LA CAVITATION

LA CAVITATION ….COMMENT L’ÉVITER
La cavitation n’est pas un phénomène nouveau, mais il est grandissant.
Bien qu’aucun chiffre n’existe, ce n’est pas mentir de dire que durant ces cinq dernières
années, les cas de cavitation dans les pompes ont fortement augmentés.
Bien trop souvent, la pompe elle-même est malencontreusement mise en cause.
Les problèmes du système de pompage, incluant la cavitation, se manifestent souvent sur la
pompe mais sont rarement provoqués par celle-ci.
En fait, 9 fois sur 10, les problèmes des pompes ne proviennent pas des pompes mais,
comme la cavitation, d’une mauvaise détermination ou d’un défaut d’entretien.
Les problèmes des pompes causés par la cavitation, comme les vibrations, peuvent être
graves et peuvent conduire à une destruction mécanique de la pompe. La cavitation peut
réduire la durée de vie initiale de de 10/15 ans à seulement 2 ans dans les cas les plus
extrêmes.
Mais pourquoi la cavitation augmente-elle alors qu’il y a 20 ans, c’était un phénomène rare ?
Je crois qu’une de ces raisons tient au fait que les ingénieurs des différentes industries,
comme l’industrie de l’eau, sont aujourd’hui incapables de choisir parmi un très large choix
des différentes technologies. Il est pour eux inutile d’être expert dans les domaines de la
cavitation et des dimensionnements.
La vérité sur ce sujet, c’est que la présence de cavitation est essentiellement due à une
mauvaise détermination et une méconnaissance flagrante de ses causes.
Ce document étudie les causes et les effets de la cavitation ainsi que les moyens et
méthodes à suivre pour un bon dimensionnement.
Les solutions possibles pour les installations provoquant de la cavitation sont discutables
mais quelques-unes peuvent devenir très chères et dérangeantes.
La bonne nouvelle est que la cavitation et ses effets sur la maintenance et les couts de
réparation peuvent être évitées.
J’espère que ce document améliorera la connaissance de la cavitation et offrira des solutions
pour les utilisateurs des pompes.
Qu’est-ce que la cavitation ?
La cavitation peut avoir des effets sérieux sur le
fonctionnement et la durée de vie des pompes. Elle peut
affecter plusieurs composants de la pompe, mais c’est souvent
la turbine qui en subit l’impact principal.
Une turbine neuve qui a souffert de la cavitation aura le même
aspect que si elle avait été utilisée plusieurs années. Le
matériau de la turbine peut être érodé et irréparable.
La cavitation apparait quand le liquide pompé se vaporise à
basse pression. Cela se produit à cause d’une pression
insuffisante à l’entrée de la pompe, en d’autres termes, quand
il y a un NPSHa insuffisant ( Net Positif Suction Head available).
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Quand la cavitation apparait, des bulles d’air sont créées à
basse pression. Pendant que le liquide s’écoule de l’aspiration
de la turbine à sa sortie, les bulles implosent, ce qui crée des
ondes de chocs qui attaquent la turbine et provoquent des
vibrations dans la pompe et des dégâts mécaniques pouvant
conduire à la destruction complète de la pompe à différents
niveaux.
Qu’est-ce que la pression de vaporisation ?
Avec la combinaison particulière d’une pression et d’une température,
différente pour chaque liquide, les molécules vaporisent. Un exemple
courant est la casserole d’eau bouillante sur le feu.
Quant à la pression atmosphérique, l’eau boue à 100°C, il se forme des
bulles au fond de la casserole et la vapeur monte. Cela indique que nous
avons combiné la pression de vapeur et la température, et par conséquent
l’eau commence à bouillir.
La pression de vapeur est définie par la pression à laquelle les molécules du liquide se transforment en vapeur. Il est à
noter que la pression de vapeur pour tous les liquides varie avec la température.
Il est important de comprendre que la pression de vapeur et la température sont liées. Une bouteille à moitié vide
soumise à un vide partiel va commencer à bouillir sans apport de chaleur.
Propriétés de l’eau à différentes températures
En contrôlant la pression à laquelle est soumise l’eau, on peut changer sa pression de vapeur et éventuellement la
faire bouillir à température ambiante. Le tableau ci-contre illustre à partir de la température, la variation de la
pression de vapeur, la densité et la gravité spécifique de l’eau.
A 5°C la densité est de 1000 et la gravité spécifique est de 1. A 100°C la densité est de 958 et la gravité spécifique est
de 0.96. Les changements sont notables mais pas importants.
La variabilité de de la pression de vapeur
A 5°C elle est de 872, mais à 100°C elle est de 101000 ce qui est énorme en
termes de pression. Cela signifie que pour une combinaison de pression et
de température dans le tableau, le liquide (l’eau dans notre cas) va
vaporiser et bouillir. Par exemple, un verre d’eau soumis à une pression de
2337 N/m² à 20°C va commencer à bouillir.
A 100°C la pression de vapeur est de 101325 N/m², ce qui correspond à la
pression atmosphérique. Il est important de noter qu’avec la cavitation, on
a affaire à des pressons absolues et non à des pressions de jauge.
En régulant la pression et la température, il est possible de démarrer une
ébullition à différents points. Les autres liquides ont des diagrammes
similaires mais avec des valeurs différentes.
L’influence de la pression atmosphérique
L’eau va commencer à bouillir à 100°C sous 1 bar de pression, d’autres
liquides comme le butane sont très différents et vont bouillir à des
températures bien plus faibles que l’eau, voire négatives.
Il faut noter que la pression dépend de l’altitude. Le diagramme cidessous indique une valeur à 1500m et une autre à 10000m et
démontre qu’à 1500m la pression de vapeur de l’eau est abaissée
suffisamment pour permettre l’ébullition à 80°C.Il est courant que des
pompes soient installées dans différentes parties du monde à des
altitudes similaires, comme à Johannesburg à 1700m d’altitude.
Dans de tels endroits il est important de déterminer le changement de
pression de vapeur
Qu’est-ce qui provoque la cavitation ?
La cavitation apparait dans une pompe quand la pression et la température du liquide à l’entrée de la turbine égale la
pression de vapeur. La cavitation peut apparaitre à basse pression et à des températures de fonctionnement
normales. Localement elle résulte de la vaporisation du liquide en créant de très hautes températures et pression qui
peuvent atteindre 10000 K et 1G N/m².
Quand la cavitation apparait des bulles se forment ; comme la pression dans la pompe augmente, ces bulles s’écoulent
dans une sorte d’implosion, qui est aussi violente qu’une explosion. Cette implosion provoque des ondes de chocs qui
se déplacent à travers le liquide et percutent la turbine en causant des dégâts mécaniques.
L’impact de la cavitation sur une pompe
La cavitation provoque une altération des caractéristiques, des
dégâts mécaniques, du bruit et des vibrations qui peuvent conduire
à la destruction complète de la pompe. Souvent le premier
symptôme est la vibration. Il faut noter que les vibrations
endommagent également d’autres composants tels que l’arbre, les
roulements et les joints
La photo ci-dessous illustre les dégâts subit par une turbine sur
laquelle des parties ont disparues.
Comment supprimer la cavitation ?
Sans changer les conditions d’aspiration ou les propriétés du liquide pendant le fonctionnement, la cavitation peut
être supprimée le plus facilement lors du dimensionnement. La clé est la compréhension du NPSH et sa prise en
compte pour la détermination. Afin de comprendre ce terme plus facilement, il peut être utile de le décomposer :
NET est ce qui reste après tous les calculs
POSITIF est évident
SUCTION HEAD est la pression à l’entrée de la pompe
NPSH est défini par la différence entre la pression disponible à l’entrée de la pompe et la pression de vapeur du
liquide. Il est important de garder en mémoire que la pression de vapeur est différente en fonction des liquides et
qu’elle varie en fonction de la température et de la pression atmosphérique.
Il est également important de se rappeler que la pression disponible à l’entrée de la pompe est ce qui reste après le
décompte des pertes par friction, des pertes dues à la vitesse et des pertes aux entrées et sorties du système de
pompage.
Durant la détermination, il est indispensable de calculer toutes les pertes par friction, les pertes d’entrée et sortie et
les pertes du processus générées dans les canalisations pour définir la pression d’aspiration disponible à la pompe.
Malheureusement, quand la pompe est installée nous subissons la pression nette disponible à la pompe.
NET POSITIVE SUCTION HEAD available
Le NPSHa n’a rien à voir avec la pompe, c’est un système de la valeur spécifique. C’est la pression disponible à
l’extrémité de la canalisation pour la connexion de la pompe et est complétement indépendant de la pompe qui va y
être installée. C’est en fait la différence entre la pression à l’entrée de la bride de la pompe et la pression de vapeur
de cette installation et doit être déterminée au dimensionnement de la pompe en tenant compte des paramètres
d’aspiration de l’ensemble.
Le NPSHa est spécifique au site en question et est déterminé par le dimensionnement du système.
Il est important de noter que la pression disponible à l’entrée de la pompe est ce qui reste après soustraction de
toutes les pertes décrites plus haut.
NPSHr NET PSITIVE SUCTION HEAD required
Le NPSHr est une caractéristique de la pompe et n’a aucun rapport avec le système. Toutes les pompes ont un NPSHr
différent et les valeurs peuvent être obtenues auprès des constructeurs.
Le NPSHr est défini comme la pression d’aspiration minimum requise à l’entrée de la pompe. Cette valeur ne doit pas
être prise pour suffisante pour garantir que la cavitation n’apparaitra pas parce qu’elle est mesurée au moment où la
cavitation apparait. Le niveau de cavitation est mesuré comme étant le point auquel l’aspiration chute de 3%, c’est
pour cela qu’il faut s’assurer que le NPSHa est plus grand que le NPSHr en prévoyant une marge.
La règle d’or est de s’assurer d’avoir une marge suffisante pour éviter toute cavitation. Cette valeur de marge est
souvent spécifiée par des tableaux standards et les constructeurs offrent toujours leurs conseils. Typiquement une
marge de 1.5 m est suffisante. Le NPSHa est une caractéristique du système qui peut être contrôlée.
Mon conseil est de concentrer tous les efforts sur le dimensionnement pour garantir un NPSHa suffisant du système.
Comprendre la cavitation
L’illustration ci-dessous est une coupe de l’entrée d’une pompe et de
sa turbine. On distingue 5 positions figurants le flux du liquide dans la
pompe (de 1 à 5), il est évident que cela correspond à un flux à volume
constant.
Par définition, vu la différence de section entre l’entrée et la sortie, la
vitesse du flux est plus élevée dans l’œil de la turbine que dans la
canalisation.
Quand la vitesse augmente, la pression diminue et inversement quand la
vitesse diminue la pression augmente.
La raison est que l’augmentation de la vitesse crée une pointe de vitesse qui est de l’énergie perdue. Idéalement, on
souhaite de la pression pas de la vitesse. C’est le même effet quand o pince un tuyau d’arrosage, le flux reste le même,
mais la vitesse augmente par pincement à la sortie du tuyau. L’eau sortant du tuyau à une grande vitesse mais à la
pression atmosphérique.
Quand la pression aux différentes positions à travers la pompe reporter sur un graphique cela donne la courbe cidessous
Cette courbe démontre que la pression à travers la turbine chute et augmente de nouveau à la sortie. Cela est dû au
diamètre de l’œil de la turbine plus petit que la section de la canalisation et au fait que la turbine donne de l’énergie
au liquide, augmentant ainsi sa pression
Bons et mauvais graphique d’un système de pompage
Le graphique ci-dessous montre les variations de pression
dans une turbine avec 2 lignes tracées pour représenter la
pression de vapeur des différents liquides pompés.
Dans le cas de la plus haute ligne de pression de vapeur, il
faut noter que la courbe coupe la ligne. Cela signifie qu’à cet
instant précis la pression sera plus basse que la pression de
vapeur du liquide. Cela signifie que le système dans lequel la
pompe est installée ne délivre pas suffisamment de NPSHa et
par définition, la cavitation se produira.
Dans le cas de la plus basse pression de vapeur, il faut noter
que la courbe ne traverse la ligne à aucu moment. Cela
signifie que le NPSHa est suffisant et que la pression ne va
pas descendre sous la pression de vapeur du liquide. Le
système à dans ce cas été correctement dimensionné et la
cavitation n’apparait pas.
Comment éviter la cavitation
Il est particulièrement difficile d’assurer que le NPSHa disponible est suffisant pour assurer que le liquide ne descende
pas sous sa pression de vapeur. Les tests de cavitation réalisés donnent une indication de NPSHa pour chaque pompe.
Au moment de la détermination le constructeur est capable de fournir le NPSHr pour n’importe laquelle de ses
pompes.
La courbe de NPSHr d’une pompe est obtenue gace aux tests de fonctionnement à différentes hauteurs et débits. Les
débits / pressions sont mesurés ainsi que la pression d’aspiration. L’aspiration de la pompe est ensuite réduite afin de
simuler une réduction du NPSHa, jusqu’à ce que le débit de a pompe chute de 3%. ce point d’aspiration est enregistré
avec le débit pour déterminer un point de NPSHr en fonction de la courbe débit / pression.
Les tests sont répétés à différents débits et pression, jusqu’à obtention de suffisamment de points pour tracer une
courbe
Trou provoqué par la cavitation
Conclusion
Il n’y a pas d’autre solution que de déterminer la pompe en fonction du réseau. Pendant le dimensionnement le
NPSHa (qui est indépendant de la pompe) peut être déterminé plutôt facilement. Après avoir déterminé le NPSHa, on
peut le comparer au NPSHr des pompes sélectionnées. Il est plus facile de changer le modèle quand on la déterminé
qu’une fois installée. Il est fortement recommandé d’intégrer toute modification nécessaire à la détermination plutôt
qu’après installation.
La cavitation dans une installation peut être éliminée de deux façons seulement. La première est d’accroitre le NPSHa
à la pompe ou réduire le NPSHr par la pompe
Pour accroitre le NPSHa, cela dépendra du système et de sa nature. On peut augmenter la pression d’entrée dans la
pompe ou réduire les pertes de frottements dans la canalisation en en réduisant les coudes et composants.
Malheureusement ces solutions sont rarement réalisables, financièrement ou techniquement.
La deuxième solution serait de remplacer les pompes par des modèles ayant un NPSHr plus faible.
Il n’y a pas d’autre alternative que de bien déterminer la pompe sans considération de cout immédiat.
Il est préférable de déplacer la pompe pour réduire le NPSHa du réseau.
La bonne détermination est toujours la meilleure solution pour supprimer la cavitation
Écrit par : Bob Went
(Group Consultant)
Xylem Water Solutions UK Ltd
Traduit par : Michel Ravey SAS Ravey 71 530 Crissey France