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Pompes à moteur noyé : fonctionnement, applications et dimensionnement
La pompe à moteur noyé est une technologie de pompe centrifuge hermétique dans laquelle le moteur électrique et la partie hydraulique sont intégrés dans un même ensemble. Contrairement à une pompe centrifuge conventionnelle, aucun arbre tournant ne traverse l’enveloppe sous pression : la conception fonctionne sans garniture mécanique dynamique, ce qui permet de réduire les voies potentielles de fuite et les émissions fugitives.
Également appelée pompe hermétique à moteur noyé ou canned motor pump, cette technologie est particulièrement adaptée au transfert de fluides dangereux, toxiques, corrosifs, inflammables ou volatils, ainsi qu’aux applications soumises à des contraintes élevées de pression, de température ou de confinement. Elle est notamment utilisée dans la chimie, la pétrochimie, l’énergie, les hydrocarbures et gaz liquéfiés, ainsi que pour certaines applications cryogéniques et nucléaires.
Le choix d’une pompe à moteur noyé industrielle dépend cependant des caractéristiques précises de l’application : nature du fluide, débit, hauteur manométrique totale (HMT), NPSH, pression, température, matériaux, implantation et conditions d’utilisation. Différentes configurations peuvent être envisagées, notamment des pompes horizontales, verticales ou immergées, monocellulaires ou multicellulaires.
Pour les applications nécessitant une conception spécifique, découvrez les pompes à moteur noyé sur mesure développées par OPTIMEX.
Pompe à rotor noyé : définition
Qu’est-ce qu’une pompe à moteur noyé ? Fonctionnement d’une pompe hermétique sans garniture mécanique
Une pompe à moteur noyé (canned motor pump) est une pompe centrifuge hermétique sans garniture mécanique dans laquelle la partie hydraulique et le moteur électrique sont intégrés dans un même ensemble compact et confiné.
Contrairement à une pompe centrifuge conventionnelle, aucun arbre tournant ne traverse l’enveloppe sous pression pour relier la pompe à un moteur extérieur. Cette conception supprime la garniture mécanique dynamique, qui constitue un point potentiel de fuite et d’émissions fugitives lors du pompage de produits dangereux.
Le fonctionnement d’une pompe hermétique à moteur noyé repose notamment sur un rotor immergé, un stator isolé du fluide pompé par une chemise statorique résistante à la corrosion, des paliers hydrodynamiques ainsi qu’un circuit de circulation interne assurant le refroidissement du moteur et la lubrification des paliers.
Cette technologie de pompe sans garniture mécanique est particulièrement adaptée aux applications industrielles nécessitant un niveau élevé de confinement : produits chimiques toxiques ou corrosifs, solvants, fluides inflammables ou volatils, hydrocarbures et gaz liquéfiés, fluides haute température ou haute pression, ainsi que certaines applications cryogéniques ou nucléaires.
Dans une pompe centrifuge à moteur noyé, la roue de la pompe est directement reliée au rotor du moteur électrique. La partie hydraulique et le moteur constituent ainsi un ensemble intégré, sans accouplement mécanique extérieur.
Cette architecture constitue l’une des principales différences avec une pompe centrifuge traditionnelle : aucun arbre en rotation ne traverse le corps sous pression. Il n’est donc pas nécessaire d’assurer l’étanchéité autour d’un arbre tournant au moyen d’une garniture mécanique.
La suppression de cette garniture permet d’éliminer une voie potentielle de fuite du fluide vers l’extérieur et contribue à limiter les émissions fugitives. La pompe à moteur noyé constitue ainsi une solution de pompage hermétique particulièrement adaptée lorsque le confinement du fluide représente une exigence importante de sécurité, de protection de l’environnement ou de continuité du procédé.
* Un rotor immergé dans le fluide
Le rotor du moteur électrique fonctionne immergé dans le liquide pompé ou, pour certaines applications spécifiques, dans un fluide moteur compatible distinct du fluide procédé.
Le stator électrique alimenté reste quant à lui isolé du liquide par une fine chemise statorique étanche et résistante à la corrosion, également appelée chemise moteur. Cette barrière permet de séparer la partie électrique du fluide circulant à l’intérieur du moteur.
Cette conception explique le terme « moteur noyé » : une partie du moteur, et notamment son rotor, fonctionne dans le fluide tout en maintenant le stator protégé.
* Refroidissement du moteur et lubrification des paliers
La circulation du fluide à l’intérieur de la pompe ne sert pas uniquement au transfert du produit.
Un circuit interne de circulation est conçu pour évacuer la chaleur générée par le moteur et assurer la lubrification des paliers radiaux et axiaux hydrodynamiques.
Selon l’application, différentes architectures de circulation peuvent être étudiées : circulation interne, filtrée, refroidie ou alimentée par un circuit externe compatible.
Le choix de cette configuration est déterminant pour assurer simultanément le refroidissement du moteur, la lubrification des paliers, le fonctionnement hydraulique et le confinement fiable du fluide dans les conditions de service prévues.
Une pompe à moteur noyé industrielle associe dans un même ensemble la fonction hydraulique d’une pompe centrifuge et la fonction d’entraînement d’un moteur électrique.
Ses principaux composants comprennent :
- la partie hydraulique centrifuge, qui assure la mise en mouvement et l’augmentation de pression du fluide,
- la roue centrifuge, directement entraînée par le rotor du moteur,
- le moteur électrique intégré, conçu pour fonctionner sans accouplement mécanique extérieur,
- le rotor immergé, qui entraîne directement la roue,
- le stator, qui génère le champ électromagnétique nécessaire à la rotation du rotor,
- la chemise statorique, qui isole électriquement et physiquement le stator du fluide circulant dans le moteur,
- les paliers radiaux et axiaux hydrodynamiques, qui assurent le guidage et le maintien de l’ensemble tournant,
- le circuit interne de refroidissement et de lubrification, nécessaire au refroidissement du moteur et au fonctionnement des paliers,
- le corps sous pression, qui constitue l’enveloppe principale de confinement du fluide,
- le confinement secondaire, conçu comme une barrière supplémentaire de protection selon l’architecture de la pompe,
L’intégration de ces différents composants permet d’obtenir une pompe centrifuge hermétique compacte, sans garniture mécanique dynamique ni accouplement extérieur.
La pompe à moteur noyé se distingue ainsi d’une pompe centrifuge conventionnelle par sa capacité à maintenir le fluide au sein de l’ensemble pompe-moteur et à réduire les voies potentielles de fuite vers l’atmosphère.
Cette architecture explique son utilisation pour le pompage de fluides dangereux ou critiques, notamment lorsque leur toxicité, inflammabilité, volatilité, corrosivité, pression ou température impose des exigences élevées de confinement.
Pourquoi choisir une pompe à moteur noyé
Pourquoi choisir une pompe à moteur noyé pour les fluides dangereux ?
Une pompe à moteur noyé constitue une solution de pompage particulièrement adaptée lorsque le confinement du fluide, l’étanchéité du procédé et la sécurité de l’installation sont des exigences essentielles.
Sa conception hermétique et sans garniture mécanique, associée à l’intégration du moteur et de la partie hydraulique dans un même ensemble, permet de supprimer l’une des principales voies potentielles de fuite présentes sur une pompe centrifuge conventionnelle : le passage de l’arbre tournant à travers l’enveloppe sous pression.
Cette technologie est particulièrement intéressante pour le pompage de fluides dangereux, notamment lorsqu’une fuite pourrait présenter un risque pour les opérateurs, l’environnement, les équipements ou la continuité du procédé.
Les pompes à moteur noyé pour fluides dangereux peuvent ainsi être étudiées pour le transfert de produits chimiques toxiques ou corrosifs, solvants et COV, produits CMR, liquides inflammables ou volatils, hydrocarbures, gaz liquéfiés et autres fluides critiques nécessitant un niveau élevé de confinement.
Au-delà de l’étanchéité, leur architecture compacte, sans accouplement extérieur ni garniture mécanique, contribue également à réduire certaines opérations de maintenance et facilite leur intégration dans des installations industrielles critiques.
Sur une pompe centrifuge conventionnelle, l’arbre reliant la roue au moteur traverse l’enveloppe de la pompe.
Une garniture mécanique est alors nécessaire pour assurer l’étanchéité entre l’arbre en rotation et la partie fixe de l’équipement.
Cette interface dynamique est soumise à l’usure et peut nécessiter, selon le procédé, des systèmes auxiliaires de rinçage, de refroidissement, de pressurisation ou de surveillance.
La pompe à moteur noyé repose sur une architecture différente.
Le moteur électrique et la partie hydraulique sont intégrés dans un ensemble hermétique et aucun arbre tournant ne traverse l’enveloppe sous pression. La garniture mécanique dynamique peut ainsi être supprimée.
Cette conception de pompe centrifuge sans garniture mécanique réduit les voies potentielles de fuite du fluide pompé vers l’atmosphère et contribue à limiter les émissions fugitives.
C’est pourquoi les expressions pompe hermétique, pompe centrifuge hermétique, pompe étanche ou encore pompe sans garniture mécanique sont fréquemment associées à cette technologie.
Dans le langage industriel, on parle également parfois de pompe sans fuite. Cette expression doit toutefois être comprise dans le contexte du fonctionnement prévu de l’équipement : la conception vise à assurer un haut niveau de confinement du fluide et à supprimer la fuite potentielle liée à une garniture mécanique, plutôt qu’à formuler une garantie absolue quelles que soient les conditions de fonctionnement.
Cette caractéristique rend la pompe à moteur noyé particulièrement pertinente lorsque le produit pompé ne doit pas être libéré dans l’environnement de travail.
Les pompes à moteur noyé pour fluides dangereux sont particulièrement adaptées aux procédés dans lesquels une fuite peut entraîner un risque sanitaire, chimique, incendie, explosion, pollution ou perte de produit.
Selon les matériaux, la configuration hydraulique, le moteur et le circuit interne retenus, cette technologie peut être étudiée pour le pompage de nombreuses familles de fluides critiques :
- produits chimiques toxiques et substances dangereuses,
- produits CMR : cancérogènes, mutagènes ou toxiques pour la reproduction,
- solvants et composés organiques volatils (COV),
- liquides inflammables et volatils,
- acides et bases,
- produits chimiques et intermédiaires de synthèse corrosifs,
- hydrocarbures et produits pétrochimiques,
- liquides à bas point d’ébullition,
- GPL et gaz liquéfiés,
- certains fluides radioactifs (pompes nucléaires à moteur noyé) ou autres produits nécessitant un confinement renforcé,
Pour ces applications, le choix d’une pompe chimique hermétique ne dépend pas uniquement du caractère dangereux du produit.
La compatibilité chimique des matériaux en contact avec le fluide, sa viscosité, sa pression de vapeur, ses propriétés lubrifiantes, sa température ainsi que les risques de cristallisation, polymérisation, solidification ou vaporisation doivent également être étudiés.
L’objectif est de définir une pompe pour produits chimiques dangereux capable d’assurer simultanément les performances hydrauliques demandées, le refroidissement du moteur, la lubrification des paliers et le confinement du fluide dans les conditions prévues par le procédé.
La suppression d’une voie directe de fuite au niveau de l’arbre contribue ainsi à protéger les opérateurs, l’installation industrielle et l’environnement, tout en répondant aux contraintes de procédés nécessitant une maîtrise des émissions fugitives.
Pour les applications les plus critiques, la sécurité d’une pompe à moteur noyé ne repose pas uniquement sur l’absence de garniture mécanique.
La conception peut intégrer plusieurs niveaux de confinement destinés à maintenir le fluide à l’intérieur de l’équipement.
La barrière primaire assure le confinement normal du fluide procédé à l’intérieur de la pompe et du circuit moteur concerné. La chemise statorique participe notamment à la séparation entre le fluide circulant autour du rotor et la partie électrique du stator.
Un confinement secondaire peut constituer une barrière supplémentaire destinée à renforcer la protection de l’installation en cas de défaillance de la première barrière de confinement.
La notion de double confinement doit cependant être considérée dans le cadre de la conception exacte de la pompe et des exigences du projet. Le niveau de confinement, les dispositifs de surveillance et les protections associés sont définis selon la nature du fluide, la pression, la température, la criticité du procédé et les référentiels applicables.
Cette approche permet d’intégrer la pompe hermétique à moteur noyé dans une stratégie globale de sécurité du procédé, particulièrement dans les industries chimiques, pétrochimiques, énergétiques, nucléaires et autres installations manipulant des fluides dangereux.
L’intérêt d’une pompe à moteur noyé industrielle ne se limite pas au confinement du fluide.
L’intégration de la pompe centrifuge et du moteur électrique dans un même ensemble permet également de supprimer plusieurs composants présents sur une pompe conventionnelle.
Il n’y a notamment :
- pas de garniture mécanique dynamique à inspecter ou remplacer,
- pas d’accouplement mécanique extérieur entre la pompe et le moteur,
- pas d’alignement pompe-moteur à réaliser lors de l’installation,
- moins d’éléments tournants accessibles à l’extérieur de l’équipement,
La suppression de la garniture mécanique peut également réduire les opérations liées à son entretien ainsi que, selon les installations, certains systèmes auxiliaires associés à son rinçage, son refroidissement ou sa surveillance.
Cette conception intégrée permet d’obtenir une pompe centrifuge hermétique compacte, particulièrement intéressante lorsque l’espace disponible est limité ou que l’équipement doit être intégré dans un skid, une unité de procédé ou une installation existante.
Correctement dimensionnée et adaptée aux caractéristiques du fluide, une pompe à moteur noyé peut ainsi constituer une solution fiable pour les procédés continus et les applications industrielles critiques dans lesquels confinement, disponibilité, sécurité et maîtrise de la maintenance sont des critères déterminants.
Comparatif Pompes industrielles
Pompe à moteur noyé vs pompe magnétique vs pompe centrifuge à garniture mécanique
Le choix d’une pompe industrielle ne repose pas uniquement sur le débit, la hauteur manométrique ou le coût d’acquisition. Pour les fluides dangereux ou les procédés critiques, il faut également prendre en compte les risques associés au produit pompé, les exigences de confinement, la pression et la température de fonctionnement, les émissions fugitives, les contraintes ATEX, la stratégie de maintenance et la disponibilité attendue de l’installation.
Trois technologies de pompes centrifuges peuvent notamment être envisagées : la pompe à moteur noyé, la pompe à entraînement magnétique et la pompe centrifuge à garniture mécanique.
Le choix entre ces technologies doit donc être réalisé à partir de l’ensemble des caractéristiques hydrauliques, chimiques, mécaniques, électriques et de sécurité de l’application.
Une pompe à moteur noyé doit particulièrement être envisagée lorsque le confinement du fluide constitue une exigence majeure de sécurité, de protection de l’environnement ou de continuité du procédé.
Cette technologie peut notamment être pertinente lorsque :
- le fluide ne doit pas être libéré vers l’atmosphère dans les conditions normales de fonctionnement,
- le produit pompé est toxique, inflammable, volatil, corrosif, radioactif ou à forte valeur,
- les émissions fugitives doivent être limitées,
- l’installation se situe dans une zone ATEX (pompe à moteur noyé ATEX) ou présente des contraintes particulières liées aux atmosphères explosives,
- les températures ou les pressions de fonctionnement sont élevées ou sévères ;
- le procédé nécessite un fonctionnement continu et une forte disponibilité de l’équipement,
- l’espace disponible pour installer la pompe est limité ;
- la maintenance d’une garniture mécanique et de ses éventuels systèmes auxiliaires est difficile,
- les opérations d’alignement pompe-moteur doivent être limitées ;
- le procédé nécessite un niveau élevé de confinement primaire et/ou secondaire,
La conception intégrée de la pompe centrifuge à moteur noyé supprime en effet la garniture mécanique dynamique, l’accouplement mécanique extérieur et l’alignement entre une pompe et un moteur séparés.
Elle permet ainsi de réduire les voies potentielles de fuite et d’obtenir une solution de pompage hermétique compacte, particulièrement adaptée aux procédés industriels critiques.
Le choix d’une pompe à moteur noyé ne doit toutefois pas être fondé sur le seul caractère dangereux du fluide.
Sa viscosité, sa pression de vapeur, ses propriétés lubrifiantes, sa température, la présence de particules ainsi que les risques de cristallisation, polymérisation ou vaporisation doivent également être analysés afin de valider la compatibilité de cette technologie avec l’application.
Une pompe centrifuge à garniture mécanique utilise généralement un moteur extérieur relié à la partie hydraulique par un arbre tournant. Cet arbre traverse l’enveloppe de la pompe : une garniture mécanique assure alors l’étanchéité dynamique entre l’arbre en rotation et les parties fixes.
Cette technologie est largement adaptée à de nombreuses applications industrielles conventionnelles. Elle peut notamment convenir lorsque le fluide ne présente pas de risque particulier et que l’inspection, l’entretien et le remplacement périodique de la garniture sont compatibles avec la stratégie de maintenance du site.
Pour les applications plus critiques, la garniture mécanique constitue cependant un élément supplémentaire à prendre en compte. Selon les conditions de service, elle peut être soumise à l’usure et nécessiter des dispositifs auxiliaires de rinçage, refroidissement, pressurisation ou surveillance.
La pompe à moteur noyé sans garniture mécanique adopte une architecture radicalement différente : aucun arbre tournant ne traverse l’enveloppe sous pression.
La pompe centrifuge conventionnelle à garniture mécanique reste donc une solution pertinente pour de nombreux services industriels généraux.
La pompe centrifuge sans garniture mécanique devient particulièrement intéressante lorsque le produit est toxique, inflammable, volatil, radioactif ou difficile à confiner, ou lorsque les conditions de température et de pression rendent l’étanchéité du procédé particulièrement critique.
Il ne s’agit donc pas simplement de remplacer une garniture mécanique par une autre solution d’étanchéité : la pompe hermétique à moteur noyé repose sur une architecture intégrée qui supprime directement le passage d’arbre à étancher.
La pompe à moteur noyé et la pompe à entraînement magnétique (également appelée pompe à accouplement magnétique) sont deux technologies de pompes centrifuges sans garniture mécanique.
Toutes deux permettent d’éviter le passage d’un arbre tournant à travers l’enveloppe de confinement du fluide. Elles peuvent donc être utilisées pour des applications nécessitant une maîtrise élevée des risques de fuite et des émissions fugitives.
Leur différence fondamentale réside dans la manière dont la puissance du moteur est transmise à la roue.
Dans une pompe à moteur noyé, le moteur électrique fait partie intégrante de la pompe. Le rotor immergé est directement relié à la roue, sans accouplement mécanique ou magnétique extérieur entre le moteur et la partie hydraulique.
Dans une pompe à entraînement magnétique, le moteur électrique reste séparé de la pompe. La puissance est transmise à la roue au moyen d’un accouplement magnétique, à travers une enveloppe de confinement qui sépare le fluide du moteur extérieur.
Cette différence d’architecture influence le dimensionnement, le refroidissement, la transmission du couple, l’intégration de la pompe, la maintenance et la stratégie de confinement.
Pompes pour fluides dangereux
Pompes à moteur noyé pour fluides dangereux, chimie, énergie et applications critiques
Les pompes à moteur noyé sont particulièrement adaptées au transfert de fluides dont la toxicité, la corrosivité, l’inflammabilité, la volatilité, la température, la pression ou l’impact environnemental imposent un niveau élevé de confinement.
Grâce à leur conception hermétique sans garniture mécanique, ces pompes centrifuges permettent de supprimer une voie potentielle de fuite vers l’atmosphère et de limiter les émissions fugitives. Elles constituent ainsi une solution de pompage adaptée aux fluides dangereux et aux procédés industriels critiques pour lesquels la sécurité des opérateurs, la protection de l’environnement et la fiabilité de l’installation sont essentielles.
Selon leur conception, les matériaux utilisés et les conditions de service, les pompes hermétiques à moteur noyé peuvent être étudiées pour le transfert de produits chimiques toxiques ou corrosifs, solvants, hydrocarbures, liquides inflammables ou volatils, GPL et gaz liquéfiés, fluides caloporteurs, liquides sous haute pression ainsi que pour certaines applications cryogéniques ou nucléaires.
Le choix de la pompe doit cependant être réalisé en fonction des caractéristiques précises du fluide et du procédé : débit, pression, température, viscosité, masse volumique, pression de vapeur, propriétés lubrifiantes, compatibilité chimique, présence de particules et risques de cristallisation, polymérisation, solidification ou vaporisation.
Le transfert de produits chimiques dangereux impose une attention particulière à l’étanchéité de la pompe et à la compatibilité des matériaux en contact avec le fluide.
Une pompe chimique à moteur noyé permet de supprimer la garniture mécanique dynamique et de maintenir le produit pompé à l’intérieur d’un ensemble pompe-moteur hermétique. Cette architecture est particulièrement intéressante lorsque la fuite d’un produit pourrait présenter un risque pour les opérateurs, les équipements, l’environnement ou le procédé industriel.
Pour une pompe pour fluide corrosif, le choix des matériaux mouillés est déterminant. Le corps de pompe, la roue, les paliers, la chemise statorique et les autres composants en contact avec le produit doivent être sélectionnés en fonction de sa composition chimique et des conditions de température et de pression.
Dans le cas d’une pompe pour solvant, d’un fluide toxique ou d’un produit à forte pression de vapeur, il faut également prendre en compte les risques de vaporisation ainsi que les propriétés lubrifiantes du liquide nécessaires au fonctionnement des paliers et du circuit interne.
Une pompe chimique hermétique ne doit donc pas être sélectionnée uniquement à partir de sa résistance à la corrosion. La conception complète doit tenir compte des propriétés chimiques et physiques du produit ainsi que des conditions réelles du procédé.
Les liquides inflammables et volatils nécessitent une maîtrise particulièrement rigoureuse du confinement et des conditions de pompage.
Une pompe à moteur noyé pour fluide inflammable supprime la garniture mécanique et permet de réduire les voies potentielles de rejet du produit vers l’atmosphère. Cette caractéristique est particulièrement importante lorsque la formation de vapeurs peut créer un risque pour la sécurité de l’installation ou lorsque les émissions fugitives doivent être maîtrisées.
Cette technologie peut notamment être étudiée pour le transfert :
- d’hydrocarbures,
- de solvants inflammables,
- de liquides volatils,
- de produits pétrochimiques,
- de liquides à bas point d’ébullition,
- de GPL,
- de gaz maintenus en phase liquéfiée,
Le pompage du GPL et des gaz liquéfiés nécessite cependant une attention particulière aux phénomènes de vaporisation.
Une pression suffisante doit être maintenue dans la pompe et le circuit interne afin d’éviter la formation de vapeur, le désamorçage, la cavitation ou une dégradation des conditions de lubrification des paliers.
La pression de vapeur du produit, la température, le NPSH disponible et l’échauffement interne doivent donc être intégrés dès le dimensionnement de la pompe pour gaz liquéfié.
Les procédés chimiques, pétrochimiques et énergétiques peuvent nécessiter le transfert de fluides à des températures ou pressions élevées, pour lesquelles les technologies de pompage conventionnelles atteignent leurs limites ou nécessitent des systèmes d’étanchéité complexes.
OPTIMEX développe des pompes à moteur noyé haute température adaptées notamment au transfert d’huiles thermiques, fluides caloporteurs et liquides de procédé chauds.
La conception d’une pompe pour fluide haute température doit prendre en compte les effets de la température sur les matériaux, les jeux internes, les paliers, le moteur électrique et le circuit de refroidissement.
Des architectures spécifiques de circulation et de refroidissement peuvent être nécessaires afin de maîtriser la température du moteur et de maintenir des conditions adaptées à la lubrification des paliers.
Les applications sous forte pression nécessitent également une conception spécifique de l’enveloppe, des composants sous pression et du moteur.
OPTIMEX peut développer des pompes à moteur noyé haute pression sur mesure pour des procédés présentant des pressions statiques ou différentielles importantes.
Les fluides cryogéniques nécessitent des équipements capables de fonctionner à des températures extrêmement basses tout en maintenant le confinement du produit et des conditions hydrauliques adaptées.
Des configurations spécifiques de pompes à moteur noyé cryogéniques peuvent être développées pour le transfert de liquides cryogéniques et de certains gaz liquéfiés.
Le choix des matériaux, les jeux mécaniques, les conditions de refroidissement, le comportement des paliers, le NPSH et la maîtrise de la vaporisation doivent être étudiés en fonction du fluide et de sa température.
Ces contraintes peuvent notamment concerner des applications liées au GNL (gaz naturel liquéfié) et aux gaz industriels liquéfiés.
Le pompage de fluides radioactifs nécessite des exigences particulièrement élevées en matière de confinement, de fiabilité, de matériaux, de contrôle et de traçabilité.
La conception hermétique et sans garniture mécanique des pompes à moteur noyé peut répondre à certaines applications nucléaires pour lesquelles la limitation des risques de fuite du fluide constitue une exigence critique.
OPTIMEX développe des solutions de pompage pour certaines applications nucléaires et fluides radioactifs en fonction des exigences techniques et réglementaires propres au projet.
Grâce à leur conception hermétique, compacte et sans garniture mécanique, les pompes à moteur noyé peuvent répondre aux exigences de nombreuses industries manipulant des fluides dangereux ou fonctionnant dans des conditions de service sévères.
OPTIMEX développe notamment des pompes industrielles à moteur noyé pour :
- Industrie chimique : produits chimiques dangereux, solvants, acides, bases, intermédiaires de synthèse, produits toxiques, corrosifs ou CMR.
- Pétrochimie et raffinage : hydrocarbures, liquides inflammables ou volatils, produits pétrochimiques et fluides de procédé.
- Oil & Gas et gaz industriels : GPL, gaz liquéfiés, hydrocarbures et applications présentant des contraintes de pression, température ou atmosphère explosive.
- Énergie : fluides caloporteurs, huiles thermiques, liquides chauds et autres fluides utilisés dans les procédés de production ou de transfert d’énergie.
- Nucléaire : certaines applications nécessitant le transfert et le confinement de fluides radioactifs ou critiques.
- Cryogénie : GNL, gaz liquéfiés et autres fluides à très basse température nécessitant des configurations adaptées.
- Marine et spatial : systèmes compacts et solutions de pompage sur mesure destinés à certaines applications critiques présentant des contraintes sévères d’intégration, de fiabilité ou d’environnement.
La sélection d’une pompe à moteur noyé pour application industrielle critique dépend donc moins du secteur lui-même que de la combinaison entre le fluide, le point de fonctionnement, la température, la pression, les contraintes de confinement, l’environnement d’installation et les exigences réglementaires du projet.
C’est cette analyse globale qui permet de déterminer la configuration de pompe, les matériaux, le moteur, les paliers, le circuit interne et les dispositifs de surveillance adaptés à l’application.
Configurations des pompes à rotor noyé
Configurations de pompes à moteur noyé : horizontales, verticales, immergées et sur mesure
Les pompes à moteur noyé peuvent être conçues selon différentes configurations afin de s’adapter aux caractéristiques du fluide, au point de fonctionnement hydraulique, aux conditions d’aspiration, à la pression, à la température ainsi qu’aux contraintes d’implantation de l’installation.
Selon l’application, une pompe hermétique à moteur noyé peut notamment être horizontale, verticale ou immergée, monocellulaire ou multicellulaire, ou faire appel à une hydraulique adaptée aux besoins d’auto-amorçage.
Pour les procédés présentant des contraintes particulières, OPTIMEX développe également des pompes à moteur noyé sur mesure destinées aux hautes pressions, aux températures extrêmes, aux fluides difficiles ou aux installations nécessitant une géométrie et des interfaces spécifiques.
Le choix de la configuration doit être réalisé à partir de l’ensemble des données du procédé : débit, hauteur manométrique totale (HMT), NPSH disponible, pression d’aspiration, propriétés du fluide, risque de vaporisation, implantation, espace disponible et interfaces avec l’installation existante.
L’orientation d’une pompe à moteur noyé industrielle dépend notamment de la configuration de l’installation, des conditions d’aspiration, de l’espace disponible et de la position de la pompe par rapport au réservoir ou à la capacité contenant le fluide.
* Pompe à moteur noyé horizontale
La pompe à moteur noyé horizontale constitue une configuration adaptée à de nombreuses installations de procédés et aux ensembles montés sur skid.
L’intégration du moteur et de la partie hydraulique dans un même ensemble permet d’obtenir une pompe centrifuge hermétique compacte, sans moteur extérieur accouplé à la pompe.
Cette architecture peut faciliter son intégration dans des installations où l’encombrement est contraint, tout en supprimant les opérations d’alignement entre pompe et moteur.
La configuration horizontale peut notamment être envisagée pour le transfert de produits chimiques, solvants, hydrocarbures, fluides caloporteurs et autres fluides dangereux ou critiques, sous réserve de l’adéquation de la pompe aux caractéristiques du procédé.
* Pompe à moteur noyé verticale
Une pompe à moteur noyé verticale peut être privilégiée lorsque l’emprise au sol est limitée ou lorsque la géométrie de l’installation nécessite une implantation verticale.
Cette configuration peut notamment répondre à des installations situées dans ou au-dessus de réservoirs, cuves, capacités, puisards ou autres équipements de procédé.
La disposition verticale permet d’adapter la position de la partie hydraulique et du moteur aux contraintes spécifiques de l’installation.
La longueur, l’orientation, la géométrie d’aspiration et les raccordements sont alors définis en fonction de la configuration de la cuve, de la hauteur disponible et des conditions hydrauliques.
* Pompe à moteur noyé immergée
La pompe à moteur noyé immergée est installée directement dans le liquide à transférer.
Cette configuration permet de positionner l’ensemble de pompage au sein de la capacité contenant le fluide et peut présenter un intérêt lorsque les conditions d’aspiration ou le risque de vaporisation constituent des paramètres importants du procédé.
La profondeur d’immersion, la géométrie d’entrée, la pression à l’aspiration et le NPSH disponible doivent alors être étudiés afin d’assurer des conditions hydrauliques adaptées.
Pour les liquides volatils ou à forte pression de vapeur, la configuration de l’installation doit notamment permettre de limiter les risques de vaporisation et de cavitation.
Le choix entre une pompe horizontale, verticale ou immergée ne dépend donc pas uniquement de l’espace disponible : il doit être intégré à l’analyse hydraulique complète de l’installation.
Le nombre d’étages hydrauliques et la capacité d’amorçage constituent également des critères importants dans la sélection d’une pompe centrifuge à moteur noyé.
* Pompe à moteur noyé monocellulaire
Une pompe monocellulaire à moteur noyé utilise une seule roue centrifuge pour fournir le débit et la hauteur manométrique nécessaires au procédé.
Cette configuration peut être retenue pour de nombreuses applications de transfert industriel lorsque la hauteur différentielle demandée peut être obtenue avec un seul étage hydraulique.
Elle associe ainsi une hydraulique centrifuge conventionnelle au principe hermétique du moteur noyé.
* Pompe à moteur noyé multicellulaire
Lorsque l’application nécessite une hauteur manométrique plus importante, une pompe multicellulaire à moteur noyé peut utiliser plusieurs roues disposées en série.
Chaque étage contribue à augmenter la pression du fluide, permettant d’atteindre une HMT plus élevée qu’avec une configuration monocellulaire comparable.
Les pompes multicellulaires haute pression peuvent ainsi répondre à certaines applications nécessitant une pression différentielle importante tout en conservant les avantages d’une architecture hermétique sans garniture mécanique.
* Pompe à moteur noyé auto-amorçante
Dans certaines installations où la pompe est positionnée au-dessus du niveau du liquide, une capacité d’auto-amorçage peut être nécessaire.
Des configurations auto-amorçantes ou à canal latéral peuvent être utilisées afin d’évacuer l’air présent dans la conduite d’aspiration après le remplissage initial requis.
Cette solution peut être intéressante lorsque la géométrie de l’installation ne permet pas d’assurer en permanence une aspiration en charge.
Le choix d’une pompe auto-amorçante à moteur noyé doit cependant être réalisé en tenant compte du fluide, de sa pression de vapeur, de la hauteur d’aspiration, du NPSH disponible et des conditions de fonctionnement du procédé.
Certaines applications industrielles dépassent les conditions couvertes par des équipements standards en raison de la pression, de la température, des propriétés du fluide ou des contraintes particulières de l’installation.
OPTIMEX développe alors des pompes à moteur noyé sur mesure et des pompes hermétiques spéciales adaptées aux exigences du projet.
Ces développements peuvent notamment concerner :
- les hautes pressions,
- les températures élevées,
- les températures cryogéniques,
- les fluides corrosifs ou chimiquement agressifs,
- les fluides inflammables, toxiques ou volatils,
- les fortes pressions statiques,
- certaines applications présentant des conditions de service sévères,
- les contraintes particulières d’encombrement ou d’interfaces,
* Pompes à moteur noyé haute pression jusqu’à 400 bar selon les projets
Pour certaines applications spécifiques, OPTIMEX peut développer des pompes à moteur noyé haute pression atteignant des pressions de calcul jusqu’à 400 bar.
La conception d’une pompe haute pression industrielle doit notamment prendre en compte la résistance de l’enveloppe sous pression, les matériaux, les interfaces, les conditions hydrauliques et les contraintes exercées sur les composants internes.
* Pompes pour températures extrêmes
OPTIMEX peut également développer des configurations spécifiques pour des fluides fonctionnant à des <spanclass= »fort »>températures très élevées ou extrêmement basses.
Pour une pompe haute température, la conception doit notamment tenir compte de la dilatation des matériaux, des jeux mécaniques, des conditions de lubrification des paliers et du refroidissement du moteur.
À l’inverse, les applications cryogéniques nécessitent une sélection spécifique des matériaux et une maîtrise des phénomènes liés aux très basses températures et à la vaporisation du fluide.
L’objectif est donc de développer une pompe hermétique sur mesure autour des conditions réelles du procédé plutôt que d’adapter artificiellement une pompe standard à une application sévère.
Dimensionner une pompe à rotor noyé
Comment choisir et dimensionner une pompe à moteur noyé industrielle ?
Le choix et le dimensionnement d’une pompe à moteur noyé nécessitent une analyse complète du point de fonctionnement hydraulique, des caractéristiques physico-chimiques du fluide, des conditions de pression et de température, des matériaux, de l’alimentation électrique ainsi que des contraintes de sécurité et d’installation.
Pour une pompe centrifuge hermétique, le dimensionnement ne consiste pas uniquement à sélectionner une pompe capable de fournir un débit et une hauteur manométrique donnés. Le fluide pompé participe également au refroidissement du moteur et à la lubrification des paliers selon la configuration retenue.
Une sélection incorrecte peut donc affecter simultanément les performances hydrauliques, le NPSH, le refroidissement du moteur, le fonctionnement des paliers et la fiabilité de la pompe.
Pour définir une pompe à moteur noyé industrielle, OPTIMEX prend notamment en compte le débit, la HMT, les conditions d’aspiration, les propriétés du fluide, la pression et la température de fonctionnement, les matériaux, la puissance moteur, l’alimentation électrique, les contraintes ATEX et les dispositifs de surveillance nécessaires à l’application.
Le dimensionnement d’une pompe centrifuge à moteur noyé commence par la définition du point de fonctionnement demandé par le procédé.
Deux paramètres hydrauliques sont essentiels :
- le débit, généralement exprimé en m³/h,
- la hauteur manométrique totale (HMT), généralement exprimée en mètres de colonne de liquide.
La HMT représente l’énergie que la pompe doit transmettre au fluide pour compenser notamment les différences de pression et de niveau ainsi que les pertes de charge du circuit.
La sélection ne doit cependant pas être réalisée uniquement à partir d’un point nominal débit/HMT.
Il faut également analyser la plage complète de fonctionnement de la pompe, notamment les débits minimal et maximal prévus, les éventuelles variations du procédé et les conditions de fonctionnement continu ou intermittent.
Le point de fonctionnement doit être confronté à la courbe de pompe afin de vérifier que l’équipement fonctionne dans une plage hydraulique adaptée.
NPSH disponible et NPSH requis
Les conditions d’aspiration sont particulièrement importantes pour les pompes à moteur noyé, notamment lorsqu’elles transfèrent des fluides volatils, des hydrocarbures, du GPL, des gaz liquéfiés ou des liquides proches de leur température d’ébullition.
Le NPSH disponible (NPSHa) de l’installation doit être comparé au NPSH requis (NPSHr) par la pompe, avec une marge d’ingénierie appropriée.
Un NPSH disponible insuffisant peut favoriser la vaporisation du liquide à l’entrée de la pompe et entraîner des phénomènes de cavitation, une dégradation des performances hydrauliques ou des conditions de fonctionnement défavorables pour la pompe.
Cette analyse est donc particulièrement importante pour le dimensionnement d’une pompe pour fluide volatil ou gaz liquéfié.
Pour une pompe à moteur noyé, il convient également de considérer l’influence des conditions hydrauliques sur le circuit interne utilisé pour le refroidissement du moteur et la lubrification des paliers.
Le choix d’une pompe à moteur noyé pour fluide dangereux dépend directement des caractéristiques physiques et chimiques du produit pompé.
La masse volumique influence notamment la puissance absorbée par la pompe.
La viscosité peut modifier les performances hydrauliques, les pertes internes et les conditions de circulation du fluide.
La pression de vapeur est essentielle pour évaluer le risque de vaporisation, notamment avec les solvants, hydrocarbures, liquides volatils, GPL et gaz liquéfiés.
Les propriétés lubrifiantes du fluide doivent également être étudiées puisque, selon l’architecture retenue, le liquide participe au fonctionnement des paliers hydrodynamiques.
Ces paramètres influencent directement le choix de l’hydraulique, des matériaux, des paliers, des jeux internes, de la puissance moteur et du circuit interne de refroidissement et de lubrification.
Par exemple, une pompe pour fluide corrosif, une pompe pour solvant volatil et une pompe pour huile thermique peuvent présenter un débit et une HMT comparables tout en nécessitant des conceptions très différentes en raison des propriétés de leurs fluides respectifs.
C’est pourquoi le dimensionnement d’une pompe hermétique sur mesure doit toujours être réalisé à partir des données réelles du procédé et pas uniquement du point hydraulique nominal.
Le choix des matériaux en contact avec le fluide constitue un élément essentiel de la conception d’une pompe à moteur noyé.
Les matériaux du corps de pompe, de la roue, de la chemise statorique, des paliers et des autres composants mouillés doivent présenter une compatibilité suffisante avec le produit pompé et les conditions de température et de pression prévues.
Pour une pompe chimique à moteur noyé, il faut notamment analyser les phénomènes de corrosion susceptibles d’affecter les composants durant la durée de service attendue.
Le dimensionnement du moteur électrique intégré doit quant à lui tenir compte de la puissance hydraulique nécessaire mais également de la masse volumique, de la viscosité du fluide, de la plage de fonctionnement et des conditions de refroidissement.
Alimentation électrique pour les installations françaises et européennes
Pour un projet destiné au marché français ou européen, les caractéristiques électriques doivent être adaptées au réseau et aux spécifications du site.
Selon le projet et la configuration de la pompe, l’étude peut notamment intégrer une alimentation : 50 Hz – 400 V triphasé, ou toute autre tension et configuration électrique spécifiée par le client.
Selon les besoins du procédé, un variateur de fréquence peut également être intégré afin d’adapter la vitesse de rotation et le point de fonctionnement de la pompe aux conditions d’exploitation.
Pour les installations manipulant des fluides inflammables ou susceptibles de générer une atmosphère explosive, la sélection d’une pompe à moteur noyé doit intégrer les exigences applicables à la zone ATEX dans laquelle l’équipement sera installé.
Selon le projet, l’étude doit notamment identifier :
- la classification de la zone, notamment zone 1 ou zone 2 lorsque applicable,
- le groupe d’équipement et la catégorie requise,
- le groupe de gaz concerné,
- la classe de température,
- les températures maximales admissibles,
- le mode de protection et le marquage requis,
- les exigences électriques et d’instrumentation associées,
La conformité exacte doit naturellement être vérifiée en fonction de la configuration de pompe, du certificat applicable et des spécifications du projet.
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Le choix d’une pompe à moteur noyé dépend du fluide à pomper, du débit, de la HMT, du NPSH, de la pression, de la température, des matériaux et des contraintes d’installation ou de sécurité du procédé.
Pour les applications nécessitant une conception spécifique, OPTIMEX développe des pompes à moteur noyé sur mesure pour fluides dangereux et conditions de fonctionnement sévères.
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