septembre 25, 2024

Pourquoi comprendre les forces et les moments est essentiel pour l’ingénierie des fluides ?

Dans le domaine de l’ingénierie des fluides, la compréhension des forces et des moments est cruciale. Ces principes fondamentaux permettent de concevoir des systèmes efficaces et sûrs, qu’il s’agisse de pompes, de vannes ou de conduites. Dans cet article, nous explorerons pourquoi ces concepts sont essentiels et comment ils influencent les performances et la fiabilité des équipements industriels :

Introduction

Lorsqu’une action mécanique s’exerce sur un objet, elle peut avoir plusieurs effets :

Modifier ou initier son mouvement.
Maintenir son équilibre.
Le déformer.

Chaque force appliquée à un objet possède quatre caractéristiques essentielles :

Le point d’application (A)
La droite d’action (Δ)
Le sens
L’intensité (F)

Ces caractéristiques définissent un vecteur, car une FORCE est une grandeur vectorielle.

Qu’est-ce qu’un moment de force ?

Prenons un exemple :

Un objet [AB] qui a pour longueur d
L’objet a une liaison fixe en B
Nous appliquons à l’objet [AB] une force F en A
Dans notre cas, la force est déterminée par le poids de l’ensemble, auquel peut s’ajouter une charge dynamique (ou poussée hydraulique) due au mouvement de l’eau dans les canalisations.

Dans notre cas, le moment de la force F au point A traduit l’aptitude de cette force F à faire tourner l’objet [AB] autour du point B créant ainsi une torsion (une liaison pivot). Un support peut être rigide, s’il y a torsion au point d’application de la force (B) il ne peut être considéré comme point fixe pour les tuyauteries.

La contrainte appliquée à l’objet se traduit par une déformation de celui-ci symbolisé sur le schéma ci-dessus par BA’.

Le calcul du moment d’une force au point A est :

Ma(Nm) = F(N) x d (m)

Remarque : plus le point fixe est loin de la force appliqué plus le moment de la force en Nm sera important et l’effet pivot en B est flagrant.

Le principe du bras de levier d’une force

Considérons les éléments suivants :

Un objet [AB]
L’objet a une liaison en B
Nous appliquons à l’objet [AB] une force F en A
Le bras de levier d1, distance entre le point A ou la force sera exercé et le point B’, la liaison pivot

Le calcul du moment d’une force au point B’ est :

Ma = Mb => F1 (N) x d1 (m) = F2 (N) x d2 (m)

Remarque : la position du point B’ est primordiale, plus la distance d1 augmente plus le moment de force résultant en B sera amplifié.

Tuyauteries et supportages

Imaginons notre segment [AB] comme un tronçon de tuyauterie, avec en A une bride de raccordement sur la pompe.

Le tronçon de tuyauterie, et souvent les accessoires de robinetterie (vanne / filtre / clapet), ainsi que le volume du liquide forme un ensemble dont le poids propre ne peut être négligé (rappel : 1 Kg = 9,81 Newtons).

La force appliquée au niveau de la bride de pompe peut être très rapidement importante. Dans notre exemple nous travaillons sur un plan, la réalité est encore plus complexe dans l’espace en 3 dimensions X, Y, Z.

Prenons maintenant notre notice de service où les points suivants sont indiqués :

La pompe ne doit pas servir de point d’appui aux tuyauteries.

De manière générale, quelle que soit la marque, la constitution d’une pompe est identique : un axe, une roue et une volute.

Les contraintes peuvent entraîner la déformation du corps de pompe et, par conséquent, celle de la liaison pivot, qui relie la partie mobile de la pompe (axe et roue) à la partie fixe (volute).

Cette déformation peut provoquer un défaut de coaxialité des paliers et le flambage* de l’arbre de la pompe. Cela se traduit souvent par une usure prématurée des paliers, des échauffements, du bruit, des fuites, des frottements, voire un blocage mécanique.

*le flambage : Est un phénomène d’instabilité d’une structure qui pour échapper à une charge importante ce déforme …

Etayer les tuyauteries justes en amont de la pompe, les raccorder correctement sans contraintes.

Il est crucial de positionner les supports de tuyauterie au plus près des brides de pompe, tant à l’aspiration qu’au refoulement. Plus le point fixe est éloigné de l’endroit où nous voulons contrôler le moment de la force, plus ce moment sera important. Les supports doivent donc reprendre l’intégralité de la charge statique (due aux tuyauteries) et dynamique (due au liquide en mouvement).

Un raccordement sans contrainte consiste à assembler la bride de pompe et la bride de tuyauterie avec une boulonnerie positionnée librement, sans effort excessif. Pour ce faire, il est essentiel de respecter les tolérances suivantes :

Coaxialité
Parallélisme et pincement
Distance entre brides
Alignement des trous de vis

Ces précautions garantissent un assemblage optimal, minimisant les contraintes et assurant une performance durable de l’installation :

Respecter les forces et moments autorisés agissant sur les brides de pompes

L’objectif est de bloquer les tuyauteries sur les trois axes (X, Y, Z) afin qu’elles n’exercent pas de contraintes mécaniques sur la pompe.

Nous avons déjà positionné un support au plus près des brides de pompe. Cependant, la notion de bras de levier amplifie le moment de couple au niveau de la bride de pompe sous l’effet de la charge (voir figure ci-dessous, force en rouge). Il est donc impératif de positionner un deuxième support.

Cela permet de :

Répartir et équilibrer la charge des tuyauteries en deux points (hors pompe)
Éliminer la notion de bras de levier du support initial près des brides de la pompe
Réduire le moment de couple au niveau de la bride sur les trois axes à un niveau négligeable
Utiliser un deuxième support “glissant” en cas de fluide thermique, permettant de contrôler la tuyauterie sur deux axes perpendiculaires sans compromettre les trois points précédents

Quelles sont les conséquences des contraintes sur les brides ?

Les contraintes au niveau des brides génèrent une déformation du corps de pompes et peuvent avoir des conséquences mécaniques très importantes sur la pompe et sa durée de vie :

Le corps de pompe est le cœur de votre liaison pivot.

Les problèmes potentiels incluent :

Blocage de la pompe dû à une réduction des jeux mécaniques ou hydrauliques (0,3 mm au diamètre)
Sollicitation excessive des roulements, entraînant un vieillissement prématuré, voire la destruction des roulements et des conséquences mécaniques sur le matériel associé
Flambage de l’arbre, pouvant aller jusqu’à la rupture de l’arbre
Fuite d’huile sur les paliers de la pompe
Fuite de liquide sur les garnitures mécaniques, impliquant un défaut de parallélisme des faces de friction de la garniture

A noter : cette liste n’est pas exhaustive.

Etude de flexibilité de tuyauteries

Aujourd’hui, il est essentiel de réaliser une étude de flexibilité des tuyauteries pour se conformer aux recommandations des constructeurs et limiter l’impact des moments de force sur les brides de pompes.

Nos bureaux d’étude chez KSB Usine ont défini des seuils limites à ne pas dépasser sur les brides de pompes, répondant ainsi aux exigences croissantes des organismes en charge des études. Cependant, KSB ne peut se substituer aux bureaux d’étude responsables de ces analyses. Notre responsabilité se limite à la fourniture du matériel et au respect de nos spécifications techniques.

L’étude de flexibilité des tuyauteries repose avant tout sur un cadre et des données techniques. Il est crucial de ne jamais considérer une machine tournante comme un point fixe. La pompe ne devrait même pas apparaître dans l’étude, car celle-ci est réalisée pour elle. Les données à prendre en compte incluent la géométrie, la masse, les singularités et les accessoires de l’installation.

L’étude de flexibilité est abstraite et sa mise en œuvre nécessite une grande part d’interprétation. Par exemple, un point de supportage ne peut être considéré comme un point fixe.

Voici quelques principes clés à retenir :

Un seul point de support ne peut pas supporter la charge sans créer une liaison pivot, ce qui engendre un bras de levier et exerce une contrainte sur la bride de la pompe encore plus important.
Seuls deux points fixes peuvent bloquer une canalisation dans les trois axes.
Un support glissant pour les contraintes thermiques doit bloquer la canalisation sur deux axes et permettre l’orientation de la dilatation sur le troisième axe.
Un support pendulaire (par exemple : tige fileté spité en plafond) n’est pas un point fixe.
Un point fixe par serrage de collier sur un calorifuge n’est pas un point fixe.
Une boîte à ressort n’est pas un support fixe.

Nous avons beaucoup parlé de la force statique, principalement due au poids des ensembles. Cependant, il est également important de considérer les phénomènes dynamiques causés par le mouvement de l’eau dans les canalisations. Ces phénomènes peuvent être très significatifs, avec des effets proportionnels à la hauteur manométrique totale (HMT) de la pompe.

Pour toute question ou besoin, n’hésitez pas à faire appel à nos experts : contact.KSBFrance@ksb.com