Pour comprendre les fuites d'une pompe centrifuge, il est essentiel de comprendre son fonctionnement de base. Lorsque le fluide pénètre par l'orifice de la roue et remonte le long des aubes, sa pression et sa vitesse sont faibles. En traversant la volute, la pression et la vitesse augmentent. Le fluide sort ensuite par le refoulement, où la pression est élevée mais la vitesse diminue. Tout fluide entrant dans la pompe doit en sortir. La pompe génère une hauteur manométrique (ou pression), ce qui signifie qu'elle augmente l'énergie du fluide pompé.
Certaines défaillances de composants d'une pompe centrifuge, tels que l'accouplement, les joints hydrauliques, les joints statiques et les roulements, peuvent entraîner la défaillance de l'ensemble du système, mais environ soixante-neuf pour cent de toutes les défaillances de pompes résultent d'un dysfonctionnement du dispositif d'étanchéité.
LE BESOIN DE JOINTS MÉCANIQUES
Un joint mécaniqueUn joint d'étanchéité est un dispositif utilisé pour contrôler les fuites entre un arbre rotatif et un récipient contenant un liquide ou un gaz. Sa fonction principale est d'empêcher les fuites. Tous les joints d'étanchéité présentent des fuites ; celles-ci sont nécessaires au maintien d'un film d'huile sur toute la surface d'étanchéité mécanique. Les fuites vers l'atmosphère sont relativement faibles ; dans le cas d'un hydrocarbure, par exemple, les fuites sont mesurées en parties par million (ppm) par un analyseur de COV.
Avant l'invention des garnitures mécaniques, les ingénieurs utilisaient généralement des garnitures mécaniques pour étanchéifier les pompes. Ces garnitures, constituées d'un matériau fibreux généralement imprégné d'un lubrifiant comme du graphite, étaient découpées en sections et insérées dans un logement appelé « presse-étoupe ». Un presse-étoupe était ensuite ajouté à l'arrière pour assurer le serrage. Le contact direct entre la garniture et l'arbre nécessitait une lubrification, mais elle entraînait tout de même une perte de puissance.
Un anneau de rinçage permet généralement d'appliquer de l'eau sur le joint. Cette eau, nécessaire à la lubrification et au refroidissement de l'arbre, s'écoule soit dans le processus, soit dans l'atmosphère. Selon votre application, vous pourriez avoir besoin de :
- Diriger l'eau de rinçage à l'écart du processus afin d'éviter toute contamination.
- éviter que l'eau de la chasse d'eau ne s'accumule sur le sol (débordement), ce qui constitue à la fois un problème de sécurité au travail et un problème d'entretien ménager.
- Protéger le palier des eaux de rinçage, qui peuvent contaminer l'huile et entraîner à terme une défaillance du palier.
Comme pour toute pompe, il est important de tester la vôtre afin d'estimer ses coûts de fonctionnement annuels. Une pompe à garniture mécanique peut sembler abordable à l'installation et à l'entretien, mais son coût, calculé en fonction de sa consommation d'eau par minute ou par an, pourrait vous surprendre. Une pompe à garniture mécanique, quant à elle, pourrait vous permettre de réaliser d'importantes économies annuelles.
Compte tenu de la géométrie générale d'un joint mécanique, partout où il y a un joint d'étanchéité ou un joint torique, il existe un point de fuite potentiel :
- Un joint torique dynamique (ou un joint d'étanchéité) érodé, usé ou frotté lorsque le joint mécanique se déplace.
- Saletés ou contamination entre les joints mécaniques.
- Un fonctionnement hors conception au niveau des garnitures mécaniques.
LES CINQ TYPES DE DÉFAILLANCES DES DISPOSITIFS D'ÉTANCHÉITÉ
Si la pompe centrifuge présente une fuite incontrôlée, vous devez vérifier minutieusement toutes les causes potentielles afin de déterminer si des réparations ou une nouvelle installation sont nécessaires.
1. Défaillances opérationnelles
Négliger le point de rendement optimal : Votre pompe fonctionne-t-elle à son point de rendement optimal (PRO) ? Chaque pompe est conçue pour un point de rendement optimal spécifique. Un fonctionnement en dehors de cette plage engendre des problèmes de débit susceptibles de provoquer une panne du système.
Hauteur d'aspiration nette positive (NPSH) insuffisante : si la hauteur d'aspiration de votre pompe est insuffisante, l'ensemble rotatif peut devenir instable, provoquer de la cavitation et entraîner une défaillance du joint.
Fonctionnement à l'arrêt :Si vous réglez la vanne de régulation trop bas pour limiter le débit de la pompe, vous risquez de bloquer le flux. Ce blocage provoque une recirculation à l'intérieur de la pompe, ce qui génère de la chaleur et favorise la défaillance des joints.
Fonctionnement à sec et purge insuffisante du joint : Une pompe verticale est particulièrement vulnérable, le joint mécanique étant situé en partie supérieure. Une purge insuffisante peut entraîner l'accumulation d'air autour du joint et empêcher son évacuation par la boîte à garniture. Si la pompe continue de fonctionner dans ces conditions, le joint mécanique finira par se détériorer.
Faible marge de vapeur :Il s'agit de fluides vaporisés ; les hydrocarbures chauds se vaporisent instantanément au contact de l'air. Lorsque le film de fluide traverse la garniture mécanique, il peut se vaporiser instantanément côté atmosphère et provoquer une défaillance. Ce type de défaillance est fréquent dans les systèmes d'alimentation des chaudières : l'eau chaude à 120-138 °C (250-280 °F) se vaporise instantanément sous l'effet de la chute de pression au niveau des faces d'étanchéité.
2. Défaillances mécaniques
Un mauvais alignement de l'arbre, un déséquilibre de l'accouplement et un déséquilibre de la roue peuvent tous contribuer à la défaillance de la garniture mécanique. De plus, après l'installation de la pompe, si les tuyaux boulonnés sont mal alignés, la pompe subira des contraintes importantes. Il est également essentiel d'éviter un mauvais choix de la base : est-elle stable ? Est-elle correctement scellée ? Le support est-il suffisamment souple ? Est-elle correctement boulonnée ? Enfin, vérifiez les roulements. Si leur tolérance diminue, les arbres se déplaceront et provoqueront des vibrations dans la pompe.
3. Défaillances des composants d'étanchéité
Disposez-vous d'un bon couple tribologique (étude du frottement) ? Avez-vous choisi les combinaisons de faces d'étanchéité appropriées ? Qu'en est-il de la qualité du matériau des faces d'étanchéité ? Vos matériaux sont-ils adaptés à votre application spécifique ? Avez-vous sélectionné les joints secondaires appropriés, tels que les joints toriques et les joints d'étanchéité classiques, conçus pour résister aux agressions chimiques et thermiques ? Vos ressorts ne doivent pas être obstrués et vos soufflets ne doivent pas être corrodés. Enfin, surveillez les déformations des faces d'étanchéité dues à la pression ou à la chaleur, car une garniture mécanique soumise à une forte pression peut se déformer, et ce profil déformé peut provoquer une fuite.
4. Défaillances de conception du système
Un système de rinçage des joints d'étanchéité adéquat, ainsi qu'un refroidissement suffisant, sont indispensables. Les systèmes doubles utilisent des fluides barrières ; le pot d'étanchéité auxiliaire doit être correctement positionné, avec l'instrumentation et la tuyauterie appropriées. Il est impératif de tenir compte de la longueur du tuyau droit à l'aspiration : certains systèmes de pompage anciens, souvent fournis sous forme de châssis pré-assemblé, comportent un coude à 90° à l'aspiration, juste avant l'entrée du flux dans l'œillet de la roue. Ce coude engendre un flux turbulent susceptible de créer des instabilités dans l'ensemble rotatif. L'ensemble des tuyauteries d'aspiration/refoulement et de dérivation doit également être correctement dimensionné, notamment si certaines tuyauteries ont été réparées au fil des ans.
5. Tout le reste
D'autres facteurs divers ne représentent qu'environ 8 % des défaillances. Par exemple, des systèmes auxiliaires sont parfois nécessaires pour assurer un environnement de fonctionnement acceptable à une garniture mécanique. Dans le cas des systèmes doubles, un fluide auxiliaire est requis pour faire barrière et empêcher toute contamination ou déversement de fluide de procédé dans l'environnement. Cependant, pour la plupart des utilisateurs, la solution réside dans la prise en compte de l'une des quatre premières catégories.
CONCLUSION
Les garnitures mécaniques jouent un rôle essentiel dans la fiabilité des équipements rotatifs. Elles sont responsables des fuites et des défaillances du système, mais elles permettent également de déceler les problèmes susceptibles d'entraîner des dommages importants à terme. La fiabilité d'une garniture dépend fortement de sa conception et de son environnement d'exploitation.
Date de publication : 26 juin 2023