements. Établissez un système de test d'huile régulier (au moins une fois par trimestre est recommandé) et contrôlez strictement l'humidité (inférieure ou égale à 100 ppm) et la teneur en particules (pas inférieure à la norme de propreté NAS classe 9). Dans le même temps, assurez-vous que la pompe fonctionne à proximité du BEP pour réduire la force radiale, garantir un alignement précis de la pompe et de l'entraînement et éliminer les contraintes sur la canalisation.

 

• Fonctionnement à débit minimum

De nombreux opérateurs pensent que « tant que la pompe fonctionne, tout va bien », ignorant que le fonctionnement à faible débit constitue la forme la plus insidieuse de dommages chroniques aux pompes centrifuges.

 

Chaque pompe centrifuge a une plage de fonctionnement spécifique. Le dépassement de cette plage peut déclencher une série de problèmes : augmentation significative des vibrations et du bruit, diminution des performances, durée de vie réduite des composants et même dommages mécaniques. La norme API 610 définit deux débits minimaux : le débit minimum continu limite thermique (le débit le plus bas auquel la pompe peut maintenir son fonctionnement sans être endommagée par une élévation de température) et le débit minimum continu constant (le débit le plus bas qui ne dépasse pas les limites de vibration spécifiées).

 

Un fonctionnement en dessous du débit minimum augmente la charge radiale et les vibrations de la pompe, intensifie la recirculation du fluide et raccourcit la durée de vie des roulements et des garnitures mécaniques. Une séparation des fluides peut se produire à l’intérieur de la pompe, augmentant encore les vibrations et le bruit. Dans les pompes centrifuges de haute -puissance fonctionnant avec la vanne de sortie fermée, le fluide à l'intérieur de la pompe deviendra de plus en plus chaud, ce qui risque de brûler les roulements. À faible débit, l'arbre de la pompe subit également des forces radiales supplémentaires.

 

Le débit constant minimum continu est affecté par des facteurs tels que la vitesse spécifique d'aspiration et la densité d'énergie. Généralement, le débit constant continu minimum augmente avec l'augmentation de la vitesse spécifique d'aspiration. Un fonctionnement à faible-débit peut également induire une cavitation de recirculation interne, accélérant encore davantage les dommages.

 

La solution :L'établissement d'une ligne de débit minimum constitue la mesure de protection la plus fiable. Lorsque le débit de fonctionnement est inférieur au débit minimum de la pompe, une conduite à faible débit- (c'est-à-dire une conduite de recirculation minimum, ou dérivation) doit être installée. De plus, des entraînements à fréquence variable, des vannes de recirculation automatiques et une surveillance de la puissance ou des vibrations peuvent être utilisés. Pour les pompes conformes aux normes API 610, le fonctionnement doit respecter strictement le débit stable continu minimum spécifié.

 

• Fuite du joint d’arbre

Les garnitures mécaniques constituent la méthode d'étanchéité d'arbre la plus courante pour les pompes centrifuges, mais elles sont également fréquemment sujettes à des pannes. Les points de fuite dans les garnitures mécaniques sont principalement concentrés au niveau des faces d'extrémité des bagues dynamiques et statiques et de la garniture auxiliaire.

 

Les causes de défaillance du joint sont variées : planéité ou rugosité inférieure aux normes des faces d'extrémité du joint ; des particules entre les faces d'extrémité ; pression négative dans la cavité d'étanchéité lors du démarrage et de l'arrêt de la pompe-, entraînant un frottement sec des faces d'extrémité ; une accumulation prolongée de pression dans la pompe endommageant le joint ; débit de pompe insuffisant provoquant la circulation, le réchauffement et la vaporisation du fluide ; vieillissement ou endommagement du joint auxiliaire. De plus, la déflexion de l'arbre provoquée par la force radiale rend difficile le maintien du contact entre les faces d'extrémité d'étanchéité, une cause majeure de défaillance de la garniture mécanique.

 

Solutions :L’entretien des garnitures mécaniques nécessite une gestion minutieuse. Les inspections de routine peuvent utiliser un thermomètre infrarouge pour surveiller la température de la cavité d'étanchéité (normale inférieure ou égale à la température ambiante +25 degré) et une analyse hebdomadaire de l'interface de la bride avec un détecteur de fuite à ultrasons. Lors du montage, veiller à ce que le mouvement axial de l'arbre soit inférieur à 0,1 mm. Pour les fluides spéciaux, des matériaux d'étanchéité résistants aux hautes-températures et à la corrosion- doivent être sélectionnés, tels que des paires de friction en alliage dur sur alliage dur et des joints toriques en perfluoroélastomère-.

 

• Déséquilibre des forces axiales

Lorsqu'une pompe centrifuge à un-étage et à une-aspiration fonctionne, le rotor subit une poussée axiale dirigée vers l'entrée d'aspiration. Pour les pompes centrifuges à plusieurs étages, le problème de force axiale est plus grave : la plupart des pannes proviennent de réglages incorrects du mécanisme d'équilibrage ou d'un dysfonctionnement du système d'équilibrage.

 

Le déséquilibre de la force axiale augmente la charge de travail sur le palier de butée et amène le rotor à se déplacer vers l'entrée d'aspiration, entraînant des vibrations. Dans les cas graves, cela peut entraîner une friction de la bague de la roue ou même des dommages au corps de la pompe. Les structures ou dispositifs courants d'équilibrage des forces axiales comprennent des trous d'équilibrage, des disques d'équilibrage ou des tambours d'équilibrage (avec des tuyaux de retour d'équilibrage). L'installation excentrique du disque d'équilibrage peut provoquer des vibrations du rotor, endommageant potentiellement les roulements et l'arbre de la pompe.

 

Solutions :Vérifiez régulièrement les trous d'équilibrage et les tuyaux de retour pour déceler tout blocage. Pour les dispositifs à disques d'équilibrage, contrôler strictement l'excentricité de l'installation, exigeant généralement qu'elle ne dépasse pas 0,05 mm. Avant de démarrer une pompe à plusieurs étages, un amorçage et une ventilation complets sont essentiels pour éviter une poussée axiale instantanée excessive. Une surveillance en ligne de l'augmentation de la température des roulements de butée doit être mise en œuvre, car les changements brusques de température dans le roulement sont souvent un précurseur d'un déséquilibre des forces axiales.

 

• Arbre cassé

La rupture de l'arbre de pompe est l'une des défaillances les plus graves des pompes centrifuges, souvent causée par la tension de rotation et la fatigue en flexion. Dans presque toutes les machines tournantes, la rupture de l’arbre est précédée de vibrations intenses.

 

Les causes courantes de rupture de l'arbre comprennent : une mauvaise conception de l'arbre de la pompe, un mauvais alignement du centre de l'arbre de l'unité, une sélection inappropriée des roulements, une mauvaise installation du tuyau de sortie ; concentration des contraintes au niveau de la rainure de dégagement de l'extrémité de l'arbre ; et une portée excessive de l'arbre principal entraînant une augmentation des contraintes de flexion. Les fissures de fatigue apparaissent au point le plus faible, se propagent progressivement sous des contraintes alternées répétées et finissent par se fracturer soudainement à un certain moment. Étant donné que l’arbre de la pompe ne présente souvent aucune anomalie à l’arrêt, ce processus d’accumulation de fatigue est extrêmement insidieux.

 

Solutions :Évitez la concentration de contraintes dans la conception ; régler de manière appropriée le rayon de la rainure de dégagement (recommandé pas moins de 5 % du diamètre de l'arbre). Renforcer la surveillance des vibrations pendant le fonctionnement ; des augmentations anormales des valeurs de vibration sont souvent un précurseur d'une rupture de l'arbre. Vérifier régulièrement la coaxialité et le faux-rond de l'arbre ; Des tests par particules magnétiques ou par ultrasons du système d'arbre sont recommandés lors des cycles de révision majeurs. Pour les unités ayant subi une rupture d’arbre, une analyse complète de la cause de la défaillance est essentielle ; Le simple remplacement de l'arbre et sa remise en service n'est pas autorisé.

 

Mieux vaut prévenir que réparer, et surveiller mieux que deviner. La mise en place d'un système systématique de surveillance des vibrations, de surveillance de la température, d'analyse des lubrifiants et d'enregistrement des paramètres de fonctionnement est le moyen fondamental de prolonger la durée de vie des pompes centrifuges et d'assurer une production continue.