Comment réduire ou éliminer l'entraînement d'air

Je n'avais pas prévu d'écrire à nouveau sur l'entraînement d'air, mais de récents problèmes de terrain m'ont poussé à revenir sur le sujet. Au cours des derniers mois, j'ai été impliqué dans quatre cas de performances de pompe mal comprises où l'entraînement d'air a été déterminé comme étant le principal coupable.

L'entraînement d'air peut ressembler et être confondu avec la cavitation dans une pompe en fonctionnement. La différence est que la cavitation est la formation et l'effondrement ultérieur de bulles de vapeur, tandis que l'entraînement d'air est simplement des bulles d'air qui étaient dans le flux de traitement avant la pompe et qui y resteront après la pompe. Les bulles peuvent changer de taille mais ne s'effondrent généralement pas lorsqu'elles traversent la pompe.

L'entraînement d'air en très petites quantités peut en fait être une bonne chose. De nombreux utilisateurs injecteront jusqu'à 0,9 % d'air pour amortir les effets de la cavitation. Cependant, l'entraînement d'air, même en quantités de 1 à 2 %, entraînera une chute spectaculaire des performances de la pompe. Les mauvaises performances de la pompe sont souvent confondues et imputées à tort à une multitude de symptômes autres que l'entraînement d'air. Une analyse approfondie des causes profondes en plus de l'éducation à ce sujet montrera que l'entraînement d'air est une affection de la pompe beaucoup plus courante qu'on ne le pensait initialement. Ce problème est une tendance à la hausse et est devenu plus courant pour plusieurs raisons. Les entreprises de pâtes et papiers injectent de l'air dans les mélanges pâte à papier/boue, d'autant plus qu'il y a une augmentation du recyclage. Les industries pétrolières et gazières s'efforcent de pomper davantage de fluides à deux phases à la tête de puits et en aval, et les usines de traitement des eaux usées utilisent davantage de systèmes de flottation à air dissous (DAF).

De plus, l'industrie constate une utilisation accrue des systèmes en boucle fermée et une tendance vers des bassins de tours de refroidissement moins coûteux, mais par conséquent plus peu profonds. En outre, l'industrie des procédés chimiques (CPI) et les usines industrielles générales ont renouvelé et augmentent la pression financière pour concevoir des systèmes avec des "empreintes" plus petites. Classé sous la rubrique « conséquences involontaires » est le résultat de réservoirs de stockage et de cuves de traitement plus courts et plus petits. Les réservoirs plus courts correspondent à des valeurs de submersion plus faibles, qui ont alors une probabilité plus élevée de créer des tourbillons et les plus petits réservoirs produisent un volume réduit et des réductions conséquentes des temps transitoires pour l'atténuation des bulles d'air.

Des augmentations de l'entraînement d'air de plus de 1,5 à 2 % auront des effets immédiats et néfastes sur la pompe, tant du point de vue des performances immédiates que du point de vue mécanique de manière prolongée.

Au fur et à mesure que les bulles d'air sont piégées à l'aspiration de la pompe, elles bloquent l'écoulement du fluide et les performances de la pompe diminuent. Le débit diminuera, la tête développée chutera et l'efficacité diminuera. L'entraînement d'air, même à des valeurs aussi faibles que 2 à 4 %, entraînera une augmentation des vibrations de la pompe, ce qui entraînera directement une défaillance prématurée des roulements. Les vibrations sont souvent causées par les charges hydrauliques déséquilibrées sur la roue en raison d'un blocage partiel de l'air.

L'air non ventilé s'accumule également dans la chambre du joint (configurations de presse-étoupe standard) pour créer des poches d'air qui provoquent un fonctionnement à sec des joints mécaniques. Le fonctionnement de la face d'étanchéité sèche/non lubrifiée contribue à une durée de vie raccourcie et à une défaillance ultime. Si vous entendez un grincement lorsque la pompe démarre, ce sont généralement les faces du joint qui fonctionnent à sec.

L'entraînement d'air est l'un des principaux contributeurs aux arbres de pompe cassés en raison de la poussée hydraulique et de la navette axiale qui se produisent à partir d'une pompe qui est bloquée une seconde (sans charge) et pompant la suivante (pleine charge) dans un "aller à" sans fin et involontaire. " boucle du cycle de fatigue d'effort.

L'entraînement d'air introduit également de l'oxygène libre indésirable dans le système, qui est le composant principal des formules de corrosion sous contrainte générale et de chlorure, pour n'en nommer que deux types.

L'entraînement d'air à 2 % réduira les performances de la pompe jusqu'à 12 %. À 4 %, cela réduira les performances de la pompe de 40 % et à 10 %, cela bloquera probablement complètement la pompe.

La submersion est un paramètre souvent négligé. Le niveau approprié de submersion est essentiel et le vortex est la source la plus courante d'air indésirable introduit dans les systèmes de pompage. Une submersion inappropriée crée les conditions du phénomène de vortex, qui introduit de grandes quantités d'air entraînant des dommages à la pompe en peu de temps. Si la submersion est insuffisante, vous pouvez ajouter des barrières vortex, augmenter la hauteur du niveau de liquide ou augmenter la taille de l'ouverture de la conduite d'aspiration en réduisant efficacement la vitesse du fluide. Ce n'est pas parce que vous ne voyez pas le vortex qu'il ne se produit pas.

Remplir et purger correctement le système initialement. J'ai été témoin de nombreux cas où l'opérateur n'a pas correctement ventilé le système ou ventilé les points hauts, les boîtiers ou les boîtes à garniture. Il est parfois prudent de "jogger" la pompe quelques fois pendant une courte période (10 à 15 secondes +/-) pour "balayer" les bulles d'air loin et en aval, loin de la pompe.

Aucun évent de point haut n'est installé, ou si des évents manuels sont présents, ils ne sont pas exercés. Les purgeurs d'air automatiques ne sont pas entretenus.

Vous ne pouvez pas ventiler une pompe en fonctionnement. La roue rotative agit comme une centrifugeuse où le fluide plus lourd est expulsé vers l'extérieur tandis que l'air plus léger reste au centre où il bloque également l'œillet d'aspiration de la roue. Lorsque vous ventilez le boîtier d'une pompe en fonctionnement, vous pouvez évacuer de l'air, puis du liquide. Mais s'il y a de l'air au niveau de l'œil, il y restera probablement. Les conceptions de décharge de la ligne centrale supérieure telles que les pompes de l'American National Standards Institute (ANSI) sont conçues pour être auto-ventilées. Les fluides dirigés vers la source d'alimentation ne doivent pas tomber librement dans le réservoir. Si tel est le cas, la zone doit être aussi éloignée que possible de l'aspiration de la pompe. Des déversoirs et/ou des barrières séparatrices doivent être installés.

Vous ne savez pas si vous avez un entraînement d'air ? Vous pouvez effectuer des tests simples qui sont couverts par l'Institut hydraulique (HI). En général, vous capturez des échantillons et les analysez. Vous pouvez également calculer si vous avez une immersion appropriée. Les tableaux de submersion sont un autre outil pratique, mais vous devez avoir un pied de submersion pour chaque pied de vitesse du fluide côté aspiration. Vous pouvez rechercher votre débit et la taille du tuyau pour déterminer la vitesse du fluide dans le "Cameron Hydraulic Data Book" ou "Cranes Technical Publication 410".

Ces dernières années, il y a une tendance financière à réduire la taille des réservoirs d'alimentation par aspiration. Sur les systèmes fermés et les systèmes avec des retours ou des alimentations à air entraîné, les réservoirs peuvent être conçus et construits pour présenter un "chemin tortueux" pour le fluide. Un système de déversoirs, de barrières et de chicanes peut être conçu pour présenter le maximum de temps de maintien/de temps transitoire pour l'élimination/l'atténuation des bulles d'air.

Pour la plupart des systèmes simples utilisant des fluides Newtonion (pas de boues), je suggère un temps transitoire de quatre à cinq minutes comme compromis respectable entre conception et coût.

En général, pour chaque type de conception de pompe centrifuge et de roue à aubes, les résultats sont différents lors du pompage de fluides avec de l'air entraîné. Il est difficile de donner une réponse simple sur ce qui fonctionnera ou non pour déterminer des résultats peu pratiques mais précis. Il n'y a pas d'application de formule magique facile pour le moment. La vitesse spécifique (NS) et la vitesse spécifique d'aspiration (NSS) sont toutes deux des facteurs pertinents. En règle générale, les roues de NS supérieur à 3 000 fonctionneront mieux que les roues inférieures à 3 000. En outre, la taille réelle de la roue, le diamètre de l'œillet d'aspiration, la vitesse de la pompe et le nombre d'aubes seront des facteurs.

Le nombre de volutes dans le carter jouera également un rôle majeur. En règle générale, une pompe à double volute fonctionnera mieux qu'une pompe à volute simple. Notez que certains fabricants produisent des pompes avec plus de deux volutes. Une pompe à diffuseur (pensez aux volutes d'un multiple élevé) fonctionnera mieux qu'une simple pompe de style volute.

Une méthode pour faire face à l'entraînement consiste à ouvrir les jeux de la pompe au-delà des recommandations normales. De nombreux opérateurs réussissent à doubler le dégagement. La pompe sera moins efficace, mais elle fonctionnera.

Dans les situations d'aspiration inondées, si la pompe devient bloquée dans l'air, vous pouvez arrêter la pompe et laisser passer la bulle et s'échapper de la pompe, puis redémarrer la pompe.

Certains opérateurs ont un succès progressif en utilisant une roue plus grande que les conditions hydrauliques ne l'exigent (basé sur un entraînement d'air nul).

Une approche moins fréquente et peut-être plus désespérée consiste à ajouter un inducteur (attaché à la roue); cet itinéraire nécessite souvent une assistance technique ou technique extérieure.

Les pompes à friction à disque ont un grand succès dans la gestion de l'entraînement d'air (apparemment) jusqu'à 70 %, avec l'inconvénient d'un coût élevé. Les pompes de style vortex et à roue encastrée ont également un bon succès, généralement jusqu'à 20 à 22 % d'entraînement d'air. J'ai vu quelques pompes à turbine encastrées gérer jusqu'à 24 % d'air. Il est également courant d'utiliser une pompe auto-amorçante dans les applications supérieures à 18 % d'entraînement d'air.

Les débits minimaux joueront également un rôle majeur dans la gestion des problèmes d'entraînement d'air. Plus le pourcentage d'entraînement d'air est élevé, plus le débit nécessaire pour pousser ou balayer les bulles d'air à travers l'œil de la turbine est important (voir Figure 1). Ainsi, faire fonctionner la pompe sur le côté gauche de la courbe peut entraîner des blocages de liaison d'air.

Souvent, les opérateurs pensent qu'un problème de pompe est la cavitation alors que le vrai coupable est l'entraînement d'air. Comme pour diagnostiquer certaines maladies dans le domaine médical, le processus d'élimination d'autres raisons qui pourraient être à l'origine des symptômes est la façon dont la conclusion est formée. Si vous regardez les composants qui composent la formule de NPSH disponible, vous pouvez déterminer les étapes d'action pour potentiellement réduire les effets. Si vous augmentez la tête d'aspiration statique ou refroidissez le liquide, cela devrait réduire les effets. Ou si vous ralentissez la pompe ou ralentissez le refoulement, les symptômes devraient diminuer.

Les problèmes d'entraînement d'air sont souvent ignorés ou confondus avec la cavitation et créeront des problèmes de performance et mécaniques avec une pompe centrifuge. Réduisez ou éliminez l'air pour éviter les problèmes de défaillances de l'arbre et les défaillances prématurées des roulements et des joints mécaniques.

Les référencesCentrifugal Pumps 2nd edition, Igor J. Karassik and Terry McGuireSuction Side Problems-Gas Entrainment (Centrifugal Pumps Handbook) James H. IngramNuclear Regulatory Commission report # NRC-DR-09-0270 November, 2009, by Allan R. BudrisPumps & Systems, January 2016, Cavitation vs Air Entrainment, Dr. Lev Nelik (lisez-le ici)

N'oubliez pas non plus de lire ici "Les raisons les plus courantes de l'entraînement d'air dans les systèmes de pompe" de Jim Elsey.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique qui s'est concentré sur la conception et les applications d'équipements rotatifs pour l'armée et plusieurs grands fabricants d'équipements d'origine pendant 43 ans sur la plupart des marchés industriels du monde. Elsey est un membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de l'American Society for Metals. Il est directeur général de Summit Pump Inc. et directeur de MaDDog Pump Consultants LLC. Elsey peut être contacté à [email protected].