Causes fréquentes des vibrations des pompes à boues

D'après les statistiques disponibles, les vibrations anormales des pompes à boues constituent une cause majeure de pannes. Parallèlement, les dysfonctionnements de l'équipement intensifient directement les vibrations de la pompe, créant un cercle vicieux qui compromet gravement la sécurité de fonctionnement. Il en résulte une augmentation des coûts de maintenance et des pertes de production dues aux arrêts de production.

I. Analyse des causes des vibrations des pompes à boues

1. Défaut de déséquilibre de masse de la roue
La force centrifuge générée par un déséquilibre de masse de la roue agit constamment sur la pompe à boues . Lors de la fabrication, les composants sont inspectés et ajustés, la roue étant notamment soumise à des tests d'équilibrage statique et dynamique, ainsi qu'à un perçage/fraisage pour correction. Les zones de déséquilibre sont usinées, ce qui permet d'obtenir un équilibre de masse relativement optimal. Par conséquent, la pompe fonctionne de manière très stable avec des vibrations minimales. Cependant, après une utilisation prolongée, des facteurs tels que l'usure de la roue et l'entartrage dû à l'adhérence de la boue perturbent l'équilibre de masse global, entraînant une charge inégale ou « excentrée » sur la roue. Le côté le plus lourd de cette roue déséquilibrée subit une force centrifuge accrue, en particulier à haute vitesse de rotation, ce qui provoque d'importantes forces de rotation déséquilibrées. Les mesures montrent généralement une augmentation progressive de l'amplitude des vibrations de l'extrémité moteur vers l'extrémité pompe.

2. Défaut vibratoire induit par couplage
Les vibrations induites par l'accouplement sont relativement fréquentes dans les pompes à boues, notamment avec les accouplements rigides. Les vibrations du moteur et de la pompe peuvent se propager dans l'accouplement, amplifiant ainsi les vibrations globales. Même pour les accouplements flexibles à goupilles couramment utilisés, la défaillance des goupilles ou des bagues en caoutchouc, empêchant tout mouvement axial, peut provoquer des vibrations intenses et brèves. Bien que les défauts d'accouplement contribuent aux vibrations de la pompe, ils sont généralement moins importants que ceux causés par des problèmes de roue. Les accouplements font également l'objet d'un équilibrage après leur fabrication.

L'alignement de l'accouplement, tout comme l'équilibrage de la roue, vise à minimiser les forces déséquilibrées lors de la rotation. Toutefois, outre son propre équilibre massique, l'installation de l'accouplement doit satisfaire deux conditions pour un alignement correct :

1. Coïncidence des deux moyeux d'accouplement, c'est-à-dire que leurs circonférences extérieures sont alignées.

2. Parallélisme des faces d'accouplement (faces d'extrémité), assurant le parallélisme des deux axes.
   Ce n'est que lorsque ces conditions sont réunies que l'on peut mieux garantir un fonctionnement stable des équipements et une usure minimale des composants d'accouplement.

3. Vibrations causées par des boulons de fixation desserrés
Même les équipements en bon état de fonctionnement subissent des micro-vibrations. Avec le temps, celles-ci provoquent le desserrage des boulons du corps de pompe, du logement de palier et de la plaque de base. Des boulons desserrés permettent au corps de pompe de bouger plus librement, ce qui amplifie les vibrations. Si elles ne sont pas resserrées rapidement, ces vibrations accrues desserrent et usent davantage les boulons, créant un cercle vicieux qui finit par entraîner des pannes de pompe plus importantes.

4. Défauts dus à l'usure des roulements ou à une lubrification insuffisante
La durée de vie des roulements est directement liée à leur environnement d'exploitation et à leur lubrification. Les fuites de lubrifiant sont un problème très fréquent sur les pompes à boues. Les joints d'étanchéité situés de part et d'autre du logement de roulement peuvent se détériorer, entraînant des suintements persistants. Par ailleurs, l'obstruction des passages d'huile par un lubrifiant contaminé peut nuire à la lubrification des roulements. Une lubrification insuffisante, indépendamment de l'usure existante des roulements, provoque du bruit et des vibrations. Ceci est dû à l'absence de film d'huile, qui entraîne un contact direct métal sur métal entre les éléments roulants, supprimant ainsi l'amortissement. Bien que légèrement imperceptibles au départ, ces vibrations sont très dommageables. De plus, de nombreux logements de roulements de pompes à boues utilisent des joints labyrinthes, qui empêchent les fuites d'huile mais ne bloquent pas complètement la pénétration de contaminants externes dans les roulements, ce qui peut engendrer une usure due à la contamination.

5. Défauts d'équipement causés par des conditions d'alimentation instables
Les pompes à boues fonctionnent souvent dans des conditions difficiles, et nombre d'entre elles supportent des débits élevés. Lors du transport de la boue, de gros débris peuvent obstruer les canaux de la roue et perturber l'alimentation. Une alimentation instable ou insuffisante provoque une cavitation importante dans la volute de la pompe. Ce phénomène déséquilibre la roue hydraulique, générant des vibrations et constituant un risque sérieux pour la sécurité de l'équipement.

II. Risques liés aux vibrations des pompes à boues

1. Impact sur la durée de vie des composants de la pompe
Les statistiques indiquent que les défaillances liées aux vibrations sont responsables d'environ 74 % des pannes de pompes à boues. En fonctionnement, le déséquilibre accroît les charges centrifuges sur les roulements. Des vibrations dépassant les limites admissibles dégradent prématurément le film lubrifiant sur les surfaces de roulement. Une lubrification et une dissipation thermique insuffisantes entraînent une élévation de la température des roulements, accélérant ainsi leur défaillance.

2. Dommages et fuites au niveau des joints mécaniques
Bien que l'impact des vibrations sur les garnitures mécaniques soit moins marqué que sur les roulements, il demeure une cause majeure de défaillance. Les vibrations empêchent un contact stable entre les faces d'étanchéité, ce qui peut entraîner de légères fuites de boue au départ. Les pompes à boues utilisant souvent des garnitures mécaniques doubles, les vibrations peuvent également permettre aux particules de boue de s'infiltrer entre les faces de friction pendant le fonctionnement, provoquant une usure prématurée de ces dernières. De plus, les vibrations peuvent causer une rupture prématurée par fatigue du ressort de compression et une usure excessive des joints toriques, engendrant ainsi des fuites.

3. Usure et fuite du corps de pompe
Pour améliorer le rendement des pompes centrifuges, les jeux entre les composants internes, tels que la roue, les plaques d'usure avant et arrière et la volute, sont minimisés dès la conception (des jeux plus faibles permettent généralement d'obtenir un meilleur rendement dans des conditions similaires). Les vibrations provoquent des mouvements et un faux-rond de l'arbre axial, ce qui endommage fortement les composants internes. Elles peuvent également entraîner des chocs ou une usure entre les plaques d'usure et la roue. De tels dommages compromettent les performances de la pompe ou réduisent son rendement. Les forces de frottement exercées sur les composants internes par les vibrations peuvent également provoquer des fuites au niveau des joints.

4. Augmentation de la consommation d'énergie par unité d'appareil
Les vibrations dans les pompes à boues engendrent des pertes par frottement supplémentaires et des forces centrifuges irrégulières. Cela réduit non seulement la stabilité de fonctionnement, mais aussi le rendement de la pompe, augmentant ainsi le gaspillage d'énergie pour un même débit et entraînant une consommation électrique plus élevée.

5. Survenance d'une rupture d'arbre
L'arbre de la pompe transmet la rotation et assure la stabilité de la roue. Les forces centrifuges déséquilibrées induites par les vibrations sur la roue soumettent l'arbre à des contraintes excessives. Un fonctionnement prolongé dans ces conditions entraîne une fatigue du métal et, à terme, la rupture de l'arbre.

III. Prévention et traitement des vibrations de la pompe

Les vibrations des pompes ne peuvent être totalement éliminées, mais peuvent être atténuées par des mesures efficaces. Pour un fonctionnement stable et durable des pompes à boues, une sélection appropriée et une utilisation standardisée sont essentielles. Les vibrations sont à double tranchant : elles peuvent provoquer des pannes graves, mais la surveillance de leurs variations permet également de détecter et de diagnostiquer rapidement les problèmes naissants.

(1) Sélection : Les conditions et environnements de fonctionnement des pompes à boues sont généralement difficiles, ce qui entraîne des taux de défaillance relativement élevés. Par conséquent, il est conseillé de choisir un équipement aux spécifications supérieures (dans les limites des exigences techniques), tout en veillant à des conditions d’alimentation favorables.

(2) Fonctionnement : Les pompes centrifuges subissent une cavitation en fonctionnement, qui s’aggrave en cas d’alimentation insuffisante, augmentant ainsi les vibrations. Les vibrations de courte durée dues à la cavitation sont causées par une distribution inégale du liquide dans la volute. Stabiliser l’alimentation ou ajuster la vitesse de la pompe/du distributeur permet de réduire efficacement les vibrations. Cependant, une cavitation prolongée entraîne une usure irrégulière de la roue, rendant les vibrations difficiles à régler.

(3) Lubrification : La lubrification dépend non seulement du niveau et de la quantité d’huile, mais aussi de sa viscosité. Une viscosité insuffisante peut provoquer des vibrations. La température du palier augmente en fonctionnement, ce qui diminue la viscosité de l’huile. Par conséquent, lors du contrôle des niveaux d’huile, assurez-vous que la température de fonctionnement reste dans une plage appropriée. Recherchez rapidement les causes de l’élévation de température, car une surchauffe peut également entraîner des vibrations du palier et des dommages dus à une lubrification insuffisante.

(4) Serrage : Les boulons peuvent se desserrer sous l’effet de micro-vibrations. L’application d’un frein-filet lors du remontage après maintenance permet d’éviter ce desserrage et d’endommager le filetage. Ce produit peut être fondu à chaud pour faciliter le démontage. Ce petit investissement est essentiel pour le remontage des équipements.

(5) Stabilisation de l'alimentation : La stabilité de l'alimentation dépend du choix et de l'installation. Toutefois, en cours de fonctionnement, la sédimentation, l'entartrage ou l'obstruction des canalisations par de grosses particules peuvent réduire le débit en dessous des besoins de la pompe, nécessitant un nettoyage des conduites et des vannes. Pour réguler le débit, il est préférable de réduire la vitesse (fréquence) de la pompe, puis d'ajuster la vanne de refoulement. Le réglage de la vanne d'aspiration pour réguler le débit est déconseillé.

IV. Conclusion

Les pannes d'équipement débutent souvent par de subtiles vibrations anormales qui s'intensifient progressivement. Ce processus offre de nombreuses pistes d'analyse et de synthèse. Les vibrations anormales constituent à la fois un symptôme de dysfonctionnement et un facteur important d'aggravation de la panne. Leur analyse sert d'outil de diagnostic. Négliger de traiter rapidement les problèmes d'équipement en fonction de l'évolution des vibrations engendre un cercle vicieux : des vibrations plus importantes indiquent une probabilité accrue de pannes, et les pannes existantes, à leur tour, aggravent les vibrations.