Que Sont la Cavitation et le Flashing

Que Sont la Cavitation et le Flashing ?

Tube en acier au carbone endommagé par la cavitation.

Figure 1 : Tube en acier au carbone endommagé par la cavitation.

La cavitation et le flashing peuvent se produire dans les systèmes à milieu liquide qui comprennent des chutes de pression élevées. 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. Le résultat est qu'une partie ou la totalité du liquide se transforme en bulles de gaz qui peuvent potentiellement causer de graves dommages, typiquement sous la forme d'une fosse comme celle de 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 milieu liquide, il est essentiel de comprendre pourquoi la cavitation et le flashing se produisent afin de les éviter.

Table des matières

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 flashing. Comme le montre la figure 2, l'eau a trois phases : solide, liquide et gazeuse. L'eau passe d'une phase à l'autre lorsqu'il y a un changement de température ou de pression. Le point de départ (figure 2 étiquetée A) du diagramme représente de l'eau liquide. Une pratique domestique courante consiste à élever la température de l'eau pour la faire bouillir (figure 2 étiquetée B). Cependant, sans augmenter 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 la cavitation et du flashing dans les systèmes de transport de liquides. À haute température, les pertes de pression minimales peuvent conduire à la cavitation et au flashing. Maintenir l'eau à des températures normales ne résout pas immédiatement ce problème car de fortes chutes de pression sont courantes dans les systèmes.

Diagramme de phase de l'eau montrant un point de départ (A) liquide qui se transforme en gaz à des températures plus élevées (B) ou à des pressions plus faibles (C).

Figure 2 : Diagramme de phase de l'eau montrant un point de départ (A) liquide qui se transforme en gaz à des températures plus élevées (B) ou à des pressions plus faibles (C).

La cavitation est un processus en deux étapes :

  1. À température constante, certains milieux liquides se transforment en gaz lorsque le milieu traverse 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, siège de soupape, paroi de tuyau et roue de 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 à l'opposé du côté de la limite de la bulle s'écoule plus rapidement, créant des micro-jets qui frappent la limite, créant ainsi une fosse.Si la cavitation se produit, elle ressemblera à un grésillement dans ses premiers stades. Dans les stades avancés de cavitation, cependant, les sons vont du gravier (cavitation moyenne) à un rugissement fort (cavitation élevée).

Facteurs de cavitation

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

  • Les 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 fournissent cette interface. Les noyaux sont généralement des bulles d'air libres trouvées 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 immédiatement autour des bulles de gaz est supérieure à la pression de vapeur, les bulles implosent.
  • Turbulence : 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 de 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 vapeur, ce qui entraîne l'implosion des bulles. La conception de certaines valves permet de récupérer la pression plus en aval de la veine contractée, de sorte que les bulles implosives n'endommagent pas les composants de la valve.

Qu'est-ce que le clignotement ?

Le flashing est le stade initial de la cavitation : le liquide se transforme en gaz en traversant une zone de pression inférieure à la pression de vapeur. Cependant, la différence entre le flashing et la cavitation est que dans le cas du flashing, la pression ne remonte pas au-dessus de la pression de 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 devant les bulles à grande vitesse. Ces jets peuvent heurter les frontières et causer des dommages.

Cavitation et dommages causés par les solins

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

Le mélange gaz-liquide des éclats est abrasif et provoque des dommages similaires à ceux évoqués dans le paragraphe précédent sur la corrosion par cavitation. Les dommages causés par le flashage laissent derrière eux une surface lisse et brillante.

Réduire les dommages causés par la cavitation et le flashing

La meilleure façon de réduire les dommages causés par la cavitation et le flashing est de minimiser le potentiel d'apparition de ces phénomènes. La cavitation peut être évitée de plusieurs manières différentes :

  • Aération : L'aération du liquide remplit de nombreux vides et peut entraîner une cavitation gazeuse. Dans ce processus de cavitation, les bulles implosent lentement. Par conséquent, les ondes de choc violentes et les micro-jets ne se produisent pas.
  • Plusieurs valves : Utilisez plusieurs vannes, généralement deux, lorsqu'un système nécessite une forte chute de pression. Chaque valve fait baisser modérément la pression, ce qui réduit le risque que la pression dans l'une ou l'autre valve tombe en dessous de la pression de vapeur.
  • Récupération de la pression par étapes : Certaines vannes (par exemple, certaines vannes à aiguille) ont une construction de sortie qui augmente progressivement en largeur. Cela augmente progressivement, au lieu de tout d'un coup, la pression autour des bulles qui se forment. Dans ce cas, les bulles sont moins susceptibles d'imploser près des composants de la valve.

Si les facteurs du système entraînent une chute de pression en dessous de la pression de vapeur d'un liquide, il n'y a aucun moyen d'éviter le flashage. 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 flashing, consultez notre guide sur la cavitation dans les pompes, les vannes et les tuyaux.

Prévision de la cavitation et du flashing

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

équation

Où :

  • PV : La pression de vapeur du liquide à la température d'écoulement
  • P1 : Pression 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.

σ ≥ 2.0 Pas de cavitation
1.7 < σ < 1.7 Une garniture durcie peut protéger adéquatement une valve.
1.5 < σ < 1.7 Cavitation mineure. Une garniture à un seul étage peut protéger adéquatement une valve.
1.0 < σ < 1.5 Une forte cavitation est possible. Prenez des mesures de prévention de la cavitation.
σ < 1.0 Clignotant

Tableau 1 : L'indice de cavitation Sigma

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

  • La possibilité de cavitation diminue à mesure que la différence entre la pression amont et la pression de vapeur augmente. En d'autres termes, un liquide à haute pression avec une faible pression de vapeur est moins susceptible de caviter.
  • Plus la différence entre les pressions amont et aval est faible, plus la possibilité de cavitation est réduite.

FAQs

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

Non. 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 vapeur et ne remonte pas. Ce dernier se produit lorsque la pression du système descend en dessous de la pression de vapeur, puis remonte au-dessus de cette dernière.

Comment prévenir la cavitation ?

Une méthode pour éviter la cavitation consiste à s'assurer que la chute de pression à travers une vanne ne fera pas chuter la pression locale en dessous de la pression de vapeur du milieu liquide.