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Cavitation dans les vannes de réglage

Modèlisation de l'écoulement dans une vanneUne vanne de réglage crée un étranglement du fluide dont elle ajuste le débit. Le fluide accélère dans le passage de l'orifice de la vanne. Il atteint sa vitesse maximum un peu après le point le plus étroit de l'orifice, dans une zone appelée "vena contracta". A ce point il atteint sa plus grande vitesse et sa plus faible pression en application de la loi de Bernoulli.
Passé ce point le fluide décélère et récupère en partie de la pression. Pour une vanne à soupape, la chute de pression maximum est d'environ 125% de la perte de charge de la vanne. Cela est sans conséquence jusqu'à ce que la pression minimum atteinte devienne inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide. Alors des bulles de gaz se forment rapidement au sein du liquide.
Profil de pression en cas de cavitationSi la pression du liquide redevient supérieure à sa pression de vapeur saturante, ces bulles de gaz collapsent rapidement en générant une onde de choc et réintègrent la phase liquide. C'est le phénomène de cavitation.
Si la pression en aval de la vanne est établie à une valeur inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide en amont, une phase gazeuse persistera en aval de la vanne. Généralement seule une fraction du liquide est vaporisé et l'écoulement sera biphasique. Des portions de liquide seront entraînées à grande vitesse par le flux gazeux.
La cavitation comme le flash dans les vannes de réglage peuvent avoir les effets négatifs suivants:
 - restriction du débit liquide
 - génération de sévères vibrations
 - érosion des surfaces métalliques
 - bruit important

Pression à la "vena contracta"

 Pression minimum à la "vena contracta":
  Equation de débit dans une vanne de réglage en écoulement critique  
 
avec:
 Pvc: pression minimum  (bar abs)
 FL: facteur de récupération
de pression liquide
 P1: pression amont (bar abs)
 P2: pression aval (bar abs)
 
La pression minimale atteinte lors de la contraction de la veine liquide dépend d'un facteur de récupération de pression qui est une caractéristique de la vanne. Le constructeur le détermine expérimentalement et sa valeur est publiée dans la documentation de la vanne.
La pression minimale atteinte qui peut être calculée en utilisant l'équation ci-contre n'est valide que tant que la densité du liquide demeure constante, c'est à dire tant qu'aucune bulle de gaz ne se forme.


Débit critique

Quand la différence de pression de part et d'autre de la vanne augmente, le débit augmente parallèlement. Quand il y a cavitation, les bulles de gaz formées augmentent également et limitent l'augmentation du débit jusqu'à la situation où le débit cesse d'augmenter alors que la différence de pression augmente. Cette situation est nommée écoulement critique.
Les conditions d'écoulement critique varient avec les types de vannes. Plus le facteur de récupération de pression FL d'une vanne est élevé, plus la différence de pression admissible sera grande.

Compensations au risque de cavitation

Eviter la cavitation

En sélectionnant un type de vanne offrant un facteur de récupération de pression FL plus élevé on peut éloigner les conditions d'apparition de la cavitation. On préférera une vanne à soupape (ou à clapet) avec un FL =0,9 à une vanne papillon ou à boule pour lesquelles FL=0,6.
La cavitation peu aussi être évitée en ajoutant une plaque à orifice en aval de la vanne afin de répartir la perte de charge totale entre les deux. Ceci n'est possible que si les conditions de débit varient peu. En cas de débit plus faible que prévu, la totalité de la perte de charge serait à nouveau supportée par la vanne seule avec la cavitation qui va avec.
Enfin il peut être utile de réviser les conditions opératoires afin de réduire si possible la différence de pression entre les réseaux amont et aval.

Choisir un clapet adapté à la cavitation

Indice de résistance à la cavitation des matériaux
Stellite 20
Acier chromé 5
Inox 304 / 316 1
Monel 400 0,8
Fonte grise 0,75
Acier faible teneur en Cr (5%) 0,7
Acier carbone (WCB) 0,4
Bronze (B16) 0,08
Acier nickelé 0,07
Aluminium 0,006
Source: Parcol Valve Handbook
Certains clapets sont plus tolérants que d'autres à une cavitation modérée. Ils font appel à des matériaux plus durs pour les organes sensibles, en pièces massives ou en revêtements de surface (céramique, stellite, carbure de tungstène ...).
Le bruit généré sera toujours aussi important, mais les dégâts occasionnés seront moindres.


Choisir un clapet qui prévient la cavitation

Certains clapets permettent une détente en plusieurs étapes, chacune étant suffisamment modérée pour limiter l'apparition des bulles gazeuses.


Précautions à prendre en cas de flash

L'entraînement de liquide par le gaz à grande vitesse peut générer de l'érosion dans le corps de vanne et les tuyauteries aval. L'utilisation d'acier carbone, trop tendre est à éviter. Lui préférer des aciers inoxydables ou chrome-molybdène plus durs.
Clapet à cageLes clapets à cage avec leurs multiples trous de détente sont mieux adaptés que les clapets standards pour réduire les vibrations et obtenir un débit stable.



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