Comment le cadre théorique optimise-t-il la maintenance préventive des pompes centrifuges ?

Le cadre théorique de la pompe centrifuge révèle que l’optimisation de la maintenance préventive peut réduire les temps d’arrêt imprévus de manière significative. Cette recherche propose des solutions innovantes pour améliorer la disponibilité opérationnelle, transformant ainsi les pratiques de maintenance dans l’industrie minière.

Caractéristiques d’une pompe centrifuge

1. Courbes rassemblées par le constructeur

Les constructeurs vendent leurs pompes avec un catalogue dans lequel on trouve les courbes caractéristiques de la pompe.

Dans le même graphe on trouve les courbes suivantes [6] :

Principales caractéristiques d’une pompe centrifuge :

• Puissance utile (Pu) : travail réalisé par la pompe.

𝑃_𝑢 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄𝑣 [W] (1.1)

Avec :

• • ρ : La masse volumique de fluide [Kg/m³ ].
  • g : La gravité [m/s² ou N/Kg].
  • Qv : Le débit volumique de la pompe. [m³/h].
• Puissance absorbée (Pa) : fournie sur l’axe de la pompe (moteur asynchrone, par exemple).

Avec

𝑛𝜋

𝑃_𝑎 = 𝐶 ∙ 𝜔 = 𝐶 ∙ 30 [W] (1.2)

• C : Couple moteur [N.m].
• ω : Vitesse de rotation [rad/s].
• n : Nombre de tour [tr/min].

Rendement total

Le rendement total d’une pompe est le résultat de la multiplication de trois types de rendements : le rendement hydraulique, le rendement volumétrique et le rendement mécanique.

Chaque type est lié à un genre de pertes qui se passent dans la pompe :

1. Pertes hydrauliques : due aux frottements ;
2. Pertes volumétriques : causées par les fuites du liquide à travers les jeux de la pompe ;
3. Pertes mécaniques : due aux frottements mécaniques dans les paliers, les presses étoupes, etc.

Rendement hydraulique

Il est donné en fonction des pertes hydrauliques comme suit :

𝑃_ℎ

𝜂ℎ =

𝑃_𝑚

(1.3)

Rendement volumétrique

Ce type de rendement est lié aux pertes volumétriques qui sont dues à l’existence de fuites de liquide à l’intérieur de la pompe (à travers les joints, les bagues, …)

Rendement mécanique

𝜂_𝑣

𝑄𝑟é𝑒𝑙

=

𝑄𝑡ℎ

(1.4)

Il est lié aux pertes mécaniques qui représentent les pertes en puissance mécanique du moteur d’entrainement.

Le rendement mécanique ( 𝜂_𝑚é𝑐) d’une pompe est le rapport de la puissance utile 𝑃_𝑢 (puissance hydraulique) communiquée au liquide pompé à la puissance absorbée par la pompe Pa (en bout d’arbre) ou par le groupe (aux bornes du moteur).

Si 𝑄_𝑉 est le débit volume du fluide, 𝜌 sa masse volumique et HMT la hauteur manométrique de la pompe.

𝑃_𝑢 𝜌. 𝑔. 𝑄_𝑣. 𝐻𝑀𝑇

𝜂 = =

(1.5)

𝑚é𝑐

𝑃_𝑎

𝑃_𝑎

Le rendement de la pompe varie avec le débit.

• Rendement global (total)

Le rendement global de la pompe est déterminé par la multiplication des trois rendements précédents :

𝜂_𝑔 = 𝜂_𝑡 = 𝜂_ℎ. 𝜂_𝑣. 𝜂_𝑚 (1.6)

Le rendement global des pompes hydrauliques est compris généralement entre 70% et 85%.

• NPSH requis : dépend de la vitesse de la pompe ; elle est donnée par le constructeur [Pa].
• Hauteur manométrique ou hauteur d’élévation d’une pompe (HMT) :

. Si on considère que Pa est la pression lue (en bar absolu) à l’aspiration de la pompe et Pr pour celle lue au refoulement, la HMT de la pompe est de manière simplifiée définie par :

𝑃𝑟 − 𝑃𝑎

𝐻𝑀𝑇 =

𝜌𝑔

[m] (1.7)

Avec :

• Pa : pression d’aspiration [Pa].
• Pr : pression de refoulement [Pa].

Point de fonctionnement

C’est le point de fonctionnement qui fixe le débit, la pression, la puissance, le rendement et le NPSH de la pompe. [15]

On obtient le point de fonctionnement de la pompe par intersection de la courbe caractéristique de l’installation hydraulique avec la courbe des HMT en fonction des débits de la pompe (Figure 1-6). [6]

[3_cadre-theorique-optimisation-de-la-pompe-centrifuge_6]

Figure 1-6: Point de fonctionnement d’une pompe centrifuge [6].

Principe de fonctionnement d’une pompe centrifuge

On peut décomposer le fonctionnement en trois étapes [1] :

L’aspiration :

Le liquide est aspiré au centre du rotor par une ouverture appelée distributeur dont le rôle est de conduire le fluide depuis la conduite d’aspiration jusqu’à la section d’entrée du rotor.

La pompe étant amorcée, c’est-à-dire pleine de liquide, la vitesse du fluide qui entre dans la roue augmente et par conséquent la pression dans l’ouïe diminue et engendre ainsi une aspiration et maintient l’amorçage.

L’accélération :

Le rotor transforme l’énergie mécanique appliquée à l’arbre de la machine en énergie cinétique.

A la sortie du rotor, le fluide se trouve projeté dans la volute dont le but est de collecter le fluide et de le ramener dans la section de sortie.

Le refoulement :

Dans l’élargissement en sortie, qui se comporte comme un divergent, le liquide perd de la vitesse au profit de l’accroissement de pression.

L’énergie cinétique est convertie en énergie de pression au niveau de diffuseur.

Phénomène de cavitation

La cavitation est un terme employé pour décrire le phénomène qui se produit dans une pompe quand le NPSH est insuffisamment disponible (figure 1-7). [2]

En d’autres termes la cavitation est un phénomène d’apparition, dans un liquide, de poches remplies de vapeur et de gaz provoquées par l’abaissement de la pression sans apport de chaleur.

Le seul moyen d’empêcher les effets indésirables de la cavitation c’est de s’assurer que le NPSH disponible dans le système est plus élevé que le NPSH requis par la pompe. [2]

[3_cadre-theorique-optimisation-de-la-pompe-centrifuge_7]

Figure 1-7: Dégâts de cavitation sur les éléments d’une pompe centrifuge. [2]

Avantages et inconvénients des pompes centrifuges

Voici quelques avantages et inconvénients que l’on peut rencontrer sur une pompe centrifuge regroupés dans le tableau 1-2. [6]

Tableau 1-2: Avantages et inconvénients des pompes centrifuges