Les mises à niveau d'analyse et d'ingénierie résolvent la défaillance de la pompe de la section annulaire

Une centrale électrique majeure aux États-Unis a connu des problèmes de vibration et de recirculation élevés avec plusieurs pompes d'alimentation de chaudière à section annulaire (BB4), entraînant de multiples pannes catastrophiques et des arrêts imprévus. Cette étude de cas détaille l'une des pompes qui a été expédiée à un centre de service après-vente pour une analyse complète, un dépannage, un plan de réparation, une reconstruction et des tests de performance.

Les centrales électriques à cycle combiné sont les "petits nouveaux" de l'industrie de la production d'électricité. Conçues pour combiner des turbines à gaz et à vapeur, les centrales à cycle combiné peuvent produire jusqu'à 50 % d'électricité en plus avec la même consommation de carburant que les centrales à cycle simple. Les centrales à cycle combiné modernes peuvent également réagir rapidement aux demandes du réseau électrique avec la capacité de commencer à produire de l'énergie en moins de 10 minutes et de fonctionner à pleine capacité en moins de 60 minutes. Cela fournit un complément efficace à la technologie renouvelable intermittente.

Alors que la demande d'électricité a changé et que les centrales à cycle combiné ont commencé à remplacer les centrales thermiques et fossiles conventionnelles, le type de pompes utilisées a également changé. Les centrales électriques fossiles utilisent souvent des pompes à fût robustes et durables. Ces pompes fonctionnent pendant de longues périodes ininterrompues et les usines sont généralement équipées de deux pompes installées à 100 % ou de trois pompes à 50 % par unité.

Dans les usines à cycle combiné, la demande de pompes à baril robustes mais coûteuses a diminué à mesure que l'industrie évoluait vers des pompes à anneaux segmentaires moins chères. En raison des changements récents dans l'industrie de l'énergie, les opérateurs sont souvent confrontés à un temps moyen entre réparations (MTBR) plus court, à une usure interne et à des problèmes de vibrations élevées sur les unités nouvellement installées.

Arrière-plan Après avoir rencontré de nombreux problèmes de performance et de fiabilité de la pompe d'alimentation de la chaudière dans sa centrale électrique, le propriétaire de la centrale a choisi de poursuivre une analyse complète des causes profondes et un plan de réparation avec un centre de service de pompe de rechange à Los Angeles, en Californie. L'enquête a finalement révélé une série de problèmes sous-jacents liés aux problèmes de performances et aux pannes inattendues de la pompe.

Conclusions, solutions techniques et recommandations Lors de l'inspection et de l'analyse initiales de la première unité, il a été noté que le manchon d'équilibrage avait un ajustement conique par rapport à l'arbre. Ce type de conception est peu courant car il nécessite une pression élevée et un outil spécial pour installer ou retirer le manchon d'équilibrage de l'arbre. C'est aussi un problème de sécurité majeur.

De plus, un manchon d'équilibrage à ajustement conique a été installé près du point d'élasticité sur l'arbre. L'ajustement haute pression et conique a entraîné un ajustement indésirable sur l'arbre, produisant des zones de concentration de contraintes élevées. Le diamètre extérieur n'était pas fidèle à l'arbre, ce qui entraînait une pression ou une force périphérique inégale autour du manchon d'équilibrage. En retour, cela créait un scénario dans lequel l'arbre pouvait se plier. La force inverse, ou moment de flexion, s'accumule 3 550 fois par minute, provoquant des moments de flexion importants à la base du manchon d'équilibrage, fatiguant finalement l'arbre de la pompe.

Il a été proposé de reconcevoir le manchon d'équilibrage en le rendant droit et en l'allongeant pour réduire l'écart axial entre la roue du dernier étage et le manchon d'équilibrage (Image 1). On évite ainsi le "désengagement" de la bague d'usure, qui se traduit par la déstabilisation du rotor.

Le phénomène selon lequel les roues avancent puis reviennent à leur position d'origine existe toujours, mais en raison de l'écart réduit, la roue ne peut pas limiter le débit vers le dispositif d'équilibrage.

Le centre de service a constaté que la conception d'origine de la pompe nécessitait un assemblage par configuration face à face à l'aide de goupilles anti-rotation. Étant donné que le diffuseur du dernier étage de la pompe n'avait pas de goupille dans la conception d'origine, le couvercle devait "serrer" le diffuseur pour empêcher la rotation. L'espace produit par cette conception a entraîné une défaillance prématurée du joint torique et a également limité la capacité de pression. Pour améliorer à la fois la fiabilité de la pompe et la capacité de pression du joint du dernier étage, les faces du diffuseur ont été rectifiées avec précision. En resserrant les tolérances d'empilement, la capacité de charge de pression du joint de dernier étage est également améliorée.

Une autre découverte majeure était que les roues à ajustement coulissant se maintenaient mutuellement sur l'arbre au bon endroit à l'aide des faces du moyeu. Cependant, les faces n'étaient pas perpendiculaires, ce qui obligeait le rotor à se plier, provoquant des problèmes de vibrations élevées.

Lorsque le rotor a été placé sur des rouleaux pour vérifier le faux-rond, le TIR (taux de faux-rond total) semblait être dans la tolérance. Cependant, l'arbre se plierait car les faces n'étaient pas précisément perpendiculaires à l'alésage une fois que la pompe fonctionnait et que des forces hydrauliques étaient appliquées aux roues. Le problème était difficile à détecter sans imiter la force hydraulique.

Le centre de service a conçu et développé un outil de tension spécial pour vérifier la perpendicularité et le parallélisme de toutes les roues. L'utilisation de cet outil a empêché le rotor de se plier dans des conditions dynamiques (Image 2).

Le centre de service a recalculé et usiné les faces du couvercle pour produire un affaissement artificiel du couvercle qui suivait parfaitement l'affaissement naturel du rotor.

Les décalages recalculés pour les couvercles ont permis l'utilisation de jeux plus serrés entre le manchon d'équilibrage et la bague d'équilibrage, réduisant ainsi le débit à travers la ligne d'équilibrage. La pression de la ligne d'équilibre a été réduite en moyenne d'environ 30 livres par pouce carré (psig), ce qui a également prolongé le MTBR.

Défis Au départ, la centrale électrique hésitait à modifier la conception originale de la pompe et à exécuter une mise à niveau technique, ce qui a créé un défi pour le centre de service pour résoudre complètement le problème et la rupture potentielle de l'arbre. Au cours des négociations de mise à niveau, une autre des unités d'alimentation de la chaudière de l'usine est tombée en panne de manière inattendue avec un arbre cassé. Comme le centre de service l'avait prévu, cette défaillance supplémentaire a confirmé le problème en question et a souligné le besoin urgent d'une modification de conception.

En raison de l'urgence de la situation et des données fournies, la centrale électrique a choisi d'envoyer la pompe supplémentaire pour une analyse plus approfondie et a procédé aux améliorations de conception proposées.

Tests de performance pour la validation Les centrales électriques utilisent la pression de ligne d'équilibrage comme point de référence principal pour établir une ligne de base pour la santé globale d'une pompe BB4. La pression de la conduite d'équilibrage augmentera avec des jeux internes plus importants des ajustements critiques, des tolérances et d'autres facteurs atténuants qui peuvent facilement être manqués lors de l'assemblage. Par conséquent, des tests de performance reproduisant fidèlement les conditions réelles d'une pompe en service constituent une étape critique du processus de réparation.

Après réparation, la pompe a été envoyée à un laboratoire d'essai de pompes certifié par l'Hydraulic Institute à Chicago. Ici, les pompes ont subi des protocoles de test standard pour mesurer les vibrations, la pression et le débit. Pour la fiabilité, le point de données le plus important collecté est la pression de ligne d'équilibrage, une caractéristique unique dans les tests de pompes à anneau segmenté. Avec le soutien technique du laboratoire d'essais, le centre de service a pu concevoir et mettre en place une procédure d'essai qui imitait étroitement les conditions de terrain de la pompe installée.

De retour en service Une fois la réparation et les tests terminés et les pompes installées, le centre de service a reçu un certain nombre de pompes à section annulaire segmentaire identiques provenant de plusieurs centrales électriques présentant les mêmes problèmes. En utilisant les connaissances des reconstructions précédentes, le centre de service a pu exécuter une série de réparations similaires pour ces pompes d'alimentation de chaudière supplémentaires dans un délai accéléré.

Aujourd'hui, l'ensemble des pompes à segments segmentés a été remis en service et fonctionne correctement sans problème de fiabilité.

Le centre de service a utilisé un processus d'inspection approfondi, des procédures de contrôle de processus étendues et des critères d'acceptation rigoureux pour effectuer ces réparations.

Robby Byrom est le vice-président des ventes chez Evans Hydro. Situé près de Los Angeles, en Californie, Evans Hydro est un centre de réparation de pompes dédié aux utilisateurs de pompes de la côte ouest et d'autres régions d'Amérique du Nord. Pour plus d'informations, visitez www.evans-hydro.com.