Aujourd’hui, la majorité des équipementiers du secteur pétrolier et gazier alimentent le marché avec des corps de pompe fabriqués en un seul bloc. Ce type de produits présente des avantages incontestables, mais il est particulièrement coûteux, trop encombrant et trop enclin aux phénomènes d’usure entre les cavités. Or, ces composants destinés à maximiser la productivité des opérations de fracturation sont essentiels aux pompes de pression en raison de leur durabilité et de leur fiabilité. Le secteur est donc à l’affût des nouvelles technologies qui permettront d’améliorer leur entretien et de prolonger leur durée de vie.
Par conséquent, un groupe réduit mais intéressé d’acteurs clés ont initié un virage technologique, et appliqué des matériaux et concepts novateurs à la fabrication des corps de pompe destinés à la fracturation hydraulique. Passer d’une configuration massive à assemblé ou modulaire permet de réduire significativement les temps d’indisponibilité des installations de pompage. Qui plus est, ce nouveau corps de pompe profite d’une maintenance simplifiée qui peut se faire directement sur le site de travail grâce à la disponibilité des pièces de rechange et les possibilités de remplacement en cas de cavités endommagées. Il est possible de prolonger encore sa durée de vie par un traitement thermique au carbure si nécessaire.
Les corps de pompe ont une importance capitale pour l’industrie du pompage sous pression et leurs pannes peuvent avoir des incidences considérables sur le résultat final. Soumis à des conditions extrêmes telles que la pression, les produits chimiques ou les eaux chargées de sable, les corps de pompe risquent la défaillance dès 100 à 500 heures de pompage.
Cet article compare les conceptions de corps de pompe actuelles par rapport à une solution innovante, qui s’attaque aux grandes problématiques du secteur, telles que les pannes précoces des corps de pompe, ou encore les questions environnementales liées aux performances des corps de pompe et de la fracturation hydraulique.
Quelles sont les fonctions principales d'un corps de pompe ?
Le corps de pompe est monté sur une pompe et contient les pièces qui sont directement impliquées dans le déplacement de l’eau chargée de sable. L’admission et l’évacuation du corps de pompe sont connectées à un amortisseur de pulsations d'aspiration et de décharge. L’admission sert à créer une dépression, qui permet d’aspirer le fluide vers la conduite d’admission. Le liquide est ensuite expulsé à travers l’évacuation dans le système hydraulique. Le corps de pompe et ses composants permettent l'injection du fluide à haute pression.
Le mouvement du piston modifie le volume du corps de la pompe. La pression s’élève à mesure que le flux progresse entre les points d’aspiration et de décharge. Le bon fonctionnement d'une pompe à piston exige la présence de deux soupapes ou clapets anti-retour : la première pour l’admission et l’autre pour le refoulement.
Le mouvement du piston entraîne :
- une dépression dans le compartiment supérieur de la pompe, qui ouvre la vanne du côté de l’aspiration et ferme celle de la décharge. Le compartiment se remplit.
- une surpression dans le compartiment inférieur de la pompe, qui ouvre le clapet anti-retour du côté décharge et ferme la vanne inférieure du côté aspiration. Le compartiment se vide.
Quelles sont les causes de panne précoce des corps de pompe ?
Plusieurs problèmes importants sont susceptibles d'entraîner la défaillance prématurée d’un corps de pompe. La plupart des problèmes suivants peuvent facilement être évités au cours de la phase de conception et par le choix d’un matériau différent.
1. Fissuration de à la fatigue
La fissuration due à la fatigue dépend des limites d’endurance des métaux utilisés dans la fabrication du corps de pompe. Certaines solutions présentent également des alésages entrecroisés qui commencent à dépasser leurs limites d'endurance lorsqu’ils sont exposés à la pression de la pompe. Les excès de cavitations et d’impacts causés par des corps étrangers peuvent également provoquer des séparations ou des fissures dans le matériau du corps de pompe.
Corrosion
L’acier au carbone, facilement corrodé, contribue aux fissures et autres dommages. Aussi, les contaminants métalliques et ferreux présents dans les fluides techniques peuvent détériorer le métal du corps de pompe. L’acier inoxydable de qualité supérieure est sans aucun doute le matériau de choix pour multiplier par près de dix les heures de pompage des corps de pompe.
Cavitation
Les changements rapides de pression entraînent la formation et l'implosion de cavités dans le liquide. Une conception sophistiquée permet de réduire significativement l'apparition de ce problème.
Lessivage
Ce problème est lié au fait que le siège de soupape est presque deux fois plus dur que la surface du corps de pompe. Les sièges de soupape sont retirés et remplacés sur site. De la poussière ou du sable peuvent fréquemment rester coincés entre le siège et le cône de la pompe, provoquant des dommages qui empêchent le siège de soupape de se refermer correctement et entraîne un phénomène de lessivage du corps de pompe à cet endroit.
Quels éléments de design sont communs aux corps de pompe actuels ?
La plupart des corps de pompe actuels sont des structures massives incorporées dans des triplex (3 pistons) ou des quintuplex (5 pistons). Ces unités fonctionnent parfois à 300 coups/minute, ce qui provoque souvent des fissures du corps de pompe causées par la fatigue et est de surcroît aggravé par la conception massive actuelle de ce composant.
Les développements et la conception modulaire des corps de pompe prolonge leur durée de vie tout en permettant d’assurer des pressions plus importantes.
La solution monobloc Setforge/Technogenia pour de meilleures performances des corps de pompe
Compte tenu de toutes ces difficultés ainsi que du besoin du secteur de creuser à des profondeurs toujours plus grandes, Setforge et Technogenia ont combiné leur expertise pour lancer un produit exclusif. Cette nouvelle solution a été conçue en vue de soutenir des conditions d’exploitations extrêmes, tout en fonctionnant à des pressions de plus en plus fortes et des débits élevés.
Le corps de pompe Setforge/Technogenia est fabriqué en acier inoxydable pour une meilleure durabilité et une érosion réduite par la résistance à la fissuration par fatigue. Cette solution améliore également les cycles de pression et réduit les contraintes appliquées aux vérins par la rupture naturelle du transfert de force. Ce corps de pompe monobloc a été estampé avec une forme quasiment nette de façon à réduire l’usinage au maximum, ce qui augmente les limites d’endurance de l’alésage en croix.
Après forgeage, la zone d'usure du produit est soumise à un traitement de protection anti-usure pour une dureté renforcée. Cette technique LaserCarb ajoute un matériau anti-abrasion sur les pièces d’usure en procédant à un dépôt de poudre au laser directement sur la pièce. Cette nouvelle approche du corps de pompe vise en outre à limiter autant que possible les phases d’usinage du processus de fabrication.
Les avantages du corps de pompe Setforge/Technogenia en quelques mots :
- Maintenance facilitée pour des temps d'arrêt réduits ;
- Le remplacement des ensembles massifs par des corps de pompe modulaires n’exige ni outils, ni formation supplémentaires ;
- Amplitude minimisée des tensions de flexion pour des cycles de pression améliorés ;
- Coûts en pièces détachées réduits ;
- Réductions de coûts engendrés par l’estampage par comparaison au forgeage libre grâce à une économie en matériaux de 30 % ;
- Flux de matériau spécifique pour une meilleure résistance à la fatigue ;
- Poids réduit ;
- Usinage limité et recours à des machines d’usinage plus petites, réduisant ainsi le coût de ces opérations ;
- Possibilité d’utiliser de l’acier au lieu d'acier inoxydable pour des performances équivalentes.
Les corps de pompe peuvent facilement tomber en panne en raison des fissures de fatigue ou d’une réaction aux produits chimiques, à l’érosion ou à une combinaison de tous ces facteurs. Les corps de pompe de nouvelle conception, fabriqués en bloc fendu, remplacent peu à peu les structures massives courantes en vue d’améliorer la maintenance, réduire les temps d'inactivité et offrir des options d’inventaire plus pratiques. Il est bien plus facile de garder en stock des corps de pompe monoblocs et de les remplacer rapidement, lorsque nécessaire, plutôt que de devoir procéder au montage laborieux d’un ensemble massif et encombrant.
En tant que partenaires de confiance de l’industrie pétrolière et gazière, Setforge et Technogenia sont plus que conscients des défis auxquels le secteur est confronté et s’engagent à fournir les solutions les plus fiables.