Brevet FR2546979A1 — publié le 19841207

Pompe à piston pour les fluides contenant une forte concentration de particules solides en suspension", La présente invention concerne les pompes et plus par- ticulièrement les pompes à piston à mouvement alternatif, utili- sées pour le pompage de fluides contenant une forte concentration de particules solides en suspension, éventuellement coirosifs, ou encore à des températures élevées. Lors du pompage de certains fluides, par exemple du pétrole brut lourd, présentant une concentration forte de par- ticules solides en suspension, il se pose un problème d'usure entre le piston et le cylindre de la pompe L'usure résulte du fait que les particules en suspension dans le fluide pompé ont une dureté qui est supérieure à celle des métaux utilisés pour la construction des différents éléments de la pompe Ces parti- cules dures en suspension sont amenées à circuler, par exemple, entre le piston et la paroi du cylindre de la pompe, et endom- majernt le piston et la paroi de cylindre en raison de la dureté supérieure desdites particules par rapport à la dureté-des mé- taux utilisés pour la construction des éléments de la pompe. La détérioration et l'usure des éléments de pompe est encore augmentée lorsque les fluides pompés sont corrosifs par nature, vioirese trouvent à des températures élevées L'usure du piston et de la paroi du cylindre entraîne que le fluide pompé circule entre le piston et la paroi du cylindre, ce qui aboutit à dimi- nuer le rendement volumétrique de la pompe. Parmi les tentatives de l'art antérieur pour résoudre les problèmes d'usure rencontrés dans les pompes à piston à mouvement alternatif utilisées pour le pompage de fluide conte- nant une forte concentration de particules solides en suspension, il est courant de recourir à des chemisages métalliques amovibles du cylindre de pompe, qui sont aisément installés puis remplacés lorsqu'ils sont usés Un tel principe est décrit dans le brevet U.S N O 1 528 097 (COOPER) Selon ce brevet, un manchon amovible de cylindre de pompe, réalisé dans un matériau relativement bon marché, est garni d'un revêtement métallique Le manchon est conçu de façon à être aisément remplacé dans le cylindre de pompe lorsque le revêtement métallique est usé Néanmoins, si un tel dispositif fournit un revêtement de cylindre de pompe aisément remplacable, il ne résout pas le problème de l'usure du cylindre et du piston. On connaît également la possibilité d'appliquer un revêtement d'un alliage résistant à l'usure sur les paliers d'une pompe à piston (voir le brevet U S 3 938 814, CROMWELL). De la même manière, il a également été proposé de puvériser une couche, résistant à l'usured'un matériau céramique tel que l'oxyde l' aluminium, sur la paroi active d'une bombe de utilisée dans un moteur rotatif (voir brevet U S 4 016 635 LEITERMANN et autres). Toutefois, si les brevets de l'art antérieur men- tionné concernent l'application de revêtements résistant à- l'usure sur les surfaces de travail des pompes, cet art anté- rieur ne décrit aucun dispositif de prévention d'usure dans les pompes à piston à mouvement alternatif utilisées pour le pompage de fluide qui contiennent une forte concentration de particules solides en suspension, ni interdisant aux particules solides en suspension de se loger entre le piston et la paroi de cylindre, ni même l'alternative consistant à pulvériser et détruire toutes particules solides qui viendraient à se loger dans cette zone. Il est évidemment, hautement souhaitable de pouvoir réaliser une pompe à piston à mouvement alternatif pour le pompage de fluide contenant une forte concentration de particu- les relativement duresen suspension, dans laquelle le piston et la paroi de cylindre de la pompe présentent une haute résis- tance à l'usure Les surfaces de contact des pistons avec la paroi de cylindre doivent être en contact très étroit de manière à interdire aux solides en suspension de se loger entre le piston et la paroi du cylindre. En conséquence, la présente invention concerne une pompe à piston à mouvement alternatif, pour le pompage de fluides contenant une concentration élevée de particules suspendues du type constitué d'un cylindre muni d'un orifice d'admis- sion et d'un orifice d'expulsion du fluide, et d'un piston en déplacement à l'intérieur dudit cylindre pour le pompage du fluide dudit orifice d'admission vers ledit orifice d'expulsion, caractérisée en ce qu'elle comprend une première chemise cylindrique montée sur la surface extérieure dudit piston et une seconde chemise cylindrique garnissant la surface intérieure du cylindre, lesdites première et, seconde chemises cylindriques étant réali- sées en un matériau céramique dur présentant une dureté supé- rieure à 9 sur l'échelle de Môhs, de telle manière à entraîner la pulvérisation de toutes les particules en suspension logées entre ladite première chemise cylindrique et ladite seconde chemise cylindrique lors du déplacement du piston à l'intérieur du cylindre En outre, la chemise de piston et la chemise de cylindre sont en contact très étroit, lors de leur mouvement re- latif, et peuvent être réalisés dans le même matériau résistant d l'usure. Un autre objet de l'invention est de fournir une pompe à piston à mouvement alternatif dont la chemise de piston et la chemise de cylindre sont résistantes à la corrosion. Selon l'invention, on obtient les avantages et les résultats suivants. La pompe à piston à mouvement alternatif suivant l'invention comprend un piston métallique dont la surface ex- terne est garnie d'une chemise cylindrique réalisée dans un matériau céramique dur, dont la dureté est supérieur à 9 sur l'échelle de Mohs Le matériau céramique est de préférence un oxyde d'aluminium céramique ou un nitrate de zwircorúium céramique. La chemise cylindrique est de préférence montée à force sur la surface extérieure des pistons; toutefois, la chemise peut être collée ou maintenue en place par un dispositif à filetage. De plus, le cylindre de la pompe à piston comporte, sur sa paroi intérieure, une chemise cylindrique réalisée dans le même maté- riau céramique dur De la même manière, la chemise est de pré- férence montée à force dans le cylindre, ou encore maintenue en place de l'une des manières décrites précédemment. La surface des chemises, de même que la surface extérieure du piston, et la surface intérieure du cylindre,sont finement po- lies de manière à réaliser un contact parfaitement jointif entre le piston et la paroi du cylindre. Selon la présente invention, le matériau céramique dur, de préférence un oxyde d'aluminium céramique ou un nitrate de zirconium céramique, ayant une dureté supérieure à 9 sur l'échelle de Mohs, n'est pas susceptible d'être endommagé par les particules solides en suspension dans-le fluide pompé De plus, dans la mesure o les matériaux céramiques réagissent seulement au fluorure d'hydrogène gazeux, il est possible de pomper des fluides corrosifs sans/affecter de manière défavo- rable les parties actives de la pompe. En outre, les chemises en céramique dur pouvant être finement polies, la surface de contact entre la chemise de piston et la chemise de cylindre forment un joint qui tend à interdire à toutes particules en suspension de se loger entre la chemise de piston et la chemise de cylindre. Enfin, dans le cas o une particule solide en suspen- sion viendrait à se loger dans l'interface entre la chemise de piston et la chemise de cylindre, cette particule serait pulvé- risée sous l'effet de la dureté supérieure du matériau céramique (supérieure à 9 sur l'échelle Mohs), et éviterait ainsi l'endom- magement des parties actives de la pompe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la figure jointe qui représente une vue schématique-d'une pompe à piston à mouvement alternatif présentant les caractéristiques de la présente invention. A titre d'illustration, l'invention est décrite-dans le cas d'un système de pompage de pétrole à partir d'un puit de pétrole Néanmoins, il est clair que le mode de réalisation ainsi décrit n'a été choisi qu'à des fins d'illustration des carac- téristiques de la présente invention, et ne constitue en aucun cas une limitation de l'application de l'invention au dispo- sitif de pompage particulier décrit ci-dessous Sur la figure on note la représentation d'une galerie d'un puit de pétrole, communiquant avec un cylindre 12 de pompe par l'intermédiaire d'un clapet 14 Un piston 16, portant un clapet 18, est monté à l'intérieur du cylindre 12, pour y subir un mouvement alternatif A l'extrémité supérieure du cylindre 12, un clapet de sortie 20 peut être monté pour ache- miner le pétrole pompé vers un lieu de stockage. Lors de la montée du piston 16, le pétrole est aspiré dans la chambre basse 22 du cylindre 12, hors de la galerie 10 du puîtsq à travers le clapet d'admission 14 Lors de la course descendante du piston 16, le pétrole est introduit par force dans la chambre haute 24 du cylindre 12, à travers le clapet 18 du piston 16 Lors de la course montante suivante du piston 16, le pétrole est expulsé de la chambre haute 24 du cylindre 12, à travers le clapet d'expulsion 20, dans le même temps o se pro- duit une nouvelle aspiration de pétrole dans la chambre basse 22 du cylindre 12 à travers le clapet d'admission 14. Conformément aux caractéristiques spécifiques de la présente invention, le piston 16 est pourvu sur sa surface exté- rieure d'une chemise cylindrique 26, laquelle est de préférence montée à force sur la totalité de la surface extérieure du pis- ton 16 Comme noté plus haut, la chemise pourrait tout aussi bien Atre collée, ou maintenue en place au moyen d'un dispositif à filetage De la même manière, la paroi cylindrique 12 est garnie intérieurement d'une chemise cylindrique 28 Conformément à la présente invention, les chemises 26 et 28 sont réalisées dans un matériau céramique dur présentant une dureté supérieure à 9 sur l'échelle de Mohs; elles sont de préférence réalisées dans un oxyde d'aluminium céramique ou dans un nitrate de zirconium céra- mique Les surfaces de contact des chemises en matériau cérami- que dur, sont finement polies de manière à constituer un joint 6. effectif entre le piston et le cylindre. Ainsi, grâce à la présente invîention, on élimine de manière substantielle l'usure des différents éléments actifs de la pompe à piston De plus, en conséquence de la nature et de la dureté des chemises céramiques, toute particule solide qui vient à se Icger dans l'interface entre la chemise de piston et la chemise de cylindre, est pulvérisée sans causer aucune dété- rioration sur aucune des surfaces en contact étroit de la chemise de piston ni de la chemise de cylindre. En outre, dans la mesure o le matériau céramique ne réagit qu'avec le fluorure d'hydrogène gazeux des fluides cor- rosifs vis à vis des métaux peuvent être aisément pompés Enfin, dans le cas o la chemise de piston ou la chemise de cylindre, serait endoi-magées pour quelque raison que ce soit, chacune pour- rait être aisément remplacée à frais réduits. REVENDICATIONS 1 ) Pompe à piston à mouvement alternatif, pour le pompage de fluide contenant une concentrati" élevé 6 e de particules suspendues,du type constitué d'un cylindre ( 12) muni d'un ori- fice d'admission ( 14) et d'un orifice d'expulsion ( 20) du fluide, et d'un piston: ( 16) en déplacement à l'intérieur dudit cylindre ( 12) pour le pompage du fluide dudit orifice d'admis- sion ( 14) vers ledit orifice d'expulsion ( 20), caractérisée en ce qu'elle comprend une première chemise cylindrique ( 26) mon- tée sur la surface extérieure dudit piston ( 16) et une seconde chemise cylindrique ( 28) garnissant la surface intérieure du cylindre ( 12), lesdites première ( 26) et seconde ( 28) chemises cylindriques étant réalisées en un matériau céramique dur pré- sentant une dureté supérieure à 9 sur l'échelle de Moh Srde telle manière à entraîner la pulvérisation de toute les particules en suspension logées entre ladite première chemise cylindrique ( 26) et ladite seconde chemise cylindrique ( 28) lors du déplacement du piston ( 16) à l'intérieur du cylindre ( 12). 2 ) Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau céramique dur est choisi parmi l'oxyde d'aluminium céramique et le nitrate de zirconiun céramique. 3 ) Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que la surface de contact de la pre- mière chemise cylindrique ( 26) avec la seconde chemise cylin- drique ( 28) est très finement polie de façon à permettre une interface parfaitement jointive entre le piston ( 16) et le cy- lindre ( 12) de la pompe. 4 ) Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite première chemise cylindri- que ( 26) et ladite seconde chemise cylindrique ( 28) sont aisé- ment démontables.