Résumé
Les roulements sont des composants très importants pompes centrifuges Ce sont également des pièces d'usure normales, les plus sujettes aux pannes. Une sélection, une conception et une utilisation inappropriées affecteront directement le fonctionnement sûr et fiable de l'appareil. unité de pompageCet article s'appuie sur les dispositions pertinentes de la norme API 610, en prenant comme exemple les roulements de pompe de type API OH2, et présente les améliorations apportées à des aspects tels que la sélection, la conception structurelle des boîtiers de roulement, la lubrification, le refroidissement, la maintenance et la surveillance des installations, ainsi que l'application de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux. La voie vers la fiabilité opérationnelle des pompe centrifuge roulements.
Mots clés : approche de la fiabilité des roulements de pompe centrifuge
Préface
Tout comme les joints mécaniques, les roulements sont également des éléments très importants de l'équipement. pompe centrifuge Corps de pompe, et ce sont également les pièces d'usure normales les plus sujettes aux pannes. Les roulements soutiennent l'arbre et réduisent les frottements sur les pièces mobiles de la pompe en assurant une rotation fluide du rotor. Les roulements apportent également rigidité et amortissement au système de support du rotor. Une sélection, une conception et une utilisation inappropriées affecteront directement le fonctionnement sûr et fiable de la pompe. Une étude de fiabilité des équipements menée dans une grande raffinerie a conclu que 40 % des pannes d'équipements rotatifs (pompes, mélangeurs, etc.) étaient imputables à une défaillance des roulements. On estime également que 48 % des pannes de roulements sont causées par une contamination particulaire et 4 % par la corrosion (due à la présence de liquides dans l'huile). En fait, la contamination de l'huile des roulements est responsable de 52 % des problèmes de roulements et de 21 % des pannes d'équipements rotatifs [1].
Cet article s'appuiera sur les dispositions pertinentes de la norme API 610, 11e édition [2], en prenant comme exemple le palier de pompe API OH2. Il sera combiné à une expérience pratique d'ingénierie, couvrant la sélection, l'amélioration de la conception structurelle du boîtier de palier, la lubrification, le refroidissement, la maintenance et la surveillance de l'installation. L'application de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux permettra d'explorer les moyens d'améliorer la fiabilité opérationnelle des paliers de pompe centrifuge. J'espère qu'il servira de référence à mes collègues.
Sélection des roulements
La technologie et l'expérience ont permis des avancées en matière de fabrication, de matériaux et de conception, améliorant ainsi la fiabilité globale des pompes centrifuges monocellulaires à porte-à-faux (OH2). Les critères de conception de base de la pompe OH2 sont restés relativement inchangés, notamment un corps de palier avec paliers radiaux et butées, et une roue suspendue à un arbre à l'extérieur du corps de palier. Les normes industrielles telles que la norme API 610, les recommandations d'achat et les critères de conception ont été régulièrement révisés afin d'améliorer la fiabilité globale des pompes.
Type de roulement
La norme stipule que chaque arbre doit être supporté par deux roulements radiaux et un roulement axial à double effet (butée)… Les roulements doivent être l’une des combinaisons suivantes :
- Roulements radiaux et butées à rouleaux ;
- Paliers hydrodynamiques radiaux et butées à roulement ;
- Paliers hydrodynamiques radiaux et butées.
La norme limite également l’application des roulements :
a) La vitesse de rotation du roulement ne doit pas dépasser la limite de vitesse nominale publiée par le fabricant. Pour les roulements à billes, le facteur ndm ne doit pas dépasser 500 000 pour un roulement simple lubrifié à l'huile fluide et 350 000 pour un roulement lubrifié à la graisse.
c) Si l'intensité énergétique (c'est-à-dire le produit de la puissance nominale de la pompe en kW et de la vitesse nominale en tr/min) est de 4 000 000 ou plus, des roulements radiaux hydrodynamiques et des butées doivent être utilisés.
Presque tous les types de roulements sont utilisés dans les pompes centrifuges. Un même modèle de pompe utilise souvent deux types de roulements différents, voire plus, selon les conditions de fonctionnement ou les préférences de l'acheteur. La plupart des pompes de process utilisent des paliers antifriction ou à film d'huile (glissants), comme suit :
1) Roulements à rouleaux
- Roulements à billes à gorge profonde à une rangée
- Roulements à billes à contact oblique à deux rangées
- Paire de roulements à billes à contact oblique à une rangée
- Roulements à rouleaux cylindriques
- Jeu de roulements à rouleaux coniques
Les roulements à contact oblique à une rangée sont souvent utilisés par paires. Ils peuvent être utilisés en série pour des charges axiales unidirectionnelles importantes, ou dos à dos pour des charges axiales bilatérales. Les roulements à contact oblique à deux rangées ou leur configuration équivalente (roulements montés dos à dos) se sont avérés très adaptés aux pompes produisant des charges axiales élevées dans toutes les directions. Les roulements dos à dos durent environ deux fois plus longtemps que les roulements à deux rangées comparables. Les roulements à contact oblique nécessitent une certaine précharge.
2) Paliers lisses (paliers lisses)
3) Palier de butée du patin d'inclinaison
Les paliers lisses et les paliers de butée à patins inclinables sont couramment utilisés dans les grandes pompes et moteurs avec des charges de poussée et/ou radiales élevées qui dépassent la capacité du palier antifriction [3].
Pour la pompe de type OH2, il s'agit essentiellement d'une combinaison de roulements radiaux et de butées. Sa configuration standard est la suivante : le roulement radial côté opposé à l'entraînement utilise un roulement à billes à gorge profonde ou un roulement à rouleaux cylindriques, et une butée côté entraînement, à contact oblique à 40° (série 7000) avec cage en laiton usinée, montées dos à dos par paires.
Détermination de la charge de butée
En ce qui concerne la capacité de charge des paliers de butée, la norme stipule qu'ils doivent être conçus pour fonctionner en continu dans toutes les conditions de fonctionnement spécifiées, y compris la différence de pression maximale et répondre aux exigences suivantes :
a) Les charges sur tous les roulements doivent être déterminées sur la base d'un jeu de conception interne (unique) et du double du jeu de conception interne…
b) Si le sens de rotation est opposé au sens normal de la pompe, la butée doit être capable de supporter la pleine charge.
La charge du roulement est liée à la structure de la pompe, au type de roue (aspiration simple et double aspiration), à la structure de la roue (avec ou sans trous d'équilibrage, aubes arrière), au diamètre de la bague d'orifice, à la pression d'entrée et au type de roulement.
Remarque : Concernant le choix de la capacité de charge du roulement, la configuration standard correspond généralement au double de la force maximale. Cette capacité ne doit être ni trop faible ni trop élevée. Une capacité de charge insuffisante peut entraîner une température élevée du roulement et réduire sa durée de vie. Une capacité de charge trop élevée peut entraîner un glissement du roulement et une détérioration due à une charge insuffisante.
Exigences et calculs de durée de vie des roulements
Le choix des roulements est limité par le temps moyen entre maintenances (MTBR), la durée de vie utile ou les exigences en matière d'émissions fugitives. La norme stipule que la durée de vie du système de roulements (durée de vie calculée de l'ensemble roulement-pompe) exige un fonctionnement continu d'au moins 25 000 heures dans les conditions de fonctionnement nominales ; et d'au moins 16 000 heures sous charges radiales et axiales maximales et à vitesse nominale.
La norme fournit une formule pour calculer la durée de vie du système de roulements. D'après les résultats obtenus, la durée de vie du système est inférieure à celle du roulement le plus court. Par exemple, si la durée de vie de chaque roulement est de 37 500 heures, selon la formule, la durée de vie du système de roulements n'est que de 25 000 heures. Autrement dit, pour atteindre la durée de vie de 25 000 heures du système de roulements, la durée de vie de chaque roulement doit être d'au moins 37 500 heures.
Lors du choix et de la conception des roulements de pompe centrifuge, la durée de vie du roulement doit être évaluée en calculant sa durée de vie nominale, la charge, la vitesse et d'autres paramètres en conditions de fonctionnement réelles. Pour le calcul de la durée de vie du roulement, veuillez consulter la documentation [4].
Exigences de base pour les boîtes de roulement
Afin de garantir la fiabilité opérationnelle, la norme stipule la structure et la configuration du boîtier de roulement :
1) Le boîtier de roulement doit être disposé de manière à ce que les roulements puissent être remplacés sans déplacer le moteur de la pompe ou le support de montage.
2) Tous les équipements doivent être conçus pour permettre une maintenance rapide et économique. Les pièces principales, telles que les composants du corps de pompe et les paliers, doivent être conçues et fabriquées pour garantir un alignement précis lors du remontage. Cet alignement peut être réalisé à l'aide d'épaulements, de goujons et de clavettes.
3) Pour les paliers autolubrifiants à huile fluide, le boîtier de palier doit être équipé de bouchons de ventilation et d'orifices de remplissage et de vidange d'huile obturés. Le diamètre des orifices doit être d'au moins DN 15. Le boîtier de palier doit être équipé d'un huileur à niveau d'huile constant d'une capacité d'au moins 1,2 dl, équipé d'un positionneur pour la détermination du niveau d'huile, d'un réservoir d'huile en verre résistant à la chaleur et d'un couvercle de protection en treillis métallique. Le boîtier de palier doit être équipé d'une fenêtre en verre (œil de bœuf) pour observer le niveau d'huile. Le niveau d'huile approprié doit se situer au centre de la fenêtre. Un marquage permanent du niveau d'huile doit être effectué avec précision.
4) Pour les boîtes de roulement lubrifiées à l'huile sous pression, elles doivent être conçues pour minimiser la formation de mousse et le système de drainage d'huile doit maintenir le niveau d'huile de sorte que le niveau de mousse soit inférieur à celui du joint d'extrémité de l'arbre.
5) En outre, des réglementations correspondantes sont également établies pour la structure/configuration des roulements et des boîtes de roulement avec lubrification par brouillard d'huile pure et lubrification par brouillard d'huile de purge.
lubrifiant
Les lubrifiants servent à isoler les surfaces de roulement et de glissement des roulements, à prévenir l'usure et à réduire les frottements et la production excessive de chaleur. Ils préviennent également la corrosion, évacuent la chaleur (comme la lubrification à l'huile) et contribuent à bloquer les contaminants (comme la lubrification à la graisse) [5].
Une lubrification adéquate est essentielle pour une longue durée de vie et une utilisation sans problème des roulements des pompes centrifuges. Des enquêtes menées dans certains secteurs industriels indiquent que plus de 30 % des défaillances de roulements sont dues à une mauvaise lubrification [6]. Une mauvaise lubrification peut être classée comme suit :
1) Le lubrifiant est mal sélectionné ;
2) La quantité de lubrifiant est incorrecte ;
3) Le lubrifiant est contaminé ;
4) Détérioration du lubrifiant.
La norme stipule : Sauf spécification contraire, les roulements et les boîtiers de roulements doivent être conçus pour être lubrifiés avec de l'huile minérale (huile hydrocarbonée).
La viscosité est la propriété la plus importante d'un lubrifiant. L'utilisation d'un lubrifiant dont la viscosité est adaptée à la vitesse, à la température de fonctionnement et à la charge assure la formation d'un film d'huile complet entre les pièces en rotation. Une viscosité incorrecte affecte la capacité de charge du lubrifiant.
Pour les recommandations de viscosité, veuillez consulter le manuel d'utilisation du constructeur, mais il est également important de mesurer la température de fonctionnement du carter, car la viscosité diminue avec la température. Le tableau 1 présente les viscosités d'huile lubrifiante recommandées par SKF pour les roulements à billes à différentes températures de fonctionnement.
Tableau 1 : Sélection de la viscosité du lubrifiant pour roulements à billes à différentes températures de fonctionnement (recommandation SKF)
Insérer la figure 1
Les huiles utilisées dans les pompes de process sont généralement de type ISO VG32, 46, 68 ou 100. L'huile est généralement une huile hydrocarbonée, bien que des huiles synthétiques soient parfois utilisées dans des applications de lubrification spécifiques.
La viscosité des huiles synthétiques est moins sensible aux variations de température et est plus largement utilisée en cas de fluctuations de température. Si la température dépasse 100 °C, il est recommandé d'utiliser une huile synthétique, car le taux d'oxydation de l'huile minérale augmente à des températures plus élevées [7].
Pour la combinaison de « roulements à rouleaux radiaux et de butées », il existe quatre principales méthodes de lubrification : la lubrification à la graisse, l'autolubrification à l'huile fine, la lubrification par brouillard d'huile et la lubrification à l'huile sous pression.
Le choix du lubrifiant doit tenir compte de facteurs tels que la charge, la température et la vitesse de fonctionnement, la température ambiante et la durée de vie. Les principes généraux de sélection sont les suivants :
1) Pour des vitesses élevées, des charges légères et des conditions de fonctionnement stables, utilisez une huile lubrifiante à faible viscosité ou une graisse à faible consistance. À l'inverse, privilégiez une huile lubrifiante à viscosité élevée ou une graisse à consistance plus élevée.
2) En conditions de fonctionnement à basses températures ambiantes et de travail, il est conseillé d'utiliser une huile lubrifiante de faible viscosité ou une graisse de faible consistance. À l'inverse, il est conseillé d'utiliser une huile lubrifiante de viscosité plus élevée ou une graisse de consistance élevée et à point de goutte élevé. La viscosité d'une huile d'été est généralement supérieure à celle d'une huile d'hiver. La lubrification à haute température doit tenir compte du point d'éclair de l'huile et du point de goutte de la graisse. La lubrification à basse température doit tenir compte du point de congélation de l'huile. En cas de variations importantes de la plage de températures, un agent collant peut être utilisé pour améliorer le rapport viscosité-température de l'huile lubrifiante.
3) Pour les environnements humides, il est recommandé de choisir des lubrifiants présentant une forte résistance à l'émulsification, des propriétés huileuses et une bonne résistance à la rouille. Les graisses à base de sodium sans résistance à l'eau sont à proscrire.
4) Plus l'écart entre les surfaces de frottement est faible, plus la viscosité de l'huile lubrifiante utilisée doit être faible. En général, la viscosité de l'huile lubrifiante pendant la période de rodage des pièces neuves doit être inférieure à celle observée pendant la période d'utilisation normale.
5) Si la surface de frottement est rugueuse, l'huile lubrifiante requise doit avoir une viscosité élevée et une graisse de consistance élevée. À l'inverse, si la finition de surface est soignée, il est préférable d'utiliser une huile lubrifiante de faible viscosité et de faible consistance.
6) La consistance de la graisse utilisée dans le système de lubrification centralisée doit être plus faible pour faciliter le transport. Pour le ravitaillement manuel intermittent, il est conseillé d'utiliser une huile de lubrification à viscosité plus élevée afin d'éviter une perte trop rapide [8].
graisse
La graisse est le lubrifiant de prédilection pour les roulements, car elle est facile à appliquer, se fixe plus facilement dans le logement du roulement et améliore l'étanchéité. Son utilisation est principalement réservée aux pompes de faible puissance.
Si la durée de vie estimée de la graisse est inférieure à 2 000 heures, la lubrification à la graisse ne doit pas être utilisée.
Lorsque les conditions de fonctionnement le permettent, les roulements étanches « lubrifiés à vie » constituent une alternative intéressante, éliminant le besoin de relubrification et de maintenance associée.
Huile fine autolubrifiante (bain d'huile, segment d'huile et diffuseur d'huile)
La lubrification à l'huile fluide est généralement utilisée lorsque la graisse ne peut être utilisée en raison de limitations telles que la vitesse, la température ou la durée de vie du lubrifiant. Ses avantages sont la facilité de remplissage et de vidange, une vitesse de rotation accrue, une réduction de la chaleur et une meilleure filtration.
La lubrification par huile fine se divise en deux catégories : l'autolubrification par huile fine et la lubrification par huile sous pression. Les méthodes d'autolubrification par huile fine les plus courantes sont : la lubrification par bain d'huile, la lubrification par segment d'huile et la lubrification par plateau de projection d'huile.
Dans la lubrification par bague d'huile, la bague d'huile est suspendue à un arbre horizontal, son extrémité inférieure étant immergée dans un bain d'huile sous le roulement. Les bagues d'huile dépendent davantage de la vitesse de rotation de l'arbre que de la profondeur d'immersion et sont sujettes à une surlubrification si elles ne sont pas correctement conçues. Cependant, une immersion de 9,5 mm au point le plus profond est recommandée.
La lubrification par carter de lubrification à huile est couramment utilisée en Europe, généralement en acier inoxydable. Les carters de lubrification à huile sont moins sujets aux problèmes de surlubrification car ils sont directement reliés à l'arbre rotatif et doivent être immergés dans l'huile à environ 3/8″[9].
L'expérience montre qu'à des ndm > 150 000, pour répondre aux exigences minimales des environnements industriels axés sur la fiabilité, les bacs à élingues en acier inoxydable montés sur arbre offrent généralement de bonnes performances. Ce bac est moins susceptible de provoquer des arrêts de production imprévus que de nombreuses autres méthodes actuellement répandues. La bague d'étanchéité est sensible à la planéité de l'arbre, à la viscosité de l'huile de lubrification, à sa profondeur d'immersion, à sa concentricité et à la rugosité de la surface [10].
Lubrification par brouillard d'huile
Le concept de base du système de lubrification par brouillard d'huile est de disperser l'aérosol d'huile dans le boîtier du roulement, et il s'agit d'un système de lubrification centralisé à basse pression [7].
La lubrification par brouillard d'huile se divise en deux types : la lubrification par brouillard d'huile pur et la lubrification par brouillard d'huile de purge. La lubrification par brouillard d'huile convient aux roulements. Les paliers lisses hydrodynamiques radiaux doivent être lubrifiés par brouillard d'huile de purge, mais elle ne convient pas aux butées à patins basculants.
La lubrification par brouillard d'huile produit le moins de frottement de toutes les méthodes de lubrification des roulements de pompe (permettant de déterminer la vitesse en fonction de la conception du roulement plutôt que des limitations de lubrification) et crée une pression positive dans le boîtier du roulement, ce qui empêche l'intrusion de contaminants.
Remarque spéciale :
1) La méthode de lubrification par brouillard d’huile actuellement couramment utilisée est la lubrification par brouillard d’huile pur ;
2) Lors de l'utilisation d'une lubrification par brouillard d'huile, une légère pression positive doit être maintenue dans le réservoir d'huile ;
3) Afin d'éviter que le brouillard d'huile ne s'échappe des joints aux deux extrémités du boîtier de roulement, le boîtier de roulement doit utiliser des joints d'huile magnétiques ou des joints d'huile INPRO avec de meilleurs effets d'étanchéité [11].
Lubrification à l'huile sous pression
Conformément à la réglementation en vigueur, l'utilisation de paliers radiaux hydrodynamiques et de butées est obligatoire dès que l'intensité énergétique est supérieure ou égale à quatre millions d'unités. Les pompes équipées de tels paliers doivent généralement être lubrifiées à l'huile sous pression.
Cependant, pour les pompes centrifuges lubrifiées à l'huile sous pression, une coupure de courant soudaine peut entraîner des blessures très graves. Par conséquent, afin de garantir un fonctionnement sûr et fiable à long terme des pompes clés utilisées dans des secteurs importants tels que la pétrochimie, les centrales électriques et les grandes usines d'engrais chimiques, il est essentiel, dès la conception du système, de prendre en compte attentivement la question de l'arrêt en toute sécurité en cas de coupure de courant soudaine (sans que les roulements soient endommagés). Des informations détaillées à ce sujet sont disponibles dans [12].
refroidir
Pour différentes méthodes de lubrification, la norme fixe des limites de température et d'échauffement de l'huile de lubrification et du métal des roulements. C'est pourquoi les applications de roulements doivent prendre en compte le refroidissement pour garantir un fonctionnement sûr et fiable à long terme.
Ventilateur + dissipateur thermique
Le refroidissement par ventilateur est généralement associé au refroidissement par dissipateur thermique. Sa structure simple en fait la méthode de refroidissement privilégiée pour les pompes centrifuges, notamment en termes d'économie d'énergie et de protection de l'environnement. Voir la figure 1. La géométrie des ailettes du boîtier et le ventilateur, qui augmente le flux d'air à travers le boîtier pour échanger de la chaleur avec l'atmosphère environnante, contribuent à réduire la température du boîtier/du roulement et à prolonger sa durée de vie. Selon les recherches, une surface plus importante peut réduire la température de fonctionnement du roulement de près de 4,4 °C et prolonger sa durée de vie d'environ 13 %.
Image 2
Figure 1 : Refroidissement par ventilateur + dissipateur thermique
Bassin d'huile plus grand/plus profond
Pendant le fonctionnement, la chaleur est transférée des roulements de la pompe à l'huile et à l'air extérieur à travers les parois du carter de palier. Un carter d'huile plus grand et plus profond contribue non seulement à dissiper la chaleur, mais permet également aux contaminants de se déposer loin des pièces mobiles, créant ainsi une couche d'huile plus propre à proximité des roulements à billes. La contamination des chemins de roulement et des billes est responsable de la dégradation microscopique de la surface de charge, entraînant des défaillances. Les statistiques montrent que des lubrifiants plus propres peuvent prolonger la durée de vie des roulements de près de 2,1 fois. De même, la vitesse d'oxydation de l'huile par l'air diminue pour les flaques d'huile plus grandes et plus profondes en raison de la diminution de la concentration en air. Pour le type de pompe étudié dans cet article, la durée de vie des roulements peut être prolongée de 2 % [13].
Cependant, lors du passage à un carter d'huile plus grand/plus profond, il convient de veiller à minimiser autant que possible l'écartement entre les paliers et d'augmenter la surface d'étanchéité mécanique et le diamètre de l'arbre au niveau des paliers afin d'accroître la rigidité dynamique du rotor. Ces améliorations permettent d'augmenter la durée de vie des joints mécaniques et des paliers, et de réduire les vibrations globales [14].
Refroidissement de la chemise
Le refroidissement par chemise est la méthode la plus courante pour le corps de palier des pompes OH2. Si le corps de palier est refroidi par une chemise de refroidissement à eau, seuls des joints externes doivent être présents entre les chemises de refroidissement à eau des moitiés supérieure et inférieure du corps de palier. Les chemises de refroidissement à eau ne doivent comporter ni joints d'étanchéité, ni joints filetés. Les joints d'étanchéité et les raccords filetés peuvent permettre à l'eau de s'infiltrer dans le réservoir.
Il convient de veiller tout particulièrement à ce que la chemise de refroidissement par eau soit conçue pour refroidir le bain d'huile plutôt que la bague extérieure du roulement (le rétrécissement de la bague extérieure dû au froid entraînerait une diminution du jeu interne du roulement, entraînant sa défaillance). Voir figure 2.
Figure 3
Figure 2 : Refroidissement de la chemise (image de l'EGP)
refroidissement par serpentin
Réglementation standard : Il est préférable d'utiliser des serpentins de refroidissement lorsqu'un refroidissement par eau est nécessaire. Les serpentins à ailettes intégrées offrent un meilleur refroidissement que les chemises. Cependant, les serpentins (y compris les raccords de tuyauterie) doivent être en métal non ferreux ou en acier inoxydable austénitique et ne doivent pas comporter de joints résistant à la pression interne.
Joint de roulement
Le logement des roulements doit être conçu pour éviter toute contamination par l'humidité, la poussière et autres impuretés. Il doit être équipé de joints labyrinthes ou magnétiques remplaçables et d'un carter de rétention d'huile traversant l'arbre. L'utilisation de joints à lèvre est déconseillée. Les joints et les séparateurs d'huile doivent être fabriqués en matériaux anti-étincelles. Les joints et les carters de rétention d'huile doivent être conçus pour retenir efficacement l'huile et empêcher la pénétration de corps étrangers.
Figure 4
Figure 3 : Quelques méthodes d'étanchéité courantes pour les boîtes de roulement (photo de HI)
La figure 3 présente quelques joints courants pour paliers, tels que les joints à lèvre, les joints labyrinthes et les joints magnétiques. Ces joints contribuent également à réduire la contamination de l'huile et à en préserver la qualité [15].
Le joint labyrinthe est un joint d'arbre sans contact qui fonctionne efficacement tant que l'arbre tourne. Il est très efficace pour prévenir les fuites et les projections d'eau, mais il n'est pas efficace pour empêcher la pénétration de l'eau de condensation. Le joint labyrinthe traditionnel est illustré à la figure 4, et le joint labyrinthe amélioré à la figure 5.
Ce joint n'endommage pas l'arbre de la pompe et est disponible en versions intégrale et séparée, ainsi que dans une variété de matériaux et de configurations internes. Grâce à sa structure relativement simple et à sa facilité d'entretien, il est le type de joint d'huile le plus couramment utilisé.
Image 5
Figure 4 : Joint labyrinthe traditionnel
Image 6
Figure 5 : Joint labyrinthe amélioré
Actuellement, les fabricants ont développé des joints labyrinthes plus performants qui préviennent tout type de contamination. Par exemple, un joint sans contact pendant le fonctionnement pour éviter l'usure de l'arbre utilise une technologie brevetée de levage dynamique pour prévenir les problèmes de respiration, responsables de 52 % des défaillances de roulements dus à la contamination. Cette technologie de levage dynamique exploite la force centrifuge des équipements rotatifs pour créer un espace temporaire et minuscule, permettant ainsi au mélange huile-air présent dans le logement du roulement de se dilater et à l'équipement de « respirer ».
Lorsque le dispositif cesse de tourner, le minuscule espace se referme immédiatement, créant une étanchéité parfaite. Cela empêche la poussière et l'humidité de pénétrer dans le boîtier du roulement, prévenant ainsi toute contamination (voir figure 6).
Image 7
Figure 6 : Joint labyrinthe plus avancé
Les joints magnétiques existent depuis de nombreuses années, voir la figure 7. Ils occupent très peu d'espace axial, sont très efficaces pour empêcher l'humidité et les solides de pénétrer et sont également efficaces pour empêcher l'intrusion d'humidité extérieure.
Image 8
Figure 7 : Joint facial magnétique
Cependant, certaines personnes ne sont pas à l’aise avec les aimants situés à proximité des roulements.
Les joints à ressort sont une forme relativement récente de joints d'huile et pourraient constituer la meilleure alternative à tous les joints d'huile mentionnés ci-dessus. Comme les joints magnétiques, ils sont très efficaces pour empêcher l'infiltration d'humidité, de solides et d'humidité extérieure. Contrairement aux joints à lèvre, ils n'endommagent ni l'arbre ni le manchon.
Tant qu'il y a de l'air dans le boîtier de roulement et qu'un reniflard est installé, les joints d'étanchéité ne peuvent à eux seuls empêcher l'infiltration d'humidité et la condensation. La meilleure solution est donc : un joint à ressort + une chambre d'expansion du boîtier de roulement + un reniflard avec dessiccant. La chambre d'expansion (voir figure 8) est conçue pour limiter la montée en pression dans un volume clos ; l'augmentation du volume d'air emprisonné entraînera une diminution de sa pression. Un reniflard avec dessiccant est utilisé pour empêcher la formation de condensation dans l'air chaud après refroidissement du boîtier de roulement.
Image 9
Figure 8 : Chambre d'expansion du boîtier de roulement
Image 10
Figure 9 : Boîtier de roulement avec chambre d'expansion et reniflard déshydratant
Comme le montre la figure 9, à l'interface de la soupape de respiration d'origine sur le dessus du boîtier de roulement, une chambre d'expansion est installée horizontalement et le reniflard avec dessiccant est situé verticalement en haut.
Remarque : Cette configuration est relativement coûteuse. Dans les applications techniques réelles, afin d'empêcher l'intrusion d'humidité, de poussière et d'autres débris, la configuration la plus simple et la plus courante est : joint labyrinthe + disque anti-poussière, ou seulement un joint labyrinthe amélioré, ou seulement un joint d'extrémité à charge magnétique [16].
Installation, maintenance et surveillance
Installer
Y compris le montage de la tête de pompe et l'installation sur site (alignement) de l'unité de pompe.
Pour certaines pompes importantes, seul un personnel qualifié et formé est généralement autorisé à effectuer les travaux d'installation et de montage. L'installation doit également être réalisée conformément aux bonnes pratiques de l'ingénierie mécanique.
Les roulements peuvent facilement être endommagés ou mal installés si des outils ou des techniques d'installation inadaptés sont utilisés. L'environnement doit être propre et exempt de tout polluant ou liquide corrosif. Cela inclut les surfaces de travail, les mains/gants et les outils.
La plupart des roulements sont montés mécaniquement, préchauffés et hydrauliquement. Pour les roulements de petite et moyenne taille dont le diamètre extérieur est inférieur ou égal à 4 pouces, le montage mécanique (ou à froid) est préférable. Les montages thermique et hydraulique conviennent à tous les roulements, mais sont principalement utilisés pour les roulements de grande et moyenne taille.
Le montage mécanique utilise une force suffisante pour surmonter l'ajustement serré entre le roulement et l'arbre ou les composants du boîtier. Des outils de montage appropriés doivent être positionnés pour appliquer la force de montage sur la bague avec ajustement serré. Les forces de montage ne doivent jamais traverser directement les éléments roulants.
Le montage à chaud consiste à chauffer le roulement à une température spécifique avant le montage, ce qui provoque une dilatation radiale de l'alésage. Cette extension temporaire et temporaire est facile à installer. Une fois le roulement revenu à température ambiante, il retrouve ses dimensions et tolérances d'origine. Les appareils de chauffage par induction avec thermostat réglable et fonction de démagnétisation constituent la technologie la plus propre et la plus fiable pour chauffer les roulements. N'utilisez jamais de flamme nue !
Pour les roulements de grande taille ou les applications exigeant une précision élevée, la technologie hydraulique peut être utilisée, notamment les pompes hydrauliques, les graisseurs et les écrous hydrauliques. Ces technologies contribuent à maintenir la précision, la vitesse d'installation et la répétabilité. Elles minimisent les dommages, nécessitent moins d'interventions manuelles et améliorent la sécurité [5].
maintenir
Les roulements doivent toujours contenir une petite quantité de lubrifiant (huile ou graisse), sinon tout dommage à la surface du roulement peut affecter sa durée de vie. Un nettoyage et/ou une relubrification appropriés permettent d'éviter ces dommages.
Pour les pompes de process critiques, la graisse des roulements doit être remplacée tous les 12 à 18 mois. En cas de risque d'infiltration d'eau ou d'humidité dans le corps du roulement, les intervalles de nettoyage et de regraissage doivent être plus fréquents. La nouvelle graisse expulse l'ancienne graisse sous pression. La quantité de graisse ajoutée dépend de la taille et de la conception du corps du roulement, ainsi que de la taille des roulements. La graisse doit pénétrer complètement dans le roulement et en remplir environ 25 %. Un excès de graisse entraînerait une surchauffe des roulements. La quantité précise doit être ajoutée conformément aux exigences du fournisseur de la pompe.
Avec les pompes autolubrifiantes à huile fine, il est facile de savoir quand les roulements ont besoin d'huile : vérifiez l'indicateur de niveau d'huile.
Lors de la maintenance de routine, la température du boîtier/roulement doit être surveillée ou mesurée. Une augmentation de température inconnue détectée peut indiquer une défaillance imminente et nécessiter une investigation [17].
moniteur
Avec les progrès technologiques constants, la numérisation, ou transformation numérique, est devenue une tendance incontournable du développement des entreprises. La surveillance conditionnelle est une stratégie de maintenance pour l'état de fonctionnement des équipements rotatifs. Pour les pompes centrifuges, la surveillance conditionnelle la plus couramment utilisée est la surveillance de la température et des vibrations des roulements et de leur logement. La surveillance de ces deux paramètres permet de déterminer l'état de fonctionnement de la pompe. Grâce au développement de l'apprentissage automatique, du cloud computing et d'autres technologies, il sera également possible de prédire la durée de vie des pièces mécaniques et le moment où les pannes peuvent survenir, et de corriger les problèmes dans les délais prévus ou spécifiés [18].
Autres mesures visant à améliorer la fiabilité des roulements
Matériel
Dans les applications de pompage particulièrement exigeantes, comme celles des industries du pétrole, du gaz et du traitement des hydrocarbures, les roulements doivent souvent supporter des environnements contaminés et corrosifs, une lubrification insuffisante, des charges élevées ou faibles, et des températures élevées ou basses. Parallèlement, ils doivent offrir des niveaux de service, de fiabilité et de sécurité élevés.
En guise de mise à niveau, les roulements hybrides en céramique SKF, intégrant des éléments roulants en nitrure de silicium de qualité roulement, améliorent considérablement la fiabilité et la robustesse opérationnelle. Ce roulement est interchangeable avec un roulement tout acier de taille similaire, sans nécessiter de reconfiguration ni de modification de l'équipement de pompage.
Le nitrure de silicium de qualité roulement est un matériau céramique technique à la microstructure uniforme et nette. Extrêmement dur, il présente une densité inférieure de 40 % à celle de l'acier à roulement. De ce fait, les éléments roulants sont plus légers et présentent une inertie plus faible, ce qui réduit les contraintes sur la cage du roulement lors des démarrages et arrêts rapides et diminue considérablement le frottement à haute vitesse. Un frottement plus faible se traduit par des températures de fonctionnement plus basses et une durée de vie du lubrifiant plus longue.
De plus, le nitrure de silicium présente un module d'élasticité supérieur à celui de l'acier, ce qui contribue à accroître la rigidité et à prolonger la durée de vie des roulements en environnements contaminés. La faible dilatation thermique des éléments roulants en nitrure de silicium permet un contrôle plus précis de la précharge et réduit le risque de sur-précharge en cas de gradients de température à l'intérieur du roulement.
Les roulements hybrides en céramique améliorent également leur fiabilité et leur durée de vie de plusieurs autres manières. L'absence de frottement entre le nitrure de silicium et l'acier leur confère une durée de vie prolongée dans les applications soumises à des contraintes dynamiques sévères ou à des conditions de lubrification inadéquates.
revêtement
Pour surmonter plusieurs causes courantes de défaillance des roulements, un revêtement en carbone à faible frottement et résistant à l'usure peut être appliqué sur les éléments roulants et les chemins de roulement de la bague intérieure du roulement.
Les surfaces d'appui revêtues conservent la ténacité du matériau sous-jacent – le revêtement est en fait plus dur que l'acier, tout en utilisant la dureté du revêtement pour améliorer la résistance au frottement et à l'usure.
Les roulements à revêtement amélioré résistent à de nombreuses conditions de fonctionnement difficiles, notamment aux effets de traînée, à un film lubrifiant insuffisant, à la contamination du lubrifiant, aux variations brusques de charge, aux charges légères, aux variations rapides de vitesse de rotation, aux vibrations et aux oscillations, ainsi qu'aux risques de températures de fonctionnement élevées. Ces caractéristiques améliorent la fiabilité, prolongent la durée de vie et réduisent le risque de défaillance prématurée des roulements due au frottement, à l'usure et à d'autres facteurs connexes.
Modification de l'angle de contact des roulements montés par paires
L'angle de contact de 40° est devenu la norme pour les paires de roulements à contact oblique à une rangée des pompes API. Pour les roulements à deux rangées conventionnels utilisés dans les pompes ANSI, l'angle de contact typique pour l'appariement est de 30°.
Pour les roulements à une rangée appariés à 40°, la modification de l'angle de contact opposé (comme une combinaison de 40° et 15°) peut bénéficier à de nombreuses applications de pompes centrifuges en favorisant un fonctionnement plus fluide et une durée de vie plus longue pour supporter la charge.
Ce roulement à billes à contact oblique 40°/15° est idéal pour les applications où les charges axiales sont élevées dans une direction et ne changent pas de direction pendant le fonctionnement. Il peut supporter des inversions momentanées des charges axiales, y compris celles qui surviennent au démarrage et à l'arrêt de la pompe.
Dans les pompes centrifuges avec des charges de poussée plus légères et des charges principalement radiales, telles que les pompes à roue à double aspiration, une configuration de roulement avec un angle de contact de seulement 15° offre une autre option de mise à niveau.
La conception de ces roulements à 15° contribue à un fonctionnement plus froid, à une réduction significative des vibrations et à une durée de vie prolongée dans les applications avec des charges radiales élevées par rapport aux configurations de roulements à angle de contact de 40° conventionnelles [19].
Résumer
L'article examine en détail les moyens d'améliorer la fiabilité opérationnelle des roulements de pompes centrifuges sous de nombreux aspects, notamment :
1) Sélection correcte ;
2) Structure raisonnable de la boîte de roulement ;
3) Une lubrification adéquate ;
4) Refroidissement nécessaire ;
5) Installation correcte, entretien et surveillance nécessaires ;
6) Application de nouvelles technologies, de nouveaux matériaux, etc.
Date de publication : 30 mars 2024