Les pompes centrifuges sont des équipements extrêmement répendus
dans les industries de procédé. Ce sont des équipements souvent
indispensables à leur poste. Ils sont coûteux à l'achat et à
l'installation, et ne sont pas systématiquement doublés à leur poste.
Dans ce cas si une pompe est défaillante, c'est l'nsemble de
l'installation qui s'arrête.
La fiabilité de leur service peut donc
être un élément important de la rentabilité économique du procédé
auquel elles contribuent.
Sont détaillés ci-dessous les points de vigilence à avoir pour assurer un fonctionnement fiable des pompes centrifuges.
Une caractéristique de pompe adaptée au besoin
Débit et relevage
Une
pompe correctement dimensionnée fonctionnera près de son point de
rendement maximum qui correspond à son optimum de fonctionnement mécanique. Pour des conditions
éloignées de ce point, il existe un déséquilibre entre les pressions
agissant sur l'impulseur. Il s'ensuit des efforts et des vibrations sur
les paliers et les étanchéités, une augmentation de la température interne
et un risque plus grand de dégradation dans le temps. Les constructeurs
recommandent généralement d'exploiter leur pompe entre 65% et 110% du débit correspondant au rendement maximum.
De nombreux prescripteurs ou acheteurs sont tentés d'approvisionner une
pompe capable d'excéder largement le besoin identifié, sous prétexte
qu'il est préférable de se tromper par excès que par défaut, et qu'il
sera assez facile de réduire la capacité d'une pompe en ajustant une
vanne au refoulement.
Ce
raisonnement permet au prix d'un faible surinvestissement de s'assurer
que l'installation saura faire face dans le futur, à des besoins
nouveaux non encore identifiés. Si cela doit conduire à exploiter en
permanence une pompe dans des conditions opératoires non optimum, il
est à craindre quelle nécessite un surcroît d'entretien; par contre
s'il s'agit de préserver la possibilité future d'augmentation de
capacité, il paraît préférable d'approvisionner une pompe dont le
diamètre d'impulseur pourra être augmenté dans le futur; l'impulseur
commandé saura satisfaire le besoin actuel avec le meilleur rendement
possible; en cas de besoin, l'impulseur pourra aisément être remplacé
par un modèle de diamètre supérieur pour satisfaire une augmentation de
débit et de relevage, tout en restant proche de son fonctionnement
optimum.
Ne pas oublier, dans cette stratégie, de dimensionner
l'entraîneur, ou au moins l'alimentation électrique si c'est un moteur
électrique, pour la capacité maximum de la pompe.
NPSH
La
dépression générée à son aspiration par la pompe en service est nommée
NPSH requis. C'est une caractéristique de la pompe précisée par le
fournisseur.
La dépression maximum que le liquide pompé peut
accepter sans la formation d'aucune bulle de gaz ou de vapeur, est
nommée NPSH disponible. C'est une caractéristique qui dépend de la
nature du liquide pompé, de sa pression et sa température, et de la
configuration du circuit d'aspiration. C'est à l'utilisateur ou le
concepteur du procédé de fournir cette donnée.
NPSH requis et disponible sont exprimés en hauteur de liquide.
Le
NPSH disponible doit toujours être supérieur au NPSH requis, sans quoi
des bulles apparaitront au sein du liquide, dans le corps de pompe. Le
fonctionnement de la pompe sera fortement perturbé par deux phénomènes:
-
le liquide pompé devient un milieu compressible puisque le volume des
bulles de gaz varie avec la pression. La pompe pourra générer des
variations importantes de débit et de relevage
- les bulles
gazeuses pourront collapser très rapidement à l'intérieur du corps de
pompe, générant des ondes de chocs (comme des explosions), conduisant à
des dégradations mécaniques rapides et importantes; c'est le phénomène
de
cavitation.
Une mise en place dans les règles de l'art
La
pompe doit être fixée sur un massif en béton dont le poids aura deux à
trois fois le poids de la pompe elle-même. Il permettra d'amortir les
vibrations générées par la pompe en service.
Les
tuyauteries raccordées ne doivent générer aucune contrainte sur la
pompe elle-même; ceci est vérifié avant la mise en place des boulons
sur les brides: les brides des tuyauteries et celles de la pompe
doivent être naturellement alignées sans avoir besoin de forcer dessus,
et ne laisser que l'espace pour glisser un joint d'étanchéité.
La
tuyauterie d'aspiration doit offrir une longueur droite et dans le
prolongement de la bride d'aspiration au moins égale à 5 fois le
diamètre de la tuyauterie.
Le diamètre de la tuyauterie d'aspiration
doit être de préférence, au moins d'une taille normalisée supérieure au
diamètre de la bride d'aspiration. En aucun cas le diamètre de la
tuyauterie d'aspiration ne doit être d'une taille inférieure à celle de
la bride.
Si plusieurs pompes sont installées en parallèle, elles
doivent être équipées sur leur refoulement de clapets anti-retour pour
prévenir tout risque de débit liquide inverse dans la pompe à l'arrêt,
et de rotation en sens inverse du sens normal.
Ajustement du débit
Si le débit demandé par le procédé n'est pas constant, il peut être ajusté en utilisant de préférence les méthodes suivantes:
- par variation de la vitesse de rotation
Le
point de fonctionnement de la pompe se déplacera ainsi tout en restant
proche des conditions optimum de fonctionnement. De plus, la
consommation énergétique de la pompe sera maintenue à son minimum, ce
qui peut être décisif pour des pompes de fortes puissances.
Attention:
le débit est proportionnel à la vitesse de rotation tandis que le
relevage est proportionnel au carré de la vitesse. Si le rôle de la
pompe est de vaincre la perte de charge d'un circuit hydraulique, cette
méthode sera satisfaisante. Si le rôle de la pompe est de vaincre une
hauteur fixe ou de relever une pression constante, la perte de relevage
occasionnée par la variation de vitesse pourra être rédibitoire.
- par recyclage de liquide
Si
la pompe est entrînée à vitesse fixe, la portion excédentaire du
liquide pompé est prélevée au refoulement de la pompe et renvoyé en
amont dans le procédé.
Le
débit de la pompe et sa consommation énergétique restent
identiques quelle que soit la demande du procédé. Son point de
fonctionnement reste proche de son point optimal en toutes
circonstances.
Attention: Une partie de l'énergie absorbée par la
pompe échauffe le liquide pompé; si une proportion importante est
recyclée pendant un temps long, l'échauffement peut devenir néfaste au
procédé aval ou à la qualité du liquide; c'est pourquoi il est souvent
déconseillé de recycler le liquide directement à l'aspiration de la
pompe; il est préférable de rechercher un point de recyclage qui
permettra soit l'élimination de la chaleur, soit sa dilution dans un
flux plus important.
- par une restriction au refoulement
Un
organe de réglage disposé sur le circuit aval fait varier sa perte de
charge. Le point de fonctionnement de la pompe se déplace sur la courbe
caractéristique, s'éloignant des conditions optimum de fonctionnement
de la pompe. L'évolution de la consommation énergétique de la pompe
dépend de l'évolution du rendement. En règle générale, elle diminue
avec le débit, mais il y a des exceptions.
Du point de vue de la
fiabilité de la pompe, c'est la moins bonne méthode à employer.
Cependant elle est largement rependue. Les constructeurs précisent dans
leurs caractéristiques un débit minimum (
mini flow
en anglais) qui doit toujours traverser la pompe en toute circonstance
(quand elle est en marche évidemment). Ce débit minimum est en général
de l'ordre de 20% du débit nominal.
Si le réglage de débit permet
qu'il descende en dessous de cette valeur, les vibrations
importantes et une dégradation rapide des paliers et étanchéités
sont à craindre. Si ce risque existe, il faut prévoir un circuit de
recyclage depuis le refoulement, fixe (orifice calibré) ou ajustable
(vanne automatique) laissant débiter un débit au moins égal au débit
minimum. Si le débit de recyclage est fixe, ne pas oublier de
dimensionner la pompe pour le débit demandé par le procédé, augmenté du
débit minimum.