Comment sélectionner la bonne pompe de traitement pétrochimique ?

La sélection des pompes dans une raffinerie ou une usine pétrochimique n’est pas un exercice de catalogue. Un pompe de procédé pétrochimique fonctionne dans des conditions combinant haute température, haute pression, fluide inflammable ou toxique et cycles de service continus. Une mauvaise sélection entraîne des arrêts imprévus, des défaillances des joints et des incidents de sécurité. Ce guide couvre les types de pompes, les exigences UnPI 610, la sélection des matériaux, les systèmes de garniture mécanique et les pratiques de fiabilité au niveau de spécification requis par les ingénieurs de procédés et les acheteurs d'équipements en gros.

Qu’est-ce qu’une pompe de traitement pétrochimique ?

A pompe de procédé pétrochimique est une machine de manipulation de fluides conçue spécifiquement pour être utilisée dans les industries du raffinage, du traitement chimique et des hydrocarbures connexes. Il transfère des liquides chauds, froids, visqueux, abrasifs, volatils ou chimiquement agressifs. La pompe doit contenir le fluide sans fuite, fonctionner de manière fiable pendant des périodes prolongées entre les intervalles de maintenance planifiés et répondre aux exigences de sécurité de l'installation.

Environnement de fonctionnement et caractéristiques des fluides

• Les fluides de traitement comprennent le pétrole brut, le naphta, le benzène, le toluène, le xylène, l'acide sulfurique, la soude caustique, les gaz liquéfiés et les huiles caloporteuses à haute température.
• Les températures de fonctionnement vont du service cryogénique inférieur à -100 degrés Celsius au service de charge de chauffage au-dessus de 400 degrés Celsius.
• Les pressions de fonctionnement dans le service d’alimentation des réacteurs haute pression peuvent dépasser 300 bars dans certaines configurations.
• De nombreux fluides de procédé sont classés comme dangereux, inflammables ou toxiques selon les réglementations OSHA Process Safety Management (PSM), ce qui fait du confinement sans fuite un critère de conception non négociable.
• Les variations de densité et de viscosité à travers les flux de processus nécessitent un dimensionnement hydraulique minutieux pour éviter de fonctionner loin du meilleur point d'efficacité (BEP).

Types de pompes utilisés dans les services pétrochimiques

Aucun type de pompe ne couvre à lui seul la gamme complète des conditions de service pétrochimique. Les ingénieurs de procédés sélectionnent la technologie des pompes en fonction du débit, de la pression différentielle, des propriétés du fluide et des objectifs de fiabilité. Le tableau ci-dessous compare les principales catégories de pompes utilisées dans les usines pétrochimiques.

Pompe centrifuge pour l'industrie pétrochimique

Le pompe centrifuge pour l'industrie pétrochimique Le service représente la majorité des unités de pompage installées dans une raffinerie typique. Les pompes centrifuges offrent un débit continu, une charge de couple fluide, une facilité de contrôle via un entraînement à fréquence variable (VFD) et une fréquence de maintenance relativement faible lorsqu'elles sont correctement dimensionnées. Leur principale limitation est la sensibilité à la hauteur d'aspiration nette positive (NPSH), en particulier avec les hydrocarbures volatils proches de leur point de bulle. Une marge NPSH d'au moins 1,0 mètre au-dessus du NPSH requis est le minimum standard, de nombreux concédants de licence spécifiant des ratios de marge NPSH de 3 dB pour les services critiques.

Options de déplacement positif

Les pompes volumétriques sont spécifiées lorsque le fluide est trop visqueux pour la technologie centrifuge, lorsqu'un dosage précis est requis ou lorsque des pressions différentielles très élevées dépassent la plage pratique des conceptions centrifuges. Les pompes à engrenages gèrent des viscosités de 20 cSt à plus de 100 000 cSt. Les pompes à piston alternatif sont le choix standard pour l'injection haute pression dans les réacteurs fonctionnant au-dessus de 100 bars.

Pompe de traitement pétrochimique API 610 — Exigences standard

Le American Petroleum Institute standard API 610 is the governing specification for centrifugal pumps in the petroleum, petrochemical, and natural gas industries. Compliance with this standard is required on most EPC projects worldwide. An Pompe de procédé pétrochimique API 610 doivent répondre à des exigences dimensionnelles, hydrauliques, mécaniques et d’essais qui vont bien au-delà de la pratique générale des pompes industrielles.

Critères clés de conception et de construction de l'API 610

• Le débit stable continu minimum (MCSF) doit être défini par le fabricant et marqué sur la courbe de performance de la pompe.
• La région de fonctionnement préférée (POR) est définie comme 70 % à 120 % du débit BEP — la sélection de la pompe doit placer le point nominal dans cette plage.
• Un boîtier à double volute est requis pour les diamètres de roue supérieurs à un seuil de taille spécifié dans la norme, afin de réduire les charges radiales sur les roulements en fonctionnement hors BEP.
• Le boîtier de roulement doit permettre la lubrification des bagues d'huile, le brouillard d'huile pure ou l'alimentation en huile sous pression, comme spécifié. Les roulements lubrifiés à la graisse ne sont pas autorisés pour la plupart des applications de processus.
• Une durée de vie minimale des roulements L10 de 25 000 heures dans les conditions nominales est requise — calculée selon la norme ISO 281.
• Un test de pression hydrostatique à 1,5 fois la pression de service maximale autorisée (MAWP) est obligatoire avant expédition.

Codes de type de pompe sous API 610

API 610 définit des codes de type standardisés qui décrivent la configuration mécanique de la pompe. Le tableau ci-dessous résume les types les plus fréquemment spécifiés.

Matériaux de pompe pétrochimique à haute température

Matériaux de pompe pétrochimique à haute température doivent conserver leur résistance mécanique, résister à l’oxydation et rester dimensionnellement stables sur des plages de températures de fonctionnement qui s’étendent souvent sur plusieurs centaines de degrés Celsius. La sélection des matériaux prend également en compte la corrosion due au fluide de procédé et à tout contaminant entraîné.

Sélection d'alliage de carter et de turbine

Le table below maps common process service conditions to the appropriate casing and wetted parts material. These selections follow industry practice aligned with API 610 and NACE MR0103 corrosion-resistant materials requirements.

Sélection de joints de pompe pétrochimique et de joints mécaniques

Le shaft seal system is the most failure-prone component in any pompe de procédé pétrochimique . Correct Sélection de joints de pompe pétrochimique et de joints mécaniques est régi par l'API 682, qui définit les types de joints, les dispositions et les plans de rinçage pour les services dangereux et non dangereux.

Présentation des plans de sceau API 682

L'API 682 spécifie les plans de tuyauterie qui contrôlent l'environnement au niveau des faces d'étanchéité. Le tableau ci-dessous résume les plans les plus utilisés et leur logique d'application.

Entretien et fiabilité des pompes de procédés pétrochimiques

Un programme de fiabilité structuré réduit le temps moyen entre les pannes (MTBF) et diminue le coût du cycle de vie. Maintenance et fiabilité des pompes de procédés pétrochimiques les programmes se concentrent sur la surveillance prédictive, l’analyse des causes profondes et les normes de réparation disciplinées.

Stratégies de surveillance de l'état

• Analyse vibratoire : La surveillance des vibrations en ligne avec des capteurs de vitesse et d'accélération détecte le déséquilibre de la roue, les défauts de roulement et l'instabilité hydraulique avant une panne. L'API 670 spécifie les exigences en matière d'instrumentation pour la surveillance continue des vibrations sur les pompes critiques.
• Surveillance de la température des roulements : Des détecteurs de température à résistance (RTD) installés dans le boîtier du roulement alertent les opérateurs en cas de panne de lubrification ou de surcharge avant que le grippage du roulement ne se produise.
• Détection de fuite de joint : Les garnitures mécaniques doubles équipées de systèmes Plan 52 ou 53A permettent aux opérateurs de surveiller le niveau et la pression du liquide tampon ou de barrière en tant qu'indicateurs indirects de l'état du joint interne.
• Tendances des performances : Une comparaison régulière des données réelles de hauteur de débit et de puissance avec la courbe d'origine de la pompe identifie l'usure interne au niveau des bagues d'usure et des passages de la roue avant que la perte d'efficacité ne devienne grave.
• Analyse d'huile : Une analyse spectrométrique périodique de l'huile du boîtier de roulement détecte les particules métalliques d'usure provenant des chemins de roulement et des tourillons, fournissant ainsi une alerte précoce en cas de défaillance imminente du roulement.

Conformité et normes de l'industrie

• API 610 (ISO 13709) : Pompes centrifuges pour les industries du pétrole, de la pétrochimie et du gaz naturel. La spécification principale pour la conception, les matériaux, les tests et la documentation des pompes.
• API 682 (ISO 21049) : Pompes — Systèmes d’étanchéité d’arbre pour pompes centrifuges et rotatives. Régit le type de garniture mécanique, sa disposition et la sélection du plan de rinçage.
• API670 : Systèmes de protection des machines. Spécifie les instruments de surveillance des vibrations, de la température et de la vitesse pour les équipements rotatifs critiques.
• NACE MR0103 / ISO 17945 : Matériaux métalliques résistants à la fissuration sous contrainte des sulfures dans les environnements corrosifs du raffinage du pétrole. Obligatoire pour les composants de la pompe de service acide.
• ASME B73.1 : Pompes centrifuges horizontales à aspiration terminale pour procédés chimiques — référencées pour les services chimiques généraux non API dans les installations pétrochimiques.

Foire aux questions

Q1 : Quelle est la différence entre les configurations de pompe API 610 OH1 et OH2 ?

OH1 et OH2 sont des pompes centrifuges en porte-à-faux à un étage. La différence réside dans la façon dont le boîtier est soutenu. Une pompe OH1 est montée sur pieds – le boîtier repose sur des pieds boulonnés à la plaque de base. Une pompe OH2 est montée sur l'axe central : le boîtier est soutenu au niveau de son axe central par des supports, ce qui permet à la pompe de se dilater thermiquement vers le haut et vers le bas de manière égale à partir de l'axe central de l'arbre. Cela évite le désalignement de l’arbre dû à la croissance thermique. Le montage OH2 est requis par l'API 610 pour les services où la température du fluide pompé dépasse environ 200 degrés Celsius, car les boîtiers montés sur pieds à haute température génèrent un désalignement inacceptable de l'arbre à l'accouplement.

Q2 : Comment calculez-vous la marge NPSH pour une pompe à hydrocarbures volatils ?

La hauteur d'aspiration positive nette disponible (NPSHa) est calculée à partir de la pression de la cuve d'aspiration, de la hauteur de liquide statique au-dessus de la buse d'aspiration de la pompe, des pertes par frottement dans la conduite d'aspiration et de la pression de vapeur du fluide à la température d'aspiration. Le résultat doit dépasser le NPSH (NPSHr) requis par la pompe – tiré de la courbe de performance du fabricant – de la marge spécifiée. L'API 610 exige que le NPSHa dépasse le NPSHr d'au moins 0 mètre au point nominal, mais la plupart des pratiques d'ingénierie appliquent une marge de 3 dB (NPSHa égale ou supérieure à 1,3 fois le NPSHr) pour les hydrocarbures légers et les services volatils afin d'éviter les dommages par cavitation et l'instabilité de la recirculation par aspiration.

Q3 : Quand une garniture mécanique double est-elle requise au lieu d’une garniture simple ?

L'API 682 classe les fluides en fonction de leur niveau de danger et de leurs propriétés physiques. Un dispositif à double joint — soit sans pression (Plan 52) soit sous pression (Plan 53A) — est requis lorsque le fluide pompé est classé comme toxique, cancérigène ou hautement inflammable avec un point d'ébullition normal inférieur à 0 degré Celsius, ou lorsque les réglementations environnementales locales interdisent toute émission atmosphérique du fluide de procédé. Des joints simples avec des plans de rinçage adéquats sont autorisés pour les services à faible risque. La sélection finale doit être confirmée par rapport à l'étude HAZOP du site, aux réglementations locales en matière d'émissions et aux exigences du concédant de licence de procédé.

Q4 : Qu’est-ce qui cause une défaillance prématurée des garnitures mécaniques dans les pompes pétrochimiques ?

Le most common root causes of premature seal failure in petrochemical service are dry running during startup or process upset, incorrect flush plan selection leading to fluid vaporization or contamination at the seal faces, excessive shaft vibration from hydraulic instability when the pump operates far from BEP, and thermal shock from rapid temperature cycling. Each of these failure modes produces distinct face wear patterns that can be identified during post-failure teardown. A properly executed root cause failure analysis (RCFA) on each seal failure event is the most effective tool for reducing the site's overall seal mean time between failures.

Références

• Institut américain du pétrole. Norme API 610 / ISO 13709 : Pompes centrifuges pour les industries du pétrole, de la pétrochimie et du gaz naturel , 12e éd. Washington, DC : API, 2021.
• Institut américain du pétrole. Norme API 682 / ISO 21049 : Pompes — Systèmes d'étanchéité d'arbre pour pompes centrifuges et rotatives , 4e éd. Washington, DC : API, 2014.
• Institut américain du pétrole. Norme API 670 : Systèmes de protection des machines , 5e éd. Washington, DC : API, 2014.
• NACE Internationale. NACE MR0103 / ISO 17945 : Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries — Metallic Materials Resistant to Sulfide Stress Cracking in Corrosive Petroleum Refining Environments . Houston, Texas : NACE, 2015.
• Karassik, IJ et coll. Manuel de la pompe , 4e éd. New York : McGraw-Hill, 2008.
• Bloch, H.P., et Geitner, F.K. Gestion pratique des machines pour les usines de transformation, Volume 2 : Analyse et dépannage des pannes de machines , 4e éd. Oxford : Elsevier, 2012.