Entretenir une pompe centrifuge industrielle, c’est d’abord vérifier qu’elle travaille près de son point de rendement optimal, le BEP (best efficiency point), avec une marge suffisante à l’aspiration, le NPSH. C’est ensuite surveiller quatre signaux : vibrations, température des paliers, fuite à l’étanchéité d’arbre et puissance absorbée. C’est enfin intervenir sur une pompe consignée, côté électrique comme côté fluide.
L’enjeu dépasse la pompe elle-même. Selon Grundfos, les pompes consomment environ 10 % de l’électricité mondiale, et KSB comme Grundfos placent en général l’énergie au premier rang du coût du cycle de vie d’une pompe. Une pompe qui travaille loin de son BEP, point de rendement maximal par définition, consomme davantage et use plus vite roulements et garniture.
Comment fonctionne une pompe centrifuge ?
Une roue tourne à vitesse constante et transmet un couple au liquide qui la traverse. KSB décrit ce transfert d’énergie comme une modification du moment cinétique du fluide : le liquide entre au centre de la roue et en ressort avec davantage d’énergie. Le corps de pompe, souvent en forme de spirale appelée volute, entoure la roue et mène le liquide jusqu’à la bride de refoulement. Les organes à surveiller : arbre, étanchéité d’arbre (garniture mécanique ou presse-étoupe), paliers à roulements, accouplement.
La grandeur qui résume le travail de la pompe est la hauteur manométrique totale, ou HMT, exprimée en mètres. KSB, qui s’appuie sur la norme DIN EN ISO 17769-1, la définit comme la puissance hydraulique transmise au liquide rapportée au produit ρ·g·Q (masse volumique, pesanteur, débit), cette puissance étant la différence entre le refoulement et l’aspiration. La HMT mesure donc ce que la pompe ajoute entre son entrée et sa sortie, pas une pression lue en un seul point.
Pourquoi des mètres plutôt que des bars ? Grundfos le rappelle : exprimée en mètres de colonne de liquide, la courbe débit-hauteur (QH) ne dépend pas du liquide pompé. La pression, elle, en dépend. Pour de l’eau, 1 bar correspond à environ 10,2 m ; la formule publiée par le fabricant de pompes Michael Smith Engineers donne h = 10,197 × p / d, avec h en mètres, p en bar et d la masse volumique en kg/dm³. Pour passer à votre installation, voyez comment lire la courbe d’une pompe.
Le point de fonctionnement : où travaille réellement votre pompe
Une pompe ne choisit pas son débit : c’est l’installation qui le lui impose. Grundfos définit le point de fonctionnement comme l’intersection de la courbe de la pompe et de la courbe du réseau, qui donne les pertes de charge de l’installation en fonction du débit. Les deux courbes vont en sens contraire : sur une courbe QH typique, faible débit veut dire hauteur élevée et fort débit hauteur faible, alors que le réseau réclame d’autant plus de hauteur que le débit augmente. En circuit ouvert, la courbe du réseau part en outre de la hauteur géométrique, que KSB appelle hauteur géodésique : la différence de niveau entre la sortie et l’entrée de l’installation.
Un débit annoncé seul ne dit donc rien de ce que la pompe fera chez vous : c’est le débit à hauteur nulle, en bout de courbe. Placez la HMT que demande votre réseau sur l’axe vertical de la courbe du constructeur, suivez l’horizontale jusqu’à la courbe QH, descendez sur l’axe des débits : c’est le débit réel à attendre, toujours inférieur au débit maximal du catalogue. Situez-le ensuite par rapport au BEP. La démarche complète est détaillée pour calculer le point de fonctionnement.
BEP et plage de fonctionnement recommandée
Le Hydraulic Institute définit le BEP comme le débit et la hauteur de rendement maximal, à vitesse et diamètre de roue donnés ; c’est aussi, en général, là où vibrations et bruit sont les plus faibles. Autour s’étend la plage recommandée, la POR (preferred operating region), où rendement et fiabilité ne sont pas sensiblement dégradés. Europump la situe « en général de 70 à 120 % du BEP ». Le Hydraulic Institute nuance : selon la vitesse spécifique de la pompe, elle va de 90-110 % à 70-120 % du débit au BEP. Au-delà, la plage admissible (AOR) est fixée par le constructeur, dans les limites de cavitation, d’échauffement, de vibrations, de bruit, de flexion d’arbre et de fatigue. La référence est l’ANSI/HI 9.6.3 ; pour votre pompe, les plages se lisent chez le constructeur.
Ce qui se passe loin du BEP
D’après le Hydraulic Institute, l’effort radial sur la roue est en général minimal au BEP et croît quand on s’en écarte ; sur une volute simple, il est maximal à débit nul. Il en résulte une flexion d’arbre accrue, une usure prématurée des roulements et des problèmes possibles de garniture mécanique. Des constructeurs comme Wilo résument la tendance : à gauche du BEP, recirculation interne, vibrations et échauffement ; à droite, rendement plus faible, cavitation ou surcharge du moteur possibles. C’est une grille de lecture, pas une règle chiffrée.
Faire varier la vitesse déplace la courbe de la pompe : selon un chercheur cité par Grundfos, ramener le débit à 80 % ne demande qu’environ la moitié de la puissance, mais ces lois de similitude supposent un rendement constant, et le gain réel est plus faible sur un réseau à forte hauteur géométrique. C’est l’intérêt, et la limite, de piloter la pompe par variateur de fréquence.
NPSH et cavitation : la marge qui protège la roue
KSB définit la cavitation comme la formation puis l’effondrement brutal de cavités, des bulles de vapeur, dans l’écoulement. Avant tout dommage visible, elle s’entend et se mesure : hausse du bruit, marche rude, puis baisse du rendement et de la hauteur. Si elle dure, les bulles qui implosent contre la paroi érodent la roue, et la cavitation peut aggraver la corrosion.
Le NPSH (net positive suction head) compare deux valeurs en mètres : le NPSH disponible (NPSHA), qui dépend de l’installation, notamment du niveau du liquide et des pertes de charge à l’aspiration, et le NPSH requis (NPSHR), publié par le constructeur. Ce NPSHR correspond au NPSH3, la valeur qui fait chuter la hauteur de 3 %, convention du Hydraulic Institute depuis 1932 que KSB emploie aussi. Le NPSHR n’est donc pas un seuil « sans cavitation » : à cette valeur, la pompe cavite déjà assez pour perdre 3 % de hauteur.
D’où la marge. Grundfos demande un NPSH disponible supérieur d’au moins 0,5 m au NPSH requis. La norme ANSI/HI 9.6.1 fixe des rapports de marge selon l’application (pétrole, chimie, centrales, eaux chargées…) et demande plus de marge dans la plage admissible que dans la plage recommandée. Quand le NPSH manque, KSB observe un débit trop faible, une marche irrégulière et un échauffement, et propose des remèdes tous situés à l’aspiration :
- corriger le niveau du liquide ;
- installer la pompe plus bas ;
- ouvrir en grand la vanne d’alimentation ;
- réduire les pertes de charge à l’aspiration ;
- contrôler les filtres.
Le diagnostic détaillé est traité pour reconnaître et traiter la cavitation.
Avant d’intervenir : consigner l’électricité et le fluide
Tout ce qui suit suppose une pompe consignée, côté électricité du moteur comme côté fluide sous pression, parfois chaud ou agressif. L’INRS (brochure ED 6109) décrit une démarche en quatre temps, dont l’ordre peut s’adapter après analyse des risques : en électricité, la mise à la terre vient après la vérification d’absence de tension.
Les quatre étapes d'une consignation, appliquées à une pompe
Séparer
Séparez le moteur de toutes ses alimentations et la pompe de toute arrivée de fluide, circuits auxiliaires compris (rinçage de garniture).
Condamner et signaler
Condamnez l’organe de séparation électrique en position ouverte, par cadenas, et signalez la consignation. Côté fluide, condamnez les vannes en position fermée et les purges en position ouverte.
Dissiper ou confiner
Purgez le fluide restant et faites chuter la pression dans la pompe avant d’ouvrir quoi que ce soit, comme le demande KSB. La mise à la terre et en court-circuit n’est pas toujours requise en basse tension : l’INRS renvoie à la NF C 18-510.
Vérifier et identifier
Vérifiez l’absence de tension sur chaque conducteur actif, neutre compris, avec un vérificateur d’absence de tension (VAT), sur le lieu même du travail. Vérifiez l’absence de risque résiduel côté fluide : pression nulle, température acceptable, purge effective.
L’INRS rappelle que la consignation mécanique d’une machine tournante passe d’abord par la consignation électrique de son moteur : tant qu’il peut redémarrer, accouplement et roue restent dangereux. Ces opérations relèvent d’une habilitation selon la NF C 18-510 ; une mesure pompe en marche, courant absorbé ou contrôle des phases, relève d’une habilitation adaptée (B1V ou BR selon le cas) et d’équipements de protection individuelle. L’armoire triphasée, le raccordement d’un variateur ou une machine de production reviennent à un électricien habilité. Avant de remettre en service un moteur resté à l’arrêt en local humide, il est utile de contrôler l’isolement du moteur.
Côté fluide, l’INRS souligne que les risques tiennent au liquide lui-même (corrosif, toxique) comme à sa pression et à sa température : un litre d’eau surchauffée à 180 °C donne 233 litres de vapeur à pression atmosphérique. KSB ajoute une consigne souvent oubliée : lors de soudures sur la tuyauterie, ne branchez pas la masse du poste sur la pompe ou son socle.
En local humide (chaufferie, sous-station, poste de relevage), la liaison à la terre vient en premier : l’INRS rappelle que la carcasse d’un moteur peut se trouver sous tension en cas de défaut d’isolement. Le différentiel 30 mA est un complément, pas une protection suffisante à lui seul (INRS, ED 6345) ; il est obligatoire pour les prises de 32 A ou moins et pour toute prise en local mouillé, et recommandé pour les appareils sur câble souple en conditions sévères. Une pompe fixe sur circuit dédié relève de son propre schéma de protection. Contrôlez aussi l’indice IP du moteur et des boîtes de raccordement au regard du local.
Pannes courantes : symptôme, cause, vérification
Ce tableau réorganise par symptôme celui de la notice KSB de l’Etanorm FXV, avec le geste qui confirme la cause avant tout démontage. Les contrôles de raccordement se font pompe consignée ; une mesure de courant sous tension demande l’habilitation décrite plus haut.
| Symptôme | Causes possibles (KSB) | Comment vérifier | Remède (KSB) |
|---|---|---|---|
| Débit trop faible | Purge ou remplissage insuffisants, poches d’air ; air aspiré par l’étanchéité d’arbre ; NPSH insuffisant ; contre-pression trop élevée ; mauvais sens de rotation ; moteur sur deux phases ; usure interne | Relever débit et pressions aspiration et refoulement, situer le point sur la courbe ; contrôler le sens de rotation ; mesurer le courant par phase | Purger, remplir, poser un purgeur ; corriger l’aspiration ; rajuster le point ; contrôler le raccordement, remplacer le fusible ; remplacer les pièces usées |
| Surcharge du moteur | Point de fonctionnement trop à droite (contre-pression trop faible) ; moteur sur deux phases ; fouloir trop serré ou en biais | Situer le point sur la courbe ; mesurer le courant par phase ; observer le fouloir | Régler le point, rogner la roue si la surcharge est permanente ; vérifier les raccordements ; corriger le fouloir |
| Palier trop chaud | Mauvais alignement ; contraintes de tuyauterie ; palier ou lubrification en défaut ; poussée axiale trop élevée ; débit trop faible | Température sur le support de palier ; alignement à l’arrêt ; débit comparé au débit minimum de la notice | Aligner ; revoir les supports ; remplacer le palier, corriger la lubrification ; remplacer les bagues d’usure ; augmenter le débit |
| Fuite excessive à l’étanchéité | Garniture usée, chemise rayée, matériaux inadaptés ; fouloir trop serré ou en biais ; mauvais alignement ; contraintes de tuyauterie | Observer la fuite selon la technologie (voir plus bas) ; contrôler fouloir et alignement | Remplacer garniture et/ou chemise, revoir les matériaux ; corriger le fouloir ; aligner |
| Marche irrégulière ou bruyante | Purge insuffisante ; NPSH insuffisant ; point trop à droite ; usure ; alignement ; résonance de tuyauterie ; balourd ; palier défectueux ; faible débit | Écouter ; mesurer la vibration sur les paliers et la situer en zone ISO 10816-7 ; situer le point | Selon la cause : purger, corriger l’aspiration, aligner, rééquilibrer la roue, remplacer le palier |
| Échauffement de la pompe | Purge insuffisante ; NPSH insuffisant ; marche à trop faible débit | Position des vannes, surtout au refoulement ; débit comparé au débit minimum | Purger et remplir ; corriger l’aspiration ; augmenter le débit |
Désamorçage, marche à sec et vanne fermée
Débit qui chute, marche irrégulière et échauffement peuvent venir d’une pompe mal purgée ou d’une prise d’air, dans la tuyauterie ou par l’étanchéité d’arbre. KSB recommande de purger et remplir, de modifier la tuyauterie ou d’installer un purgeur, et, si l’étanchéité aspire de l’air, d’amener un liquide de rinçage extérieur ou de la remplacer. Voir aussi une pompe qui se désamorce. KSB pose aussi deux interdits : jamais de marche à sec, et pas de marche prolongée vanne de refoulement fermée, qui échauffe le liquide. Chaque notice fixe un débit minimum : 2 % ou 5 % du débit optimal sur l’Etanorm FXV, valeur propre à ce modèle.
Paliers usés ou cause côté moteur
KSB résume le signe d’usure des paliers : vibrations, bruit et puissance absorbée trop élevée dans des conditions d’exploitation inchangées. Si le point de fonctionnement n’a pas bougé et que la puissance monte, la piste mécanique passe devant ; il faut alors identifier et monter un roulement sans l’abîmer.
Surcharge et marche sur deux phases renvoient au moteur. Le geste consiste à mesurer le courant de chaque phase et à comparer les valeurs entre elles et à l’intensité de la plaque signalétique ; un comparatif des pinces ampèremétriques aide à choisir une pince True RMS de catégorie de mesure adaptée. Si le moteur chauffe ou vibre seul, découplé, voyez les causes d’un moteur qui chauffe ou vibre, le rôle du relais thermique et, si le bobinage est en cause, comment réparer un moteur électrique.
Les pièges à éviter
- Conclure sur un débit sans connaître la hauteur à laquelle il est mesuré.
- Changer la garniture alors que la fuite vient d’un fouloir en biais, d’un défaut d’alignement ou de la tuyauterie.
- « Soigner » un échauffement en fermant le refoulement, sous le débit minimum.
- Généraliser les valeurs d’une notice à une autre pompe.
Garniture mécanique ou presse-étoupe : quelle fuite est normale ?
Réparer une pompe centrifuge, c’est souvent changer sa garniture. Encore faut-il savoir si la fuite est anormale.
La garniture mécanique ne doit pas fuir. D’après KSB, ses fuites sont imperceptibles en fonctionnement (vapeur) et elle est sans entretien. La notice de la gamme NB de Grundfos la décrit aussi comme pratiquement sans fuite et demande un contrôle immédiat en cas de fuite importante ou croissante ; si les faces de friction sont endommagées, la garniture entière se remplace, ce qui passe par un démontage. Cherchez d’abord pourquoi elle a lâché. Les causes relevées par KSB et le Hydraulic Institute : marche à sec, fonctionnement loin du BEP, défaut d’alignement, contraintes de tuyauterie, fluides abrasifs, matériaux inadaptés au liquide. Dans le pétrole, le gaz et la chimie, les systèmes d’étanchéité relèvent de l’ISO 21049, reprise de l’API 682.
Le presse-étoupe doit goutter. Ces anneaux de tresse comprimés par un fouloir autour de la chemise d’arbre sont faits pour fuir légèrement : la notice KSB indique environ 20 gouttes par minute. Chesterton, fabricant de tresses, part de 100 à 200 gouttes par minute au démarrage pour arriver en service à 20 à 60, voire moins. Méthode KSB : écrous serrés à la main, puis un sixième de tour après 5 minutes de marche, 5 minutes d’observation, et ainsi de suite ; sans aucune fuite, arrêtez la pompe, desserrez et recommencez, puis surveillez environ 2 heures à la température maximale du liquide. Chesterton conseille un méplat d’écrou à la fois, pas plus d’un réglage toutes les 15 minutes.
Le choix entre les deux technologies est traité pour choisir entre garniture et tresse.
Le plan de maintenance préventive, de la ronde à l’inspection
Aucun plan type ne vaut pour toutes les pompes : les intervalles se lisent dans la notice du constructeur. L’exemple chiffré le plus complet publié est la notice KSB de l’Etanorm FXV, reprise ici à titre d’exemple, à vérifier dans la notice de votre pompe.
| Quand | Quoi contrôler | Repère dans l’exemple KSB |
|---|---|---|
| En marche (ronde) | Marche sans vibrations, bruit des roulements, étanchéité d’arbre, joints statiques, raccords auxiliaires, température des paliers | Palier ≤ 90 °C mesuré sur le support de palier ; plus élevé possible pendant le rodage, jusqu’à 48 h |
| À l’arrêt, pompe consignée | Protège-accouplement et capots, éléments élastiques d’accouplement, alignement, filtre d’aspiration (manomètre différentiel) | Décalage radial et axial ≤ 0,1 mm à la règle, revérifié à température de service et sous pression d’entrée |
| Graissage | Charge de graisse des roulements graissés à vie | 15 000 h ou 2 ans en conditions normales ; plus souvent en ambiance chaude, humide, poussiéreuse ou agressive |
| Arrêt prolongé | Rotation de la pompe restée en place | Environ 5 min tous les 1 à 3 mois |
La graisse indiquée par KSB est à savon de lithium, classe NLGI 2 à 3, point de goutte d’au moins 175 °C. Fluides abrasifs : inspections plus rapprochées. Pour l’alignement laser, le guide de PRÜFTECHNIK rappelle que les tolérances dépendent de la vitesse et ne s’appliquent qu’à défaut de tolérance du constructeur ; exemple : à 1 800 tr/min, accouplement court, sa limite « excellente » de décalage est d’environ 0,05 mm.
Pour suivre plusieurs groupes, il est commode de relever la température des paliers à la caméra thermique. Avant de commander une pièce, lire la plaque signalétique du moteur reste le premier réflexe. Les pompes immergées du bâtiment ont leurs propres contrôles : voyez les postes de relevage d’eaux chargées.
Vibrations : quels seuils pour une pompe centrifuge ?
La mesure de vibration est le moyen le plus objectif de juger l’état mécanique d’une pompe. La référence en vigueur pour les pompes rotodynamiques industrielles de plus de 1 kW est l’ISO 10816-7:2009, résumée par Europump. Catégorie I : applications critiques (liquides toxiques ou dangereux, pétrole et gaz, chimie spéciale, nucléaire, centrales) ; catégorie II : applications générales. Zone A : machine neuve ; B : fonctionnement illimité ; C : insatisfaisant en continu ; D : vibrations capables d’endommager la machine. Les valeurs sont en mm/s efficaces, mesurées sur les paliers.
| Zone | Cat. I ≤ 200 kW | Cat. I > 200 kW | Cat. II ≤ 200 kW | Cat. II > 200 kW |
|---|---|---|---|---|
| A (neuve, dans la POR) | 2,5 | 3,5 | 3,2 | 4,2 |
| B (illimitée, dans l’AOR) | 4,0 | 5,0 | 5,1 | 6,1 |
| C (limitée) | 6,6 | 7,6 | 8,5 | 9,5 |
| D (dommages) | > 6,6 | > 7,6 | > 8,5 | > 9,5 |
| Alarme maximale recommandée (≈ 1,25 × B) | 5,0 | 6,3 | 6,4 | 7,6 |
| Déclenchement maximal recommandé (≈ 1,25 × C) | 8,3 | 9,5 | 10,6 | 11,9 |
Europump ajoute deux règles d’usage : un niveau doit rester au-dessus du seuil environ 10 secondes avant l’alarme, pour éviter les fausses alertes ; si la vibration de fond, pompe arrêtée, dépasse 25 % de la valeur en marche, une correction peut être nécessaire. Le tableau rejoint le point de fonctionnement : les limites de la zone A s’entendent dans la plage recommandée, celles de la zone B dans la plage admissible. Avant de conclure à un roulement ou à un balourd, notez donc où travaillait la pompe au moment de la mesure.
Pour les pompes chimiques ISO 2858 ou ISO 5199, Europump renvoie aux seuils de l’ISO 5199, ou à défaut à la catégorie II. Pour les pompes de procédé API 610 (ISO 13709), la limite globale est de 3,0 mm/s dans la plage recommandée et 3,9 mm/s dans la plage admissible. L’ISO 20816-7, en préparation, doit remplacer l’édition de 2009, qui reste la référence d’ici là. Pour suivre une tendance plutôt qu’un état du jour, voyez comment mettre en place une analyse vibratoire.
Faire appel à une entreprise de maintenance de pompe centrifuge industrielle : quand, et quoi demander
Certaines situations justifient de confier la pompe ou le diagnostic à une entreprise spécialisée :
- vibrations durablement en zone C ou D de l’ISO 10816-7 ;
- fuite de garniture mécanique, dont le remplacement passe par un démontage ;
- perte de hauteur ou bruit de cavitation persistants après correction de l’aspiration ;
- paliers au-delà des valeurs de la notice malgré alignement et lubrification conformes ;
- pompe de catégorie I : fluide toxique ou dangereux, chimie, pétrole ;
- défaut côté moteur, armoire triphasée ou variateur, qui relève d’un électricien habilité.
Pour juger le travail rendu, demandez des éléments vérifiables plutôt qu’une liste de pièces :
- le point de fonctionnement relevé (débit, pressions d’aspiration et de refoulement), comparé à la courbe et au BEP ;
- une mesure vibratoire avant et après, en mm/s efficaces, située en zone ISO 10816-7 ;
- la référence et les matériaux de la garniture posée, conforme à l’ISO 21049 ou à l’API 682 si votre secteur l’exige ;
- le relevé d’alignement final et le contrôle d’isolement du moteur ;
- la vérification de la marge de NPSH si la cavitation est en cause ;
- la cause identifiée de la panne, pas seulement la pièce remplacée.
Si le moteur est en cause, la question devient : réparer ou remplacer le moteur ? Dans les deux cas, un relevé d’isolement au mégohmmètre avant remise en service donne un point de comparaison.
Questions fréquentes
Quelle relation entre la pression lue au manomètre de refoulement et la HMT de la pompe ?
La HMT est ce que la pompe ajoute entre son aspiration et son refoulement : un manomètre de refoulement seul ne suffit donc pas, il faut aussi la pression à l’aspiration. Pour de l’eau, 1 bar de différence correspond à environ 10,2 m de hauteur ; pour un autre liquide, on divise par sa masse volumique en kg/dm³. Avec un débitmètre et les deux manomètres, vous placez le point sur la courbe du constructeur et vous voyez s’il tombe dans la plage recommandée, en général 70 à 120 % du débit au BEP.
Peut-on fermer la vanne de refoulement pour lire la pression et vérifier la roue ?
Un relevé bref à débit nul donne la hauteur à vanne fermée, le point de départ de la courbe, à comparer à celle du constructeur. Mais la marche prolongée vanne de refoulement fermée est interdite par KSB, car le liquide emprisonné s’échauffe, et l’effort radial sur la roue est maximal à débit nul sur une volute simple. Limitez la manœuvre à quelques instants, respectez le débit minimum de la notice et ne fermez jamais la vanne d’aspiration pompe en marche.
Pourquoi la courbe réseau ne part-elle pas de zéro ?
Dans un circuit ouvert, l’installation demande une hauteur même à débit nul : la hauteur géométrique, c’est-à-dire la différence de niveau entre la sortie et l’entrée du réseau, que la pompe doit vaincre avant de faire circuler le moindre débit. Les pertes de charge s’y ajoutent ensuite et croissent avec le débit. La courbe réseau part donc de cette hauteur géométrique, et le point de fonctionnement se trouve là où elle croise la courbe de la pompe.
Pour aller plus loin
Ce guide ouvre les articles consacrés aux pompes ; l’ensemble des guides du site est rassemblé dans la rubrique des guides techniques.
Photos : Bernard S. Janse, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons ; Miya.m, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.