Quelques idées fausses sur la sélection et l'application des pompes centrifuges

L'achat d'une pompe centrifuge de haute-qualité répondant aux normes de fabrication n'est que le point de départ, et non l'objectif final, pour garantir un fonctionnement du système à long-sans problème-sans problème. Si l'équipement n'est pas conçu pour être compatible avec des scénarios d'application spécifiques, même les paramètres de performance les plus impressionnants entraîneront inévitablement des problèmes d'adaptation à l'environnement réel. Chaque pompe centrifuge a son point de fonctionnement optimal prédéfini et sa plage de fonctionnement autorisée. Une fois que les conditions de fonctionnement réelles s'écartent des limites de conception-que ce soit en termes de débit, de hauteur d'aspiration nette positive (NPSH), de caractéristiques du fluide ou de méthodes de démarrage et d'arrêt-, cela menacera directement la stabilité hydraulique, la fiabilité mécanique et la durée de vie de l'unité de pompe.

Cet article, basé sur l'expérience pratique de l'ingénierie, expliquera et clarifiera certaines idées fausses courantes concernant la sélection et l'application des pompes centrifuges afin d'éviter que les utilisateurs ne prennent de mauvaises décisions en matière de sélection de produits et d'application.

 

 

• Quelques idées fausses courantes dans la sélection des produits

 

Plus l'efficacité est élevée, mieux c'est

« L'efficacité » est l'indicateur de base pour mesurer les performances hydrauliques d'une pompe et constitue également le point de départ le plus direct permettant aux utilisateurs de se concentrer sur les coûts de consommation d'énergie. Cependant, si l'objectif de maximiser l'efficacité des pompes est poursuivi unilatéralement, de multiples compromis doivent souvent être faits lors de la phase de conception, ce qui peut affecter la robustesse de l'équipement et la fiabilité de son fonctionnement à long terme.

Un rendement élevé, qui se traduit naturellement par une consommation d'énergie de fonctionnement réduite, est à la fois une attente commune des utilisateurs et le principal moteur de l'innovation continue pour les fabricants de pompes. C'est considéré comme un « objectif » car dans des conditions de fonctionnement critiques nécessitant un fonctionnement continu à long terme, telles que les centrales nucléaires, thermiques et pétrochimiques, la sécurité et la stabilité (c'est-à-dire la fiabilité) des unités de pompage sont toujours primordiales.

Atteindre une conception à haut rendement-implique généralement plusieurs caractéristiques techniques : des jeux de fonctionnement plus petits (bagues d'usure, mécanismes d'équilibrage, etc.), des arbres de pompe plus longs et plus flexibles, des exigences de tolérance strictes et un profil de chemin d'écoulement le plus fluide possible. Bien que ces conceptions améliorent dans une certaine mesure l'efficacité hydraulique, elles rendent également l'équipement plus sensible à la propreté des fluides, aux fluctuations des conditions de fonctionnement et à l'alignement de l'installation, augmentant ainsi la fréquence de maintenance, soulevant les barrières techniques et augmentant les coûts des pièces de rechange pour les utilisateurs.

Les fabricants, en fonction de leur positionnement sur le marché et de leurs stratégies de produits, ont des orientations différentes dans leurs philosophies de conception de pompes : certains donnent la priorité à l'efficacité énergétique, d'autres considèrent la fiabilité comme un principe fondamental, et d'autres encore recherchent une durée de vie ultra longue dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Dans les années 1980, le marché chinois de la production d'énergie thermique s'est développé rapidement, attirant de nombreux fournisseurs de pompes pour centrales électriques de renommée internationale. La plupart des fabricants ont utilisé la sécurité et la fiabilité comme barrières techniques, mais une entreprise étrangère est entrée sur le marché avec « la plus grande efficacité du secteur » comme avantage différenciateur. Même si son rendement initialement mesuré était effectivement supérieur de 1 à 2 % à celui de ses concurrents, il a fréquemment connu des accidents de rupture d'arbre après sa mise en service et a finalement été exclu du marché chinois de l'électricité. Ce cas illustre profondément que les pompes centrifuges ne sont pas nécessairement meilleures plus leur efficacité est élevée ; une stratégie de conception qui sacrifie la fiabilité au profit de l’efficacité équivaut à boire du poison pour étancher la soif dans des conditions de fonctionnement critiques.

 

Plus la hauteur d’aspiration nette positive (NPSH) requise de la pompe est faible, mieux c’est.

Pour les utilisateurs, plus la hauteur d'aspiration nette positive requise (NPSHR) de la pompe est faible, mieux c'est, car cela peut réduire considérablement la hauteur de l'installation (c'est-à-dire la hauteur d'aspiration nette positive NPSHA) et réduire efficacement les coûts d'investissement.

Dans la plupart des systèmes de pompes, le NPSHA a tendance à diminuer avec l'augmentation du débit, tandis que le NPSHR a tendance à augmenter avec l'augmentation du débit. Par conséquent, avant la conception du système, les recommandations du fabricant de la pompe et son expérience en matière d'application doivent être prises en compte, et une marge de sécurité suffisante doit être prévue pour tous les débits de fonctionnement attendus. Dans le même temps, lors de la détermination de la hauteur d'aspiration positive nette, l'acheteur et le vendeur doivent clarifier la relation entre le débit stable continu minimum et la vitesse spécifique d'aspiration de la pompe. Généralement, le débit stable continu minimum de la pompe augmente avec l'augmentation de la vitesse spécifique d'aspiration… Lors de la sélection de la vitesse spécifique d'aspiration et de la marge de sécurité NPSH, les normes industrielles existantes et l'expérience du fabricant doivent être prises en compte.

À vitesse et débit identiques, plus le NPSHR est bas, plus la vitesse spécifique d'aspiration de la pompe est élevée. Par rapport aux modèles de pompes avec des vitesses spécifiques d'aspiration inférieures, les pompes avec des vitesses spécifiques d'aspiration plus élevées sont plus susceptibles de rencontrer des vibrations et du bruit indésirables, et la plage de fonctionnement autorisée devient également plus étroite. Concernant l'impact de la vitesse spécifique d'aspiration sur la fiabilité opérationnelle des pompes centrifuges, les pairs internationaux possèdent une vaste expérience des applications d'ingénierie et ont fourni des limites maximales pour la vitesse spécifique d'aspiration, qui peuvent être utilisées comme référence lors de la sélection des pompes. Parmi elles, la limite de vitesse spécifique d'aspiration spécifiée dans l'UOP 5-11-7 [2] a été largement reconnue et appliquée à l'échelle mondiale, et ses dispositions sont les suivantes : la vitesse spécifique d'aspiration de la pompe ne doit pas dépasser 13 000 (m3/h, tr/min m) ; lorsque le fluide pompé est de l'eau ou une solution avec une teneur en eau supérieure à 50 % et que la puissance de la roue à un étage de la pompe dépasse 75 kW, la vitesse spécifique d'aspiration ne doit pas dépasser 11 000 (m3/h, tr/min, m). Avec le développement de la science et de la technologie, il existe aujourd'hui de nombreuses façons d'améliorer les performances d'aspiration des pompes centrifuges, sans augmenter le diamètre d'entrée de la roue, et la limite de vitesse spécifique d'aspiration a également été augmentée en conséquence. Après avoir étudié les produits de nombreuses sociétés multinationales (telles que EBARA, KSB, ITT, etc.), l'auteur a découvert que le type BB2, conçu à l'aide de méthodes de conception modernes (plutôt que la méthode traditionnelle consistant à augmenter le diamètre d'entrée de la roue), peut atteindre une limite de vitesse spécifique d'aspiration d'environ 14 400 (m3/h, tr/min, m).

Par conséquent, les utilisateurs ne doivent pas rechercher aveuglément un « NPSH3 faible » sans tenir compte des conditions de fonctionnement réelles. Au lieu de cela, ils devraient travailler avec les fabricants pour laisser une marge suffisante et raisonnable entre la hauteur d'aspiration nette positive de l'unité (NPSHA) et la hauteur d'aspiration nette positive requise de la pompe (NPSH3), tout en évaluant soigneusement les risques de stabilité opérationnelle qui peuvent être causés par une conception à vitesse spécifique d'aspiration élevée.

 

Plus la vitesse critique de la pompe est éloignée de sa vitesse réelle, mieux c'est.

La vitesse critique fait référence à la vitesse caractéristique à laquelle un système de rotor résonne et sa valeur dépend de la rigidité du rotor, de la rigidité du support et de la répartition des masses. Dans les processus d'appel d'offres d'ingénierie réels, en raison d'un évitement excessif des risques de résonance, les acheteurs ont tendance à exiger que la vitesse critique transversale de premier ordre soit aussi éloignée que possible de la vitesse nominale de la pompe (par exemple, les premiers documents d'appel d'offres pour les pompes d'alimentation en îlot conventionnelles dans les centrales nucléaires exigeaient que « la première vitesse critique du système d'arbre de pompe dans l'eau soit supérieure à 125 % de la vitesse correspondant à son point de fonctionnement nominal »). Quelques années plus tard, ce pourcentage a été augmenté à 135 %, et lors du dernier appel d'offres, il était même exigé qu'il atteigne 150 %, tout en respectant les normes d'efficacité énergétique en vigueur.

 

D'un point de vue dynamique, il est tout à fait possible d'augmenter la vitesse critique jusqu'à un point éloigné de la plage de vitesse de fonctionnement – ​​simplement en augmentant le diamètre de l'arbre, en raccourcissant la portée ou en augmentant la rigidité du support. Cependant, cela entraîne inévitablement une augmentation du poids du rotor, une difficulté d'équilibrage accrue et un conflit direct avec les objectifs d'efficacité énergétique : dans les mêmes conditions, plus la vitesse critique est élevée, plus le système d'arbre est épais et plus la perte par frottement mécanique et la perte par frottement du disque sont importantes, ce qui signifie une efficacité de pompe inférieure.

 

Par conséquent, le choix de la vitesse critique est essentiellement un compromis entre "sécurité dynamique" et "économie hydraulique". Le rapport entre la vitesse critique et la vitesse nominale de la pompe doit être déterminé de manière rationnelle en fonction des différents types de pompe et conditions de fonctionnement.

 

Les pompes centrifuges peuvent gérer un flux gazeux-liquide-biphasique.

Le fonctionnement des gaz dissous des pompes centrifuges implique un écoulement biphasique gaz-liquide- très complexe, qui a été largement étudié par des chercheurs nationaux et internationaux. L'expérience a montré qu'avec des conceptions de roue spéciales (par exemple, un couvercle arrière de roue semi-ouvert avec un trou de retour près de l'entrée de la roue sur le canal d'écoulement de la roue), les pompes centrifuges peuvent maintenir un fonctionnement stable même avec une teneur en gaz de 10 % (en volume). Les pompes centrifuges ordinaires peuvent traiter des liquides contenant de petites quantités de gaz (1 à 2 % en volume). La présence d’une petite quantité de gaz dans le liquide peut amortir l’impact de l’effondrement des bulles de cavitation et réduire les dommages associés au bruit, aux vibrations et à l’érosion. Cependant, lorsque la teneur en gaz atteint 6 %, les pompes centrifuges ordinaires peuvent subir des phénomènes de cavitation et de blocage de gaz, entraînant une forte baisse des performances (débit, hauteur et efficacité).

 

• Quelques idées fausses dans l'application

 

Permet un fonctionnement à long terme-en dessous du débit minimum stable et continu.

La norme ANSI/API 610 définit le débit minimum continu-à l'état stable (MCSF) comme le débit minimum auquel une pompe peut fonctionner en continu sans dépasser les limites de vibration spécifiées dans la norme. En d'autres termes, si une pompe fonctionne en dessous de ce débit pendant une période prolongée, elle déclenchera immédiatement une série de processus physiques défavorables, notamment un reflux interne, une cavitation, des forces radiales supplémentaires (particulièrement visibles dans les pompes à volute unique) et une augmentation de la température du liquide. Ceux-ci peuvent alors induire une chaîne de modes de défaillance, tels qu'une déflexion de l'arbre, une usure de la bague d'usure, une séparation de la face d'extrémité de la garniture mécanique et une surchauffe anormale des roulements. Les conséquences sont une augmentation significative des vibrations mécaniques et du bruit, ce qui peut réduire considérablement la durée de vie des garnitures mécaniques et des roulements, voire conduire à la rupture de l'arbre et à de graves dommages au rotor et aux composants associés.

 

En fonctionnement réel, deux idées fausses courantes surgissent : Premièrement, certains utilisateurs, en raison d'un manque de compréhension du manuel d'utilisation et de maintenance lors de la mise en service, croient à tort que les pompes centrifuges peuvent fonctionner pendant de longues périodes dans toutes les conditions (y compris en dessous du débit stable minimum continu ou même en débit nul). Deuxièmement, quelques utilisateurs, suite à une mauvaise compréhension des termes de la garantie, tentent de créer artificiellement des conditions de fonctionnement extrêmes lors de la phase de mise en service afin de vérifier « l'endurance » de l'équipement. De telles opérations constituent des contrôles destructifs pour les pompes centrifuges, susceptibles de provoquer non seulement des dysfonctionnements immédiats mais également le développement de vices cachés tels que des fissures de fatigue, et doivent être strictement interdites.

 

Démarrer la pompe avec la vanne de sortie complètement ouverte signifie démarrer la pompe lorsque la vanne de sortie est complètement ouverte.

Dans de nombreux systèmes nécessitant un fonctionnement continu à long terme (tels que les systèmes de centrales électriques), des pompes de secours sont généralement installées et sont toujours prêtes à démarrer (la pompe est remplie de fluide ; les systèmes auxiliaires tels que les joints, l'eau de refroidissement et l'huile lubrifiante sont opérationnels). Si la pompe principale tombe en panne, la pompe de secours démarre automatiquement. Par conséquent, la vanne de sortie de la pompe doit être ouverte, communément appelée « démarrage de vanne ouverte ».

 

De nombreux acheteurs ou utilisateurs ont une idée fausse sur le démarrage à vanne ouverte : ils pensent que cela signifie démarrer avec la vanne de sortie complètement ouverte. C'est incorrect ! « Démarrage de la vanne ouverte » signifie en fait démarrer avec la vanne de sortie à un débit spécifié (tel que le débit nominal). En règle générale, le débit que la vanne de sortie de la pompe dans un système peut gérer est bien supérieur au débit nominal de la pompe. Si la vanne de sortie est complètement ouverte, la pompe fonctionnera à un débit excessivement élevé, provoquant potentiellement une série de problèmes tels que la cavitation, les vibrations, la surcharge du moteur ou l'échec du démarrage de l'unité.

 

La bonne procédure est la suivante :En fonction de la courbe de performances de la pompe et de la courbe de résistance du système, préréglez l'ouverture de la vanne de sortie à une position proche du débit de fonctionnement correspondant, puis ajustez-la-en fonction des lectures du manomètre et de l'ampèremètre après le démarrage de la pompe.

 

La garniture d'étanchéité peut être directement remplacée par une garniture mécanique.

En prenant la pompe centrifuge de type OH1/OH2 comme exemple, les différences entre les garnitures d'étanchéité et les garnitures mécaniques résident non seulement dans leur type d'étanchéité, mais également dans les différences fondamentales dans la disposition structurelle globale. Pour les joints d'étanchéité, afin de fournir un espace axial suffisant pour accueillir la garniture, les bagues de garniture, le presse-étoupe et une zone pour une utilisation manuelle facile, les fabricants de pompes doivent placer la roue loin du roulement, ce qui entraîne une augmentation significative de la portée en porte-à-faux de la roue L. Lorsque la pompe démarre ou que l'arbre fléchit en raison de la force radiale maximale, la garniture, en raison de sa certaine rigidité de support radial, agit objectivement comme un roulement auxiliaire, devenant une partie du système de roulement et fournissant un support.

 

Le simple fait de retirer le joint d'étanchéité et de le remplacer par un joint mécanique sans revérifier la dynamique du rotor entraînera les risques suivants :

 

Manque de soutien :Les garnitures mécaniques n'ont pas la fonction de joints d'étanchéité en tant que « partie du système de support d'arbre ». Une fois que l'amortissement et la rigidité fournis par la garniture disparaissent, lorsque la pompe démarre ou que l'arbre fléchit, la déflexion de l'extrémité de l'arbre peut dépasser la capacité de suivi de la garniture mécanique, entraînant inévitablement une séparation de la face du joint, des fuites et une usure inégale. Cela réduit la durée de vie des composants et peut même provoquer des dommages ou une panne de l'équipement.

Interférence spatiale :Le diamètre intérieur du presse-étoupe (cavité d'étanchéité) dans une garniture d'étanchéité est généralement plus petit que la taille de la cavité requise par la garniture mécanique. Cet espace étroit est insuffisant pour que la garniture mécanique utilise la force centrifuge pour éjecter les particules solides de la surface d'étanchéité et ne peut pas non plus fournir un espace de refroidissement suffisant, entraînant une surchauffe, une cokéfaction ou une défaillance prématurée de la surface d'étanchéité.

 

Par conséquent, pour les pompes centrifuges à aspiration finale, lorsqu'on envisage de passer à une garniture mécanique, une évaluation de la dynamique du rotor doit d'abord être effectuée pour calculer le rapport L³/D⁴. Ici, L est la distance (pouces ou millimètres) entre le centre du roulement intérieur et le centre de la roue ; D est le diamètre de l'arbre (pouces ou millimètres) au niveau de la bague de la garniture mécanique. Cette valeur doit être inférieure à 60 (unités américaines), ou inférieure à 2,0 en unités métriques, pour être considérée dans la plage acceptable pour la déflexion de l'extrémité d'arbre de la garniture mécanique.

 

Autoriser l'inversion

Dans de nombreuses applications critiques de pompes centrifuges, les utilisateurs exigent généralement que la pompe puisse résister à une rotation inverse à court terme lorsque des conditions telles qu'une défaillance de la vanne de sortie ou un dysfonctionnement du clapet anti-retour se produisent, et que la vitesse inverse autorisée atteigne la vitesse nominale. Du point de vue de la marge de couple dynamique du rotor, cela est théoriquement réalisable – à condition que le diamètre de l'arbre, la connexion par clavette et le contre-écrou soient vérifiés par rapport au couple inverse maximal. Cependant, dans les applications d'ingénierie pratiques, en raison de contraintes liées à de multiples facteurs tels que le coût, l'efficacité énergétique, la sécurité et la fiabilité, les systèmes de garniture mécanique et les conditions de fonctionnement, il est souvent difficile d'obtenir simultanément des performances optimales tout en fournissant à l'équipement une forte tolérance inverse.

 

De plus, le « renversement », en tant que condition typique de panne/accident, n’est souvent pas un événement isolé, mais s’accompagne fréquemment d’une superposition de situations extrêmes :

"Power Slip" Inversion inversée Démarrage automatique- :Lorsque l'équipement perd de l'alimentation, que la vanne de sortie fonctionne simultanément mal et que la pompe est en rotation inverse à grande vitesse-, si l'alimentation électrique est soudainement rétablie dans un court laps de temps (c'est-à-dire que le moteur accélère à nouveau), cela équivaut à démarrer soudainement la pompe pendant le processus de rotation inverse. À ce moment-là, le rotor de la pompe sera soumis à la superposition vectorielle d'un couple positif et d'un couple d'inertie inverse, et sera instantanément confronté à une charge d'impact de près de deux fois le couple nominal, ce qui peut facilement provoquer une rupture de l'arbre ou une déchirure de l'élément élastique de l'accouplement.

Échec du rinçage de la garniture mécanique :Pour les structures de garniture mécanique équipées d'anneaux de pompage (flux vortex), le sens de pompage est strictement unidirectionnel. En fonctionnement inverse, l'anneau de pompage peut ne pas parvenir à établir un débit de rinçage, ou même générer une différence de pression inverse, entraînant une interruption du fluide de rinçage de la garniture mécanique. Ceci, à son tour, provoque un frottement sec et des fissures thermiques sur la surface d'étanchéité, réduisant considérablement la durée de vie de la garniture mécanique. Par conséquent, une fois la pompe inversée, la garniture mécanique doit être démontée et inspectée après l'arrêt, et les bagues d'étanchéité dynamiques et fixes doivent être remplacées si nécessaire.

Échec du mécanisme anti-desserrage :Si les fixations sur le rotor (telles que les écrous de roue et les contre-écrous de roulement) ne disposent pas d'une conception anti-desserrage fiable (par exemple, s'appuyant uniquement sur le couple de friction sans structure de verrouillage mécanique), le couple d'impact instantané généré par la rotation inverse peut provoquer le desserrage, le déplacement ou même l'endommagement des pièces.

 

• Résumer

Sur la base des risques ci-dessus, une stratégie de contrôle à plusieurs niveaux est recommandée : pour des conditions de fonctionnement non-critiques, ou pour des scénarios critiques où la rotation inverse peut être évitée grâce au verrouillage du processus, il n'est pas recommandé de forcer les pompes à avoir une tolérance de rotation inverse ; pour les pompes critiques qui doivent tolérer une rotation inverse, l'indice de couple inverse doit être clairement spécifié dès la phase de conception, et le fabricant doit effectuer une vérification spéciale de la résistance de l'arbre et une certification anti-desserrage des fixations pour garantir une marge de sécurité.

 

La rationalité du choix et de l'application des pompes centrifuges détermine directement le coût du cycle de vie-et la fiabilité opérationnelle du système de pompe. Sur la base de l’analyse qui précède, les principales conclusions sont résumées comme suit :

• Une efficacité plus élevée n'est pas toujours meilleure : les conceptions à haute-efficacité se font souvent au détriment du jeu de la bague d'usure, de la marge de diamètre de l'arbre et de la douceur du canal d'écoulement. La fiabilité doit être une priorité dans des conditions de fonctionnement critiques.
• Un NPSH requis inférieur n’est pas toujours préférable – Un NPSH3 faible s’accompagne généralement d’une vitesse spécifique d’aspiration élevée, ce qui entraîne une plage de fonctionnement plus étroite et un risque de vibration accru. La sélection de la pompe doit correspondre au NPSH du système et la vitesse spécifique d'aspiration doit être limitée conformément aux normes telles que UOP et HI.
• La vitesse critique doit être réglée de manière raisonnable et non augmentée aveuglément – ​​L’augmentation de la vitesse critique est négativement corrélée à l’efficacité énergétique. La marge de vitesse critique pour les rotors humides doit être raisonnablement sélectionnée en fonction du type de pompe et des normes (telles que API 610) pour éviter une conception excessive.
• Les pompes centrifuges ordinaires ont une tolérance extrêmement faible aux fluides gazeux – Seules les pompes spécialement conçues peuvent gérer une teneur en gaz de 10 %. Les pompes conventionnelles subissent une dégradation de leurs performances supérieure à 2 % et peuvent connaître un sas supérieur à 6 %.
• Un fonctionnement prolongé en dessous du débit stable continu minimum est strictement interdit – des mesures de protection du débit minimum (telles que des vannes de dérivation ou de recirculation automatique) doivent être configurées.
• Démarrage de la vanne ouverte- ≠ démarrage de la vanne de sortie complète- : le degré d'ouverture prédéfini doit correspondre au débit nominal pour éviter la surcharge et la cavitation. ● Les garnitures d'étanchéité ne peuvent pas être directement remplacées par des garnitures mécaniques – des calculs de déflexion du rotor (L³/D⁴) doivent être effectués et l'impact dynamique des modifications apportées à la structure de support doit être évalué.
• La rotation inverse doit être manipulée avec prudence – elle n’est requise que si cela est absolument nécessaire ; si nécessaire, des contrôles de résistance spécifiques et des conceptions anti-anti-desserrage doivent être effectués.
• L'eau purifiée industrielle ne convient pas comme moyen de refroidissement pour les pompes à haute température : de l'eau adoucie ou de la vapeur sont recommandées, et la gestion et l'entretien de la qualité de l'eau doivent être renforcés.

 

Ce n'est qu'en abandonnant la mentalité de sélection isolée de la « suprématie des paramètres » et en établissant un cadre de prise de décision scientifique-d'« adaptation du système, adaptation des conditions de fonctionnement et compromis sur le cycle de vie complet » que les idées fausses mentionnées ci-dessus-peuvent être fondamentalement évitées et qu'un fonctionnement efficace, stable et-durée de vie des systèmes de pompes centrifuges soit obtenu.