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Risques et Précautions liés au Matériel POMPES TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES POMPES CENTRIFUGES D5 -2/A Ingénieurs en Sécurité Industrielle I - DESCRIPTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE SIMPLE ......................................................... 1 II - FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE...

Description

Risques et Précautions liés au Matériel

POMPES TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES POMPES CENTRIFUGES

D5

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - DESCRIPTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE SIMPLE ......................................................... 1 II - FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE ............................................................... 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

Évolution de la pression et de la vitesse dans une pompe centrifuge.......................................... 2 Hauteur d'élévation créée par une pompe centrifuge ..................................................................3 Variation de la hauteur d'élévation en fonction du débit : caractéristique de la pompe ............... 4 Autres caractéristiques .................................................................................................................5 Variation des caractéristiques ...................................................................................................... 6 Mise en place d’une pompe centrifuge sur un circuit ................................................................. 10 Marche en série - Marche en parallèle....................................................................................... 11 Démarrage ................................................................................................................................ 13 La cavitation ...............................................................................................................................13

III - TYPES DE POMPES CENTRIFUGES ET EFFORTS DUS À L'HYDRAULIQUE .................. 16 1 2 3 4

-

Principaux types de pompes centrifuges.................................................................................... 16 Efforts dus à l’hydrauliques dans les pompes ............................................................................20 Influence du jeu aux bagues d'usure et aux ailettes de dos....................................................... 25 Effet des forces hydrauliques sur la fiabilité de la pompe .......................................................... 27

IV - CIRCUITS AUXILIAIRES ........................................................................................................ 28 1 2 3 -

Les circuits de purge et d’évent .................................................................................................28 Les circuits de refroidissement ...................................................................................................28 Arrosage de la garniture (flushing) et quench ............................................................................30

PLANCHES Planche n°0 Planche n°1 Planche n°2 Planche n°3 Planche n°4 Planche n°5 Planche n°6 Planche n°7 Planche n°8 Planche n°9 Planche n°10 Planche n°11 Planche n°12 Planche n°13 Planche n°14 Planche n°15

: : : : : : : : : : : : : : : :

Environnement d'une pompe centrifuge en unité Pompe centrifuge monocellulaire – En porte à faux – Pompe centrifuge monocellulaire – Roue en porte à faux – Pompe centrifuge process – À plan de joint radial : Roue à 2 ouïes – Pompe "In Line" – À joint radial – Pompe "In Line" – Haute vitesse – Pompe "In Line" – Joint axial, roue à 2 ouïes – Pompe centrifuge à 2 roues – Plan de joint radial conforme API – Pompe centrifuge multicellulaire – Plan de joint horizontal conforme API 610-8eme – Pompe muticellulaire – Joint radial et disque d'équilibrage – Pompe verticale de pied Pompe verticale – À barrel extérieur – Pompe hydraulique Vortex Pompe horizontale – Pour produits chimiques – Pompe sans garniture – À rotor noyé – Pompe à entraînement magnétique – À aimants permanents –

MT POM - 01619_B_F - Rév. 3

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„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

19/04/2005

-2/A

1

I-

D 5 -2/A

DESCRIPTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE SIMPLE Les pompes centrifuges sont le type de pompe le plus répandu en raffinerie et usines chimiques. Leur fonction est d'assurer le débit de liquide souhaité par l'exploitant mais dans des conditions de pression imposées par les procédés et les applications, avec des contraintes particulières à l'installation, l'environnement, la fiabilité, la sûreté, etc. La pompe centrifuge la plus simple est la pompe monocellulaire à roue en porte à faux comme représentée sur le schéma ci-dessous.

Refoulement Corps de palier

Joint de corps Double volute Impulseur roue Corps de pompe

Labyrinthe d'étanchéité

Boîtier à roulement

Anneau de lubrification

Bagues d'étanchéité Bagues de fond

Garniture mécanique

Bouchon de purge Corps de garniture

D T 424 B

Arbre

Chemise de garniture

Pompe centrifuge monocellulaire (en porte à faux) Cette pompe est composée d'éléments statiques et de pièces tournantes. On distingue dans les éléments statiques : -

le corps de pompe sur lequel se trouvent les tubulures et brides d'aspiration et de refoulement, la volute et les pieds (ou pattes) de fixation sur le châssis le corps de garniture (ou plateau de garnitures) fermant l'arrière du corps de pompe, est traversé par l'arbre et reçoit le système d'étanchéité (tresses ou garniture mécanique) le corps de palier dans lequel sont montés des roulements ou des paliers à coussinet et qui contient le système de lubrification. Le corps de palier possède souvent une béquille de supportage.

Les parties tournantes ou rotor composé de l'arbre sur lequel sont montés les roulements, l'impulseur (ou roue), le moyen d'accouplement et les pièces tournantes de la garnitures mécaniques. 01619_B_F

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L’ensemble mobile appelé rotor se compose : -

d’un arbre sur lequel sont montés : • • •

-

un impulseur (ou roue) un accouplement permettant la liaison avec la machine d’entraînement diverses pièces telles que chemises d’arbre, déflecteur ou labyrinthe d’étanchéité, écrous de fixation, …

d’éléments liant le rotor et les pièces fixes et donc soumises à frottement : • •

les roulements la garniture d’étanchéité

Parmi ces différentes pièces, l’impulseur et la volute sont celles qui sont directement impliquées dans la fonction de pompage de la machine. Au travers elles, se produisent les variations de vitesse et de la pression du liquide.

II -

FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE 1 - ÉVOLUTION DE LA PRESSION ET DE LA VITESSE DANS UNE POMPE CENTRIFUGE Le schéma ci-dessous montre l’évolution de la vitesse et de la pression dans la pompe.

yy ;; ; y ;; yy ; y ;;y; yy

Tubulure de refoulement

Pression Vitesse Pression

Vitesse

Roue PR

∆P volute

∆P pompe

Aspiration

Chute de pression ≅ NPSH pompe

Volute

1

2

3

5

4

0 Tubul. d'aspir.

Roue Pompe

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Tub. ref. + volute

D T 017 B

Tubulure d'aspiration

∆P roue

PA

3

D 5 -2/A

Du schéma ci-avant on peut noter que :

2-

-

la vitesse à l'entrée de la pompe est de l'ordre de 1 m/s à 2 m/s, la vitesse à la sortie autour de 3 à 7 m/s.

-

la vitesse en sortie de roue est de l'ordre de grandeur de la vitesse périphérique c'est-à-dire entre 20 et 50 m/s.

-

la pression d'aspiration dépend de l'installation

-

la volute, comportant une section de passage croissante, permet un ralentissement du liquide et la transformation de l’énergie de vitesse en énergie de pression (ce gain de pression constitue une part importante de la pression totale fournie par la pompe.

-

la mise en vitesse , les pertes de charge dans la tubulure d'aspiration et les chocs du liquide contre les aubages occasionnent une chute de pression à l'entrée de la roue. Cette chute de pression, exprimée en mètre de liquide, est appelée le NPSH de la pompe ou NPSH requis.

HAUTEUR D'ÉLÉVATION CRÉÉE PAR UNE POMPE CENTRIFUGE L'énergie que fournit la pompe au liquide se présente sous 2 formes : -

de l'énergie de pression, correspondant à l'augmentation de pression dans la pompe

-

de l'énergie cinétique, correspondant à l'augmentation de vitesse du liquide entre l'aspiration et le refoulement

L'énergie de la pompe fournit au fluide est appelée hauteur d'élévation et s'exprime, en mètres de liquide, de la façon suivante : H élévation

=

∆P x 10,2 d

123

123

énergie fournie par la pompe au liquide en mètres

énergie due à l'accroissement de pression dans la pompe

+

2 2 v ref – vasp 20

123 différence d'énergie cinétique entre le refoulement et l'aspiration

v : vitesse en m/s ∆P : pression en bar d : densité du liquide Dans de nombreux cas la différence d'énergie cinétique est négligeable au regard de l'augmentation de pression. La mesure des pressions doit se faire dans un même plan de référence. Si les manomètres ne sont pas au même niveau il faut corriger la hauteur d'élévation de la différence de niveau.

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3 - VARIATION DE LA HAUTEUR D'ÉLÉVATION EN FONCTION DU DÉBIT : CARACTÉRISTIQUE DE LA POMPE La courbe représentant la variation de hauteur en fonction du débit s’appelle la caractéristique "hauteur d'élévation" H(Q) de la pompe. Pour chaque pompe, une courbe est fournie par le constructeur. Elle a été établie par un essai de la pompe sur un banc. Hauteur d'élévation totale (m de liquide)

D T 019 B

H

Q

Débit volume (m3/h)

– Courbe caractéristique hauteur d'élévation fonction du débit volume – Selon le type de la pompe, son rôle, ses spécifications, la courbe caractéristique peut prendre diverses allures. Les formes de la roue, le nombre et l'inclinaison des aubages, la volute permettent au constructeur d'adapter la caractéristique aux exigences de l'utilisateur. H

H

Q Courbe en cloche

Q Courbe plate

Q Courbe tombante

Les courbes les plus courantes dans les pompes procédé sont de type "plate" ou 'en cloche".

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D T 020 B

H

5

4-

D 5 -2/A

AUTRES CARACTÉRISTIQUES • Le rendement et la puissance Le rendement de la pompe est le rapport entre la puissance hydraulique (reçue par le liquide) et la puissance mécanique fournie à la pompe. Ce rendement varie en fonction du débit. Il est représenté par une courbe fournie par le constructeur de la pompe. Le rendement permet de déterminer la puissance sur l'arbre connaissant la puissance hydraulique. Le meilleur rendement de la pompe détermine le débit nominal pour lequel correspond la hauteur nominale et la puissance nominale. Les rendements maxi sont de l'ordre de : -

70 % pour les pompes procédé à 3000 tr/min 80 % pour les pompes procédé à 1500 tr/min 80 % pour les pompes de forte puissance 50 à 60 % pour les petites pompes H H

η

P

HN

PN

Pa pour d

η maxi D T 400 A

η

Q nomimal La puissance sur l'arbre est une caractéristique de la pompe permettant de déterminer le moteur d'entraînement. Cette puissance se calcule à partir de la connaissance pour un débit donné de la hauteur, du rendement et de la densité.

H x Q x d Pa = = 367 x η η

PH

P en kW

H en m Q en m 3 /h d : densité η : rendement de la pompe

La puissance est proportionnelle à la densité du liquide véhiculé. Le constructeur trace éventuellement la courbe de puissance pour de l'eau (d = 1) et la calcule pour une autre valeur.

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D 5 -2/A

La puissance sur l'arbre est pour les pompes centrifuges pratiquement toujours croissante avec le débit. Lorsque le débit est nul c'est-à-dire lorsque la vanne de refoulement est fermée par exemple, la puissance est comprise entre 40 et 60 % de la puissance nominale.

Pa Q = 0 = 0,4 à 0,6 Pnominale Dans ce cas toute la puissance est dissipée sous forme de chaleur dans le liquide avec le risque de vaporisation du liquide si celui-ci se trouve dans des conditions proches de sa température d'ébullition. • Le NPSH requis Le constructeur de la machine doit également fournir la courbe de NPSH en fonction du débit. Celle-ci est généralement tracée entre 40 et 50 % et 100 à 110 % du débit nominal.

D T 401 A

NPSH

QN

Qv

La valeur du NPSH au débit nominal est de l'ordre de : -

3 à 4 m pour des pompes procédé à 3000 tr/min 2 à 2,5 m pour des pompes à 1500 tr/min sans équipement spécifique pour diminuer le NPSH les pompes à haute vitesse ont des NPSH pouvant atteindre 10 m.

D'une façon générale, plus la vitesse de rotation ou plus la vitesse d'entrée du liquide dans la roue est élevée, plus le NPSH est grand.

5-

VARIATION DES CARACTÉRISTIQUES Les pompes centrifuges doivent s'adapter aux conditions d'exploitation de l'installation. On utilise pour cela généralement une vanne sur le circuit de refoulement. Cette solution par vanne peut s'avérer onéreuse ou peu fiable. Il faut donc parfois adapter les pompes centrifuges à une nouvelle fonction de pompage soit en modifiant le diamètre de leur roue, soit en modifiant la vitesse de rotation. Les caractéristiques sont également liées à la viscosité du produit pompé. a - Réduction du diamètre des roues (rognage) Modifier le diamètre de roue revient à modifier la hauteur et le débit de la pompe. Un rognage (réduction du diamètre), entraîne une réduction notable de la puissance. Cette solution est cependant irréversible et demande donc une certaine prudence sur la valeur à rogner.

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D 5 -2/A

H C

B

D E P

H H'p

E'

G

P'

D

D T 402 A

G'

D'

0

Q'p

Qv

Q

En première approximation la caractéristique de hauteur pour un diamètre D' déduite point par point de la caractéristique pour le diamètre D par les formules suivantes :

D' 2 Q' ≈ [ ] Q D

D' 2 H' ≈[ ] D H

En fait, la démarche habituelle est de déterminer le rognage à effectuer à partir d'un point de fonctionnement désiré P', défini par une hauteur d'élévation H'P et un débit Q'P. La droite OP' coupe la courbe de hauteur de la roue, fournie par le constructeur, en P.

;yy;y;y; y;y;

Dans ce cas, le rapport des diamètres est en première approximation égal à : D' ≈ D

√ OP' OP

D T 027 A

Les formes recommandées pour le rognage de roues sont les suivantes :

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D 5 -2/A

b - Modification de la vitesse de rotation Un changement de la vitesse de rotation conduit à modifier la courbe caractéristique hauteur d'élévation-débit de la pompe suivant les règles suivantes :

H B1 C1

Courbe équirendement D1

B2 H1

n1

D2

D T 403 A

C2

H2

n2

Q2 Q1

Q1 n1 = Q2 n2

et

H 1  n1 2 =  H 2  n2

La variation de la vitesse permet de faire varier le débit sur une très large plage. L'investissement et l'exploitation d'un système de variation de vitesse ne se justifie cependant pas souvent sur un plan économique. c - Modification en fonction de la viscosité Les courbes données par le constructeur sont établies avec de l'eau, c’est-à-dire avec un liquide de viscosité de 1 cSt. Elles restent valables pour des liquides dont la viscosité est inférieure à 10 ou 20 cSt. Le graphique ci-dessous met en évidence la détérioration des caractéristiques de la pompe lorsque la viscosité du fluide augmente. Les coefficients correcteurs de débit (KQ), de rendement (Kη) et de hauteur (K H) permettent d’établir les caractéristiques de la pompe pour une viscosité donnée. La correction la plus importante est celle qui porte sur le rendement. Pour le cas étudié : Q = 170 m3/h, H = 30 m et ν = 200 cSt ; la correction est de 0,65 sur le rendement de la pompe. La perte de débit est de 5% (95% pour K Q) et la perte de H est de 8 % (KH = 92 %). L'augmentation de la viscosité d'un liquide s'accompagne généralement d'une augmentation de sa densité ce qui a pour conséquence d'augmenter la puissance sur l'arbre de la pompe et le déclenchement de la protection thermique du moteur électrique.

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D 5 -2/A — Extrait du "Standart of the Hydraulic Institute", New York, USA 1995 —

1,0 0,9

KH

0,8

0,6Q 0,8Q 1,0Q 1,2Q

0,7 1,0 0,9 0,8 KQ

0,7 0,6 0,5 0,4 — Centistokes — 60,5 6,25 11,8 16,5 21,2 33,4 45,2 76

114

152 228 350 610 915 1670 3190 190 304 456 760 1217 2280

Kη

— Hauteur de refoulement H en mètres —

0,3

200 150 100 80 60 40 30 25 20 15 10 8 6

20

420 300

30

40

50 60

80

100

2 2,5 3

150

200

4,5

6 8 10 15 20 30 50 80 120 220 25 40 60 100 160 Viscosité Engler 300

400 500 600

800 1000 1500 2000 — Débit Q en m3/h —

– Correction des caractéristiques d'une pompe centrifuge pour fluides visqueux – 01619_B_F

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D T 404 A

1,5

10

6-

D 5 -2/A

MISE EN PLACE D’UNE POMPE CENTRIFUGE SUR UN CIRCUIT P2 Vanne de régulation du débit ∆Pf

H1

H2

D T 405 A

P1

La pompe doit fournir au fluide une énergie suffisante pour vaincre : -

la variation de hauteur H2 - H1 = ∆H la variation de pression P2 - P1 = ∆P les pertes de charge dans la ligne ∆Pf

Les 2 premiers facteurs sont généralement constants, car liés au procédé et à l'installation. Les pertes de charge sont proportionnelles au carré du débit et dépendent de la position de la vanne de réglage.

Vanne

de +

n an

e

H

n or marc ma h le e

On peut représenter l'énergie demandée par le circuit, aussi appelée résistance du circuit, par une courbe ayant l’allure suivante :

en

+f V erm é

e

n

de gran e n Van rte ouve

D T 406 A

hf à Q pour position normale de vanne automatique

e

∆H +∆P en m Q Caractéristique du circuit

01...