Vanne de régulation : ébullition vs cavitation, quelle est la différence ?

L'ébullition et la cavitation sont deux phénomènes de fluide courants associés aux chutes de pression à travers les vannes de régulation. Les deux peuvent se produire lorsqu'un liquide traverse une vanne et que sa pression locale tombe à ou en dessous de la pression de vapeur du liquide.

Étant donné que les deux conditions impliquent des bulles de vapeur, elles sont parfois confondues.

La différence clé réside dans ce qui arrive à ces bulles après que le liquide quitte la vanne.

L'ébullition se produit lorsqu'un liquide se vaporise en traversant une vanne de régulation et reste partiellement vaporisé en aval.Dans le cas de la cavitation, la pression remonte au-dessus de la pression de vapeur et les bulles de vapeur s'effondrent.1. Qu'est-ce que l'ébullition ?

L'ébullition se produit lorsqu'un liquide se vaporise en traversant une vanne de régulation et reste partiellement vaporisé en aval.Le processus commence lorsque la pression locale tombe à ou en dessous de la pression de vapeur du liquide.Si la pression aval reste inférieure à la pression de vapeur, les bulles de vapeur ne s'effondrent pas.

Au lieu de cela, le mélange liquide-vapeur continue en aval.

Une application de vanne de régulation est généralement considérée comme en ébullition lorsque :

P₂ < Pᵥ

où :

P₂

= pression aval

Pᵥ= pression de vapeur du liquide

L'ébullition peut causer une érosion importante car le mélange liquide-vapeur à haute vitesse peut impacter continuellement les surfaces de la vanne et de la tuyauterie.

• 2. Qu'est-ce que la cavitation ?La cavitation commence de manière similaire.
• Lorsque le liquide traverse la restriction à l'intérieur d'une vanne de régulation, la vitesse augmente et la pression locale diminue.Si la pression à la vena contracta atteint la pression de vapeur du liquide, des bulles de vapeur peuvent se former.

La différence se produit en aval.

Si la pression du liquide remonte au-dessus de la pression de vapeur, les bulles s'effondrent.

Cet effondrement libère de l'énergie et peut produire :

Bruit

Vibrations

Piquage

Dommages au garnissage

Réduction des performances de la vanne

• Souvent important
• Garnissage anti-cavitation / chute de pression étagée
• Caractéristique
• Ébullition
• Cavitation

Fluide

Liquide

La principale préoccupation est donc l'érosion continue due à l'écoulement diphasique à haute vitesse.Les dommages dus à l'ébullition peuvent avoir une apparence relativement lisse et polie, ce qui diffère du piquage rugueux couramment associé à la cavitation.

En service de cavitation, des bulles de vapeur se forment lorsque la pression locale devient suffisamment basse.

Lorsque la pression remonte en aval, les bulles s'effondrent.

Si l'effondrement se produit près d'une surface métallique, l'énergie libérée lors de l'effondrement des bulles peut causer des dommages localisés.

Un effondrement répété peut produire une surface rugueuse et piquée sur le garnissage de la vanne.

Dans les cas graves, les dommages peuvent s'étendre à la tuyauterie aval.

6. Comment identifier l'ébullition ou la cavitation ?Quelques signes pratiques peuvent aider à identifier le problème.Signes possibles de cavitation

Bruit fort

Vibrations importantes

Garnissage de vanne piqué

Défaillance répétée du garnissage

Contrôle instable

Dommages près de la zone de récupération de pression

Signes possibles d'ébullition

Érosion continue

Surfaces endommagées lisses ou polies

• Écoulement diphasique en aval
• Vitesse aval élevée
• Érosion de la sortie de la vanne et de la tuyauterie aval
• Cependant, l'inspection visuelle seule ne suffit pas à déterminer la condition d'écoulement exacte.
• La pression du procédé, la température, le débit et la pression de vapeur du liquide doivent être examinés.
• 7. Comment contrôler la cavitation ?

Étant donné que la cavitation est liée à la récupération de pression et à l'effondrement des bulles, l'objectif est de réduire ou de contrôler les conditions qui permettent un effondrement de bulles dommageable.

• Les approches possibles comprennent :
• Réduction de pression étagée
• Un garnissage spécialisé peut diviser la chute de pression en plusieurs étapes.
• Garnissage anti-cavitation
• Les cages et les passages d'écoulement peuvent être conçus pour contrôler la vitesse et la récupération de pression.

Dimensionnement correct de la vanne

Un dimensionnement correct permet d'éviter une vitesse inutilement élevée et une chute de pression excessive.

Sélection appropriée de la vanne

La géométrie du corps et du garnissage de la vanne peut avoir un impact majeur sur la récupération de pression et le risque de cavitation.

Par exemple, le garnissage Fisher Cavitrol III est conçu pour étager la réduction de pression dans les applications de cavitation.

8. Comment réduire les dommages dus à l'ébullition ?

L'ébullition ne peut pas être simplement éliminée en changeant la vanne de régulation car elle est déterminée par les conditions du procédé.

Si la pression aval reste inférieure à la pression de vapeur du liquide, l'ébullition peut se produire.

L'objectif est donc de gérer l'érosion résultante.

Les approches courantes comprennent :

Sélection de matériaux résistants à l'érosion

Réduction de la vitesse locale du fluide

Utilisation d'une géométrie de vanne appropriée

Protection des surfaces de vanne vulnérables

Augmentation de la surface d'écoulement aval

Sélection de conceptions de vannes appropriées pour services sévères

Emerson note que l'ébullition est une condition de système et recommande de sélectionner une géométrie et des matériaux de vanne qui minimisent l'érosion plutôt que de tenter de prévenir l'ébullition elle-même.

9. La même vanne peut-elle être utilisée pour l'ébullition et la cavitation ?Pas nécessairement.

Pour la cavitation, l'objectif de conception est généralement de contrôler la chute de pression et de prévenir ou de réduire l'effondrement de bulles dommageable.

• Pour l'ébullition, l'objectif de conception est davantage axé sur la gestion de l'écoulement diphasique à haute vitesse et la minimisation de l'érosion.
• Les vannes de régulation pour services sévères peuvent être conçues pour des combinaisons spécifiques de cavitation, d'ébullition, d'érosion, de chute de pression élevée et de vitesse élevée.
• 10. Quelles données de procédé sont nécessaires ?
• Lors de l'évaluation de l'ébullition ou de la cavitation, fournissez :
• Nom du fluide
• Débit

Pression amont

Pression aval

Température de fonctionnement

Pression de vapeur

Densité du fluide

Taille de la tuyauterie

Taille de la vanne

Type de vanne

Chute de pression requise

• Pour une vanne existante, fournissez également le modèle de la vanne et les informations sur le garnissage si disponibles.
• Cela permet au fournisseur de vanne d'évaluer les conditions de pression réelles au lieu de diagnostiquer le problème uniquement sur la base du bruit ou des dommages visibles.
• Conclusion
• L'ébullition et la cavitation commencent dans une condition similaire : la pression du liquide tombe suffisamment bas pour que des bulles de vapeur se forment.
• La principale différence est ce qui se passe ensuite :
• Ébullition :
• Formation de vapeur → La pression aval reste inférieure à la pression de vapeur → La vapeur reste dans l'écoulement
• Cavitation :
• Formation de vapeur → La pression aval remonte → Les bulles de vapeur s'effondrent
• Cette différence entraîne des mécanismes de dommages différents.
• L'ébullition est principalement associée à l'érosion due à l'écoulement liquide-vapeur à haute vitesse, tandis que la cavitation peut causer un piquage sévère, du bruit et des vibrations dus à l'effondrement des bulles de vapeur.

Un dimensionnement correct de la vanne, des données de procédé précises et une sélection appropriée de la vanne ou du garnissage sont importants pour les deux conditions.

Pour les applications de services sévères, nous pouvons fournir des vannes de régulation et des solutions de vannes spécialisées de Fisher, Flowserve, Masoneilan, Samson, Koso et d'autres fabricants.

Si vous rencontrez de l'érosion, du bruit ou des vibrations de vanne, fournissez les conditions du procédé et le modèle de vanne existant pour un examen technique.