Pompes à lisier : les bêtes de somme des applications abrasives et corrosives

Dans les industries où le déplacement de mélanges de solides et de liquides est une exigence primordiale, la pompe centrifuge standard est souvent une recette pour une panne rapide et des temps d'arrêt coûteux. La solution réside dans une classe spécialisée d’équipements conçus pour gérer l’usure incessante et les conditions exigeantes des mélanges solide-fluide : la pompe à lisier. Conçues pour leur résilience, leur puissance et leur efficacité face à l'abrasion et à la corrosion, les pompes à lisier sont des atouts essentiels dans les secteurs de l'exploitation minière, du traitement des minéraux, du dragage et de la production d'électricité. Cet article fournit un examen détaillé des types de pompes à lisier, des principes de fonctionnement, des principales caractéristiques de conception, de la science des matériaux et des considérations critiques pour leur sélection et leur fonctionnement.

1. Introduction : Le défi unique du pompage du lisier

Le pompage d'une boue, un mélange de liquide (généralement de l'eau) et de particules solides, présente des défis bien au-delà de ceux du pompage de liquides clairs. La présence de solides introduit deux forces destructrices principales :

• Abrasion : L'usure mécanique des composants internes de la pompe par des particules dures et solides glissant ou heurtant des surfaces.

• Érosion : L'usure accélérée provoquée par l'impact cumulé des particules solides transportées par le liquide à grande vitesse.

La gravité de ces effets est influencée par des facteurs tels que :

• Taille et distribution des particules : Sables fins vs gros rochers.

• Forme des particules : Les particules angulaires et pointues sont plus abrasives que les particules arrondies.

• Dureté des particules : Par rapport à la dureté des matériaux de la pompe.

• Concentration de solides : Le pourcentage de solides en poids ou en volume dans le mélange.

• Vitesse d'écoulement : Des vitesses plus élevées augmentent considérablement le taux d’usure érosive.

Les pompes à lisier sont spécialement conçues pour gérer ces facteurs, sacrifiant une certaine efficacité hydraulique au profit d'une immense durabilité et fiabilité.

2. Types de Pompes à lisier

Les pompes à lisier peuvent être largement classées en fonction de leur conception et de leur application :

a) Pompes à lisier centrifuges :
Le type le plus courant, utilisant une roue rotative pour transmettre de l’énergie cinétique au lisier.

• Pompes à lisier horizontales : Le cheval de bataille standard. L'arbre est horizontal et la pompe est généralement montée sur une plaque de base avec un moteur d'entraînement. Ils sont robustes et accessibles pour la maintenance mais nécessitent un système d'aspiration ou d'amorçage noyé.

• Pompes à lisier verticales (pompes en porte-à-faux ou à réservoir) : Ces pompes n'ont pas de roulements immergés. Le moteur est situé au-dessus du puisard et un long arbre le relie à la turbine, qui est immergée dans le lisier. Cette conception est idéale pour les puisards et les réservoirs où les solides qui se déposent pourraient endommager les roulements immergés que l'on trouve dans d'autres pompes verticales.

• Pompes à lisier submersibles : Conçu pour fonctionner entièrement immergé dans le lisier, souvent utilisé pour le dragage, l'assèchement des tranchées et le pompage à partir de fosses profondes. Ils sont très portables mais nécessitent une étanchéité et une isolation électrique robustes.

b) Pompes à lisier volumétriques (PD) :
Utilisé pour pomper des boues très visqueuses, non décantées ou à très haute concentration là où une pompe centrifuge aurait du mal.

• Pompes à lobes rotatifs : Doux pour les solides, idéal pour les mélanges sensibles au cisaillement ou les grosses particules.

• Pompes à membrane et piston : Excellent pour les applications à haute pression et la manipulation de boues à teneur extrêmement élevée en solides. Ils utilisent un diaphragme pour isoler le lisier de l'huile hydraulique et des pièces mobiles de la pompe, réduisant ainsi l'usure.

Cet article se concentrera principalement sur les pompes à lisier centrifuges, car elles représentent la grande majorité des applications.

3. Principales caractéristiques et composants de conception

La conception d'une pompe à lisier centrifuge est une étude visant à atténuer les dommages.

• Construction robuste : Chaque composant est conçu pour être plus épais et plus résistant que son homologue liquide transparent afin de résister à l'usure et d'absorber les vibrations liées au pompage de mélanges inégaux.

• Turbine : Il comporte généralement des aubes moins nombreuses, plus épaisses et plus larges (souvent 3 à 5) pour permettre le passage des solides et réduire le colmatage. Il est conçu pour fonctionner à des vitesses plus lentes (une vitesse spécifique inférieure) afin de minimiser l'usure abrasive.

• Volute (boîtier) : Dispose d'un grand boîtier en demi-volute ou concentrique pour réduire la vitesse et fournir suffisamment d'espace pour le passage des solides, minimisant ainsi les points d'usure.

• Doublures : De nombreuses pompes à lisier sont conçues avec des revêtements remplaçables à l'intérieur du boîtier. Cela permet de remplacer les pièces d'usure sacrificielles pour une fraction du coût de remplacement de l'ensemble du corps de pompe. Les doublures peuvent être symétriques (pour une usure uniforme) ou asymétriques (pour prolonger la durée de vie dans les zones à forte usure).

• Système d'étanchéité : Peut-être le sous-système le plus critique. Les garnitures mécaniques standard échouent souvent rapidement.

  • Sceau d'expulsion : Une chambre scellée remplie d'huile avec une roue à aubes inversées qui crée une barrière de pression pour empêcher la boue de pénétrer dans la zone du presse-étoupe. Nécessite de l’eau propre pour un fonctionnement efficace.

  • Joint d'étanchéité à l'eau de glande : Introduit de l'eau propre sous pression dans la boîte à garniture pour éliminer les particules abrasives des faces du joint.

  • Garniture mécanique externe : Utilise un joint spécialement conçu avec des faces durcies (par exemple, carbure de silicium ou carbure de silicium) et un système de fluide barrière pour garder l'environnement du joint propre.

4. La science des matériaux : choisir la bonne armure

Le choix des matériaux constitue la première ligne de défense contre l’usure. Le choix dépend de l'abrasivité, de la corrosivité et de la taille des particules du coulis.

• Fer blanc à haute teneur en chrome (27 % de chrome) : La norme industrielle pour les boues hautement abrasives. Il est extrêmement dur (600-700 BHN) et offre une excellente résistance à l'abrasion, mais peut être cassant et sensible à la corrosion causée par les boues acides.

• Caoutchouc naturel (élastomères) : Supérieur au métal dans de nombreuses applications impliquant des abrasifs fins et tranchants (par exemple, sable et gravier). Son élasticité lui permet d'absorber l'énergie des particules impactantes et de fléchir sans se fracturer. Il ne convient cependant pas aux grosses roches pointues ou aux huiles/solvants.

• Polyuréthane : Offre un excellent équilibre entre résistance élevée à l’abrasion et ténacité. Il est souvent utilisé pour les revêtements, les turbines et autres composants manipulant des boues modérément abrasives.

• Aciers inoxydables (par exemple, CD4MCu, 316SS) : Utilisé principalement lorsque la corrosion constitue un problème important parallèlement à l'abrasion. Ils sont plus doux que le fer à haute teneur en chrome mais offrent une bien meilleure résistance chimique.

• Céramiques et composites céramiques : Utilisé dans les applications à très forte usure, comme les petites pièces de pompe à haute pression ou comme plaques d'usure dans les joints. Ils offrent une dureté extrême mais sont très coûteux et cassants.

5. Domaines d'application critiques

• Extraction minière et traitement des minéraux : La plus grande application. Utilisé à chaque étape, du transport du minerai dans un pipeline d'hydrotransport à l'alimentation des broyeurs (alimentation cyclonique) et à l'élimination des résidus.

• Dragage : Indispensable pour la remise en état des terres, l’entretien des voies navigables et l’extraction du sable et du gravier des lits de rivières et des fonds marins.

• Centrales électriques au charbon : Pompage des mâchefers et des cendres volantes mélangées à de l'eau pour élimination.

• Production d'acier et de métal : Manipulation des boues de calamine provenant des laminoirs et autres déchets.

• Construction et creusement de tunnels : Assèchement des fouilles et pompage des déblais (boues) des tunneliers.

• Minéraux industriels et granulats : Traitement du sable, du gravier, du ciment et du gypse.

6. Sélection et meilleures pratiques opérationnelles

La sélection de la bonne pompe à lisier est une tâche d’ingénierie système.

1. Caractérisation du lisier : Une analyse approfondie des propriétés du lisier (SG, granulométrie, pH, concentration) est la première étape essentielle.

2. Détermination de la hauteur et du débit : Les courbes du système doivent tenir compte de la densité spécifique plus élevée et de la nature visqueuse du lisier.

3. Dimensionnement de la pompe : Les pompes à lisier sont dimensionnées pour fonctionner à une vitesse plus lente que les pompes à eau pour réduire l’usure. Le point de fonctionnement cible se situe souvent à droite du point de meilleur rendement (BEP) sur la courbe de performance afin d'éviter la recirculation et l'usure côté aspiration.

4. Conception de la tuyauterie : Utilisez des coudes à grand rayon, évitez les contractions/expansions soudaines et assurez-vous que la vitesse du tuyau est suffisamment élevée pour empêcher la sédimentation mais suffisamment faible pour minimiser l'érosion.

7. L'avenir du pompage des boues

L'innovation continue de se concentrer sur la prolongation de la durée de vie des composants et la réduction du coût total de possession.

• Matériaux avancés : Développement de matériaux nanostructurés, de composites à double dureté et de polyuréthanes améliorés.

• Maintenance prédictive : Intégration de capteurs IoT pour surveiller les vibrations, la température et la pression en temps réel, permettant une maintenance basée sur l'état avant qu'une panne catastrophique ne se produise.

• Dynamique des fluides computationnelle (CFD) : Utilisation d'une simulation avancée pour optimiser la conception des turbines et des volutes afin de réduire les turbulences, une meilleure gestion des solides et une usure minimisée.

8. Conclusion

Les pompes à lisier témoignent du pragmatisme technique. Ils ne sont pas conçus pour une efficacité hydraulique maximale, mais pour une longévité et une fiabilité maximales dans les environnements les plus difficiles. En comprenant l'interaction entre une conception mécanique robuste, une science des matériaux avancée et une intégration minutieuse des systèmes, les ingénieurs peuvent sélectionner et exploiter ces bêtes de somme essentielles pour garantir le flux continu et rentable de certains des mélanges les plus difficiles au monde. Leur fonctionnement incessant est fondamental pour les infrastructures et les industries qui constituent l’épine dorsale de l’économie mondiale.