What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        Après qu'un fabricant de toitures ait utilisé pendant des années de grandes pompes à engrenages internes pour fournir du flux bitumineux, un certain nombre de pompes ont connu plusieurs défaillances d'arbre. Ces défaillances d'arbre étaient rares dans le passé et ont été portées à l'attention du fournisseur de pompes. Ces pompes fonctionnent généralement à 100 gallons par minute (gpm) avec des pressions de refoulement inférieures à 100 livres par pouce carré (psi). Le système utilise un circuit de chauffage à huile thermique pour maintenir le flux bitumineux à une température élevée exclusive afin de réduire la viscosité du produit à un niveau suffisant pour assurer un écoulement régulier et réduire l'accumulation de flux bitumineux solide sur les murs.
       Les pompes sont alimentées par un moteur de 30 chevaux (hp), 1750 tours par minute (tr/min) et une boîte de vitesses qui réduit la vitesse de la pompe à 100 tr/min à un débit de produit de 100 gpm.
       Ces pompes sont utilisées pour transférer le flux bitumineux des réservoirs de stockage de l'usine de distillation jusqu'à l'application finale du flux bitumineux sur la ligne de production.
        Les mêmes pompes sont utilisées sur ce site depuis plus de 20 ans. En règle générale, ces pompes ont une durée de vie beaucoup plus longue dans de telles conditions et une telle panne n'a jamais été observée dans le passé. Il convient de noter que l'entreprise a utilisé deux versions de la même taille de pompe pour deux applications différentes. L'une est considérée comme une pompe souple pour l'application de flux d'asphalte, et l'autre est considérée comme une pompe de remplissage dur pour le remplissage d'asphalte. Les pompes rigides ont des rotors et des arbres en acier trempé pour réduire l'usure due aux abrasifs dans l'asphalte rempli.
        Lorsque le fournisseur de pompes a remarqué le problème de l'arbre cassé, le nombre de pompes défaillantes était de 6 en 12 mois environ. Il y a 18 pompes au total dans cette application. Au cours des dernières années, le nombre moyen de pannes de pompes sur la même période a été d'une. Certaines pompes avaient un arbre cassé et la connexion arbre/rotor était cisaillée, tandis que d'autres avaient l'arbre qui tournait à l'intérieur du rotor et la vis de réglage qui était censée maintenir le rotor et l'arbre intacts était coupée.
        L'axe de cisaillement est sur une pompe rigide et l'arbre tournant à l'intérieur du rotor est sur une pompe souple. La défaillance a été analysée et les résultats suivants ont été identifiés et résolus comme indiqué.
        Les fournisseurs et fabricants de pompes analysent soigneusement les pompes dont l'arbre est cassé ou en rotation. L'arbre et la vis de réglage ont été soumis à des contrôles dimensionnels et à une analyse métallurgique. Les deux sont conformes aux exigences du fabricant. Après que la pompe a été brûlée pour éliminer le goudron durci résiduel, une usure anormale de la pompe a indiqué qu'une pression de refoulement excessive a dévié l'arbre et provoqué l'écrasement du rotor contre le corps de pompe du côté aspiration (voir figures 2 et 3).
        Des signes d'usure sont visibles sur le côté aspiration du carter, là où le rotor est pressé contre la paroi du carter. Le côté aspiration de la plaque de tête présente également des signes d'usure et le rotor fléchit dans la tête. D'autres signes d'usure sur les bagues, les galets tendeurs et les croissants indiquent également une surpression et une flexion et une déflexion ultérieures de l'arbre. Lorsque le rotor appuie contre le corps et la tête, un couple excessif peut provoquer la rupture ou la rotation de l'arbre à l'intérieur du rotor, ce qui entraîne le cisaillement de la vis de réglage.
        Selon le fabricant, « la surpression qui a suivi a provoqué la flexion de l’arbre, ce qui a entraîné une usure du corps, une usure de la tête et, finalement, une défaillance de l’ensemble rotor/arbre. » À la suite de l’analyse, le fabricant a apporté des modifications à la conception des pompes et une analyse des procédures de fonctionnement des processus dans l’usine a été réalisée.
        Le fabricant de la pompe annonce une pression de refoulement maximale de 150 psi pour cette pompe, en partie en raison de la taille de l'arbre et du rapport longueur/diamètre (L/D) de l'arbre. Toute pression supérieure à 150 psi peut provoquer la flexion et la déviation de l'arbre, comme le montre la rupture de l'objet.
        Les procédures d'exploitation standard de l'unité tiennent compte d'une pression de refoulement maximale autorisée de 150 psi, et des précautions ont été prises pour maintenir la température et la viscosité du flux bitumineux afin que la pression de refoulement ne dépasse pas cette limite. En fait, comme l'équipe de maintenance de l'installation a recueilli plus tard des informations sur le processus, la pression dépassait rarement 100 psi.
        Cependant, il faut aussi considérer si les mesures d’économie d’énergie peuvent faire en sorte que la pression de refoulement dépasse la pression de refoulement maximale admissible de la pompe. Lors des arrêts de l’usine, comme les week-ends, la température du flux bitumineux maintenu par le circuit de chauffage à l’huile thermique est réduite pour économiser de l’énergie. Après enquête, il a été déterminé que le temps de démarrage nécessaire pour amener le bitume à une température et une viscosité acceptables ne pouvait pas être augmenté pour compenser l’arrêt plus froid du week-end. Ainsi, après un arrêt du week-end, l’asphalte peut être trop froid et trop visqueux au démarrage, avec une pression de refoulement de la pompe supérieure à la limite de 150 psi. Il n’y avait pas d’enregistrements de température et de pression lors de ces démarrages ou de ces pannes de pompe, donc cette hypothèse a été émise.
        Compte tenu de ces facteurs, le fabricant a pris des mesures pour résoudre le problème de la déflexion de l'arbre de la pompe, tandis que l'équipe de maintenance de l'usine s'est concentrée sur la résolution du problème des procédures d'exploitation standard. Chaque groupe prend des mesures pour éliminer d'autres défaillances de l'arbre.
        Le fabricant de la pompe a modifié la conception de la pompe pour inclure un arbre plus grand. Le diamètre de l'arbre a été augmenté de 40 %.
        Cet arbre plus épais permet de réduire la déflexion de l'arbre de 66 %, réduisant ainsi l'usure prématurée et le risque de défaillance de l'ensemble rotor/arbre. Les arbres plus grands augmentent le rapport de déflexion de l'arbre L/D et augmentent la pression de refoulement maximale autorisée à 200 psi.
        Cette modification de conception est devenue plus tard la norme pour les pompes de cette taille dans tous les futurs produits du fabricant. Le diamètre de l'arbre côté entraînement de la pompe n'a pas changé, de sorte que les équipements de transmission de puissance existants tels que les poulies et les accouplements peuvent toujours être utilisés sur la pompe.
        Les fournisseurs de pompes placent des équipements de surveillance de processus sur les pompes à flux de bitume pour mesurer la température du circuit de traitement, la pression de refoulement et le courant du moteur. L'équipe de maintenance du site a enregistré électroniquement toutes les deux secondes et a effectué une surveillance visuelle trois fois par jour pendant trois mois.
        L'équipe de maintenance des installations a examiné les procédures d'exploitation standard spécifiquement liées aux procédures d'arrêt et de démarrage de la boucle de température de fluxage du bitume. Au départ, les modifications ont été apportées pour éviter une situation de démarrage à froid.
       En analysant les schémas d’usure de la pompe pour déterminer si la pompe était surpressurisée, l’équipe a pu se concentrer sur la raison de la haute pression et sur les mesures à prendre pour éviter une future défaillance de l’arbre et des temps d’arrêt inutiles.
        L'équipe de direction de l'usine a étudié attentivement la température et la viscosité du produit dans les conditions de fonctionnement, pendant les temps d'arrêt et pendant le démarrage. Elle a déterminé que des modifications des procédures d'exploitation pouvaient être ajustées pour éviter les conditions de démarrage à froid qui pourraient augmenter la viscosité du flux bitumineux et provoquer des pics de pression élevés. Les fabricants de pompes conviennent que des arbres plus grands peuvent être utilisés dans des pompes de cette taille et qu'une déflexion de l'arbre moindre et des pressions plus élevées peuvent être obtenues. Cette conception est désormais une offre standard pour le fabricant.
       En analysant la cause profonde de la défaillance, une équipe de responsables de l’entretien des installations, de fabricants de pompes et de fournisseurs de pompes a travaillé pour réduire les défaillances de pompes dues aux fractures de l’arbre.