Qu'est-ce qui cause la cavitation d'une vanne de régulation ?

La cavitation d'une vanne de régulation est une préoccupation courante dans les services liquides, surtout lorsqu'une vanne fonctionne avec une forte perte de charge. Elle peut causer un bruit excessif, des vibrations, des dommages au garnissage et des performances instables de la vanne.

La cavitation se produit lorsque la pression d'un liquide chute suffisamment bas lors de son passage dans une vanne de régulation, provoquant la formation de bulles de vapeur. Si la pression se rétablit ensuite, ces bulles peuvent s'effondrer violemment et endommager les surfaces voisines de la vanne.

Comprendre ce qui cause la cavitation est important lors de la sélection et du dimensionnement des vannes de régulation pour des applications de processus exigeantes.

1. Qu'est-ce que la cavitation d'une vanne de régulation ?

La cavitation se produit lorsque la pression locale d'un liquide tombe à sa pression de vapeur ou en dessous, lorsque le liquide passe à travers une restriction.

À l'intérieur d'une vanne de régulation, la vitesse d'écoulement la plus élevée et la pression locale la plus basse se produisent généralement autour de la vena contracta. Si la pression à ce point devient suffisamment basse, des bulles de vapeur peuvent se former.

Lorsque le liquide se déplace en aval, sa vitesse diminue et la pression commence à se rétablir. Si la pression remonte au-dessus de la pression de vapeur du liquide, les bulles de vapeur s'effondrent.

Cette formation et cet effondrement répétés de bulles de vapeur sont ce qui crée la cavitation.

La cavitation ne se produit que dans les services liquides. Les gaz et les vapeurs ne subissent pas ce type de phénomène de cavitation liquide.

2. Qu'est-ce qui cause la cavitation dans une vanne de régulation ?

Plusieurs conditions de processus et de vanne peuvent contribuer à la cavitation.

Forte perte de charge

Une forte perte de charge à travers la vanne augmente la probabilité que la pression locale à la vena contracta tombe en dessous de la pression de vapeur du liquide.

C'est l'un des facteurs les plus importants dans l'évaluation de la cavitation.

Applications avec :

• Haute pression d'entrée
• Basse pression aval
• Grand différentiel de pression
• Haute vitesse d'écoulement

peuvent nécessiter une attention particulière lors du dimensionnement et de la sélection de la vanne.

Basse pression aval

La pression en aval de la vanne affecte la récupération de pression.

Si les conditions du processus entraînent une réduction significative de la pression à travers la vanne, la pression locale peut atteindre la pression de vapeur du liquide.

Haute température du liquide

La pression de vapeur dépend fortement de la température du liquide.

À mesure que la température du liquide augmente, sa pression de vapeur augmente généralement. Cela signifie qu'un liquide peut devenir plus sensible à la formation de vapeur à des températures plus élevées.

Haute vitesse d'écoulement

Une vitesse élevée à travers la vanne augmente la réduction de pression associée à la restriction.

La géométrie de la vanne, la conception du garnissage et la zone d'écoulement influencent tous la vitesse et le profil de pression résultants.

3. Pourquoi la cavitation est-elle nuisible ?

Une cavitation incontrôlée peut créer plusieurs problèmes.

Bruit

L'effondrement rapide des bulles de vapeur peut générer un bruit important. Le son peut ressembler à du gravier ou à des particules se déplaçant dans la vanne.

Vibrations

La formation et l'effondrement répétés des bulles peuvent créer des vibrations dans la vanne et la tuyauterie connectée.

Des vibrations sévères peuvent affecter les composants de la vanne, le montage de l'actionneur et l'instrumentation.

Dommages au garnissage

Les dommages dus à la cavitation apparaissent couramment sous forme de piqûres et de surfaces rugueuses sur le garnissage de la vanne ou d'autres composants exposés à l'effondrement des bulles.

Si la cavitation est sévère, les dommages peuvent s'étendre au-delà de la vanne dans la tuyauterie aval.

Réduction des performances de contrôle

Une cavitation sévère peut interférer avec un contrôle d'écoulement stable et peut raccourcir la durée de vie de la vanne.

4. Comment vérifier le risque de cavitation

La cavitation doit être évaluée lors du processus de dimensionnement de la vanne de régulation.

Les informations importantes sur le processus comprennent :

• Type de fluide
• Débit
• Pression amont
• Pression aval
• Température de fonctionnement
• Pression de vapeur
• Densité du fluide
• Taille de la vanne
• Type de vanne
• Perte de charge requise

Les méthodes de dimensionnement des vannes de régulation utilisent la récupération de pression et les paramètres de fluide associés pour évaluer le potentiel de cavitation et d'écoulement étranglé.

Comparer simplement la pression d'entrée et de sortie n'est pas toujours suffisant car la pression à la vena contracta peut être considérablement plus basse que la pression aval.

5. Comment réduire la cavitation d'une vanne de régulation ?

La solution dépend de la gravité et des conditions de fonctionnement.

Réduire la perte de charge par étage

Au lieu de laisser toute la perte de charge se produire en une seule restriction sévère, un garnissage de vanne spécialisé peut répartir la réduction de pression sur plusieurs étages.

Cela réduit la perte de pression locale et aide à contrôler la formation de vapeur.

Utiliser un garnissage anti-cavitation

Un garnissage anti-cavitation spécialisé peut contrôler le profil de pression et de vitesse à l'intérieur de la vanne.

Par exemple, le garnissage Fisher Cavitrol III utilise plusieurs restrictions d'écoulement pour étager la perte de charge et réduire les effets dommageables de la cavitation.

Pour les applications plus exigeantes, des vannes spécialisées telles que la Fisher CAV4 sont conçues pour les services de cavitation à forte perte de charge.

Examiner le dimensionnement de la vanne

Une vanne mal dimensionnée peut fonctionner dans des conditions qui augmentent la vitesse et la perte de charge.

La vanne doit être dimensionnée en fonction des conditions réelles minimales, normales et maximales du processus plutôt que de simplement correspondre au diamètre de la conduite.

Considérer la géométrie de la vanne

La géométrie du corps et du garnissage de la vanne affecte la récupération de pression.

Les conceptions de vannes à haute récupération peuvent être plus sensibles à la cavitation dans certaines conditions car la pression à la vena contracta peut chuter de manière significative.

6. Cavitation vs Écoulement étranglé

La cavitation et l'écoulement étranglé sont liés, mais ils ne sont pas exactement la même chose.

L'écoulement liquide étranglé se produit lorsque l'augmentation de la perte de charge ne produit plus une augmentation correspondante du débit.

La cavitation peut se produire dans le cadre de cette condition d'écoulement étranglé lorsque la pression liquide locale tombe à la pression de vapeur et que des bulles de vapeur se forment.

Par conséquent, une vanne fonctionnant près d'une condition d'écoulement étranglé nécessite une évaluation minutieuse du risque de cavitation.

7. Applications courantes où la cavitation peut se produire

La cavitation est plus susceptible de devenir une préoccupation dans les applications impliquant des pertes de charge élevées, notamment :

• Alimentation en eau des chaudières
• Contrôle de refoulement de pompe
• Abaissement de liquide haute pression
• Traitement du pétrole et du gaz
• Usines pétrochimiques
• Traitement chimique
• Production d'énergie
• Systèmes d'eau haute pression

Les vannes de régulation pour services sévères sont couramment utilisées dans les applications impliquant des pertes de charge élevées, la cavitation, l'érosion, les vibrations et d'autres conditions exigeantes.

8. Quelles informations doivent être fournies pour la sélection de la vanne ?

Si la cavitation est suspectée, fournissez les informations suivantes lors de la demande d'un devis de vanne de régulation :

• Type de fluide / liquide
• Débit minimum, normal et maximum
• Pression d'entrée
• Pression de sortie
• Température de fonctionnement
• Pression de vapeur
• Densité spécifique ou densité
• Taille de la conduite
• Taille de la vanne
• Plage de contrôle requise
• Modèle de vanne existant, le cas échéant

Ces informations permettent au fournisseur ou à l'ingénieur de vanne d'évaluer le profil de pression et de déterminer si un garnissage standard ou une solution anti-cavitation est nécessaire.

Conclusion

La cavitation des vannes de régulation est principalement associée aux services liquides, aux fortes pertes de charge et aux basses pressions locales.

Le processus de base est le suivant :

Haute vitesse d'écoulement → Basse pression à la vena contracta → Formation de bulles de vapeur → Rétablissement de la pression → Effondrement des bulles → Bruit, vibrations et dommages

La prévention de la cavitation sévère commence par un dimensionnement correct de la vanne et une évaluation du processus. Selon l'application, les solutions peuvent inclure une réduction de pression étagée, un garnissage anti-cavitation spécialisé, une géométrie de vanne appropriée et des matériaux adaptés.

Nous fournissons des vannes de régulation industrielles et des positionneurs de vannes pour des applications de processus exigeantes, y compris des solutions de Fisher, Samson, Masoneilan, Flowserve, Koso et d'autres fabricants.

Si vous êtes confronté à du bruit de vanne, des vibrations ou des dommages répétés au garnissage, fournissez le modèle de vanne et les conditions du processus pour un examen de configuration.