La cavitation est la plus grande menace pour le fonctionnement des pompes

La détection précoce par la surveillance permet d'éviter les dommages

En tête du top 10 des problèmes de pompe figure le phénomène de cavitation qui, s'il n'est pas traité, peut entraîner des défaillances (graves) de la pompe, des dommages au corps de pompe et/ou à la roue, des nuisances sonores et une consommation d'énergie excessive, entre autres choses. Heureusement, la technologie a trouvé une solution à ce problème: la surveillance de la cavitation.

(Dys)fonctionnement

Un mauvais fonctionnement peut entraîner des dommages (permanents) à la pompe elle-même et/ou à l'équipement qui y est raccordé. Parmi les causes du problème, il y a entre autres:

• des fuites au niveau des étanchéités, des joints et/ou des tuyaux;
• l'emprisonnement d'air ou de gaz;
• des débris ou des sédiments dans le liquide pompé.

Souvent, ces problèmes résultent d'erreurs de conception, d'erreurs de spécification (par exemple, un NPSH trop faible) et/ou d'un mauvais alignement (par exemple, un alignement incorrect de la pompe et du moteur). La modification des paramètres du processus peut également causer des problèmes. Un exemple est la construction d'un deuxième réservoir, ce qui fait augmenter la distance jusqu'à la pompe mais pas le diamètre de la conduite d'alimentation. La solution consiste alors à réduire la vitesse ou à ajuster les conditions d'aspiration, en augmentant le diamètre de la conduite d'aspiration ou en plaçant une deuxième pompe plus près du réservoir.

Glossaire
Débit: mesure de la quantité de liquide/gaz s'écoulant à travers une section donnée de tuyau, de tube ou de canalisation par unité de temps, généralement exprimée en litres par seconde (l/s) ou en mètres cubes par heure (m³/h).
Micro-jets: petits jets particulièrement puissants créés dans un liquide suite à l'implosion de bulles de vapeur ou de gaz. La bulle est pénétrée par le côté où la pression est la plus élevée, à des vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde.
NPSH, contraction de Net Positive Suction Head: paramètre décrivant les conditions de pression à l'aspiration de la pompe:
- NPSHa est la hauteur de pression réelle disponible à l'aspiration de la pompe;
- NPSHr est la hauteur de pression minimale requise pour éviter la cavitation.
Pitting ou corrosion par piqûres: une forme de corrosion dans laquelle de petits trous/piqûres profonds se forment à la surface du matériau. Bien que relativement petits, ils peuvent sérieusement endommager et affaiblir le matériau en question.
Dynamique des flux: domaine qui étudie les paramètres vitesse, pression, densité et température des fluides en mouvement (dynamique des fluides) ou des gaz (dynamique des gaz) afin de comprendre les schémas d'écoulement et les phénomènes tels que la turbulence et la résistance.

Déroulement de la cavitation

La cavitation figure sans aucun doute en tête du top 10 des fauteurs de troubles, en raison de ses conséquences considérables sur l'efficacité, la fiabilité et la durée de vie d'une pompe. Lorsque la pression locale d'un fluide tombe en dessous de la pression de vapeur, des bulles de cavitation se forment, généralement là où la vitesse d'écoulement est élevée et la pression faible, par exemple du côté de l'aspiration de la pompe. Ces bulles se développent tellement que la pression ambiante est inférieure à la pression de vapeur. Lorsque la pression est plus élevée, par exemple du côté du refoulement de la pompe, la pression dépasse à nouveau la pression de vapeur et les bulles s'effondrent ou implosent rapidement. Cette implosion crée de puissantes ondes de choc et des micro-jets.

Les bulles de cavitation continuent à se développer tant que la pression reste inférieure à la pression de vapeur

Chute de pression

La chute de la pression locale en dessous de la pression de vapeur est liée à la dynamique de l'écoulement et aux caractéristiques de conception de la pompe ou du système. Les causes peuvent être les suivantes:

• une augmentation locale de la vitesse du fluide lorsqu'il traverse un passage étroit ou un obstacle, entraînant une augmentation de la pression du côté de l'aspiration ou dans les sections étroites de la tuyauterie;
• une diminution de la pression du côté de l'aspiration en raison d'une valeur NPSH trop faible, par exemple en raison d'une résistance trop élevée dans la conduite d'aspiration;
• une diminution de la pression de vapeur due à des températures élevées: le risque de cavitation augmente lorsque le liquide entre en ébullition;
• une turbulence avec des fluctuations de la pression et de la vitesse. Les bulles de cavitation se propagent plus rapidement sous l'influence des turbulences et implosent également de manière plus vigoureuse et irrégulière;
• une résistance élevée dans les vannes et/ou les conduites, qui entraîne des chutes de pression localisées. C'est notamment le cas dans la conduite d'aspiration d'une pompe.

Liquides présentant un risque accru de cavitation
- l'acétone (propanone), dont la pression de vapeur est très élevée et qui s'évapore rapidement;
- les alcools ont une pression de vapeur relativement élevée et une faible viscosité;
- l'essence et l'huile légère ont des pressions de vapeur plus élevées que beaucoup d'autres liquides, une propriété importante pour les pompes à carburant et les systèmes d'injection;
- l'eau, dont la pression de vapeur augmente considérablement avec la température, d'où un risque de cavitation accru à des températures plus élevées.
Pour les liquides dans lesquels un gaz est dissous, par exemple le CO₂ dans les boissons gazeuses, la cavitation peut se produire lorsque la pression est réduite (trop) rapidement.

Types de cavitation

• la cavitation inertielle se produit en raison de changements soudains de la vitesse d'écoulement du fluide, par exemple en raison d'un changement de pression rapide ou d'une onde de choc. Les bulles de cavitation ainsi créées implosent;
• la cavitation structurelle résulte de turbulences sur les bords ou dans les fissures, par exemple, ce qui doit être pris en compte dès la phase de conception;
• la cavitation par turbulence se produit lorsque des turbulences apparaissent dans l'écoulement du fluide en raison de vitesses élevées ou dans les virages. L'implosion implique des forces importantes;
• la cavitation tourbillonnaire se produit lorsque la pression chute dans des fluides en rotation rapide. En raison des gradients de vitesse se forment des tourbillons avec une zone de basse pression en leur cœur.

Deux formes de cavitation méritent une attention particulière en raison de leur impact sur le fonctionnement et l'intégrité des pompes et éventuellement d'autres équipements:

Cavitation au niveau de l'évacuation

Ce phénomène - également appelé cavitation de sortie ou de décharge - peut se produire lorsque la pression à la sortie est (trop) élevée, par exemple lorsque le flux de fluide passe par un orifice étroit ou une vanne de contrôle.

Déroulement

Lorsque le fluide s'écoule à travers un orifice étroit ou une vanne, la vitesse augmente conformément aux lois de la dynamique des flux. Cela entraîne une baisse locale de la pression et, une fois qu'elle est inférieure à la pression de vapeur du liquide, des bulles de vapeur peuvent se former. Si celles-ci s'écoulent vers une zone de pression plus élevée, elles implosent, entraînant la formation de micro-jets et d'ondes de choc.

Conséquences

Cette cavitation peut provoquer l'érosion et la formation de piqûres (voir glossaire) sur les surfaces des composants hydrauliques tels que les vannes et les tuyaux. Cela peut entraîner une réduction de l'efficacité et de la fiabilité du système, une augmentation du bruit et des vibrations, ainsi qu'une réduction irréversible de la durée de vie.

Prévention

Les mesures de prévention sont les suivantes:

• minimiser les changements brusques de débit et les vitesses élevées dans la conception;
• augmenter la pression à la sortie, par exemple en augmentant la vitesse ou en choisissant une disposition de pompe en série ou en parallèle;
• réduire la vitesse du fluide, par exemple en utilisant des tuyaux de plus grand diamètre;
• réduire le débit, par exemple en utilisant des vannes de contrôle ou des systèmes de dérivation.

Cavitation au niveau de l'aspiration

Ce phénomène - également appelé cavitatio côté aspiration ou cavitation d'aspiration - peut se produire à l'endroit où le fluide entre dans la pompe (le côté aspiration, d'où le nom) lorsqu'elle fonctionne dans des conditions de basse pression ou de vide élevé.

Déroulement

La basse pression amène le fluide à ébullition, créant des bulles de vapeur ou de cavitation dans le flux de fluide. Arrivées dans une zone de pression plus élevée, par exemple dans la roue de la pompe, ces bulles implosent en raison de l'augmentation de la pression. Ce phénomène s'accompagne d'ondes de choc et de micro-jets, petits mais puissants, qui peuvent endommager la roue et les autres composants internes.

Conséquences

Voir cavitation au niveau de l'évacuation.

Prévention

Les mesures de prévention sont les suivantes:

• choisir une pompe avec un NPSH approprié (NPSHr, voir glossaire) qui convient aux conditions de fonctionnement et aux caractéristiques du fluide;
• augmenter le diamètre de la conduite d'aspiration, limiter sa longueur et éviter les coudes et les angles serrés;
• effectuer un entretien périodique de la pompe afin d'éviter que la pression d'aspiration ne soit influencée, par exemple, par des blocages et/ou de l'usure.

Clignotement
Le clignotement et la cavitation sont deux phénomènes qui se produisent dans les fluides dans certaines conditions de pression et de température, mais leurs causes et leurs effets diffèrent.
Le clignotement implique l'évaporation soudaine d'un fluide à la suite d'une chute de pression, par exemple après le passage d'une vanne ou une ouverture soudaine dans le système de tuyauterie. Contrairement à la cavitation, la bulle de vapeur n'implose pas dans ce processus, mais reste en phase vapeur tant que la pression reste faible. La vitesse élevée de la vapeur peut alors endommager les conduites et/ou les équipements.

Surveillance de la cavitation

La surveillance de la cavitation est essentielle pour détecter à temps les dommages causés aux pompes et autres systèmes hydrauliques.

Techniques à utiliser

Mesure de la pression

• la surveillance de la pression de refoulement - surveillance de la pression du côté refoulement - aide à détecter les augmentations de pression qui peuvent être une indication de cavitation;
• la surveillance de la pression d'aspiration - surveillance de la pression du côté de l'aspiration - permet de vérifier que la pression ne tombe pas en dessous de la pression de vapeur du fluide.

Mesure du débit

Utilisation de débitmètres pour contrôler la vitesse et le débit d'écoulement (voir glossaire). Des valeurs anormales peuvent indiquer une obstruction ou des turbulences, entre autres.

La surveillance de la cavitation est essentielle pour détecter à temps les dommages causés aux pompes et autres systèmes hydrauliques

Mesures de température

L'implosion des bulles de cavitation peut provoquer des augmentations locales de température qui peuvent être enregistrées à l'aide de capteurs de température.

Mesures des vibrations

La cavitation peut entraîner une augmentation des vibrations dans la pompe et les conduites adjacentes. Ces vibrations peuvent être enregistrées à l'aide de capteurs de vibrations, par exemple à l'aide d'un transmetteur de surveillance d'état (voir figure).

Mesures par ultrasons

Les capteurs à ultrasons sont utilisés pour détecter les ondes sonores générées par la cavitation (fréquence > 20 kHz); les valeurs sont également une indication de l'intensité de la cavitation.

Inspection visuelle

Les trappes d'inspection installées dans le système permettent d'identifier à un stade précoce les effets de la cavitation sur les composants de la pompe (érosion, piqûres).

La combinaison de ces méthodes et techniques et l'analyse des résultats obtenus permettent aux spécialistes de la cavitation d'évaluer avec précision la présence et la gravité du problème et de prendre les mesures nécessaires pour minimiser les dommages et maintenir l'efficacité du système.

Fréquence

Fondamentalement, il existe deux méthodes de surveillance: la surveillance occasionnelle, où les données sont collectées périodiquement, et la surveillance permanente, où les données sont collectées en permanence (24 heures sur 24, 7 jours sur 7). Le contrôle permanent de la cavitation offre des avantages significatifs par rapport au contrôle occasionnel, notamment en termes de détection précoce, de collecte fiable de données, d'amélioration de la sécurité du système et d'optimisation de la maintenance.

En collaboration avec Istec et Watson-Marlow Fluid Technology Solutions