Réduction des risques de piégeage de liquide dans les systèmes de pompes de recirculation d’ammoniac

Par Kushal Aurangabadkar

Dans les systèmes de froid industriel à l’ammoniac, les pompes jouent un rôle essentiel en faisant circuler l’ammoniac liquide afin de maintenir l’efficacité du refroidissement dans les évaporateurs et les échangeurs de chaleur. Le choix du type de pompe a une incidence directe sur la fiabilité, la sécurité et les besoins de maintenance du système. Parmi les solutions les plus courantes figurent les pompes conventionnelles, à garniture mécanique, et les pompes étanches, ou hermétiques. Comprendre leurs différences aide les professionnels du froid à sélectionner la technologie adaptée à leur installation. Ces pompes, souvent installées en parallèle pour assurer la redondance, constituent l’épine dorsale des installations industrielles d’entreposage frigorifique et de transformation alimentaire.

Si leur rôle dans la continuité des procédés est bien compris, il existe un danger moins évident, mais critique : le piégeage de liquide dans le corps de pompe lorsque les vannes d’aspiration et de refoulement sont fermées. Si cette situation n’est pas prise en compte, elle peut entraîner une surpression hydrostatique dangereuse, créant à la fois un risque pour la sécurité et une non-conformité réglementaire. Cet article compare deux configurations courantes de tuyauterie de pompe, la conception de tuyauterie d’une pompe conventionnelle et celle d’une pompe hermétique, en mettant l’accent sur leurs implications en matière de piégeage de liquide et de sécurité des procédés.

Pompes conventionnelles à l’ammoniac

Les pompes conventionnelles sont conçues et fonctionnent avec une garniture mécanique d’arbre à l’endroit où celui-ci traverse le corps de pompe pour se raccorder au moteur. La garniture empêche les fuites d’ammoniac tout en permettant à l’arbre de tourner à grande vitesse. Les pompes sont généralement monoblocs ou montées sur socle, et nécessitent une lubrification afin de garantir la longévité de la garniture. Le principal avantage de ces pompes conventionnelles réside dans leur conception éprouvée, qui a fait ses preuves au fil du temps et qui est largement adoptée par le secteur. Les pièces de rechange et les compétences de maintenance sont facilement disponibles. Ces pompes offrent également un coût initial inférieur à celui des solutions hermétiques, ainsi qu’une plus grande souplesse dans le choix et le remplacement du moteur. Parmi les problèmes couramment rencontrés figurent l’usure de la garniture mécanique et le fait qu’elle constitue une source potentielle de fuites d’ammoniac. Elles nécessitent également une surveillance régulière de l’état de la garniture, de la lubrification et des vibrations. Ces pompes exigent en outre une maintenance périodique et peuvent entraîner des arrêts imprévus. En cas de défaillance de la garniture, il existe un risque de rejet d’ammoniac autour de ses faces de frottement.

Pompes étanches, ou hermétiques, à l’ammoniac

Dans les pompes étanches, le moteur et la pompe sont enfermés dans une enveloppe soudée commune. Le moteur fonctionne immergé dans l’ammoniac liquide, sans arbre extérieur ni garniture mécanique. Le refroidissement et la lubrification sont directement assurés par le fluide frigorigène pompé. Le principal avantage de ces pompes étanches est l’absence de garniture d’arbre, ce qui élimine pratiquement le risque de fuite au niveau de la garniture.  Les pompes hermétiques assurent une meilleure efficacité économique à long terme grâce à une maintenance réduite et à des besoins minimes en pièces de rechange, tandis que leur conception compacte facilite l’agencement du système et renforce la sécurité en limitant les risques de défaillance mécanique. Parmi les difficultés figurent leur coût initial supérieur à celui des pompes conventionnelles. Leur réparation exige des compétences spécialisées et nécessite souvent un retour en usine. En cas de défaillance du moteur, il peut être nécessaire de remplacer l’ensemble de l’unité plutôt que de simplement réparer la garniture. Les options de motorisation et leur disponibilité sont potentiellement moins souples que pour une conception conventionnelle.

Figure 1 : pompe hermétique à l’ammoniac

L’un des problèmes récurrents que j’ai rencontrés avec les pompes conventionnelles à garniture mécanique utilisées pour faire circuler l’ammoniac vers nos surgélateurs à air pulsé concernait la défaillance de la garniture. Les garnitures mécaniques sont sujettes à une usure prématurée sous l’effet des fluctuations de pression et des vibrations dans le réseau de tuyauterie, ce qui entraîne des fuites d’ammoniac limitées, mais fréquentes. Ces défaillances provoquent des risques potentiels pour la sécurité et des arrêts de production. Elles présentent un risque pour la sécurité, car les opérateurs doivent intervenir à plusieurs reprises lorsque les détecteurs d’ammoniac se déclenchent dans le local des pompes. Elles entraînent également des arrêts, car chaque remplacement de garniture nécessite l’arrêt d’une partie du système frigorifique, ce qui affecte les besoins de refroidissement de la production et provoque des arrêts non planifiés.

En remplaçant les pompes conventionnelles par des pompes hermétiques, l’installation a obtenu les résultats suivants :

• Aucune fuite au niveau de la garniture d’arbre, ce qui améliore la sécurité des opérateurs.
• Réduction des arrêts, grâce à la suppression de la maintenance récurrente des garnitures, ce qui améliore la disponibilité et la fiabilité des surgélateurs.
• Amélioration de la conformité réglementaire, grâce à une réduction significative des déclarations de fuites d’ammoniac.
• Réduction des coûts sur le cycle de vie : bien que les pompes hermétiques aient été initialement plus coûteuses, elles ont atteint leur temps de retour sur investissement en deux ans grâce à la réduction de la main-d’œuvre de maintenance et des arrêts non planifiés.

Cette modification a marqué un tournant dans le programme de sécurité des procédés de l’usine, démontrant comment la modernisation des équipements peut soutenir directement le PSM, la conformité environnementale et l’efficacité opérationnelle. D’après l’étude de marché, de nombreuses installations passent aux pompes hermétiques en raison de l’attention accrue portée à la sécurité, aux réglementations environnementales et aux objectifs de durabilité. Toutefois, les pompes conventionnelles restent largement utilisées, en particulier dans les installations anciennes où les décisions sont dictées par le coût et la familiarité avec ces équipements. Dans les activités critiques du secteur agroalimentaire et des boissons, les pompes hermétiques sont de plus en plus privilégiées afin de réduire le risque de rejet d’ammoniac.

Le danger du liquide piégé

Comme tous les liquides, l’ammoniac liquide est pratiquement incompressible. S’il est confiné dans un volume fermé du système, même une faible augmentation de température peut provoquer une hausse disproportionnée de la pression. Effet de la dilatation hydrostatique : l’ammoniac piégé dans un corps de pompe peut voir sa pression monter en flèche, bien au-delà de 1 000 psig, pour des augmentations de température pourtant modérées, si aucune voie de décharge n’est prévue. Une telle situation peut provoquer la rupture des corps de pompe, endommager la tuyauterie et libérer de grandes quantités d’ammoniac dans l’environnement, entraînant un incident majeur sur les plans de la sécurité et de la réglementation. Éviter le piégeage de liquide dans les systèmes de pompage ne relève donc pas simplement des bonnes pratiques d’ingénierie.

Conception de la tuyauterie d’une pompe conventionnelle

Historiquement, les corps de pompe ont été équipés de conduites de purge manuelles raccordées au ballon séparateur. Ces purges sont principalement conçues pour le démarrage, afin de permettre aux opérateurs d’évacuer la vapeur et de s’assurer que la pompe est entièrement amorcée avec de l’ammoniac liquide. En fonctionnement normal, ces purges sont généralement fermées. Si les vannes d’isolement d’aspiration et de refoulement sont également fermées, le corps de pompe devient un volume de liquide totalement piégé. Pour rester conforme aux exigences RAGAGEP et OSHA PSM, cette conception exige soit une discipline opérationnelle stricte, avec ouverture de la purge avant l’arrêt, soit l’ajout d’une soupape de décharge hydrostatique dédiée.

Figure 2 : tuyauterie d’une pompe conventionnelle à l’ammoniac

Conception de la tuyauterie d’une pompe hermétique

Les pompes de recirculation hermétiques ou à moteur noyé utilisent des conduites de retour de refroidissement.  Celles-ci assurent le débit de refroidissement des moteurs et des paliers des pompes. Elles servent également de voie de purge continue entre le corps de pompe et le collecteur d’aspiration humide. Comme ces conduites de retour sont normalement ouvertes et ne dépendent pas de l’intervention d’un opérateur, elles empêchent intrinsèquement le corps de pompe de devenir un volume de liquide piégé. La conception avec retour de refroidissement est ainsi plus robuste du point de vue du PSM, car elle élimine le besoin de dispositifs de décharge hydrostatique distincts et réduit la dépendance à l’intervention humaine.

Figure 3 : pompe hermétique à l’ammoniac avec conduite de purge de refroidissement

Analyse comparative

Bonnes pratiques pour les installations

• Évaluer les conceptions de pompes existantes : identifier les systèmes équipés uniquement d’une purge et vérifier si des soupapes de décharge hydrostatique sont installées.

• Formation des opérateurs : insister sur l’importance de la purge avant l’arrêt de la pompe dans les conceptions conventionnelles.

• Voie de modernisation : lorsque cela est réalisable, envisager le passage à des pompes hermétiques offrant une protection intégrée contre le piégeage de liquide.

• Ne jamais isoler les retours de refroidissement : pour les systèmes équipés de conduites de retour de refroidissement, veiller à ce que les procédures interdisent leur fermeture en toutes circonstances.

Conclusion

Les pompes conventionnelles et les pompes hermétiques à l’ammoniac ont toutes deux leur place dans le froid industriel. Si les pompes conventionnelles offrent une fiabilité éprouvée et des coûts initiaux plus faibles, elles nécessitent une attention constante portée aux garnitures et présentent des risques de fuite plus élevés. Les pompes hermétiques, bien que plus coûteuses à l’achat, renforcent la sécurité, réduisent les émissions et simplifient la maintenance. Dans des conditions d’exploitation réelles, le remplacement des pompes conventionnelles par des pompes hermétiques a résolu des problèmes critiques, en réduisant au minimum les fuites d’ammoniac, en garantissant la conformité réglementaire et en améliorant la disponibilité du système.

Le passage de la conception de tuyauterie d’une pompe conventionnelle à celle d’une pompe hermétique représente une avancée significative pour la sécurité des installations frigorifiques à l’ammoniac. Bien que les deux conceptions permettent de maintenir l’amorçage des pompes, seule la configuration avec retour de refroidissement assure une protection continue contre le piégeage de liquide et la surpression hydrostatique.  Du point de vue de la gestion de la sécurité des procédés, la conception avec retour de refroidissement est intrinsèquement plus sûre, dépend moins de l’opérateur et respecte davantage les principes RAGAGEP modernes. Pour les installations exploitant des systèmes frigorifiques à l’ammoniac, la reconnaissance de cette différence et l’application des bonnes pratiques peuvent réduire considérablement le risque de défaillance catastrophique des pompes et favoriser l’efficacité à long terme.

Auteur

Kushal Aurangabadkar
Cargill Inc
Responsable de l’ingénierie

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