Une
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.
Si 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"
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 F
L 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 F
L
plus élevé on peut éloigner les conditions d'apparition de la
cavitation. On préférera une vanne à soupape (ou à clapet) avec un F
L =0,9 à une vanne papillon ou à boule pour lesquelles F
L=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.
Les 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.