Comprendre les défauts de la pompe
Défauts de pompe sont les défaillances et les pannes qui affectent les pompes centrifuges, les pompes volumétriques et autres équipements de pompage. Elles se répartissent en trois catégories qui se recoupent : les problèmes mécaniques (défaillances des roulements, problèmes d'arbre, fuites au niveau des joints), les problèmes hydrauliques (cavitation, recirculation, endommagement de la roue), ainsi que des problèmes de performance (baisse du débit, perte d'efficacité). Chacun d'entre eux laisse une trace caractéristique Vibrations signature — fréquence de passage des aubes les composantes, l'énergie aléatoire à large bande issue de la cavitation ou les pulsations à basse fréquence accrues dues à l'instabilité hydraulique. Les pompes se trouvant au cœur de presque tous les processus industriels, leurs défaillances peuvent entraîner des arrêts de production, des rejets dans l'environnement et des risques pour la sécurité ; c'est pourquoi la compréhension des modes de défaillance spécifiques aux pompes et des techniques de diagnostic permettant de les détecter constitue la base d'une surveillance de l'état et maintenance prédictive.
1. Catégories de défauts des pompes
Défauts mécaniques (communs à tous les équipements rotatifs)
- défaillances de roulements: la panne de pompe la plus courante, représentant environ 30 à 40 % du total.
- Roue déséquilibre: due à l'érosion, à l'accumulation de résidus ou à l'absence d'ailettes.
- Désalignement: entre la pompe et son moteur, via l'accouplement.
- Problèmes d'arbre : un arbre courbé, fissures, ou l'usure.
- Mécanique relâchement: des bagues d'usure usées, une roue desserrée ou une plaque de base mal fixée.
Défauts hydrauliques (spécifiques à la pompe)
Cavitation Il s'agit de la formation et de l'éclatement violent de bulles de vapeur dans le liquide. Ce phénomène génère des vibrations aléatoires à haute fréquence et à large bande, érode et creuse le matériau de la roue, et constitue le problème hydraulique le plus courant et le plus destructeur.
Recirculation Il s'agit d'une instabilité d'écoulement qui survient dans des conditions hors spécifications, générant des pulsations à basse fréquence d'environ 0,2 à 0,8 fois la vitesse de rotation. Ce phénomène est fréquent à faible débit et peut lui-même entraîner des défaillances mécaniques.
Déséquilibre hydraulique résulte d'un écoulement asymétrique à travers la roue. Il produit une vibration de 1× due aux forces hydrauliques instationnaires et souvent un(e) prononcé(e) vibrations axiales de la composante.
Usure, érosion et défaillances des joints
- Usure de la roue : extrémités d'aubes, carénages et moyeu érodés.
- Jeu de la bague d'usure : ouvert par l'abrasion, provoquant une fuite interne.
- Usure du corps de pompe : surfaces érodées de la volute ou du diffuseur.
- Effet de l'usure : baisse du rendement, augmentation des vibrations et dégradation progressive des performances.
- Défaillances des joints : l'usure de la face d'étanchéité, les problèmes liés aux joints toriques ou aux ressorts, ou encore l'usure de la garniture — autant de facteurs qui entraînent des pertes de produit, une contamination et, souvent, des vibrations dues au frottement ; si elle n'est pas traitée, une fuite au niveau du joint contamine et détruit le roulement adjacent.
2. Signatures vibratoires
Fréquence de passage des aubes (VPF)
La fréquence propre à la pompe, générée à chaque fois qu'une aube de la roue passe devant le bec de volute ou le diffuseur.
- Calcul : VPF = nombre d'ailettes de la roue × régime (tr/min) ÷ 60.
- Normal : On observe un pic VPF d'amplitude modérée.
- VPF élevé : indique des problèmes hydrauliques, des dommages au niveau de la roue ou des jeux trop serrés ou irréguliers.
- Harmoniques : On trouve parfois des configurations à 2×VPF et 3×VPF.
Le calcul est rapide une fois, mais on peut facilement se tromper quand il s'agit d'une flotte de pompes ; notre Calculateur de fréquence de passage des pales convertit directement le nombre d'aubes et la vitesse en fréquence à rechercher.
Signatures de cavitation, de recirculation et de roue
- Cavitation : un bruit aléatoire à large bande (environ 500–20 000 Hz), des pics impulsifs marqués dans le forme d'onde temporelle l'éclatement des bulles, une amplitude fluctuant de manière irrégulière et ce bruit caractéristique de « gravier » ou de « pop-corn ».
- Recirculation : sous-synchrone des pulsations à une fréquence comprise entre 0,2 et 0,8 fois la vitesse d'écoulement, généralement de 2 à 15 Hz, dont la fréquence est souvent instable en fonction des variations du débit, et pouvant atteindre plusieurs fois l'amplitude normale de 1×.
- Problèmes liés à la roue : 1× vibration due à un balourd (érosion, accumulation de dépôts, aubes cassées) ; harmoniques multiples et vibrations irrégulières dues à une roue mal fixée ; et augmentation de l'amplitude du VPF avec bandes latérales en raison d'aubes endommagées.
3. Types courants de pannes de pompes classés par fréquence
- Défaillances des roulements (~30–40 %) : les mêmes mécanismes que tout équipement rotatif, mais aggravés par les charges axiales, les vibrations et la contamination, et détectés par le biais de fréquences de défaut des roulements.
- Défaillances des joints (~20–30 %) : l'usure des faces de la garniture mécanique, la détérioration des joints toriques ou des joints d'étanchéité, les fuites visibles et la contamination — ce qui conduit souvent à une défaillance ultérieure des roulements.
- Dommages dus à la cavitation (~15–25 %) : Érosion de la roue, piqûres, perte progressive de performances ; ces problèmes peuvent être en grande partie évités grâce à une conception adéquate du système et à un NPSH suffisant.
- Dommages à la roue (~10–20 %) : érosion, corrosion, dommages causés par des corps étrangers, aubes cassées ou fissurées, usure par abrasion et encrassement.
4. Méthodes de détection
Analyse des vibrations
- Niveaux globaux et tendance par rapport à une ligne de base.
- Analyse FFT pour déterminer la composition en fréquences.
- Surveillance de l'amplitude VPF (fréquence de passage des aubes) et analyse à large bande pour la cavitation.
- Vibrations axiales permettant de mettre en évidence des problèmes de poussée et de déséquilibre hydraulique.
Suivi des performances et des processus
- Débit : Une baisse indique une usure ou un encrassement.
- Pression de refoulement : Une baisse de la hauteur manométrique indique une usure de la roue ou de la bague d'usure.
- Consommation électrique : un décalage signale une modification de l'efficacité.
- Courbe de pompe : comparer le point de fonctionnement réel à la courbe de conception.
- Pression d'aspiration / NPSH : Un NPSH insuffisant est la cause principale de la cavitation.
- Température, bruit et fuites : Des signes de surchauffe indiquent un problème au niveau des roulements ou des joints ; on peut entendre des bruits de cavitation et de recirculation, et des gouttes visibles révèlent une défaillance des joints ou des garnitures.
5. Stratégies de prévention
Choix, installation et utilisation
- Choix et dimensionnement : choisissez la pompe en fonction des conditions réelles d'exploitation, veillez à disposer d'une marge NPSH suffisante, évitez de fonctionner loin du point de rendement optimal (BEP) et tenez compte des fluides abrasifs, corrosifs ou à haute température.
- Installation : précision alignement de l'arbre au moteur d'entraînement, un bon soutien des tuyauteries pour éviter toute contrainte sur celles-ci, une conception adéquate des tuyaux d'aspiration et une vérification de l'absence de pied mou.
- Fonctionnement : fonctionner à un régime proche du point de fonctionnement optimal (à environ ±20 % du débit nominal), ne jamais fonctionner à débit nul ni à sec, maintenir la pression d'aspiration, maintenir la température dans les limites prescrites et mettre en place une recirculation à débit minimal lorsque les conditions d'exploitation l'exigent.
Maintenance et équilibrage sur site
- Entretien: lubrifier les roulements selon le calendrier prévu, entretenir tout système de rinçage des joints, surveiller l'évolution des vibrations, tester les performances à intervalles réguliers et vérifier les jeux des bagues d'usure lors des révisions.
Bon nombre de ces défauts se traduisent par une augmentation des vibrations à 1×, et la solution la plus rapide pour y remédier — une fois que l'on a écarté tout problème d'alignement ou de jeu — consiste à rééquilibrer le rotor sur place. Un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A permet à un technicien de mesurer le spectre de vibrations de la pompe, de distinguer un pic de 1× dû à un déséquilibre réel de la roue d'un pic de 2× dû à un désalignement ou d'un pic hydraulique VPF, puis de corriger le déséquilibre en équilibrage sur place la roue dans ses propres paliers à vitesse de fonctionnement — sans qu'il soit nécessaire de la démonter pour la placer sur une machine d'équilibrage — et les signatures de cavitation, de recirculation et des paliers sont toutes enregistrées lors de la même mesure. Lorsque la masse d'équilibrage est nécessaire, le Calculateur de masse d'essai donne une première estimation fiable.
Les défaillances des pompes englobent à la fois les problèmes courants liés aux machines tournantes et les problèmes hydrauliques propres aux pompes. C'est en comprenant l'interaction entre l'état mécanique, les performances hydrauliques et les conditions d'exploitation — et en combinant l'analyse des vibrations avec les paramètres de performance et de processus — qu'il est possible de gérer efficacement la fiabilité des pompes et d'éviter dès le départ les pannes coûteuses et les interruptions de production.
