Dans le domaine du transport de fluides, les pompes multicellulaires sont largement utilisées dans des secteurs industriels clés tels que la pétrochimie, la conservation des eaux, l'énergie et l'exploitation minière, grâce à leurs atouts majeurs : une hauteur manométrique élevée et un débit important. En tant que composant principal supportant la pression et véhiculant le fluide des pompes multicellulaires, l'intégrité structurelle, la précision dimensionnelle et la performance des matériaux du corps de pompe déterminent directement l'efficacité opérationnelle, la fiabilité et la durée de vie du groupe motopompe. Le procédé de moulage, principal procédé technique de fabrication des corps de pompe, exige un contrôle précis de l'ensemble du processus, incluant le choix des matériaux, la conception du moule, la fusion et le moulage, le traitement thermique et le contrôle ultérieur, afin de répondre aux exigences strictes des pompes multicellulaires dans des conditions de fonctionnement complexes.
I. Sélection des matériaux pour le moulage du corps de pompe des pompes multicellulaires : le principe fondamental du respect des conditions de fonctionnement
L'environnement de fonctionnement du corps de pompe d'une pompe multicellulaire est souvent caractérisé par une pression élevée, une érosion rapide des fluides, une corrosion des fluides (par exemple, solutions acides et alcalines, fluides contenant des particules solides) et des variations périodiques de température. Par conséquent, le choix du matériau doit tenir compte de trois indicateurs clés : les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion et l'adaptabilité du procédé, afin d'éviter les défauts tels que les fissures, l'usure ou les fuites du corps de pompe dus à un choix de matériau inapproprié.
Du point de vue des applications industrielles, la fonte grise est la plus utilisée dans les pompes multicellulaires pour le transport d'eau propre et de fluides à basse température et basse pression, grâce à ses excellentes performances de moulage, son absorption des chocs et son faible coût. Parmi elles, les fontes HT250 et HT300, avec des résistances à la traction atteignant respectivement 250 MPa et 300 MPa, répondent aux exigences de la plupart des applications civiles et de l'industrie légère. Cependant, pour les pompes multicellulaires de qualité industrielle transportant des fluides à haute température (supérieure à 200 °C) et haute pression (supérieure à 10 MPa), tels que les condensats de vapeur et l'huile chaude, la fonte ductile s'avère un meilleur choix. Les fontes QT450-10 et QT500-7 présentent non seulement des résistances proches de celles de l'acier, mais leur structure en graphite sphérique améliore également considérablement la ténacité et la résistance à la fatigue du matériau, résistant efficacement aux charges périodiques causées par les pulsations du fluide.
Dans des conditions de travail corrosives, l'utilisation d'alliages spéciaux devient cruciale. Pour le transport de fluides fortement corrosifs contenant des ions chlorure, des sulfures, etc., les aciers inoxydables 304 et 316L offrent une excellente résistance à la corrosion grâce à la couche passive formée par le chrome et le nickel. Parmi ces aciers, le 316L, additionné de molybdène, offre une résistance nettement supérieure à la corrosion par piqûres et caverneuses que le 304 et convient aux applications de l'industrie chimique, du dessalement de l'eau de mer, etc. En milieux acides et alcalins à forte concentration, l'acier inoxydable duplex (tel que le 2205), doté d'une structure biphasée ferrite-austénite, allie résistance mécanique et résistance à la corrosion élevées, et peut répondre aux exigences de fonctionnement stable à long terme des corps de pompe dans des conditions extrêmes.
II. Conception du moule de coulée : l'étape fondamentale pour garantir la précision structurelle du corps de pompe
La structure d'une pompe multicellulaire est complexe, avec de multiples canaux d'écoulement connectés en série, des cavités de turbine et des surfaces d'étanchéité internes. Les canaux d'écoulement des différents étages doivent maintenir leur coaxialité et leur perpendicularité, sous peine de créer des tourbillons dans le corps de la pompe, d'augmenter les pertes hydrauliques et même d'entraîner des vibrations. Par conséquent, la conception du moule de coulée doit viser à reproduire précisément la structure et à optimiser le processus de remplissage, en s'attachant à surmonter les difficultés techniques suivantes.
Concernant la conception du moule, la première étape consiste à planifier la surface de joint à partir du modèle tridimensionnel du corps de pompe. Cette surface doit éviter les zones critiques de précision, telles que la surface d'étanchéité et la surface de joint de bride, minimisant ainsi l'impact de l'élimination des bavures sur la précision dimensionnelle. Pour les canaux d'écoulement internes complexes du corps de pompe, un procédé de combinaison de noyaux en sable doit être adopté. Le canal d'écoulement global est divisé en plusieurs noyaux en sable pouvant être fabriqués séparément (tels que les noyaux en sable des canaux d'écoulement de premier et de second étage). Des goupilles et des fentes de positionnement sont placées sur ces noyaux afin de garantir une erreur de coaxialité du canal d'écoulement après assemblage de 0,1 mm/m. Parallèlement, le moule doit être conçu de manière judicieuse avec un système d'injection et de rehausse : l'emplacement de l'injection doit éviter les zones de concentration de contraintes du corps de pompe (comme le pied de bride), et un injection par le bas ou par paliers doit être utilisé pour garantir un remplissage régulier du moule par le métal en fusion, évitant ainsi tout impact sur le moule en sable susceptible de provoquer des inclusions de sable et des défauts de trous de sable. Les colonnes montantes doivent être placées dans la partie la plus épaisse de la paroi du corps de la pompe (comme la bride du corps de la pompe et l'intersection des canaux d'écoulement) pour éliminer les cavités de retrait et la porosité à l'intérieur de la pièce moulée par alimentation, garantissant ainsi la densité des parties critiques du corps de la pompe.
Concernant le choix des matériaux du moule et le contrôle de la précision d'usinage, le corps du moule (comme le bac à sable et la plaque de base) est généralement fabriqué par soudage de plaques d'acier Q235, et sa planéité doit être contrôlée avec précision à 0,05 mm/m grâce à un usinage par fraisage. Pour la production de noyaux en sable, le procédé approprié doit être choisi en fonction des exigences du lot. Pour les petites séries, la fabrication manuelle de noyaux en sable résineux peut être utilisée, tandis que pour les grandes séries, les procédés de fabrication par bac à noyaux chaud et froid sont privilégiés. La tolérance dimensionnelle des noyaux en sable doit être maintenue à ± 0,1 mm grâce à un équipement automatisé. De plus, des canaux d'évacuation doivent être prévus dans le moule pour évacuer rapidement les gaz de la cavité pendant le remplissage métallique, évitant ainsi leur piégeage et la formation de défauts de porosité. En général, un orifice d'évacuation de 2 à 3 mm de diamètre doit être prévu pour chaque 100 cm² de surface du moule en sable, et ces orifices doivent s'étendre jusqu'à la surface du moule pour assurer une évacuation fluide des gaz.
III. Processus de fusion et de coulée : les étapes cruciales qui déterminent la qualité intrinsèque du corps de pompe
La qualité du métal en fusion influence directement la composition chimique, la pureté et les propriétés mécaniques de la pièce moulée, tandis que le processus de coulée détermine si le métal en fusion peut remplir complètement la cavité du moule. Ensemble, ces éléments forment la couche de protection interne de la qualité du corps de pompe multi-étagée.
Lors de la fusion, il est nécessaire de définir des paramètres de procédé différenciés en fonction du type de matériau. Pour les aciers moulés, on utilise généralement des fours à induction moyenne fréquence, dont la température doit être maintenue entre 1 600 et 1 660 °C. Parallèlement, des éléments d'alliage tels que le ferrosilicium et le ferromanganèse sont ajoutés pour ajuster la composition chimique et éviter ainsi une augmentation de la fragilité ou une diminution de la résistance des pièces moulées due aux fluctuations de composition. Des traitements d'élimination des scories et de dégazage sont également nécessaires. L'ajout d'agents de scorification permet d'adsorber les inclusions présentes dans le métal en fusion.
Le cœur du processus de coulée réside dans le contrôle de la température et de la vitesse de coulée afin d'assurer un remplissage homogène du métal en fusion. En raison du point de fusion élevé de l'acier inoxydable, la température de coulée doit être portée à 1 550-1 600 °C. La vitesse de coulée doit être ajustée dynamiquement en fonction de l'épaisseur de la paroi du corps de pompe. Pour les parois minces de 5 à 10 mm d'épaisseur, une vitesse de coulée plus rapide (15 à 20 kg/s) doit être adoptée afin d'éviter une solidification prématurée du métal en fusion pendant le remplissage. Pour les parois épaisses de plus de 30 mm d'épaisseur, la vitesse doit être réduite de 5 à 10 kg/s afin de minimiser le piégeage de gaz. De plus, pendant la coulée, le niveau de liquide du métal en fusion doit augmenter régulièrement afin d'éviter toute interruption de l'écoulement et de garantir un remplissage complet de la cavité du moule.
IV. Traitement thermique : un moyen indispensable pour optimiser les performances mécaniques des pompes
Après la coulée, le corps d'une pompe multicellulaire présente souvent des problèmes tels qu'une concentration de contraintes internes et une structure irrégulière. L'absence de traitement thermique affecte non seulement les propriétés mécaniques du corps, mais peut également provoquer des déformations ou des fissures dues à la libération des contraintes lors du traitement ou de l'utilisation ultérieurs. Par conséquent, un procédé de traitement thermique scientifique doit être élaboré en fonction du type de matériau et des exigences de performance afin d'éliminer les contraintes internes, d'optimiser la microstructure et d'améliorer les propriétés mécaniques.
Le traitement thermique des corps de pompe en acier inoxydable doit privilégier l'équilibre entre résistance à la corrosion et propriétés mécaniques. Pour les aciers inoxydables austénitiques tels que les 304 et 316L, la mise en solution est le procédé principal : le chauffage des pièces moulées à 1 050-1 100 °C, le maintien à cette température pendant 1 à 2 heures, puis une trempe rapide à l'eau, permettent de dissoudre complètement le carbone dans la matrice austénitique, empêchant ainsi la précipitation de carbures aux joints de grains et préservant ainsi la résistance à la corrosion du matériau. Pour l'acier inoxydable duplex 2205, un processus de mise en solution et de vieillissement est nécessaire. La mise en solution permet d'obtenir une structure duplex uniforme, tandis que le vieillissement (maintien à 450-550 °C pendant 2 à 3 heures) améliore encore la résistance par précipitation de composés intermétalliques, répondant ainsi aux exigences des conditions de travail à haute pression.
V. Contrôle qualité et réparation des défauts : la dernière ligne de défense pour garantir que le corps de la pompe est conforme aux normes avant de quitter l'usine
En tant que composant sous pression, le corps d'une pompe multicellulaire peut entraîner des fuites de fluide pendant son fonctionnement, voire des accidents de sécurité dus à des défauts de qualité tels que des fissures, des pores et des cavités de retrait. Par conséquent, un système complet d'inspection qualité doit être mis en place pour contrôler minutieusement l'apparence, les dimensions et la qualité interne du corps de pompe, et pour effectuer des réparations standardisées en cas de défauts qualifiés détectés.
L'inspection visuelle et dimensionnelle est une étape fondamentale du contrôle qualité. Pour l'inspection visuelle, il est recommandé d'utiliser un contrôle visuel combiné à un contrôle par ressuage (CSR), visant à détecter la présence de fissures, de trous de sable, d'inclusions de scories et autres défauts à la surface du corps de pompe. Le contrôle par ressuage permet de détecter les défauts d'ouverture de surface avec une sensibilité allant jusqu'à 0,1 mm. Pour l'inspection dimensionnelle, un instrument de mesure tridimensionnel doit être utilisé pour mesurer les dimensions clés telles que le diamètre de la bride, la coaxialité du canal d'écoulement et la planéité de la surface d'étanchéité du corps de pompe, afin de garantir que les tolérances dimensionnelles respectent les exigences de conception.
Le contrôle qualité interne est essentiel pour garantir le fonctionnement stable et durable du corps de pompe. Le contrôle par ultrasons (UT) permet de détecter les défauts volumiques tels que les cavités de retrait et la porosité à l'intérieur du corps de pompe. Il permet d'identifier les défauts internes d'une profondeur ≥ 2 mm, et la plage de détection peut couvrir toute l'épaisseur du corps de pompe. Pour les zones critiques (comme le fond de la bride et l'intersection des canaux d'écoulement), un contrôle radiographique (RT) est également requis. En pénétrant la pièce moulée avec un rayonnement et en formant une image, il permet d'identifier avec précision les défauts linéaires tels que les fissures et les inclusions internes, garantissant ainsi que la densité interne du corps de pompe est conforme aux exigences de la norme.
Pour les défauts mineurs détectés lors de l'inspection (tels que les pores d'un diamètre ≤ 2 mm et les microfissures d'une longueur ≤ 5 mm), le processus de réparation du soudage par points peut être adopté, mais le processus de réparation doit être strictement contrôlé : avant le soudage par points, la zone défectueuse doit être meulée et nettoyée pour exposer la couleur d'origine du métal ; le matériau de soudage doit être de la même composition que le matériau du corps de la pompe (par exemple, les corps de pompe en acier inoxydable doivent utiliser des électrodes en acier inoxydable du même matériau) ; après le soudage par points, un traitement thermique local doit être effectué pour éliminer la contrainte du soudage par points, et une nouvelle inspection doit être effectuée pour garantir que la qualité de la zone réparée répond aux normes.
VI. Conclusion
La fabrication de corps de pompe multicellulaire par moulage est un projet systématique qui intègre la science des matériaux, l'ingénierie des moules, les techniques de traitement thermique et le contrôle qualité. Le contrôle précis de chaque maillon influence directement les performances opérationnelles et la fiabilité de la pompe. Face à la demande croissante de pompes multicellulaires à haute pression, à haut rendement et à longue durée de vie dans le secteur industriel, la technologie de moulage doit également évoluer vers une plus grande précision, un rendement accru et un respect accru de l'environnement. Par exemple, en optimisant les paramètres de fusion et de moulage grâce à la simulation numérique afin de réduire les coûts d'essais-erreurs ; en utilisant l'impression 3D pour fabriquer des noyaux en sable complexes afin d'améliorer la précision des canaux d'écoulement ; et en favorisant des procédés de traitement thermique à faible consommation d'énergie afin de réduire la consommation d'énergie pendant la production. Seules la promotion continue de l'innovation technologique et l'amélioration continue des procédés permettent d'améliorer continuellement la qualité des corps de pompe multicellulaire moulés, garantissant ainsi un fonctionnement stable dans le domaine du transport de fluides.