Les pompes submersibles dans la sidérurgie

Le moteur immergé fut mis au point en Allemagne en 1929, dans le but de concevoir une nouvelle génération de pompes d’extraction d’eau potable en puits profonds. Rappelons qu’à cette époque, et en fonction du niveau dynamique dans les puits, cette opération s’effectuait au moyen de pompes horizontales classiques ou à ligne d’arbre, dont certaines atteignaient une longueur de 80 mètres (il est facile d’imaginer dans ce dernier cas les problèmes mécaniques et de maintenance qui pouvaient se poser).

L’avènement du moteur immergé fut, en quelque sorte, une petite révolution, car, outre son faible diamètre il alliait de grandes qualités : entretien quasi nul et excellent refroidissement. Bien entendu, la technologie de l’époque était telle que ce type de moteur nécessitait de grandes précautions au montage, en particulier dans l’isolement du bobinage, par rapport au milieu ambiant. La construction était du type « à stator chemisé » utilisé encore dans les années 60. L’avènement des matières synthétiques allait bouleverser la fabrication de ces moteurs avec l’introduction du bobinage à fils plastifiés d’où l’appellation de « Moteur à rotor noyé » où le stator baigne généralement dans une solution d’eau et d’antigel, indépendante du milieu extérieur.

Le moteur submersible, quant à lui, fut mis au point en Suède, en 1948, mais dans un but complètement différent : en effet, de gros chantiers effectués à Stockholm nécessitaient l’évacuation continue de grosses quantités d’eaux chargées en terre et en sable, pour lesquelles l’utilisation de pompes immergées était exclue, celles-ci étant, de par leur conception, prévues pour des liquides strictement clairs.

S’il était simple de concevoir une partie hydraulique, le problème du moteur l’était moins. En effet, il s’agissait, purement et simplement, de transposer un moteur de surface classique dans un milieu dont le moins que l’on puisse dire est qu’il s’accommode mal avec toute source électrique. Ceci supposait, il va de soi, une parfaite maîtrise des problèmes d’étanchéité et de refroidissement (rappelons que ce type de moteur ne comporte pas de ventilation classique).

Les paramètres de base étaient les suivants :

• — partie pompe flasquée directement sur un rotor court (rappelons que les modèles immergés comportent une partie hydraulique raccordée à la partie moteur par un accouplement rigide) ;
• — moteur largement dimensionné pour un échauffement minimal ;
• — utilisation du milieu ambiant pour son refroidissement.

Replaçons-nous dans le contexte de l’époque pour rappeler que les ingénieurs d’alors étaient loin de disposer d’un éventail de matériaux aussi abondant qu’aujourd’hui ; aussi convient-il de distinguer deux catégories de moteurs :

— 1ʳᵉ génération : jusqu’à la fin des années 60, ces moteurs comportaient :

• — soit des bobinages à bain d’huile (huile diélectrique),
• — soit des bobinages enrobés de résines.

Les uns présentaient des problèmes d’isolement en cas d’introduction d’eau dans l’huile, les autres des problèmes de refroidissement.

— 2ᵉ génération : l’apparition du moteur « à sec », régla d’une manière définitive le problème ; mais comment était-il conçu ?

D’une manière très simple, à savoir :

— passage de câble rendu étanche par un manchon de câble en caoutchouc dit « à compression » pour certains modèles ou « à visser » pour d’autres ;

— toutes pièces emboîtées, après un usinage très soigné, équipées d’anneaux toriques ;

— étanchéité basse réalisée par montage, en tandem, de joints mécaniques lubrifiés par une chambre à huile servant à lubrifier et à refroidir les faces de frottement ;

— stator classique à bobinage, de classe F, ne nécessitant aucune construction ni outillage particuliers.

Comme on peut le voir, à part le mode de refroidissement, il n’existe aucun point commun entre les types de moteurs précités. La nature particulière du moteur submersible en faisait ainsi une « bonne à tout faire », dont les applications sont nombreuses et bien connues aujourd’hui :

— pompes pour chantiers, — pour stations d’eaux d’égouts communales, — agitateurs submersibles sur lesquels nous reviendrons ultérieurement, de par leurs applications en sidérurgie.

Très vite, ce type de moteur trouva ses applications dans l’industrie, ce qui nous permet d’aborder maintenant les problèmes spécifiques rencontrés en sidérurgie.

LES POMPES SUBMERSIBLESET L’INDUSTRIE SIDÉRURGIQUE

L’industrie sidérurgique, comme chacun sait, est grosse utilisatrice d’eau à tous les stades de fabrication, qu’il s’agisse du refroidissement de « water-jackets » de fours, du métal, de lavage de gaz, etc. De grandes quantités d’eau sont donc utilisées, lesquelles drainent de nombreuses matières abrasives en suspension. Or, les nouvelles exigences en matière d’épuration et de recyclage des eaux contraignent l’utilisateur à se débarrasser de ces matières par tous les moyens. Les problèmes technologiques posés sont nombreux car les liquides véhiculés ont parfois un caractère à la fois corrosif et abrasif. C’est donc à partir de la combinaison des caractéristiques des solides et du fluide, que seront opérés le choix de la technologie de la pompe et celui des matériaux constitutifs.

À ceci s’ajoutent deux contraintes supplémentaires :

— d’espace : recherche d’un génie civil minimum ; — de temps : nécessité d’un matériel à haute fiabilité, à remise en état rapide.

C’est en fonction de ce qui précède, que les pompes submersibles se sont intégrées tout naturellement à tous les stades de process, dès le début des années 70. En effet, les pompes dites de « première génération » équipant de nombreuses usines, étaient assez traditionnelles, soit horizontales ou verticales à ligne d’arbre, soumises aux contraintes classiques, soit d’amorçage, soit de tenue de paliers ou de presse-étoupe. L’idée d’utiliser des groupes compacts et de faible encombrement vint tout naturellement à l’esprit de nombreux exploitants, qui — rappelons-le — appréciaient au départ la grande mobilité de ce type de matériel. Il faut se rappeler, en effet, que l’utilisation première des groupes submersibles en sidérurgie, était axée sur le critère « pompe d’intervention », en secours ou en appoint de groupes existants. L’évolution continue des composants tels que garnitures mécaniques ou fonderies amena très vite l’ingénierie sidérurgique et les exploitants à concevoir des installations neuves organisées autour des groupes submersibles considérés dorénavant comme des systèmes de pompage à part entière. Il faut noter que le fait de placer la pompe directement dans le milieu ambiant, sur un système à déconnexion rapide, permet d’obtenir un gain de place et de temps non négligeable.

Dans le cas d’installations anciennes, où l’assèchement des fosses est impossible, le concept de la pompe « transportable » rendait très simple la mise en place du système de pompage. En outre, la construction modulaire du groupe submersible rendait les opérations de maintenance aisées et rapides, critère important quand l’on songe que tout arrêt — quel qu’il soit — se chiffre parfois en centaines de milliers de francs.

Qu’il s’agisse de groupes à postes fixes ou mobiles, le groupe submersible est donc une composante à part entière de la sidérurgie, qu’il s’agisse de la prise d’eau, des différents stades de fabrication, ou de la station de traitement. Mais, lorsque l’on est confronté au milieu ambiant, et en particulier aux dangers dus à l’abrasion et à la corrosion, il importe de bien mesurer l’évolution technologique qui en fait — à l’heure d’aujourd’hui — des partenaires de haute fiabilité.

Il nous faut toutefois examiner les critères qui influencent le choix d’une construction spécialement adaptée à ces deux problèmes.

Dans le cas particulier de l’abrasion, les paramètres essentiels qui interviennent, touchant les particules, sont les suivants :

• ~ leur dimension : le taux d’abrasion n’évolue plus au-delà d’un certain seuil ;
• ~ leur dureté ; il est à remarquer que l’abrasion est maximale quand la dureté des particules est 2 à 3 fois supérieure à celle des matériaux en contact ;
• ~ leur vitesse d’impact sur les parties métalliques ;
• ~ leur angle d’incidence : son influence est variable en fonction de la vitesse d’impact et de la nature du matériau soumis à l’abrasion ;
• ~ la concentration des matières en suspension.

Face aux problèmes posés, il importait de choisir si les matériaux à retenir devaient avoir une constitution « dure » ou « élastique ». L'expérience accumulée — en particulier dans le transport d’eaux sableuses en travaux publics — constituait une première réponse ; en effet, à l’époque, la solution retenue — et toujours d’actualité — consistait à utiliser une turbine en fonte à haute teneur en chrome tournant entre deux diffuseurs en caoutchouc, dont l'inférieur est réglable pour rattraper le jeu dû à l’usure et retrouver ainsi les performances d’origine.

C’est ce concept qui fut en fin de compte retenu sur une gamme de pompes dont les plages de débits/hauteurs correspondaient aux besoins de plus en plus importants des utilisateurs ; toutefois leurs roues furent entièrement redessinées pour tenir compte de la concentration et de la dimension des particules véhiculées. Il s’agit — dans de nombreux cas — de turbines multicanaux à fortes sections de passage, dont le dessin fut particulièrement soigné pour obtenir des rendements élevés, les gains d’énergie étant souvent un critère de choix de la part de l’utilisateur. Le profil des corps de pompes dut également être entièrement revu pour permettre la mise en place des dispositifs propres à rendre ces pompes aptes au transit de liquides abrasifs.

Afin de limiter au maximum les phénomènes d'usure, un soin tout particulier fut apporté à la qualité des matériaux employés :

• — fontes ni-résist (fontes au chrome pour les corps et roues) ;
• — diffuseurs à forte épaisseur de caoutchouc ;
• — joints mécaniques en carbure de tungstène massif ou carbure de silicium auto-lubrifiés et protégés.

De plus, et afin d’optimiser l'utilisation du matériel, les modèles de moyenne et forte puissance (> 75 kW) sont équipés d'une mini-centrale regroupant trois fonctions de surveillance de l'échauffement des parties suivantes : enroulements du stator, roulement inférieur, entrée d’eau du moteur, l’ensemble étant regroupé dans un coffret pouvant être intégré dans l’armoire générale.

Dans certains cas d’abrasion « moyenne », la technique des revêtements en élastomère tend à se généraliser, car celle-ci permet, bien souvent, la résolution des problèmes à un coût, somme toute, raisonnable. Bien entendu, chaque cas fait l'objet d'une étude particulière sur le choix de la dureté des produits à adopter, de leur nature (qu’il s’agisse d’irathane, de polyuréthane, etc.), celle des eaux étant parfois incompatible avec l’emploi de ces derniers (cas de gonflement anormal de câbles ou diffuseurs).

Un certain nombre de précautions sont à prendre, compte tenu de la forme des pièces, de leur assemblage et, parfois, un usinage préalable est à effectuer pour tenir compte de l’épaisseur du revêtement.

Sur ce plan de l’abrasion, il s’avère aujourd'hui que la technologie des groupes submersibles s’est parfaitement adaptée aux problèmes posés par la sidérurgie et à cet égard, le nombre de groupes en service dans les différentes usines, tant en France qu’à l’étranger, en fait foi !

Reste le problème de la corrosion, lequel, s’ajoutant aux problèmes précédents a conduit le constructeur à une recherche plus poussée. En effet, l’importance économique de la corrosion s’accroît constamment en fonction de l’emploi toujours plus développé des métaux que l’industrialisation entraîne dans presque tous les domaines. À cela s’ajoute le fait que les substances corrosives — contenues dans l’air pollué et les eaux usées — semblent de plus en plus agressives, et pèsent de plus en plus sur les budgets d’entretien. La corrosion n’entraîne pas seulement des pertes de matière, mais aussi des pertes indirectes sous forme d'interruptions d’exploitation.

En matière de sidérurgie, il existait — jusqu’à ces dernières années — une incompatibilité entre le problème posé et la solution qui venait tout naturellement à l’esprit, à savoir l’utilisation de l’acier inoxydable. Or, si la fabrication dans ce matériau de groupes submersibles ne pose aucun problème particulier, en revanche, il était exclu de l'utiliser, tout au moins pour la partie hydraulique, en cas de risque d’abrasion — même séquentielle, puisqu’il est, par définition, un métal « mou ». Il fallait donc chercher à obtenir une protection continue sur l’ensemble des pièces en contact avec le produit pompé ce qui — a priori — excluait l’utilisation de revêtements traditionnels, en raison des problèmes de plans de joints ou de parties dites « intraitables ».

consiste à traiter les pièces en cause par un procédé nickel-phosphore, qui reproduit parfaitement l'état de surface du support d'origine avec les avantages suivants :

• — l'épaisseur du revêtement varie entre 50 et 150 microns ce qui n'entraîne pas d'usinage de finition ;
• — le nickel chimique, brut de bain, peut subir différents traitements thermiques améliorant certaines de ses propriétés :
  • • à 200 °C : traitement de dégazage ; la dureté obtenue est d'environ 550 Vickers,
  • • à 315 °C : traitement de durcissement ; la dureté du dépôt est alors à son maximum (environ 950 Vickers),
  • • à 550 °C (fonte) ou 650 °C (acier) : traitement de diffusion ; c'est sous cette forme que le nickelage chimique présente sa meilleure résistance à la corrosion. La dureté en surface est de l'ordre de 750 Vickers.

Bien entendu, il convient de vérifier la compatibilité du traitement avec la nature des eaux à pomper, dont le pH doit se situer entre 4,5 et 7.

Ce type de traitement n'est toutefois valable que pour des groupes réalisés en fonte (classique ou au chrome) ou en acier.

Pour les groupes dont la partie statique est réalisée en alliage léger, le traitement par oxydation anodique dure a donné d'excellents résultats. Cette opération est effectuée dans une électrolyte à basse température, ce qui conduit à la formation d'une couche d'alumine d'épaisseur régulière et il y a ainsi parfaite continuité au niveau du raccordement métal de base-métal transformé. Selon les alliages considérés, la dureté obtenue peut atteindre 400 à 600 Vickers. De plus, cette couche présente une bonne résistance à l'usure, une bonne résistance à la corrosion (dans une fourchette de pH comprise entre 5,5 et 9,5) et une bonne isolation électrique.

Là aussi, il importe d'étudier chaque cas particulier.

Applications

De par sa haute technicité et sa souplesse d'utilisation, le groupe submersible, capable de hautes performances, tant sur le plan débit/hauteur que concentration en matières en suspension, est devenu un partenaire sûr des industries sidérurgiques. Afin de mettre ce concept en relief, nous voudrions exposer deux cas concrets qui, mieux que tout développement théorique, illustreront ce qui précède :

Cas n° 1

Une importante unité avait décidé de modifier son système de refroidissement de brames, mais se trouvait aux prises avec des contraintes d'espace ; en effet, l'eau chargée de battitures, et devant être recyclée, arrivait dans une fosse d'où elle devait être pompée vers un hydrocyclone chargé d'éliminer les matières lourdes en suspension. Le montage de pompes horizontales s'avérait délicat, pour deux raisons :

• — l'encombrement, car elles se situaient sur une aire de passage,
• — des problèmes d'amorçage, toujours délicats en matière de produits chargés, se présentaient.

L'utilisation de pompes verticales à ligne d'arbre se heurtant à des difficultés de mise en place et de tenue de paliers, le choix s'orienta tout naturellement sur des groupes submersibles à grandes performances, mais à faible encombrement, dont la partie hydraulique combine l'utilisation de la fonte au chrome et du caoutchouc. Malgré les dimensions relativement restreintes de la fosse, quatre groupes y furent installés et sont toujours en service — en marche continue 24 heures sur 24 — depuis 1979 !

Cas n° 2

Dans cette unité produisant des aciers nobles, le lavage des gaz entraînait la mise en suspension d'une quantité importante de matières abrasives qui arrivaient dans deux fosses de dimensions exiguës et de faible profondeur, dont l'emplacement rendait pénible chaque intervention. L'arrivée des eaux n'étant pas constante, l'usine avait prévu une régulation « tout ou rien » mais qui avait l'inconvénient, compte tenu du faible volume de rétention de chaque fosse, de provoquer un nombre de démarrages et d'arrêts excessif. Il fallait donc laisser tourner les groupes en continu, avec la seule partie hydraulique noyée en débit normal, et « à sec », en débit réduit. La conception des groupes submersibles répondait seule à ces critères pour les raisons suivantes :

• auto-lubrification des joints mécaniques ;
• circulation d'eau autour du logement du stator assurant un excellent refroidissement lorsque celui-ci était découvert ;
• possibilité de marche à sec en continu, par utilisation en série des moteurs de classe F. Dans ce cas également, la partie hydraulique combinait roue en fonte au chrome et diffuseurs caoutchouc.

Quatre groupes de ce modèle ont été installés ; ils fonctionnent en service intensif, 24 heures sur 24, depuis 1980.

Évolution dans l'industrie sidérurgique

Chaque exploitant n’ignore pas les caractéristiques de la battiture, à savoir son caractère abrasif et son poids spécifique élevé.

Il lui importe donc de soigner particulièrement le tracé des tuyauteries en évitant au maximum les perturbations (convergents ou divergents) et leur diamètre, afin d'obtenir une vitesse minimale, tout en concevant des fosses à forte pente. Toutefois, la densité des battitures est telle qu'un engorgement des fosses se produit très souvent, avec, comme effet secondaire — et pas des moindres — une mauvaise alimentation des pompes entraînant des phénomènes de cavitation (vibrations, destruction rapide du module hydraulique). C'est dans ce cas, couramment observé dans ce type d’industrie, qu'intervient la solution pompe + agitateur. Il importe en effet de remettre les battitures en suspension continue, afin de faciliter le pompage et d’éliminer les phénomènes de colmatage des fosses. L’agitateur à axe vertical se prêtait très mal à ce genre d’application, en raison de son pouvoir de brassage limité sur un plan horizontal. De même, l’insufflation d’air dans l’eau — ou la prise auxiliaire sur la conduite de refoulement — se sont avérées de simples pis-aller, avec des résultats plus que contestables !

L'apparition de l'agitateur submersible a écarté toutes les techniques employées à ce jour, par sa simplicité d’installation, et sa conception nouvelle, alliant un moteur submersible standard, sur lequel — avec ou sans réducteur (suivant les volumes à brasser) — est accouplée une hélice à faible vitesse de rotation. Il peut, en effet, être mis en place, fosse pleine ou vide, en position horizontale ou verticale, orienté à demande et placé à la hauteur désirée. Ce type d’appareil est d'une conception qui tire le meilleur parti des lois de l'hydraulique, engendrant un flux primaire de grande portée, doublé d'un flux secondaire induit très important.

Il est facile d'imaginer les avantages apportés par le couple pompe + agitateur : absence de décantation, optimisation des pompes en place, nettoyages coûteux supprimés. Bien entendu, ce type de machine, dans cette utilisation, est soumis aux mêmes contraintes que les pompes, tant sur le plan corrosion qu’abrasion.

Un soin tout particulier a été apporté à la partie tournante :

• revêtements des hélices ou diffuseurs, en irathane, polyuréthane ou nickel chimique ;
• joints mécaniques en carbure de tungstène ou carbure de silicium, protégés ;
• possibilité d'un traitement complet nickel chimique sur l’ensemble de l’appareil ou construction tout-acier inoxydable (en cas de lutte contre la corrosion seule).

Sur le plan de l’entretien, la conception est, là aussi, du type « modulaire » comportant trois parties distinctes : bloc moteur avec rotor, réducteur et hélice. Les démontages et remontages ne nécessitent ni outillage, ni personnel spécialisé.

CONCLUSION

1965 : puissance disponible : 5,5 kW.

1985 : puissance disponible : 450 kW !

Ces deux chiffres illustrent plus que tout, l’évolution technologique du moteur submersible, et par voie de conséquence, de la conception de la pompe qui s’y rattache.

Les progrès réalisés parallèlement dans les techniques de fonderie ou de joints mécaniques ont permis de répondre parfaitement aux problèmes posés !

Haute technologie, fiabilité, simplicité de maintenance, sont les caractéristiques du groupe submersible. Ces qualités lui permettent de s’adapter aux conditions difficiles rencontrées dans l’industrie, en particulier dans la sidérurgie, et cela en raison de la variété de ses éléments (roues ouvertes à aubes radiales, mono ou multi-canaux, à effet de vortex ou roues hélices) que l’on peut adapter à chaque cas particulier.

Facteur d’économies d’énergie, le groupe submersible restera ainsi à tous les stades de la fabrication et pour de longues années, un partenaire performant et sûr.