La cavitation est un phénomène qui concerne généralement les installations, notamment les machines hydrauliques comme les pompes, et se produit quand la pression à l’intérieur du circuit est égale ou baisse au-dessous de la pression de vapeur du fluide déplacé.
LE PHÉNOMÈNE DE CAVITATION
La cavitation est une vaporisation instantanée du fluide, localisée essentiellement dans les zones où la pression absolue est très basse, suivie d’une rapide re-condensation.
Les bulles qui se forment, au moment où elles éclatent, créent des micro-jets à hautes pression s’accompagnant d’une érosion des composants mécaniques atteints.
Les zones principalement concernées sont les parties où le fluide est en contact avec les surfaces solides des pompes (turbine et corps) ou celles où le fluide est en contact avec de petites particules en suspension ; la cavitation se manifeste par de sensibles claquements et vibrations.
Concrètement, la cavitation entraîne une série de dommages en cascade :
- Érosion des composants mécaniques en contact direct avec le fluide
- Baisse du rendement, dû aux tourbillons qui se forment en raison de l’irrégularité de la surface
- Vibrations excessives causées par le déséquilibrage du poids et par la haute vitesse de rotation de la turbine
- Diminution de la durée de vie utile de la pompe/du circuit due à une usure précoce des organes mécaniques (ex. roulements, joints d’étanchéité…)
- Rupture
PRÉVENTION DE LA CAVITATION
Ce phénomène est dû à la présence de certaines situations comme :
- Hauteur élevée
- Énormes pertes de charge sur le tronçon d’entrée de la pompe
- Différence de hauteur entre pompe et surface libre du fluide
- Forte valeur de la tension de vapeur du liquide (laquelle augmente avec la température)
Un instrument mathématique peut être utilisé pour réduire le risque de cavitation.
Prenons le NPSH ou Net Positive Suction Head, généralement exprimé en mètres.
Cet instrument doit être distingué en deux composants :
- NPSHa (available), c’est-à-dire l’énergie que le fluide possède en entrée du conduit d’aspiration moins l’énergie relative à la pression de vapeur du fluide spécifique.
NPSHr (required), c’est-à-dire l’énergie que le fluide perd dans le conduit d’aspiration, jusqu’à ce qu’il arrive à l’intérieur de la pompe (généralement, le NPSHr se calcule de façon expérimentale et est fourni par le constructeur de pompes)
Avec
- Ci vitesse du flux dans la section i
- Pi pression du fluide dans la section i
- Ps pression de vapeur du fluide à la température de processus
- W1 vitesse relative du fluide à l’entrée de la turbine
- Λ coefficient de perte
- Δpc pertes de charge le long du conduit d’aspiration
La cavitation est évitée quand NPSHa > NPSHr.
Le recours à d’autres stratagèmes pour éviter la cavitation, en matière d’installations, est courant :
- Utilisation de pompes en série
- Positionnement de la pompe à proximité du réservoir d’aspiration et sous le niveau du fluide
- Réduction de la longueur du tronçon d’aspiration, et donc des pertes de charge
- Réduction de la vitesse de la turbine et/ou du débit
- Travail à une température non excessive pour abaisser la pression de vapeur
- Réduction de la vitesse d’entrée du fluide dans la pompe, en utilisant un diamètre supérieur en aspiration
CONCLUSIONS
Il est donc nécessaire, au moment de la conception de l’installation, de tenir compte de ce phénomène et des conséquences qu’il peut avoir sur les différents équipements.
