CAPET 3ème Concours - SII - Option ingénierie mécanique - 2024 - Épreuve écrite disciplinaire

CAPET 3ème Concours

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option ingénierie mécanique

Support de l'épreuve : Pompe à doubles pistons

Contexte et présentation du sujet 

Mise en situation

La quasi-totalité des pays industrialisés sont équipés de stations d’épuration afin de traiter les eaux usées domestiques et urbaines. Le traitement de ces eaux usées répond à de nombreuses problématiques :

• la protection de l'environnement : les eaux usées non traitées peuvent contenir des produits chimiques, des micro-organismes pathogènes et des matières organiques qui peuvent contaminer les rivières, les lacs et les océans ;
• la protection de la santé publique : les eaux usées non traitées peuvent contenir des maladies et des infections dangereuses pour la santé humaine. Les eaux usées traitées éliminent la plupart des bactéries, virus et autres agents pathogènes dangereux, réduisant ainsi le risque de propagation de maladies ;
• la réduction de la demande en eau potable : le traitement des eaux usées permet de produire de l'eau recyclée qui peut être substituée à l'eau potable pour l'irrigation, le lavage de voitures, le nettoyage des rues, etc.
• la préservation des ressources naturelles : le traitement des eaux usées permet de récupérer des nutriments et d'autres ressources qui peuvent être réutilisées telles les boues d'épuration épandues comme engrais pour les cultures agricoles, réduisant ainsi la dépendance aux engrais chimiques.

Le traitement des eaux usées génère une quantité importante de boues. La plupart de ces boues font l’objet de valorisation et doivent être déplacées de postes en postes parfois éloignés de plusieurs centaines de mètres selon la configuration et la taille de la station d’épuration.

L’entreprise SERIP-FRANCE est une spécialiste dans l’ingénierie du transport et du stockage des boues de station d’épuration. SERIP-FRANCE développe et fabrique une gamme complète de pompes à pistons dédiées au transport de boues.

Une des solutions techniques les plus courantes pour le transport des boues est la pompe à doubles pistons. Inspirée des pompes à béton, la pompe à doubles pistons permet de faire circuler en toute sécurité les matières à consistance pâteuse telles que les boues urbaines déshydratées, les boues hétérogènes, etc.

Les pressions de refoulement élevées permettent de transporter les produits sur de longues distances et s’adaptent à la configuration de toutes les installations. L’énergie hydraulique de pilotage permet une conduite en souplesse, en limitant les à-coups et en toute sécurité.

Ce type de pompe permet de délivrer 150 bars en sortie en régime nominal.

Les boues arrivent généralement dans une grande trémie et sont injectées dans la trémie de la pompe par des vis de gavage.

Le pompage est réalisé par deux pistons qui fonctionnent en opposition. Lorsque l’un aspire l’autre est au refoulement. Afin d’évacuer la boue d’un cylindre puis de l’autre, un « tube S » se positionne successivement en face de chacun d’entre eux. Le positionnement du « tube S » est réalisé par un sous-en-semble d’inversion actionné par deux vérins hydrauliques (voir DT4 à DT6).

Du fait de la technologie choisie, le refoulement de la pompe est pulsatoire. Un déplacement rapide du « tube S » est nécessaire afin d’atténuer la pulsation.

La commande des actionneurs et la synchronisation de ceux-ci sont réalisées par un groupe hydraulique ayant une pression de fonctionnement maximale limitée à 250 bars.

En cas de blocage, ou pour décomprimer la tuyauterie de refoulement pour la maintenance, les distributeurs hydrauliques de la pompe autorisent une inversion de pompage.

Une boite à eau assure la lubrification et le rinçage arrière des cylindres et des pistons. Les boues étant très abrasives et corrosives, la surveillance de l’absence de boue dans les eaux de rinçage permet le contrôle de l’usure des pistons de pompage.

Contenu du sujet

Partie 1 – Étude générale du système
Problématique : valider les caractéristiques générales du cahier des charges de la pompe à double piston.

Partie 2 – Étude de l’installation hydraulique
Problématique : le système de commande hydraulique doit garantir la synchronisation des différents actionneurs et permettre une conduite de l’installation sans à-coup et en toute sécurité.

Partie 3 – Étude du mouvement de l’« ensemble tube S »
Problématique : la position du « tube S » 21 est un des points clés qui permet d’assurer la fonction « garantir l'acheminement vers un poste de traitement ». En cas de mauvais positionnement de celui-ci, l’ensemble des boues collectées dans un tube risque de ne pas être évacué dans sa totalité et dégrader la capacité de pompage du système et user prématurément l’anneau aval 27.

Partie 4 – Étude du déplacement de l’« ensemble tube S »
Problématique : le temps de déplacement de l’« ensemble tube S » doit être le plus petit possible pour assurer un débit en sortie le plus régulier possible.

Partie 5 - Étude d’un cas de blocage
Problématique : durant le fonctionnement, des blocages peuvent se produire dans les conduites en aval.

Partie 6 – Spécification géométrique partielle du « tube S » 21.
Problématique : l’« ensemble tube S » est l’élément le plus sollicité du mécanisme. La qualité des guidages doit être garantie ainsi que l’interchangeabilité des pièces afin de faciliter la maintenance.

Partie 7 – Étude de la résistance mécanique de la fourche d’inversion 30.
Problématique : la plupart des pièces du mécanisme sont soumises à des efforts cycliques importants.

Partie 8 – Validation de la résistance des axes des vérins d’inversion
Problématique : les axes des vérins d’inversion sont soumis à des efforts importants et des chocs.

Partie 9 – Choix du matériau du « tube S » 21
Problématique : valider le triptyque produit – procédé – matériau pour le « tube S » 21.