Cavitation dans les pompes, les vannes et les tuyaux

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 problèmes majeurs 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 ?
• Cavitation dans les pompes
• Cavitation dans les valves
• Cavitation dans les tuyaux
• FAQ

Qu'est-ce que la cavitation ?

La cavitation est un processus en deux parties. Tout d'abord, la pression dans un système liquide tombe 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 vanne, une paroi de tuyau ou une roue de pompe), il s'agit d'un dommage par piqûre. Si elle n'est pas traitée, la cavitation endommagera gravement ces composants au fil du temps, réduisant ainsi leur efficacité. Lisez notre article sur la cavitation pour plus d'informations sur la cavitation et le clignotement.

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 hauteur atmosphérique, ou hauteur de pression, peut pousser le liquide vers l'entrée. La cavitation commence si la pression à l'entrée tombe en dessous de la pression de la vapeur.
  • Réservoir situé sous la pompe : Une pompe crée une tête d'aspiration pour extraire 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, ce qui permet la cavitation.
• Cavitation sous vide : D'autres causes de vide dans une conduite d'aspiration sont un filtre encrassé, une entrée bouchée, un parcours de tuyauterie trop long, des tuyaux restreints ou affaissés, ou un fluide trop visqueux (par exemple, de l'huile refroidie). Dans chaque cas, il n'y a pas assez de liquide dans la pompe, ce qui permet à la vapeur de pénétrer.
• Aération : L'aération désigne l'entrée d'air dans un système, qu'elle soit intentionnelle ou non. Dans les systèmes de pompage, de 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 de dommages par piqûres comme le fait la cavitation vaporeuse. Cependant, la cavitation gazeuse peut réduire de manière significative l'efficacité des systèmes hydrauliques et de lubrification.

Comment éviter la cavitation dans les pompes

La première étape pour éviter la cavitation dans les pompes est une conception adéquate du système. Cela signifie qu'il faut s'assurer que la hauteur d'aspiration positive nette (NPSH) de l'entrée est suffisamment élevée. Le NPSH mesure l'augmentation de la pression absolue par rapport à la pression de vapeur du liquide qui s'écoule. Le tableau 1 détaille les variables qui sous-tendent le NPSH. La combinaison des trois premières composantes, la hauteur de pression, la hauteur atmosphérique et la hauteur de vitesse, donne la pression absolue, ou.. :

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

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

Tableau 1 : Variables nécessaires au calcul du NPSH.

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
Tête atmosphérique	La pression atmosphérique agissant sur la surface de la colonne d'eau
Tête de vitesse	L'énergie cinétique du liquide qui s'écoule dans la pompe
Tête de pression de vapeur	Pression de vapeur du liquide à la température d'écoulement

Une pompe est probablement victime de cavitation si elle émet un bruit de gravier ou de billes qui circulent 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, réduisant ainsi la chute de pression à l'entrée.
• Inducteur de roue : L'inducteur de roue fonctionne directement en amont de la roue. Son but est d'augmenter la pression absolue à l'entrée, réduisant ainsi le risque 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

Certaines vannes de régulation subissent une perte de pression importante à l'entrée de la vanne. Les vannes à bille, les vannes à guillotine et les vannes à cône sont des exceptions notables, à condition que les utilisateurs respectent la recommandation de ne pas utiliser ces vannes pour réduire le débit. Les vannes à régulation de 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 robinets à boisseau sphérique modulent le débit dans la vie de tous les jours. Par exemple, ces vannes sont couramment utilisées pour les robinets d'arrosage extérieurs ou les éviers de cuisine. Cependant, lorsque la précision est nécessaire, les vannes à bille ne sont pas optimales. Lisez notre article sur les vannes à bille caractérisées pour plus de détails.

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 soupape. Si la récupération de la pression à l'intérieur de la soupape se fait rapidement, comme dans le cas d'une soupape à papillon, il y a implosion de la bulle, ce qui risque d'endommager le clapet ou le siège de la soupape. Avec le temps, les dommages causés par la cavitation seront suffisamment graves pour nécessiter le remplacement de la valve.

Comment éviter la cavitation dans les vannes

Comme pour les pompes, une conception adéquate du système peut réduire de manière significative les dommages causés aux vannes par la cavitation ; il est essentiel de choisir la bonne vanne pour une application donnée. 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 16 °C (60 °F) qui s'écoule chaque minute à travers une vanne avec une chute de pression de 0,07 bar (1 psi) entre l'entrée et 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 :

Les vannes ayant un Cv trop petit pour un système entraînent des pertes de charge plus importantes au niveau de la vanne. Si la pression tombe en dessous de la pression de la vapeur, les bulles implosent lorsque la pression se rétablit à la sortie de la soupape. Si le Cv est trop grand pour le système, le clapet d'une vanne qui étrangle le débit se trouvera très près du siège de la vanne. Le liquide qui traverse le clapet subit une réduction significative de la pression, ce qui peut entraîner une cavitation à l'intérieur de 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 soupape 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 peut ne pas être suffisamment faible pour atteindre la pression de vapeur.
• Vannes multiples : Si le système nécessite une chute de pression importante (par exemple, un échangeur de chaleur), il convient d'envisager l'utilisation de plusieurs vannes avec des différentiels de pression modérés pour obtenir le résultat recherché. La chute progressive de la pression peut limiter l'intensité de la cavitation en un point donné.
• Garniture à plusieurs niveaux : Un compensateur à plusieurs étages dans une vanne réduit progressivement la chute de pression, ce qui réduit l'accumulation de bulles.
• Garniture trempée : Si la cavitation est légère (débutante), un matériau de garniture plus dur, tel que le stellite, peut réduire les dommages causés aux composants importants de la vanne.

Cavitation dans les tuyaux

Comprendre la cavitation dans les canalisations, c'est comprendre où et comment se produit la perte de pression. La perte de pression dans une conduite est facile à comprendre et à calculer à l'aide de l'équation de Hazen-Williams :

• h_f:perte de charge due au frottement
• 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 tuyau (1 = lisse, <1 = rugueux)
• d : Diamètre du tube

Et la formule des pertes mineures :

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

Enfin, la formule de la perte totale d'énergie :

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

• 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 tube : Plus le diamètre du tuyau est large, moins la perte de pression est importante.

Selon 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'à de faibles débits. La raison en est une variable de perte mineure que l'équation de Hazen-Williams ne prend pas en compte : la turbulence.

Lorsque le liquide contenu dans une conduite rencontre les parois de la conduite ou un tournant (par exemple, un coude), il crée des turbulences. La turbulence dans l'ensemble d'un système, en particulier dans les petits systèmes, ajoute des zones significatives de perte de pression, augmentant ainsi le risque de cavitation.

Comment éviter la cavitation dans les tuyaux

Lors de la conception d'un système de tuyauterie, certains choix de conception peuvent réduire de manière significative la perte de pression et diminuer le risque de cavitation.

• Longueur : Rechercher des moyens de réduire la longueur des sections de tuyauterie lorsque cela est possible.
• Pompe de surpression : Les pompes de surpression augmentent la pression d'un liquide. Pour les sections de conduites relativement longues (par exemple, les conduites de pétrole), déterminez si une ou plusieurs pompes de surpression sont nécessaires pour maintenir la pression au-dessus de la pression de la 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 entraîner une cavitation.
• Cintrage de tuyaux : Un coude de tuyau entraîne moins de pertes par frottement que le changement brusque de direction qu'offrent les raccords coudés.
• Raccords : Chaque ajout d'un raccord (par exemple, vannes et joints) à un système de tuyauterie constitue une source de défaillance potentielle, qui peut permettre à l'air de pénétrer dans la tuyauterie et augmenter le risque de cavitation.

FAQ

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

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

Quelles sont les causes de la cavitation dans une pompe ?

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

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

La perte de pression dans une conduite due à un mauvais dimensionnement ou à des turbulences peut provoquer une cavitation.