Dynamique des fluides des pompes centrifuges

Principe de fonctionnement des pompes centrifuges Le principe de fonctionnement de pompes centrifuges Le fonctionnement repose sur l'action de la force centrifuge. Lorsque la turbine tourne à grande vitesse, le liquide est projeté du centre de la turbine vers le bord extérieur sous l'effet de la force centrifuge, gagnant ainsi de l'énergie cinétique et de l'énergie de pression. Le processus de fonctionnement est le suivant : 1. Le liquide pénètre dans la zone centrale de la roue par l'entrée d'aspiration de la pompe. 2. La rotation de la roue génère une force centrifuge, provoquant le déplacement du liquide du centre de la roue vers le bord extérieur le long des passages des pales. 3. Le liquide acquiert de l’énergie cinétique et de l’énergie de pression dans la roue et est ensuite déchargé dans le corps de la pompe. 4. À l'intérieur du boîtier de la pompe, une partie de l'énergie cinétique du liquide est convertie en énergie de pression et le liquide est finalement évacué par la sortie. Lors du fonctionnement d'une pompe centrifuge, la roue convertit l'énergie mécanique en énergie du liquide. À mesure que le liquide traverse la roue, sa pression et sa vitesse augmentent. Selon l'équation de Bernoulli, l'augmentation de l'énergie totale du liquide se manifeste principalement par une augmentation de l'énergie de pression, permettant à la pompe centrifuge de transporter le liquide à une altitude plus élevée ou de surmonter une résistance plus importante du système. Il est important de noter que le fonctionnement normal d'une pompe centrifuge requiert que sa cavité soit remplie de liquide. En effet, la force centrifuge n'agit que sur les liquides et non sur les gaz. En présence d'air dans la cavité, la pompe ne pourra pas monter en pression normalement, ce qui entraînera un « bouchon de vapeur », lequel finira par provoquer une cavitation. Analyse des causes de cavitation des pompes centrifuges 1. Fluide d'admission inadéquat ou pression d'admission insuffisante Un fluide d'admission inadéquat est l'une des causes les plus fréquentes de cavitation des pompes centrifuges. Les situations suivantes peuvent entraîner un fluide d'admission insuffisant : a. Niveau de liquide bas : Lorsque le niveau de liquide dans une piscine, un réservoir ou un conteneur de stockage tombe en dessous du tuyau d'aspiration de la pompe ou du niveau minimum efficace, la pompe peut aspirer de l'air au lieu du liquide, ce qui entraîne une cavitation. b. Aspiration excessive : Pour les pompes centrifuges non auto-amorçantes, si la hauteur d'installation dépasse la hauteur d'aspiration autorisée, même si la conduite d'aspiration est immergée dans le liquide, la pompe ne pourra pas aspirer le liquide, ce qui entraînera un manque de liquide à l'intérieur. Selon les principes physiques, la hauteur d'aspiration maximale théorique des pompes centrifuges non auto-amorçantes est d'environ 10 mètres de colonne d'eau (pression atmosphérique). Cependant, compte tenu des différentes pertes, la hauteur d'aspiration réelle est généralement inférieure à 6-7 mètres. c. Pression d'entrée insuffisante : Dans les applications nécessitant une pression d'entrée positive, si la pression d'entrée fournie est inférieure à la valeur requise, la pompe peut subir une alimentation en liquide inadéquate, provoquant une cavitation. d. Mauvaise conception du système : Dans certaines conceptions de systèmes, si la conduite d'aspiration est trop longue, le diamètre du tuyau est trop petit ou s'il y a trop de coudes, la résistance de la conduite augmente, réduisant la pression d'entrée et empêchant la pompe centrifuge d'aspirer correctement le liquide. Des études de cas montrent qu'environ 35 % des pannes de pompes centrifuges dans l'industrie pétrochimique sont dues à un fluide d'admission inadéquat ou à une pression d'admission insuffisante. Ce problème est particulièrement fréquent dans les systèmes de transport pétrolier en raison de la viscosité et de la pression de vapeur élevées des produits pétroliers. 2. Blocage dans la conduite d'admission L'obstruction de la conduite d'admission est une autre cause fréquente de cavitation des pompes centrifuges. Les manifestations spécifiques incluent : a. Écrans ou filtres obstrués : Lors d'un fonctionnement à long terme, les tamis ou filtres de la canalisation d'admission peuvent être progressivement obstrués par des impuretés ou des sédiments, limitant ainsi le débit du liquide. b. Formation de tartre à l'intérieur du pipeline : En particulier lors de la manipulation d'eau dure, d'eau à forte teneur en ions calcium et magnésium ou de liquides chimiques spécifiques, du tartre ou des dépôts cristallins peuvent se former sur les parois intérieures de la canalisation, réduisant ainsi le diamètre effectif au fil du temps. c. Entrée d'objet étranger : L'entrée accidentelle d'objets tels que des feuilles, des sacs en plastique ou des plantes aquatiques dans la conduite d'aspiration peut bloquer les coudes ou les vannes, obstruant ainsi l'écoulement du liquide. d. Vannes partiellement fermées : Des erreurs opérationnelles, telles que l'absence d'ouverture complète des vannes de la conduite d'aspiration ou des dysfonctionnements internes des vannes, peuvent également entraîner un débit insuffisant. e. Défaillance du clapet de pied : Dans les systèmes équipés de clapets de pied, si le clapet de pied fonctionne mal (par exemple, déformation du ressort ou endommagement de la surface d'étanchéité), cela peut affecter la capacité de la pompe à aspirer correctement le liquide. Les données statistiques indiquent qu'environ 25 % des cas de cavitation des pompes centrifuges dans les réseaux municipaux d'approvisionnement en eau et de drainage sont dus à des obstructions des canalisations d'admission. Ce problème est particulièrement fréquent dans les systèmes de traitement des eaux usées présentant des niveaux élevés de matières en suspension.     3. Élimination incomplète de l'air de la cavité de la pompe L'évacuation incomplète de l'air de la cavité de la pompe est une cause importante de cavitation des pompes centrifuges. Les principales manifestations sont les suivantes : a. Amorçage inadéquat avant le démarrage initial : Après l'installation initiale ou un arrêt prolongé, les pompes centrifuges doivent être amorcées pour éliminer l'air du corps. Si l'amorçage est insuffisant, l'air résiduel peut empêcher la pompe d'atteindre une pression de service normale. b. Capacité d'auto-amorçage insuffisante : Les pompes centrifuges non auto-amorçantes ne peuvent pas expulser l'air par elles-mêmes et dépendent d'un amorçage externe. Bien que certaines pompes auto-amorçantes aient une certaine capacité d'auto-amorçage, des méthodes de démarrage incorrectes ou une hauteur d'auto-amorçage excessive peuvent entraîner une mauvaise expulsion de l'air. c. Fuites d'air dans le système de canalisations : De légères fissures dans les raccords des conduites d'aspiration, les points d'étanchéité ou les conduites vieillissantes peuvent permettre à l'air de pénétrer dans le système sous pression négative. Ceci est particulièrement dangereux, car même si la pompe est correctement amorcée initialement, de l'air peut s'accumuler avec le temps, provoquant à terme une cavitation. d. Défaillance du joint : Des joints d'arbre usés ou mal installés (par exemple, des joints mécaniques ou des joints d'étanchéité) peuvent permettre à l'air extérieur de pénétrer dans la pompe, en particulier lorsque la pression côté aspiration est inférieure à la pression atmosphérique. Dans les applications industrielles, environ 20 % des cas de cavitation des pompes centrifuges sont dus à une évacuation incomplète de l'air de la cavité de la pompe. Ce problème est particulièrement fréquent lors du démarrage initial après l'installation ou la maintenance. 4. Autres causes Outre les principales causes mentionnées ci-dessus, d’autres facteurs peuvent également conduire à la cavitation des pompes centrifuges : a. Vaporisation liquide : Lors de la manipulation de liquides à haute température ou très volatils, si la pression de la conduite d'aspiration descend en dessous de la pression de vapeur saturante du liquide à cette température, celui-ci peut se vaporiser et former des bulles. Cela peut empêcher la pompe d'aspirer le liquide ou provoquer une cavitation. b. Erreurs opérationnelles : Les facteurs humains, tels qu’un fonctionnement incorrect de la vanne ou le non-respect des procédures de démarrage, peuvent entraîner une cavitation de la pompe. c. Dysfonctionnements du système de contrôle : Dans les systèmes de contrôle automatisés, les défaillances des capteurs de niveau, des capteurs de pression ou des erreurs dans la logique de programmation de l'API peuvent entraîner le démarrage ou le fonctionnement de la pompe dans des conditions inappropriées, entraînant une cavitation. d. Problèmes d’alimentation ou de moteur : Une séquence de phases d'alimentation incorrecte entraînant une inversion du moteur peut empêcher la pompe d'aspirer correctement le liquide. Une instabilité de tension entraînant des fluctuations de vitesse du moteur peut également perturber le fonctionnement normal de la pompe. e. Effets de la température : Dans des conditions environnementales extrêmes, comme dans les régions froides, une isolation inadéquate peut entraîner le gel du liquide présent dans la canalisation, obstruant ainsi l'écoulement. Dans les environnements à haute température, les liquides peuvent se vaporiser et former des bouchons de vapeur. Les recherches indiquent que ces autres causes sont responsables d'environ 20 % des cas de cavitation des pompes centrifuges. Bien que cette proportion soit relativement faible, elles peuvent constituer des facteurs importants dans des situations ou des conditions spécifiques et ne doivent pas être négligées.