Pompe centrifuge à haut rendement

  Pompes centrifuges Les pompes centrifuges sont largement utilisées dans la production industrielle et les systèmes d'ingénierie pour le transport de divers fluides liquides. Cependant, en fonctionnement, un phénomène de cavitation, affectant gravement leurs performances et leur durée de vie, se produit fréquemment. La cavitation réduit non seulement l'efficacité des pompes centrifuges, mais endommage également des composants essentiels tels que les roues, et peut même entraîner la mise au rebut complète de l'équipement. Par conséquent, l'étude et la compréhension des causes de la cavitation dans les pompes centrifuges sont cruciales pour une conception rationnelle, une installation correcte et un fonctionnement sûr de ces pompes. Ci-dessous, Anhui Shengshi Datang vous fournira une introduction détaillée. 1. Concept de base de la cavitation La cavitation désigne le phénomène qui se produit lorsque, lors du passage d'un liquide dans la roue d'une pompe, la pression locale chute en dessous de la pression de vapeur saturante du liquide à sa température de fonctionnement. Il en résulte une vaporisation partielle du liquide et la formation de nombreuses bulles de vapeur. Entraînées par le flux de liquide vers une zone de pression plus élevée, ces bulles voient la pression environnante augmenter rapidement, provoquant leur implosion instantanée et leur condensation. L'implosion de ces bulles génère des ondes de choc intenses et des températures localement élevées, qui impactent la surface de la roue et peuvent entraîner des piqûres de fatigue ou un écaillage du métal. C'est le phénomène de cavitation observé dans les pompes centrifuges. La cavitation résulte de l'action combinée de la dynamique des fluides et de la thermodynamique. Sa cause fondamentale est la répartition inégale de la pression au sein du liquide. Lorsque la vitesse d'écoulement locale est trop élevée ou que la géométrie est inadaptée, la pression locale chute, déclenchant un processus cyclique de vaporisation et d'implosion des bulles. 2. Cause première de la cavitation La cavitation dans les pompes centrifuges est principalement due à la chute de la pression locale du liquide à l'intérieur de la pompe en dessous de sa pression de vapeur saturante à cette température. Dans une pompe centrifuge, le liquide s'écoule du tuyau d'aspiration vers l'entrée de la roue. À mesure que le passage se rétrécit, la vitesse du liquide augmente et la pression statique diminue. Lorsque la pression locale atteint la pression de vapeur saturante, le liquide commence à se vaporiser, générant des bulles. Ces bulles sont entraînées vers la zone de haute pression, au centre et à la sortie de la roue, où elles implosent rapidement. Les ondes de choc à haute énergie libérées lors de l'implosion des bulles provoquent l'érosion du métal à la surface de la roue, une augmentation des vibrations et du bruit de la pompe, ainsi que des problèmes tels qu'une réduction du débit et de la hauteur manométrique. 3. Principaux facteurs à l'origine de la cavitation a. Aspiration excessive : Si la pompe est installée trop haut ou si le niveau de liquide à l'aspiration est trop bas, la pression à l'aspiration diminue. Lorsque le liquide s'écoule vers l'entrée de la roue, la pression chute encore. Lorsqu'elle devient inférieure à la pression de vapeur saturante, la vaporisation se produit. Si la hauteur d'aspiration dépasse la NPSH (hauteur d'aspiration nette positive) admissible, la cavitation est inévitable. b. Résistance excessive de la conduite d'aspiration : Une conduite d'aspiration trop longue, trop étroite, comportant trop de coudes ou une vanne partiellement fermée, engendre des pertes de charge importantes par frottement et des pertes de pression locales. La diminution de pression à l'aspiration entraîne une chute de pression supplémentaire à l'entrée de la roue, favorisant la cavitation. De plus, une fuite d'air ou une mauvaise étanchéité de la conduite d'aspiration peut introduire du gaz dans le liquide, aggravant ainsi la cavitation. c. Température du liquide excessivement élevée : L'augmentation de la température d'un liquide accroît significativement sa pression de vapeur saturante, le rendant plus susceptible à la vaporisation. Par exemple, la pression de vapeur saturante de l'eau est relativement faible à température ambiante, mais augmente considérablement à haute température. Même si la pression d'aspiration reste inchangée, les conditions de vaporisation peuvent être réunies lorsque la température augmente, déclenchant ainsi la cavitation. d. Pression d'entrée faible ou pression ambiante réduite : Lorsque la pression à la source d'aspiration de la pompe diminue (par exemple en raison d'une baisse du niveau de liquide, d'un vide dans le réservoir d'alimentation ou d'une faible pression atmosphérique ambiante, comme à haute altitude), la pression à l'orifice d'aspiration devient insuffisante, ce qui facilite grandement la vaporisation du liquide à l'entrée de la turbine. e. Conception ou installation incorrecte de la pompe : La conception structurelle de la pompe influe directement sur ses performances en matière de cavitation. Par exemple, un diamètre d'entrée de roue trop petit, un angle d'attaque des pales inadéquat ou une surface de roue rugueuse peuvent engendrer un écoulement instable, provoquant une chute de pression locale importante. De plus, le non-respect des exigences de NPSH requis (NPSHr) fournies par le fabricant lors de l'installation, ou une installation de la pompe à une hauteur excessive, peuvent également induire de la cavitation. f. Conditions de fonctionnement incorrectes : Lorsque la pompe fonctionne à des débits s'écartant du point de conception, fonctionne pendant des périodes prolongées à faible débit ou lors de réglages brusques des vannes, la répartition de la pression du fluide change, ce qui peut également provoquer une vaporisation et une cavitation locales. 4. Effets et risques de la cavitation Les risques de cavitation pompes centrifuges se manifestent principalement sous les aspects suivants : a. Dommages à la surface métallique : Les chocs à haute pression générés par l'implosion des bulles provoquent une érosion par piqûres à la surface de la roue. À long terme, cela peut entraîner une fatigue du matériau, un écaillage, voire une perforation de la roue. b. Dégradation des performances : La cavitation entraîne une réduction significative du débit, de la hauteur manométrique et du rendement, modifiant ainsi les courbes caractéristiques de la pompe. c. Vibrations et bruit : Les forces d'impact générées par la cavitation provoquent des vibrations mécaniques et un bruit à haute fréquence, affectant le fonctionnement stable de l'équipement. d. Durée de vie réduite : Un fonctionnement prolongé en conditions de cavitation accélère l'usure mécanique, réduisant ainsi la durée de vie des roulements, des joints d'étanchéité et de la turbine. 5. Mesures de prévention de la cavitation Pour prévenir ou atténuer la cavitation, des mesures doivent être prises du point de vue de la conception, de l'installation et de l'exploitation : a. Choisissez une hauteur d'installation raisonnable pour assurer une pression suffisante du côté aspiration, rendant le NPSH disponible (NPSHa) supérieur au NPSH requis de la pompe (NPSHr). b. Optimiser la conduite d'aspiration en raccourcissant sa longueur, en réduisant le nombre de coudes, en augmentant le diamètre du tuyau, en maintenant les vannes d'aspiration complètement ouvertes et en évitant les entrées d'air. c. Contrôler la température du liquide en refroidissant ou en abaissant la température du réservoir de stockage afin de réduire la pression de vapeur saturante du liquide. d. Augmenter la pression d'entrée, par exemple, en installant une pompe de surpression, en pressurisant la surface du liquide ou en plaçant le récipient contenant le liquide à une altitude plus élevée. e. Améliorer la structure de la roue en utilisant des matériaux et des géométries présentant de bonnes propriétés anti-cavitation, comme l'ajout d'un inducteur ou l'optimisation de l'angle d'entrée de la pale. f. Maintenez la pompe en fonctionnement près de son point de conception, en évitant un fonctionnement prolongé à faible débit ou dans d'autres conditions de fonctionnement anormales. En résumé, la cavitation dans les pompes centrifuges est principalement due à une pression du liquide trop faible à l'entrée de la roue, inférieure à sa pression de vapeur saturante, ce qui provoque la vaporisation et l'implosion des bulles. Parmi les facteurs spécifiques à l'origine de ce phénomène, on peut citer une hauteur d'aspiration excessive, une résistance à l'aspiration excessive, une température du liquide élevée, une pression d'entrée trop faible et une conception ou une utilisation inadéquate. La cavitation affecte non seulement les performances de la pompe, mais cause également des dommages importants à l'équipement. Par conséquent, la prévention et le contrôle de la cavitation doivent être des priorités tant lors de la conception que lors de l'exploitation. En configurant rationnellement le système, en optimisant les paramètres structurels et en améliorant les conditions de fonctionnement, on peut garantir un fonctionnement sûr et efficace des pompes. Des pompes centrifuges peuvent être garanties.  

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.