Qu'est-ce que la cavitation et le clignotement ?

La cavitation et l'éclatement peuvent se produire dans les systèmes à média liquide qui comprennent des gouttes à haute pression. Pour que l'un ou l'autre de ces phénomènes se produise, la pression dans le système doit tomber en dessous de la pression de vapeur du liquide. Il en résulte qu'une partie ou la totalité du liquide se transforme en bulles de gaz qui peuvent potentiellement causer de graves dommages, généralement sous la forme d'un puits, comme le montre la figure 1, à l'intérieur des composants. Ces dommages peuvent limiter le contrôle du débit d'une vanne ou provoquer une fuite dans un tuyau. Par conséquent, lors de la conception d'un système à média liquide, il est essentiel de comprendre pourquoi la cavitation et les éclats se produisent afin de les éviter.

Table des matières

• Qu'est-ce que la cavitation ?
• Qu'est-ce que le clignotement ?
• Cavitation et dommages causés par les solins
• Prévision de la cavitation et du clignotement
• FAQ

Qu'est-ce que la cavitation ?

Il est utile d'utiliser un diagramme de phase de l'eau pour comprendre comment se produisent la cavitation et le clignotement. Comme le montre la figure 2, l'eau présente trois phases : solide, liquide et gazeuse. L'eau passe d'une phase à l'autre en cas de changement de température ou de pression. Le point de départ (figure 2 étiquetée A) du diagramme représente l'eau liquide. Une pratique domestique courante consiste à augmenter la température de l'eau pour la faire bouillir (figure 2 étiquetée B). Cependant, sans augmentation de la température, l'eau peut passer à la phase gazeuse en abaissant la pression locale autour de l'eau (figure 2 étiquetée C). La température et la pression jouent toutes deux un rôle important dans la création de cavitation et d'éclatement dans les systèmes de transport de liquides. À des températures élevées, des pertes de pression minimes peuvent conduire à la cavitation et à l'évaporation. Le maintien de l'eau à des températures normales ne permet pas de remédier immédiatement à ce problème, car d'importantes chutes de pression sont courantes dans les systèmes.

La cavitation est un processus en deux étapes :

1. À température constante, certains liquides se transforment en gaz lorsqu'ils traversent une zone de pression inférieure à la pression de vapeur du liquide. La pression de vapeur est la pression à laquelle un liquide se transforme en gaz.
2. Lorsque les bulles passent dans une zone de pression supérieure à la pression de vapeur, elles deviennent instables et implosent.

Lors de l'implosion, une onde de choc se produit et s'étend dans toutes les directions. Si elle se trouve à moins d'un diamètre de bulle d'une limite (par exemple, le siège d'une vanne, la paroi d'un tuyau et la roue d'une pompe), la force de l'onde de choc peut endommager les composants du système. Lorsqu'une bulle implose près d'une frontière, celle-ci ralentit l'écoulement du côté de la frontière de la bulle. Ainsi, le liquide situé du côté opposé à la limite de la bulle s'écoule plus rapidement, créant des micro-jets qui impactent la limite, créant ainsi une fosse. Si la cavitation se produit, elle ressemble à un grésillement dans ses premiers stades. Cependant, aux stades avancés de la cavitation, les sons vont du graveleux (cavitation moyenne) à un fort rugissement (cavitation élevée).

Facteurs de cavitation

Au-delà d'une zone de basse pression, quatre autres facteurs contribuent à la cavitation :

• Noyaux : La vaporisation ne peut se faire sans interface. Par exemple, l'interface pour la vapeur d'eau s'élevant de l'eau bouillante est la surface de l'eau. Dans un système liquide fermé, cependant, les noyaux constituent cette interface. Les noyaux sont généralement des bulles d'air libres situées le long de la frontière (par exemple, la paroi d'un tuyau) ou piégées dans un espace ou un trou dans un solide en suspension.
• Pression ambiante : Si la pression du liquide autour des bulles de gaz est supérieure à la pression de la vapeur, les bulles implosent.
• Turbulences : Un liquide qui passe par un orifice est soumis à des turbulences, créant des tourbillons, qui sont des courants d'eau circulaires. La pression à l'intérieur de ces tourbillons est beaucoup plus faible que la pression environnante, ce qui entraîne la formation et l'implosion des bulles. Les tourbillons traversent des zones de séparation à basse pression. La taille de ces zones, et donc le temps que les tourbillons y passent, augmente avec la taille de la vanne.
• Récupération de la pression : Dans une valve typique, la récupération de la pression (c'est-à-dire l'augmentation de la pression locale au-dessus de la pression de vapeur) se produit immédiatement après le point d'écoulement le plus étroit (vena contracta). Il est fréquent que la récupération de la pression dépasse la pression de la vapeur, ce qui entraîne l'implosion de la bulle. La conception de certaines valves permet de récupérer la pression plus en aval de la veine contractante, de sorte que l'implosion des bulles n'endommage pas les composants de la valve.

Qu'est-ce que le clignotement ?

Le clignotement est le stade initial de la cavitation : le liquide se transforme en gaz suite au passage dans une zone de pression inférieure à la pression de vapeur. Cependant, la différence entre le clignotement et la cavitation est que, dans le cas du clignotement, la pression ne remonte pas au-dessus de la pression de la vapeur et les bulles n'implosent pas. Cependant, une vanne peut être étranglée en raison de la présence de nombreuses bulles dans le flux. L'étranglement signifie que la vitesse d'écoulement augmente, mais que la pression ne diminue pas. Dans ce cas, des jets d'eau passent à grande vitesse devant les bulles. Ces jets peuvent heurter les frontières et les endommager.

Cavitation et dommages causés par les solins

Comme le montre la figure 1, les dommages causés par la cavitation se traduisent généralement par une surface cratérisée. Ces cratères se forment suite à l'impact d'ondes soniques et de micro-jets. Ce type de dommage est mécanique. La cavitation peut également provoquer une corrosion chimique. Généralement, un film d'oxyde sur la surface de la limite limite limite la corrosion. Une faible cavitation peut encore être assez forte pour user le film d'oxyde, ce qui entraîne des dommages dus à la corrosion sur le bord.

Le mélange gaz-liquide de l'éclair est abrasif et provoque des dommages similaires à ceux de la corrosion par cavitation décrits dans le paragraphe précédent. Les dommages causés par le flashage laissent une surface lisse et brillante.

Réduction des dommages dus à la cavitation et à l'évaporation

La meilleure façon de réduire les dommages dus à la cavitation et à l'affaissement est de minimiser les risques d'apparition de l'un ou l'autre de ces phénomènes. La cavitation peut être évitée de différentes manières :

• Aération : L'aération du liquide remplit de nombreux vides et peut entraîner une cavitation gazeuse. Dans ce processus de cavitation, les bulles implosent lentement. Il n'y a donc pas d'ondes de choc violentes ni de micro-jets.
• Vannes multiples : Utiliser plusieurs vannes, généralement deux, lorsqu'un système nécessite une chute de pression importante. Chaque soupape diminue modérément la pression, réduisant ainsi le risque que la pression dans l'une ou l'autre des soupapes tombe en dessous de la pression de vapeur.
• Récupération progressive de la pression : Certaines vannes (par exemple, certaines vannes à pointeau) ont un orifice de sortie dont la largeur augmente progressivement. Cela augmente progressivement, et non pas d'un seul coup, la pression autour des bulles qui se forment. Dans ce cas, les bulles sont moins susceptibles d'imploser à proximité des composants de la valve.

Si les facteurs du système entraînent une chute de la pression en dessous de la pression de vapeur d'un liquide, il n'y a aucun moyen d'éviter le clignotement. Cependant, le revêtement de la sortie de la vanne avec un matériau durci peut protéger les composants. Pour en savoir plus sur la prévention de la cavitation et du clignotement, consultez notre guide sur la cavitation dans les pompes, les vannes et les tuyaux.

Prévision de la cavitation et du clignotement

La cavitation et le clignotement sont prévisibles grâce à l'indice de cavitation Sigma. Sigma est :

Où ?

• PV : Pression de vapeur du liquide à la température d'écoulement
• P1 : Pression en amont
• P2 : Pression en aval

Sur la base des résultats de la proportion, l'indice de cavitation Sigma présenté dans le tableau 1 peut aider le concepteur d'un système à prévoir la cavitation.

Tableau 1 : L'indice de cavitation Sigma

σ ≥ 2.0	Pas de cavitation
1.7 < σ < 1.7	Une garniture trempée peut protéger adéquatement une soupape.
1.5 < σ < 1.7	Cavitation mineure. Une garniture à un étage peut suffire à protéger une soupape.
1.0 < σ < 1.5	Une forte cavitation est possible. Prendre des mesures de prévention de la cavitation.
σ < 1.0	Clignotant

Sur la base de l'indice de cavitation Sigma, conclure ce qui suit :

• Le risque de cavitation diminue lorsque la différence entre la pression en amont et la pression de la vapeur augmente. En d'autres termes, un liquide à haute pression ayant une faible pression de vapeur est moins susceptible de caviter.
• Plus la différence entre les pressions en amont et en aval est faible, plus le risque de cavitation est réduit.

FAQ

La cavitation est-elle la même chose que le clignotement ?

Le clignotement est la transformation d'un liquide en bulles de vapeur, tandis que la cavitation est la transformation d'un liquide en bulles de vapeur, suivie de l'implosion des bulles. La première se produit lorsque la pression du système tombe en dessous de la pression de la vapeur et ne remonte pas. Cette dernière se produit lorsque la pression du système descend en dessous de la pression de vapeur et remonte ensuite au-dessus de la pression de vapeur.

Comment prévenir la cavitation ?

L'une des méthodes de prévention de la cavitation consiste à s'assurer que la chute de pression à travers une vanne n'abaisse pas la pression locale en dessous de la pression de vapeur du fluide liquide.