Comprendre les pompes à moteur en conserve
Bien sûr, des volumes ont été écrits sur les raisons pour lesquelles les pompes échouent. De plus, il n'est pas exagéré d'affirmer que, lorsque des incendies de pompe résultent de telles défaillances, un joint mécanique est généralement impliqué (Fig. 1).
Les joints mécaniques échouent souvent en raison d'une détérioration antérieure des roulements. Dans certains cas, les fabricants de joints fournissent des produits avec des jeux étroits entre la périphérie des pièces rotatives du joint et le diamètre (alésage) des pièces fixes du joint. Nous pensons que les utilisateurs doivent spécifier des joints pour les produits à base d'hydrocarbures afin de se conformer aux normes API (American Petroleum Industry). Nous pensons également que les écarts par rapport aux spécifications de l'utilisateur ou aux directives applicables (telles que l'API-682) doivent être portés à l'attention de l'acheteur.
Il existe cependant d'autres moyens d'éviter les défaillances d'étanchéité. L'une d'entre elles consisterait à spécifier, le cas échéant, les pompes centrifuges à moteur noyé. Aussi appelées pompes « hermétiques », elles n'intègrent pas de garnitures mécaniques.
Histoire des motopompes à rotor noyé Une coupe transversale de pompe à moteur en conserve est illustrée à la Fig. 2. Le développement de ces pompes centrifuges est étroitement associé à l'expansion de la technologie de production d'énergie nucléaire. Dès le début des années 1950, les considérations de sécurité ont conduit au développement de boucles de fonctionnement hermétiquement fermées. C'est alors que le principe de conception du moteur en conserve - connu depuis 1914— a trouvé une application pratique.
La reconnaissance par l'industrie chimique des avantages de ces pompes a suivi peu de temps après. En effet, la demande supplémentaire a créé une base économique généralisée pour la fabrication de motopompes en conserve.
Dans les années 1960, les pompes à moteur en conserve avaient évolué jusqu'au point de normalisation. L'expansion démographique et l'élévation du niveau de vie dans les pays industriels comme dans les pays en développement nécessitaient des technologies novatrices pour résoudre les problèmes exigeants et de plus en plus urgents de la protection de l'environnement. De plus en plus, les pompes à moteur en conserve sont devenues une partie de la réponse.
Nous reconnaissons volontiers qu'au cours des trois dernières décennies, de nombreux progrès ont été réalisés dans le domaine de l'étanchéité mécanique des arbres. Pourtant, à partir du milieu des années 1970, les considérations environnementales, la consolidation de l'industrie et l'automatisation des processus sont devenues de plus en plus importantes. C'est dans ce contexte—dans un large éventail de tâches de mouvement fluide— que les types de scellement plus traditionnels offrent une sécurité inadéquate ou présentent des problèmes de pollution et de perte qui ne peuvent plus être tolérés.
Dans certains cas, le coût des systèmes de soutien et de surveillance des phoques est disproportionné par rapport au succès potentiel. Il est juste de souligner l'existence de services qui ne peuvent tout simplement pas être effectués à l'aide de pompes centrifuges "ouvertes" ou scellées de manière conventionnelle. Le transport absolument hermétique de fluides à l'aide de pompes centrifuges n'est possible que lorsque le couple appliqué au rotor de la pompe est généré de l'extérieur. Pour satisfaire cette exigence, un système de stator externe rigide utilisant soit des électroaimants soit des aimants permanents est nécessaire. Dans certaines industries, les pompes scellées de manière conventionnelle peuvent mettre en danger la vie humaine et les biens physiques. Ainsi, les pompes traditionnellement scellées ne sont pas toujours « la meilleure technologie disponible ». Ainsi, partout où l'état de l'art rend possible cette protection, les moyens mis en œuvre doivent être en adéquation avec les résultats obtenus.
Et donc, en gardant à l'esprit les limites des pompes "à conception ouverte" (celles avec des garnitures ou des joints d'arbre mécaniques) qui peuvent contribuer à la pollution de l'air et de l'eau, nous devons nous efforcer de bien connaître l'état de l'art de l'entraînement hermétique. techniques pour les pompes centrifuges. Les faits peuvent nous surprendre.
Conception et description fonctionnelle Machines extrêmement respectueuses de l'environnement, les pompes "hermétiques" à moteur noyé sont aujourd'hui très largement utilisées en Europe et au Japon. Tout en faisant des percées aux États-Unis, le terrain perdu doit être récupéré dans notre quête de compétitivité. Cela dit, partout où il est nécessaire de déplacer des fluides dangereux, toxiques, polluants, coûteux, caustiques, potentiellement explosifs, à haute ou basse température, les motopompes à rotor noyé méritent une attention toute particulière.
Le moteur en boîte combine l'hydraulique bien connue des pompes centrifuges avec le moteur à induction triphasé tout aussi éprouvé. La section hydraulique est directement reliée au moteur d'entraînement. Un manchon en forme de tuyau ou "boîte" est inséré dans l'espace ponté magnétiquement entre le rotor et le stator. Le "boîte" sépare absolument et hermétiquement la chambre du rotor de l'environnement de pompage du fluide sous pression. En d'autres termes, la "boîte" est la limite entre le rotor de pompe enveloppé de liquide et la chambre de stator non mouillée (Fig. 2). Le « bidon » sépare ainsi le moteur en deux zones fonctionnelles ; il représente l'élément d'étanchéité hermétique de l'ensemble pompe. Essentiellement, le couple nécessaire à la rotation de l'arbre est transféré via la boîte, qui est constituée d'un matériau non magnétique, par des moyens électromagnétiques. Ce type d'entraînement ne nécessite pas d'ouverture d'arbre à travers le boîtier contenant du fluide (généralement sous pression); il n'y a donc pas besoin de joints dynamiques ou de garnitures mécaniques. Les joints statiques nécessaires sont généralement sans problème mais, dans des cas particuliers, peuvent être remplacés par des raccords soudés.
Les motopompes à rotor noyé sont donc des groupes motopompes entièrement hermétiques. La section de pompe peut être de conception à un ou plusieurs étages. La turbine de la pompe (ou les turbines des pompes multicellulaires) est montée à l'extrémité en porte-à-faux d'un arbre pompe-moteur commun. Les paramètres de performance de ces pompes correspondent désormais aux stipulations de leurs principaux domaines d'application—les industries chimiques et de raffinage. À l'heure actuelle (2008), la limite supérieure de puissance est d'environ 600 kW. Afin de s'approcher au plus près des enveloppes dimensionnelles et de performance d'un grand nombre de pompes centrifuges standards (DIN 24256 ou, respectivement, ISO 2858 utilisées dans l'industrie chimique), plusieurs milliers de motopompes à rotor noyé en service aujourd'hui sont disponibles avec l'hydraulique standard de cette gamme de pompes. Les dimensions extérieures identiques des pompes centrifuges hermétiques et "traditionnelles" DIN et ISO permettent une conversion rapide des pompes conventionnelles aux pompes hermétiques. Inutile de dire que cela permet de réduire les besoins en stocks de pièces de rechange de toute installation moderne.
Il y a cependant des avantages supplémentaires substantiels. Ces avantages, ainsi que l'efficacité impressionnante et les statistiques MTBF des pompes hermétiquement scellées conformes à l'API, sont abordés dans la section Sidebar suivante, co-écrite avec George Dierssen, d'IndustryUptime.
En tant que consultants en fiabilité des équipements, nous pouvons clairement voir au moins cinq (et plus probablement 10) avantages définissables des pompes à moteur en conserve par rapport aux pompes API-610 traditionnelles. Ces avantages appartiennent à une ou plusieurs catégories qui se traduisent en fin de compte par un service sûr, fiable, nécessitant peu d'entretien, à faible coût d'installation et respectueux de l'environnement. Pour énumérer quelques avantages :
Confinement secondaire positif, pas de fuites incontrôlées dans l'atmosphère (même avec des roulements défectueux)
Pas de garniture mécanique
Aucun alignement (s'applique aux activités d'installation et de maintenance)
Pas de lubrification (pas d'huile)
Pas de fondation ni de coulis
À l'heure actuelle, chacune des cinq raffineries de la région de la baie de San Francisco possède une ou plusieurs motopompes en conserve en fonctionnement très satisfaisant. Bien qu'elles représentent de près de zéro à peut-être 2 % de la population de pompes, nous pensons maintenant que les pompes à moteur en conserve (CMP) sont probablement applicables à 50 % des pompes d'un site de raffinerie typique. Il existe, bien sûr, des restrictions (choc thermique, fonctionnement à sec, boues, etc.) qui, dans la plupart des cas, peuvent être gérées par des contrôles techniques. Néanmoins, il semble que les CMP soient le choix idéal pour de nombreux services HP (traitement des hydrocarbures). Cela est d'autant plus vrai que les usines d'aujourd'hui ont des attentes élevées en matière de disponibilité et de sécurité opérationnelle. Bien que ces attentes se reflètent dans une norme solide—API-685— la faible représentation des CMP dans les usines américaines est déconcertante.
Sauf mathématiques inhabituelles, l'un des co-auteurs (de cette section de la barre latérale) a été surpris de découvrir que le temps moyen moyen entre les réparations (MTBR) pour les CMP—prenant en compte chacun des milliers de produits fabriqués par deux grands fabricants distincts— est de 7,5 ans. Cela nous amène à nous interroger sur le raffinage des données de l'industrie dans son ensemble. Notre compréhension est que 80 à 90 % des usines japonaises utilisent des CMP (un fabricant expédie apparemment 1700 pompes par mois !) et 60 à 70 % des usines européennes utilisent des pompes à entraînement magnétique ou des CMP. Ainsi, nous avons suivi la question. Notre évaluation et la contribution substantielle d'un fabricant CMP respecté peuvent être résumées en un certain nombre de points importants.
Un fabricant européen prospère a de l'expérience avec des puissances CMP de 700 ch et plus. Ceux-ci sont proposés dans de nombreuses configurations différentes, avec ou sans refroidisseurs, avec ou sans boucles de lubrification des roulements séparées, avec un ou deux (ou plus !) étages, etc. Les contraintes d'espace nous permettront de n'en montrer qu'un seul (Fig. 3) . De plus, des pressions de fluide plutôt élevées sont maintenant couramment atteintes par les CMP. Bien qu'indépendant, un fabricant allemand utilise la technologie des pompes suisses pour l'hydraulique des roues. Des sillages séparés (propres) lubrifient les paliers lisses généralement installés dans les CMP de cette société.
Aux États-Unis, l'industrie a encore du mal à abandonner la mauvaise pratique consistant à installer des tuyauteries mal ajustées sur les machines à fluides. Alors qu'on pensait à l'origine qu'un CMP pourrait être légèrement plus vulnérable qu'une pompe centrifuge API-610, ce n'est plus le cas pour la grande majorité des CMP. Dans tous les cas connus d'un expert, les pompes à moteur à gaine (CMP) ont été conçues pour des charges de buse admissibles nettement plus élevées que les pompes API-610 équivalentes. Le fabricant européen de CMP est en mesure d'offrir des charges de buse admissibles trois à quatre fois les charges maximales admissibles de l'API-610 (rappelez-vous qu'il n'y a pas de problèmes d'alignement avec les CMP). Le boulonnage des brides est généralement le facteur limitant ici.
Nous rappelons qu'il y a des décennies (et dans des tailles proches de 1000 hp), les pompes de process verticales équipées de semelles flottant sur la fondation de la pompe sont devenues la norme dans les meilleures installations de leur catégorie. De même, le fabricant européen recommande que les plaques de base CMP (en fait, les semelles) ne soient pas ancrées, mais qu'elles puissent flotter avec la tuyauterie. Les semelles flottantes offrent des économies importantes sur les coûts de tuyauterie. Sur plusieurs projets récents à haute pression, les économies de tuyauterie ont égalé le coût des pompes ! Pourtant, à ce jour, certains acheteurs insistent pour que des plaques de base soient fournies.
Il y a des années, certains sites HPI (industrie de traitement des hydrocarbures) avaient été confrontés à des préoccupations syndicales - qu'un CMP soit un appareil électrique ou une pompe était le problème à l'époque. L'expert CMP a mentionné que, bien que cela puisse être un problème, sa recommandation actuelle est de renvoyer les unités CMP à un centre de réparation très expérimenté en Louisiane pour toutes les réparations nécessaires. Nous pensons que cette approche est logique compte tenu de la disponibilité limitée de personnel qualifié d'entretien sur le terrain et d'ateliers d'usinage dans de nombreuses usines.
Nous avons également fait l'observation que trop souvent les ingénieurs n'écoutent que les vendeurs de pompes traditionnelles : « Je ne peux pas faire d'erreur si je fais exactement ce que mon ancien patron a fait. Il a toujours joué la sécurité et maintenant il est vice-président de l'ingénierie ! » Le directeur national des ventes d'un important fabricant de pompes à moteur en conserve a accepté et a déclaré qu'il y avait encore beaucoup de réticences réelles à essayer ce qui est perçu comme une «nouvelle technologie» - bien que, bien sûr, les CMP soient considérés comme une technologie mature.
Peut-être, et souvent à tort, suppose-t-on que les CMP consomment plus d'énergie que les pompes traditionnelles. Un expert européen du CMP a réfuté cette croyance erronée. Il a noté qu'en plus de 30 ans d'application des CMP, il n'avait jamais vu une de ces unités consommer plus d'énergie que la pompe qu'elle remplaçait ! Alors qu'il avait autrefois supposé que cela était dû au remplacement des pompes usées ou à la découverte de meilleures sélections (ajustements de courbe), il pense maintenant que les unités d'origine étaient trop optimistes quant à leur efficacité publiée et n'ont jamais inclus de nombreuses pertes, telles que celles attribuables à raccords et joints.
Un spécialiste des pompes a raconté son expérience avec un fabricant de pompes conventionnelles qui testait toujours ses unités avec des joints à lèvres au lieu de garnitures tressées ou de garnitures mécaniques. Il y a quelques années, cet expert a été mis au courant d'une entreprise qui a fait savoir qu'elle évaluerait les devis (offres reçues) en fonction du kW d'entrée. En conséquence, la puissance "garantie" a augmenté de près de 10% par rapport aux courbes publiées par certains soumissionnaires. L'expert conseille aux prescripteurs des utilisateurs de demander une valeur en kW d'entrée pour les équipements proposés. Il a noté que les principaux fabricants de CPM seraient ravis de se conformer puisqu'ils fournissent, bien sûr, à la fois la pompe et le moteur.
L'utilisateur/acheteur moyen est déçu de ne pas pouvoir envoyer de déchets à travers les roulements et les composants à faible dégagement. Bien sûr, le fournisseur doit vraiment éduquer l'utilisateur sur les limites de l'équipement et poser des questions à plusieurs reprises sur le flux de traitement et les propriétés des fluides. De nombreuses défaillances qui, dans le passé, étaient imputées aux « solides » ou au « fonctionnement à sec » étaient en fait déclenchées par le clignotement interne du fluide. Cela peut être dû à l'absence d'un bon programme d'équilibre thermique sur l'équipement ou tout simplement à l'ignorance du fournisseur. Plus important encore, l'analyse des défaillances ou le suivi par le fabricant sont souvent insuffisants pour déterminer la véritable cause première d'une défaillance. Un facteur intéressant est l'augmentation maximale de la chaleur ; il se produit sur un CMP après l'arrêt en raison de la chaleur latente dans le moteur. Ce problème peut toujours être résolu par un dimensionnement approprié du moteur, purger le moteur après l'arrêt ou d'autres méthodes, à condition que l'acheteur et un fabricant compétent coopèrent. Ce qui est préoccupant pour certains est un non-problème pour d'autres.
Considérez qu'il est de la responsabilité du fabricant de poser de nombreuses questions et que l'utilisateur et le fabricant fournissent des réponses solides. Poursuivez les questions sur l'élévation de température maximale (à court terme) admissible du fluide pompé. Les réponses à ces questions sont faciles à obtenir. Si un utilisateur intelligent sait ce qu'il pompe et décrit avec précision ses fluides de procédé, le fait qu'il soit sur le point d'acheter un CMP est d'une importance secondaire.
Il y a des décennies, la supériorité des CMP a été décrite dans la présentation conjointe Hoechst-Celanese de Kenneth Fischer lors de l'un des symposiums internationaux de la Texas A&M University. Les actes de ces rassemblements sont facilement disponibles et les éditions précédentes ont répondu à de nombreuses préoccupations des utilisateurs et ont fourni des statistiques sur les échecs, etc.
Trop souvent, l'acheteur laisse les décisions à l'entrepreneur de conception et encourage ensuite ces entreprises à acheter en grande partie sur la base du coût et du calendrier. L'entrepreneur achète alors une pompe conventionnelle au plus bas soumissionnaire. Un utilisateur axé sur la fiabilité doit intervenir et assumer une part de responsabilité pour les conseils et la direction nécessaires aux entrepreneurs de conception et au personnel purement orienté achats. Des études solides sur les coûts du cycle de vie valent mieux que des opinions préconçues ou dépassées.
De plus, et malheureusement, les CMP ont peut-être acquis une mauvaise réputation lorsque certains vendeurs ont survendu leurs mérites dans le passé. Alors que les mérites des motopompes en conserve sont incontestables, il n'y a rien qui ne puisse être mal étiqueté, mal compris, calomnié ou détruit. Il n'y a pas d'exceptions à cette règle.