Cavitation dans les Pompes, les Vannes et les Tuyaux

Cavitation dans les Pompes, les Vannes et les Tuyaux

Une roue de pompe cavitée.

Figure 1 : Une roue de pompe cavitée.

La cavitation incontrôlée dans les pompes, les vannes et les tuyaux provoque des dommages. Elle réduit considérablement l'efficacité et la durée de vie du composant : la cavitation endommage le siège d'une vanne, la paroi d'un tuyau et la roue d'une pompe. L'un des principaux problèmes de la cavitation est qu'elle peut être évitée grâce à une conception adéquate du système.

Table des matières

Qu'est-ce que la cavitation ?

La cavitation est un processus en deux parties. Tout d'abord, la pression dans un système liquide chute en dessous de la pression de vapeur du liquide à la température d'écoulement. Cette chute entraîne la transformation du liquide en bulles de vapeur. Ensuite, les bulles de vapeur rencontrent une pression supérieure à la pression de vapeur du liquide, ce qui les fait imploser. Cette implosion crée une onde de choc et des micro-jets. S'il se produit à l'intérieur d'un diamètre de bulle d'un composant du système (par exemple, un siège de soupape, une paroi de tuyau ou une roue de pompe), il provoque des dommages par piqûre. Si elle n'est pas traitée, la cavitation endommagera gravement ces composants du système au fil du temps, réduisant ainsi leur efficacité. Lisez notre article sur la cavitation pour plus d'informations sur la cavitation et le flashing.

Cavitation dans les pompes

La cavitation se produit dans les pompes pour plusieurs raisons :

  • Conception du système
    • Réservoir au-dessus de la pompe : Si le réservoir se trouve au-dessus de l'axe de la pompe, celle-ci crée une zone de basse pression à son entrée, de sorte que la tête atmosphérique, ou tête de pression, puisse pousser le liquide vers l'entrée. La cavitation commence si la pression à l'entrée chute en dessous de la pression de la vapeur.
    • Réservoir situé sous la pompe : Une pompe crée une tête d'aspiration pour tirer le liquide du réservoir. La hauteur d'aspiration est la distance verticale entre l'axe de la pompe et la surface du liquide dans le réservoir. Si la hauteur d'aspiration est trop importante, la pompe crée un effet de vide, permettant la cavitation.
  • Cavitation sous vide : D'autres causes de dépression dans une conduite d'aspiration sont un filtre sale, une entrée bouchée, une tuyauterie trop longue, des tuyaux restreints ou affaissés, ou un fluide trop visqueux (par exemple, de l'huile refroidie). Dans chaque cas, une quantité insuffisante de liquide entre dans la pompe, ce qui permet à une plus grande quantité de vapeur d'entrer.
  • Aération : L'aération fait référence à l'entrée d'air dans un système, que ce soit intentionnellement ou non. Dans les systèmes de pompage, l'air indésirable peut pénétrer par des trous ou des fuites, en particulier autour des unions et des joints. L'aération peut provoquer une cavitation gazeuse, qui est généralement sous-estimée parce qu'elle ne provoque pas les dommages par piqûre que provoque la cavitation vaporeuse. Cependant, la cavitation gazeuse peut réduire considérablement l'efficacité de fonctionnement des systèmes hydrauliques et de lubrification.

Comment éviter la cavitation dans les pompes

La première étape pour éviter la cavitation dans les pompes consiste à concevoir correctement le système. Cela signifie qu'il faut s'assurer que la tête d'aspiration positive nette (NPSH) de l'entrée est suffisamment élevée. Le NPSH mesure de combien la pression absolue est supérieure à la pression de vapeur du liquide qui s'écoule. Le tableau 1 détaille les variables qui sous-tendent le NPSH. En combinant les trois premiers composants, la hauteur de pression, la hauteur atmosphérique et la hauteur de vitesse, on obtient la pression absolue, ou :

  • P : Pression
  • Pa : Pression atmosphérique
  • V : Vitesse du liquide
  • ρ : Densité du liquide
  • g : Accélération gravitationnelle

La pression absolue doit être supérieure à la tête de pression de la vapeur pour éviter la cavitation, ou :

EQUATION caviation-equation-1.png
  • Pv : Pression de vapeur
Composant Description Formula
Tête de pression La pression à l'entrée de la pompe due à la hauteur de la colonne d'eau dans le réservoir.
équation de cavitation
Tête atmosphérique La pression atmosphérique agissant sur la surface de la colonne d'eau
équation de cavitation
Tête de vitesse L'énergie cinétique du liquide s'écoulant dans la pompe
équation de cavitation
Tête de pression de vapeur La pression de vapeur du liquide à la température d'écoulement
équation de cavitation

Tableau 1 : Variables nécessaires au calcul du NPSH.

Une pompe est probablement victime de cavitation si elle émet un son semblable à celui de graviers ou de billes circulant dans la pompe. Voici quelques suggestions pour réduire la cavitation :

  • Vitesse du moteur : La réduction de la vitesse du moteur de la pompe ralentit la vitesse à laquelle le liquide entre dans la pompe, ce qui réduit la chute de pression à l'entrée.
  • Inducteur de la roue : L'inducteur de l'hélice fonctionne directement en amont de l'hélice. Son but est d'augmenter la pression absolue à l'entrée, ce qui réduit les risques de cavitation.
  • Niveau de liquide à l'entrée : L'augmentation du niveau de liquide à l'entrée peut réduire la possibilité de formation d'un vide.
  • Température : Si possible, réduisez la température des composants du système autour de la pompe ou la température du liquide. Lorsque la température augmente, la pression de vapeur augmente de manière exponentielle.

Cavitation dans les valves

Avec certaines vannes de régulation, il y a une perte de pression importante à l'entrée de la vanne. Les robinets à bille, les robinets-vannes et les robinets à cône sont des exceptions notables, à condition que les utilisateurs suivent la recommandation de ne pas utiliser ces robinets pour réduire le débit. Les vannes de modulation du débit, telles que les vannes à pointeau, les vannes à soupape et les vannes papillon, sont beaucoup plus sensibles à la cavitation en raison des pertes de pression à l'entrée.

Note : Les vannes à bille modulent effectivement le débit dans la vie de tous les jours. Par exemple, ces vannes sont courantes pour les robinets de tuyaux extérieurs ou les éviers de cuisine. Cependant, lorsque la précision est nécessaire, les vannes à bille ne sont pas optimales.

La cavitation commence (c'est-à-dire que des bulles se forment) à l'entrée de la valve. La fin de la cavitation (c'est-à-dire l'implosion des bulles) dépend de la conception de la vanne. Si la récupération de la pression à l'intérieur de la vanne se produit rapidement, comme dans le cas d'une vanne papillon, il se produit une implosion des bulles, ce qui peut endommager le clapet ou le siège de la vanne. Avec le temps, les dommages dus à la cavitation seront suffisamment graves pour nécessiter le remplacement de la valve.

Comment éviter la cavitation dans les vannes

Comme pour les pompes, une bonne conception du système peut réduire de manière significative les dommages causés par la cavitation ; il est essentiel de sélectionner la vanne appropriée pour une application. La taille d'une vanne, ainsi que son coefficient de débit (Cv), jouent un rôle important. Le Cv est le volume d'eau en gallons à 60 °F (16 °C) qui s'écoule chaque minute à travers une vanne avec une chute de pression de 0,07 bar (1 psi) de l'entrée à la sortie. L'équivalent métrique est le facteur de débit (Kv) avec un débit en mètres cubes par heure. Si le Cv est connu, calculez le Kv comme suit :

EQUATION caviation-equation-6

Les vannes avec un Cv trop faible pour un système entraînent des chutes de pression plus importantes à travers la vanne. Si la pression tombe en dessous de la pression de vapeur, les bulles implosent lorsque la pression revient à la sortie de la valve. Si le Cv est trop grand pour le système, le clapet d'une vanne qui étrangle le débit sera très proche du siège de la vanne. Le liquide qui passe le clapet subit une réduction significative de la pression, ce qui peut entraîner une cavitation dans la vanne.

Dans certains cas, la cavitation est inévitable, par exemple dans les applications de liquides à haute température ou à haute viscosité. Cependant, il existe encore des options pour réduire les dommages potentiels de la cavitation.

  • Emplacement de la valve : Si possible, installez une vanne dans une zone à pression relativement élevée, par exemple, au point le plus bas d'un système de tuyauterie. La chute de pression au niveau de la vanne n'est peut-être pas assez faible pour atteindre la pression de vapeur.
  • Plusieurs valves : Si le système nécessite une forte chute de pression (par exemple, un échangeur de chaleur), envisagez d'utiliser plusieurs vannes avec des différentiels de pression modérés pour atteindre le résultat. La chute progressive de la pression peut limiter l'intensité de la cavitation en tout point.
  • Garniture à plusieurs niveaux : Une soupape à plusieurs étages réduit progressivement la chute de pression, ce qui réduit l'accumulation de bulles.
  • Garniture trempée : Si la cavitation est légère (naissante), un matériau de garniture plus dur, tel que la stellite, peut réduire les dommages causés aux composants importants de la vanne.

Cavitation dans les tuyaux

Comprendre la cavitation dans les tuyaux signifie comprendre où et comment se produit la perte de pression. La perte de pression dans un tuyau est facile à comprendre et à calculer à l'aide de l'équation de Hazen-Williams :

EQUATION
  • hfperte de charge due à la friction
  • k : constante basée sur le système d'unités (0,85 pour le système métrique, 1,32 pour le système impérial)
  • Q : Débit volumétrique
  • L : Longueur
  • C : Coefficient de rugosité du tube (1 = lisse, <1 = rugueux)
  • d : Diamètre du tuyau

Et la formule des pertes mineures :

EQUATION
  • hf: perte de charge mineure
  • k : coefficient de perte mineure
  • V : vitesse d'écoulement
  • g : accélération due à la gravité

Et enfin, la formule de la perte totale d'énergie :

EQUATION

Les conclusions importantes de l'équation de Hazen-Williams sont que la longueur du tuyau, le débit du liquide et le diamètre du tuyau jouent un rôle important dans la perte de pression dans un tuyau.

  • Longueur : Plus le tuyau est long, plus la perte de pression est importante.
  • Débit : Plus le débit est élevé, plus la perte de pression est importante.
  • Diamètre du tuyau : Plus le diamètre du tuyau est large, plus la perte de pression est faible.

D'après ces conclusions, la réduction des pertes de pression devrait être aussi simple que l'augmentation du diamètre d'un tuyau. Cependant, les résultats expérimentaux montrent que l'augmentation du diamètre des tuyaux ne réduit la perte de pression qu'aux faibles débits. La raison en est une variable de perte mineure que l'équation Hazen-Williams ne prend pas en compte : la turbulence.

Lorsque le liquide contenu dans un tuyau rencontre les parois du tuyau ou un tournant (par exemple, un raccord coudé), il crée des turbulences. La turbulence dans l'ensemble d'un système, en particulier dans les petits systèmes, ajoute des zones importantes de perte de pression, ce qui augmente la possibilité de cavitation.

Dégâts dus à la cavitation sur la paroi d'un tuyau. cavitation-pipe.jpg

Figure 2 : Dégâts dus à la cavitation sur la paroi d'un tuyau.

Comment éviter la cavitation dans les tuyaux

Lors de la conception d'un système de tuyauterie, certains choix de conception peuvent réduire considérablement la perte de pression et diminuer la possibilité de cavitation.

  • Longueur : Rechercher des moyens de réduire la longueur des sections de tuyauterie lorsque cela est possible.
  • Pompe d'appoint : Les pompes de surpression augmentent la pression dans un liquide. Pour les sections de tuyaux relativement longues (par exemple, les tuyaux de pétrole), déterminez si une ou plusieurs pompes de surpression sont nécessaires pour maintenir la pression au-dessus de la pression de vapeur.
  • Soudage : Si vous soudez des sections de tuyau ensemble, assurez-vous que la surface de soudure à l'intérieur du tuyau n'est pas trop épaisse. Cela peut créer des turbulences, ce qui réduit la pression et peut conduire à la cavitation.
  • Cintrage de tuyaux : Un coude de tuyau entraîne moins de pertes par frottement que le changement de direction abrupt qu'offrent les raccords coudés.
  • Raccords : Chaque ajout d'un raccord (par exemple, des vannes et des joints) à un système de tuyauterie constitue une source de défaillance potentielle, qui peut permettre à l'air de pénétrer dans le tuyau et augmenter la possibilité de cavitation.

FAQs

Qu'est-ce qui provoque la cavitation dans une vanne ?

La pression d'un liquide diminue fortement à l'entrée d'une vanne. Si la pression se réduit à la pression de vapeur du liquide, des bulles se forment. Lors de la récupération de la pression à la sortie, les bulles implosent et causent des dommages.

Qu'est-ce qui provoque la cavitation dans une pompe ?

Si la pression absolue à l'entrée de la pompe n'est pas assez élevée, la chute de pression à travers la pompe sera inférieure à la pression de vapeur du liquide.

Qu'est-ce qui provoque la cavitation dans un tuyau ?

Une perte de pression dans un tuyau due à un dimensionnement inadéquat ou à des turbulences peut provoquer une cavitation.