Dépannage des pompes centrifuges : faible débit ou pas de décharge

1. Description du problème et de sa portée

Ce guide de diagnostic est conçu pour les ingénieurs et les techniciens de service qui rencontrent des pompes centrifuges présentant une réduction significative du débit volumétrique ou une absence totale de refoulement. Les problèmes d’approvisionnement en fluide font partie des pannes les plus courantes des pompes centrifuges en milieu industriel, pouvant entraîner des arrêts de production, des dommages aux équipements et des pertes financières importantes. Des diagnostics efficaces et rapides sont essentiels pour minimiser les temps d’arrêt.

1.1. Définition des symptômes

• Faible débit : La pompe fonctionne, mais le débit est inférieur à celui nominal ou attendu.
• Pas d'amorçage : La pompe fonctionne, mais aucun liquide n'est fourni ou la pression de sortie reste proche de la pression d'aspiration.
• Niveau accru de bruit et de vibrations : Particulièrement caractéristique de la cavitation.
• Surchauffe de la pompe ou du moteur : peut indiquer une charge ou une friction accrue.
• Réduction de la pression de refoulement : La pression générée par la pompe est insuffisante pour vaincre la résistance du système.

1.2. Domaine d'application

Ce manuel couvre les pompes centrifuges utilisées dans une large gamme d'applications industrielles, notamment :

• Alimentation en eau et évacuation (EN 1092-1, EN ISO 9906)
• Industrie chimique et pétrochimique (API 610, ISO 13709)
• Industrie agroalimentaire (respect des normes d'hygiène)
• Énergie
• Systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC)

Classification des dysfonctionnements :

• Critique : Absence totale d'injection, ce qui entraîne un arrêt immédiat du processus de production.
• Primaire : Faible débit qui affecte considérablement la productivité ou la qualité du produit, provoquant potentiellement des dommages à l'équipement.
• Mineur : Une légère diminution du débit qui n'affecte pas de manière critique le processus, mais indique la phase initiale du développement d'un dysfonctionnement.

2. Mesures de sécurité

AVANT DE COMMENCER TOUT TRAVAIL DE DIAGNOSTIC OU DE RÉPARATION SUR L'ÉQUIPEMENT DE POMPAGE, LA SÉCURITÉ TOTALE DU PERSONNEL ET DE L'ÉQUIPEMENT DOIT ÊTRE ASSURÉE. LE NON-RESPECT DE CES PRÉCAUTIONS POURRAIT ENTRAÎNER DES BLESSURES GRAVES OU LA MORT.

• Verrouillage/Étiquetage (LOTO) : Avant toute intervention sur la pompe ou ses systèmes associés, il est SÛR d'effectuer une procédure de Verrouillage/Étiquetage conformément aux normes internes de l'entreprise et aux exigences de la norme DSTU EN 1032. Débrancher toutes les sources d'énergie (électrique, pneumatique, hydraulique) et installer des dispositifs de verrouillage et des étiquettes. Vérifiez l'absence de tension.
• Énergie résiduelle : veillez à ce que toute l'énergie résiduelle (par exemple, pression dans les pipelines, énergie potentielle de stockage, liquides chauds) soit évacuée ou détournée en toute sécurité. Ouvrez les vannes de vidange et dépressurisez le système.
• Équipement de protection individuelle (EPI) : Utilisez toujours des EPI appropriés : lunettes de sécurité, gants, casque, chaussures de sécurité, vêtements de protection. Lorsque vous travaillez avec des liquides agressifs ou chauds - EPI spécialisé supplémentaire.
• Surfaces chaudes : les pompes et les moteurs peuvent atteindre des températures élevées. Faites attention à éviter les brûlures.
• Danger chimique : Lorsque vous travaillez avec des liquides chimiquement actifs, suivez tous les protocoles de sécurité associés à ces substances (fiches de données de sécurité MSDS/SDS). Assurer une ventilation adéquate.
• Confirmation d'aucun mouvement : Après avoir coupé l'alimentation, assurez-vous que toutes les pièces mobiles sont arrêtées et ne peuvent pas démarrer accidentellement.
• Travaux en hauteur : Lors de travaux en hauteur, respectez les règles de sécurité, utilisez les systèmes de sécurité.

3. Outils de diagnostic nécessaires

Pour des diagnostics efficaces, l’ensemble d’outils suivant, conforme aux normes de l’industrie, est requis.

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de commencer un diagnostic détaillé, effectuez les étapes suivantes. Cela vous permettra de collecter des informations importantes qui aideront à affiner les causes potentielles du dysfonctionnement.

5. Algorithme de diagnostic systématique

Utilisez cet algorithme étape par étape pour identifier systématiquement la cause première d'un faible débit ou de l'absence de boost.

1. Vérification des conditions de base de la pompe
   1. SI la pompe ne démarre pas ou le moteur ne tourne pas :
      • Vérifiez l'alimentation du moteur (tension, fréquence).
      • Vérifiez la fonctionnalité du démarreur, du relais et des interrupteurs.
      • Cause probable : Défaut électrique ou blocage mécanique.
   2. La pompe IF démarre mais aucun débit ni pression :
      1. Passez à l'étape 2.
2. Évaluer la présence de liquide et d'air dans le système
   1. SI aucun liquide dans le corps de pompe (non rempli) :
      • Vérifier le niveau de liquide dans le réservoir d'aspiration.
      • Vérifier la vanne d'aspiration (complètement ouverte ?).
      • Remplissez la pompe et la conduite d'aspiration.
      • Cause probable : Remplissage (amorçage) insuffisant ou manque de liquide.
   2. SI il y a des signes d'un bouchon d'air ou d'une aspiration d'air :
      • Observez les sections claires, écoutez les sifflements.
      • Vérifiez tous les raccords sur la conduite d'aspiration pour déceler des fuites.
      • Vérifiez les joints de la garniture de la pompe.
      • Essayez d'évacuer l'air par les vannes de ventilation.
      • Cause probable : Bourrage d'air ou aspiration d'air.
   3. SI la pompe est amorcée et qu'il n'y a aucun signe d'air :
      1. Passez à l'étape 3.
3. Mesure de la pression d'aspiration et de refoulement
   1. A l'aide de manomètres et de vacuomètres (Chapitre 3) :
      • Mesurer la pression à l'entrée (P_vsm) et à la sortie (P_nagn) de la pompe.
   2. IF P_vsm est très faible (proche du vide ou bien en dessous du NPSHa nominal) et il y a un bruit/vibration de cavitation :
      • Cause probable : Cavitation due à des problèmes d'aspiration (résistance hydraulique élevée, niveau de liquide faible, température de liquide élevée).
      • Vérifier les filtres, le diamètre du tuyau d'aspiration et la hauteur d'aspiration.
      • Accédez à Analyse des causes profondes : Cavitation.
   3. IF P_nagn est très faible, mais P_vsm est normal, et il n'y a aucun signe de cavitation :
      • Cause probable : Problèmes avec la roue (usure, dommage, colmatage) ou mauvais sens de rotation.
      • Vérifier le sens de rotation du moteur (voir marquage).
      • Arrêtez la pompe, effectuez la procédure LOTO, effectuez une inspection visuelle de la roue (à l'aide d'un endoscope ou démontage).
      • Accédez à Analyse des causes profondes : Usure de la turbine.
   4. IF P_nagn et P_vsm semblent normaux pour une vanne d'injection fermée, mais aucun débit avec une vanne ouverte :
      • Cause probable : Résistance excessive dans le système d'injection (conduites obstruées, vannes fermées, caractéristique du système mal calculée).
      • Vérifiez toutes les vannes de la ligne d'injection, les filtres et les échangeurs de chaleur.
      • Accédez à Analyse des causes profondes : Analyse des caractéristiques du système.
4. Analyse des vibrations et du bruit
   1. Utilisation de l'analyseur de vibrations (Chapitre 3) :
      • Mesurez le niveau de vibration sur le corps de la pompe et les roulements.
      • Comparez les valeurs avec les valeurs admissibles selon la norme ISO 10816 (pour la classe d'équipement).
      • Norme : Vitesse de vibration ≤ 4,5 mm/s (RMS) pour les pompes industrielles.
      • Alarme : Vitesse de vibration > 7,1 mm/s (RMS).
   2. SI niveau de vibration élevé avec bruits caractéristiques de « fissure » ou de « gravier » :
      • Cause probable : Cavitation.
      • Vérifiez le NPSHa (tête d'aspiration disponible).
      • Accédez à Analyse des causes profondes : Cavitation.
   3. Les vibrations IF sont élevées, mais sans bruits de cavitation caractéristiques :
      • Cause probable : Déséquilibre de la roue (après usure) ou désalignement des centres de l'arbre.
      • Vérifiez l'état de la turbine et de l'embrayage.
      • Accédez à Analyse des causes profondes : Usure de la turbine.

6. Matrice des causes de dysfonctionnement

Cette matrice fournit un résumé des symptômes, des causes les plus probables, des tests de diagnostic nécessaires et des résultats attendus.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Cavitation

L'essence du problème : La cavitation se produit lorsque la pression du fluide à l'entrée de la roue tombe en dessous de la pression des vapeurs saturées du fluide à une température donnée. Cela conduit à la formation puis à l’effondrement de bulles de vapeur, ce qui provoque d’intenses ondes de choc. Ces ondes de choc à haute énergie (jusqu'à 1 500 MPa) endommagent la surface de la roue et du boîtier, provoquant des piqûres.

Raisons :

• Hauteur d'aspiration disponible insuffisante (NPSHa) : NPSHa < NPSHr (exigences de la pompe). Cela peut être dû à :
  • Haut d'aspiration dynamique trop élevé (la pompe est positionnée trop haut au-dessus du niveau de liquide).
  • Haute résistance de la conduite d'aspiration (tuyaux longs, nombreux coudes, filtres obstrués, diamètre de tuyau trop petit).
  • Température du liquide élevée, ce qui augmente la pression des vapeurs saturées.
  • Faible pression atmosphérique (pour systèmes ouverts).
  • Faible niveau de liquide dans le réservoir d'aspiration.
• Débit excessif : la pompe fonctionne loin à droite du point de performance optimal (BEP), ce qui entraîne une chute de la pression d'entrée de la turbine.

Confirmation : Un bruit caractéristique similaire au mouvement du gravier dans la pompe, des vibrations (pics dans la plage de 0,5 à 2 kHz), une diminution des performances et de la pression et, au fil du temps, des signes évidents de piqûres sur les aubes de la roue.

Conséquences : Usure rapide de la roue et d'autres pièces internes, augmentation du bruit et des vibrations, efficacité et performances réduites de la pompe, destruction possible des joints et des roulements.

7.2. Usure de la roue ou du boîtier

L'essence du problème : L'usure de la roue (roue) ou des surfaces internes du boîtier (par exemple, les joints d'étanchéité) entraîne une augmentation des flux de fluide internes du côté refoulement vers le côté aspiration. Cela réduit l'efficacité de la pompe, réduisant ainsi la pression générée et, par conséquent, le débit volumique.

Raisons :

• Particules abrasives dans le liquide : Le pompage de liquides contenant des particules solides en suspension (sable, boues) provoque une usure érosive.
• Corrosion chimique : Les liquides agressifs corrodent le matériau de la roue et du boîtier.
• Cavitation : Comme décrit ci-dessus, la cavitation est l'une des principales causes de dommages mécaniques.
• Vieillissement du matériau : Usure naturelle du matériau au fil du temps.
• Matériau incorrect : Utilisation d'un matériau inadapté au liquide pompé ou aux conditions de fonctionnement.

Confirmation : Contrôle visuel de la roue (irrégularités, diminution de l'épaisseur des aubes, nids-de-poule, bords émoussés), augmentation des jeux dans les joints d'étanchéité (mesurés avec une jauge d'épaisseur). Réduction de la pression d'injection aux tours nominaux.

Conséquences : Réduction significative de l'efficacité, augmentation de la consommation d'énergie pour effectuer le même travail, augmentation des vibrations et du bruit, nécessité de remplacer les composants plus fréquemment.

7.3. Sas (Sass)

L'essence du problème : Les pompes centrifuges ne sont pas capables de pomper des gaz. Si un volume important d'air ou de gaz s'accumule dans le corps de la pompe ou dans la conduite d'aspiration, la turbine commence à tourner dans l'air/gaz sans créer un vide suffisant pour aspirer le liquide. Il en résulte un débit nul ou très faible.

Raisons :

• Amorçage insuffisant de la pompe : Avant le démarrage, la pompe et la conduite d'aspiration n'étaient pas complètement remplies de liquide.
• Aspiration d'air : Fuites dans la conduite d'aspiration (raccords non étanches, fissures, joints d'arbre endommagés, raccords à bride desserrés).
• Niveau de liquide dans le réservoir bas : L'orifice d'aspiration est exposé et la pompe commence à aspirer de l'air.
• Dégazage de liquide : Les liquides très volatils ou ceux qui sont chauffés peuvent dégazer dans la conduite d'aspiration.

Confirmation : Pompe en marche, moteur consommant peu de courant, pression d'aspiration proche de la pression atmosphérique (voire positive), pression de refoulement très faible ou nulle. Un bruit caractéristique du travail en l’air ou un gargouillis se fait souvent entendre.

Conséquences : Manque d'alimentation, surchauffe possible de la pompe par manque de refroidissement liquide, endommagement des garnitures mécaniques.

7.4. Problèmes d'aspiration (autres que cavitation et sas)

essentiel du problème : même sans cavitation ni sas, des problèmes dans la conduite d'aspiration peuvent réduire considérablement les performances de la pompe en limitant le débit de fluide vers la roue.

Raisons :

• Filtre/crépine d'aspiration obstrué : L'accumulation de particules étrangères provoque une chute de pression excessive à l'entrée de la pompe.
• Valve d'aspiration fermée ou partiellement fermée : restreint le débit du fluide.
• Conduite d'aspiration mal conçue : Diamètre de la conduite trop petit, courbures excessives, changements brusques de direction, conduite trop longue entraînant des pertes de friction élevées.
• Hauteur d'aspiration : Hauteur d'aspiration statique excessive.

Confirmation : Faible pression d'aspiration (le vacuomètre indique un vide poussé) avec un niveau de liquide normal dans le réservoir, qui s'améliore lorsque le filtre est nettoyé ou que la vanne est ouverte. Absence de bruits de cavitation caractéristiques.

Conséquences : Performances réduites, charge de pompe accrue, cavitation potentielle avec détérioration supplémentaire.

7.5. Analyse de la courbe du système

L'essence du problème : La pompe fonctionne à l'intersection de sa courbe caractéristique et de la caractéristique du système du pipeline. Si la résistance du système (caractéristique du système) augmente de manière significative, le point de fonctionnement de la pompe se déplace vers la gauche sur la courbe caractéristique, ce qui entraîne une diminution du débit, même si la pompe est en parfait état de fonctionnement.

Raisons :

• Augmentation de la pression statique : Augmentation de la hauteur à laquelle le liquide doit être fourni.
• Pertes par frottement croissantes : Colmatage des canalisations par dépôts, corrosion ou excroissances ; utilisation de pipelines d'un diamètre inférieur à celui calculé ; ajout de nouveaux raccords ou équipements (échangeurs de chaleur, filtres) à la ligne d'injection sans recalcul.
• Valve de décharge partiellement fermée ou obstruée : Augmente la résistance hydraulique.
• Augmentation de la pression de sortie : Modification des conditions du côté réception du système.

Confirmation : La pompe produit une pression de refoulement élevée (souvent supérieure à la valeur nominale) mais un faible débit. Le moteur consomme un courant accru (si la pompe fonctionne loin à gauche du BEP). Inspection de toute la ligne d'injection. Calcul des caractéristiques réelles du système sur la base des paramètres de pression et de débit mesurés.

Conséquences : Diminution des performances du système, augmentation de la consommation d'énergie, éventuelle surcharge du moteur, surchauffe du fluide (si la pompe est en mode recirculation).

8. Procédures de dépannage étape par étape

Après avoir identifié la cause première à l'aide des sections précédentes, suivez les étapes ci-dessous pour résoudre le problème.

8.1. Élimination de la cavitation

ATTENTION : Les travaux de modification du système hydraulique peuvent nécessiter un arrêt et un LOTO.

1. Augmentez le NPSHa disponible :
   • Vérifiez le niveau de liquide : Augmentez le niveau de liquide dans le réservoir d'aspiration s'il est bas.
   • Nettoyage des filtres/grilles : Nettoyez ou remplacez les filtres et les crépines obstrués sur la conduite d'aspiration.
   • Réduction des pertes par frottement : Vérifier l'état interne de la conduite d'aspiration pour déceler les dépôts. Pensez à remplacer les tuyaux par un diamètre plus grand ou à réduire le nombre de raccords et de coudes.
   • Chute de température du liquide : Si le liquide est pompé à une température élevée, envisagez un refroidissement.
   • Réduction de la vitesse de la pompe : Si possible, réduisez la vitesse de la pompe à l'aide d'un convertisseur de fréquence pour décaler le point de fonctionnement sur la courbe NPSHr.
   • Vérifiez la hauteur d'aspiration : Si possible, abaissez la pompe plus près du niveau de liquide ou installez un réservoir de support.
2. Contrôle de la pression : Après les actions correctives, mesurez à nouveau les pressions d'aspiration et de refoulement. Assurez-vous que NPSHa > NPSHr (avec une marge de 0,5 à 1,0 m).
3. Contrôle des vibrations et du bruit : Démarrer la pompe et vérifier les vibrations (les indicateurs de vitesse de vibration doivent être dans les limites de la norme ISO 10816, ≤ 4,5 mm/s) et l'absence de bruits de cavitation caractéristiques.

8.2. Élimination de l'usure de la roue ou du boîtier

ATTENTION : Nécessite le retrait complet du LOTO et de la pompe.

1. Démontage et inspection visuelle :
   • Effectuer la procédure LOTO, vidanger le liquide, retirer la pompe.
   • Inspectez la turbine, le boîtier et les joints à fente pour déceler toute usure, érosion, corrosion, fissures et corps étrangers.
   • Mesurez les joints d’étanchéité. Les dégagements admissibles doivent être conformes à la documentation technique du fabricant. Habituellement, pour les pompes de taille moyenne, une augmentation du jeu de 0,2 à 0,3 mm réduit déjà considérablement l'efficacité.
2. Remplacement des composants :
   • Remplacez les roues usées, les joints d'étanchéité, le boîtier ou ses revêtements. Utilisez uniquement des pièces de rechange d'origine ou des analogues certifiés qui répondent aux exigences du DSTU et de l'ISO en termes de matériaux et de dimensions.
   • Lors du remplacement de la roue, assurer un bon équilibrage (équilibrage dynamique selon la norme ISO 1940-1, classe G6.3 ou G2.5) pour éviter les vibrations.
3. Alignement de l'arbre : Après le remplacement et l'assemblage, ASSUREZ-VOUS d'aligner avec précision les arbres de la pompe et du moteur (utilisez un dispositif d'alignement laser). Désalignement admissible : faux-rond radial jusqu'à 0,05 mm, faux-rond angulaire jusqu'à 0,01 mm/100 mm.
4. Test de fonctionnement : démarrez la pompe, vérifiez la pression, le débit, les vibrations et la température.

8.3. Élimination des embouteillages aériens

ATTENTION : Assurez-vous que le système est dépressurisé avant d'ouvrir les vannes de ventilation.

1. Amorçage de la pompe :
   • Arrêtez la pompe, effectuez LOTO.
   • Ouvrez la vanne de ventilation (le cas échéant) en haut du boîtier de la pompe et remplissez lentement la pompe de liquide jusqu'à ce que du liquide sans bulles d'air commence à sortir.
   • Fermez la vanne de ventilation.
   • Assurez-vous que la conduite d'aspiration est également complètement remplie.
2. Inspectez les fuites d'air :
   • Inspectez toute la conduite d'aspiration, y compris les raccords à brides, les raccords filetés et les garnitures d'arbre.
   • Utilisez une solution savonneuse ou un autre détecteur de fuites pour localiser les fuites. Éliminez les fuites - serrez les fixations, remplacez les joints, les joints ou les joints d'huile.
   • Pour les presse-étoupes, assurez-vous qu'il y a un petit goutte-à-goutte constant de liquide (1 à 2 gouttes par minute) pour la lubrification et le refroidissement, ce qui empêche également l'aspiration de l'air.
3. Augmentation du niveau de liquide : Assurez-vous que le niveau minimum de liquide dans le réservoir d'aspiration est toujours au-dessus de l'orifice d'aspiration.
4. Test de fonctionnement : démarrez la pompe, vérifiez le débit et la pression.

8.4. Résoudre les problèmes d'aspiration

ATTENTION : Nécessite un système LOTO complet et un drainage des sections de pipeline.

1. Nettoyage du conduit d'admission :
   • Effectuer LOTO, vidanger le système.
   • Nettoyez ou remplacez les filtres d'aspiration, les grilles et les pièges à boue obstrués.
   • Vérifiez l'état interne du tuyau d'aspiration pour déceler des dépôts ou des corps étrangers.
2. Vérification de la valve : Assurez-vous que la valve d'aspiration est complètement ouverte et fonctionne correctement. Éliminez toute obstruction mécanique ou dysfonctionnement de la vanne.
3. Évaluation de la configuration de la canalisation : Si le problème est constant et non lié au colmatage, il peut être nécessaire de revoir la conception de la conduite d'aspiration : réduire le nombre de coudes, augmenter le diamètre de la canalisation, minimiser la longueur. (Conformité à la norme ISO 9905).
4. Test de fonctionnement : démarrez la pompe, vérifiez la pression d'aspiration (le vacuomètre doit indiquer moins de vide) et le débit.

8.5. Ajustement des caractéristiques du système

ATTENTION : Les modifications apportées à la tuyauterie peuvent affecter le système hydraulique de l'ensemble du système.

1. Analyse de la résistance du système :
   • Déterminez quels composants de la conduite de refoulement créent une résistance excessive (filtres obstrués, échangeurs de chaleur, vannes partiellement fermées).
   • Nettoyez ou remplacez les éléments obstrués. Ouvrir complètement les vannes d'arrêt de refoulement.
2. Changement de configuration :
   • Envisager d'augmenter le diamètre des canalisations d'évacuation, de réduire le nombre de raccords ou de coudes pour réduire les pertes par frottement.
   • Si la hauteur statique a augmenté de manière significative (par exemple, un changement dans le tracé de la tuyauterie ou le point de refoulement), il peut être nécessaire de reconsidérer le choix de la pompe ou d'ajouter une pompe supplémentaire.
3. Utilisation d'un variateur de fréquence (VFD) : Si la pompe fonctionne à une vitesse fixe, l'installation d'un VFD permettra à la pompe d'ajuster sa vitesse de rotation pour fonctionner au point optimal pour les caractéristiques changeantes du système, fournissant ainsi le débit souhaité et les économies d'énergie.
4. Test de fonctionnement et vérification : Démarrez la pompe, mesurez le débit et la pression. Assurez-vous que le point de service de la pompe répond aux exigences du processus et est proche de la zone BEP.

9. Mesures préventives

La mise en œuvre de mesures préventives efficaces est essentielle pour prévenir les pannes répétées et prolonger la durée de vie des équipements de pompage.

10. Pièces de rechange et composants

Pour des réparations rapides et efficaces, il est important de disposer de pièces de rechange essentielles.

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11. Liens

• DSTU EN ISO 9906 : Pompes centrifuges. Essais de réception hydraulique. Classes de précision 1, 2 et 3.
• DSTU EN ISO 10816-3 : Vibrations mécaniques. Évaluation des vibrations de machines sur des pièces fixes par mesures. Partie 3. Machines industrielles d'une puissance nominale supérieure à 15 kW et d'une vitesse nominale de 120 tr/min à 15 000 tr/min dans les conditions de fonctionnement sur site.
• ISO 1940-1 : Vibrations. Exigences pour l'équilibrage des rotors dans un état rigide.
• API 610 / ISO 13709 : Pompes centrifuges pour les industries pétrolière, pétrochimique et gazière.
• Manuels d'utilisation et d'entretien des fabricants de pompes (par exemple Grundfos, KSB, Wilo, Sulzer).
• UkrSEPRO : Certification de produits en Ukraine.