Dépannage d'une pompe d'API défaillante

Jul 29, 2023

Une pompe d'injection de champ de saumure est un élément essentiel de toute opération d'usine de saumure ou de sel pratiquant l'extraction par solution pour la matière première.

Pendant les deux années pour lesquelles des records étaient disponibles, l'une de ces pompes centrifuges de 400 chevaux (ch), 3 600 rotations par minute (tr/min), 4x3x16 pouces (Image 1, en haut) tombait en panne tous les deux mois. Les coûts d'entretien étaient prévisibles et élevés.

Chaque cas de défaillance était une interruption du processus de fabrication de la saumure pour une usine de sel et entraînait des coûts de maintenance et d'entrepreneur, mais pourquoi il s'agissait d'une pompe si gênante était un mystère, et les coûts élevés ne pouvaient être tolérés.

La conception du processus à l'époque était celle illustrée à l'image 2. Pour autant que tout le monde le sache, cette conception remontait à 1984 lorsque cette conception de pompe et de processus pour recycler les purges a été adoptée.

En raison de la conception du procédé et de la configuration du pipeline en amont, le pompage peut varier de 1 gramme par centimètre cube (g/cm3) lorsqu'il est sur l'eau, à 1,20 g/cm3 (100 % de salinité) lorsqu'un bouchon de saumure entièrement saturée passe. La densité moyenne au fil du temps était d'environ 50 % de salinité ou 1,10 g/cm3, mais la pompe ne voyait pas tant la moyenne que les variances.

La tuyauterie en aval était une autre partie de l'histoire, car les puits de saumure avaient une profondeur de 2 500 pieds. Ceux-ci ont fait une conception de tube en U avec un pompage à densité variable sur la jambe gauche et une saumure saturée à 1,20 g/cm3 sur la droite.

Comme si la conception du procédé n'était pas un défi suffisant pour la pompe, les opérateurs avaient adopté, comme pratique préférée, l'étranglement post-caverne. Il s'agissait d'un développement récent au cours des deux dernières années et qui a exacerbé ce qui était déjà une situation problématique. De ce fait, les pompes devaient être éteintes tous les deux mois.

Ainsi, la combinaison de la conception du processus et de la pratique opérationnelle a envoyé la pompe à travers un cycle de fonctionnement quasi à vide à gauche du meilleur point d'efficacité (BEP), puis traversant le BEP pour fonctionner en cavitation à l'extrême droite du BEP.

L'étranglement post-caverne a été préféré par les opérateurs en raison de la logique selon laquelle "la saumure continuerait à couler longtemps après la panne d'une pompe". Les opérateurs ne se rendaient pas compte que cette pratique favorisait le syndrome des pannes fréquentes.

En regardant les enregistrements du fonctionnement du système, les enregistrements de débit élevé et faible pendant un mois ont raconté une partie de l'histoire. Il y avait un écart important entre le débit le plus faible, le débit moyen et le débit le plus élevé. De nombreuses lectures quotidiennes placent le débit à ce qui serait trop éloigné du BEP.

Le problème n'était pas seulement un débit élevé ou faible, mais les deux (survenant à des moments différents). La pompe oscillait d'avant en arrière sur sa courbe de performance d'aussi peu que 100 gallons par minute (gpm) à un débit élevé de 860 gpm qui était au-delà de la fin de la courbe de performance et lorsque le bruit de cavitation était fort.

La puissance consommée par le moteur racontait une histoire plus surprenante. Le moteur était fréquemment dans un état surchargé, avec des ampères aussi élevés que 60, bien au-dessus de la valeur nominale de la plaque signalétique à 52.

Celles-ci indiquaient que le débit excessif de fluide à haute densité était également un problème grave du point de vue de la charge du moteur, et toute cette puissance entrait dans la pompe et provoquait une autodestruction tous les deux mois.

Pourquoi tant de variance se produirait-elle ? Certaines données sur la densité du pompage aident à étoffer l'histoire. La salinité mesurée variait de 8% à 86% dans plus de 200 lectures, et les moyennes étaient d'environ 50% (Image 4). La variance de la salinité, combinée à la conception du procédé, forçait la pompe à varier sur toute sa plage de débit.

En regardant l'ensemble du système, il pourrait fonctionner avec deux puits en fonctionnement (un entrant, un sortant), trois puits (deux entrants, un sortant ou vice-versa) ou quatre puits (deux entrants, deux sortants), qui traitaient les pompes à des pertes de décharge par frottement considérablement différentes, selon la configuration.

Des modèles hydrauliques ont été développés pour les différentes situations. La pompe était adaptée à la situation de pompage uniquement sur l'eau, et le débit n'irait pas dans la zone de cavitation (Image 7).

En examinant les performances du système avec la saumure faible à faible salinité de 27 % (1,05 g/cm3), les utilisateurs constatent qu'avec une faible friction de sortie (quatre puits), le système peut entrer en dépassement et en cavitation s'il n'est pas étranglé.

La charge statique de l'élévation a été réduite en raison de l'interrupteur de la vanne à trois voies loin de l'eau du lac. La charge statique due à la différence de densité avait été réduite de 497 pieds à seulement 349 pieds, en raison du fluide à plus haute densité. Les courbes de performance du système se déplacent vers la droite et chutent par rapport à la courbe de performance de la pompe (Image 5).

De même, avec une densité de pompage plus élevée à 82 % de salinité faible saumure (1,16 g/cm3), la charge statique due à la différence de densité est encore diminuée, déplaçant les courbes du système plus loin sur la courbe de la pompe. Avec un tel fluide à haute densité, la charge statique de la différence de densité tombe à seulement 81 pieds, et les trois situations de décharge conduisent à un écoulement cavitant loin à droite du BEP (image 8).

Tout ce qui précède est théorique, mais regardez ce que faisait la pompe réelle. L'observation a montré que la pompe traversait un cycle répétitif qui faisait passer la pompe sur sa courbe de pompe, claire à la cavitation à plus de 750 gpm lorsqu'elle était sur un fluide chaud, puis de retour à l'extrême gauche du BEP (Image 6).

Lors du passage de l'eau du lac au pompage de saumure faible par la vanne à trois voies, le débit, la pression et la puissance ont tous augmenté car la densité avait augmenté, ainsi que la pression d'entrée, de -5 à +50 livres par pouce carré (psi). Ceci est défini comme temps = 0. Ensuite, à partir d'environ 13 minutes, un bouchon de saumure haute densité est passé, et le débit et la puissance ont encore augmenté.

La pression a diminué, cependant, en raison d'un effet en aval, avec une saumure de densité plus élevée remplissant la profondeur du puits. Le bruit de cavitation a commencé lorsque la saumure à haute densité et chaude passait à travers la pompe, et la cavitation s'est poursuivie jusqu'à ce que la vanne à trois voies revienne à l'eau du lac à environ 52 minutes dans le cycle. Des transitoires se sont à nouveau produits lorsque l'eau a d'abord rempli le pipeline, puis le puits. Le débit a diminué et s'est stabilisé lorsque le système a été entièrement rempli d'eau. Puis, à 98 minutes, la vanne à trois voies a basculé et le cycle s'est répété.

Comment les utilisateurs peuvent-ils résoudre le problème des pannes fréquentes ? Supprimez les causes de variance et faites en sorte que la pompe fonctionne de manière stable en :

Ces modifications sont illustrées dans l'image 3, la conception de processus modifiée telle que révisée.

La longévité attendue de cette pompe a alors été atteinte, et la durée de vie des joints est devenue le facteur limitant plutôt que la défaillance des roulements. La durée de vie a été encore prolongée lorsque la roue a été ajustée pour la conservation de l'énergie, d'abord de 16,0 à 14,5 pouces de diamètre, puis à 14,0 pouces et enfin à 13,75 pouces. Il a fonctionné pendant de nombreuses années dans ce mode. La pompe était devenue un élément fiable du processus de fabrication du sel, au lieu d'un cauchemar tous les deux mois.

L'ancien entraînement était de 4 160 volts (V) et n'était pas facilement contrôlé en vitesse. Lorsque les demandes de l'usine ont nécessité une plus grande capacité, la turbine a été ramenée à 16,0 pouces avec un entraînement à fréquence variable (VFD), entraînant un nouvel entraînement de 480 V dans un nouvel emplacement. La réduction de la vitesse de fonctionnement pour répondre aux besoins du processus et l'élimination de tout étranglement des vannes étaient un autre avantage pour la longévité de la pompe.

David Crea est un ancien ingénieur chimiste et consultant actuel. Il est diplômé de l'Université de l'Idaho. Crea est maintenant à la retraite et vit à Watkins Glen, New York. Il peut être joint à [email protected].