Qu’est-ce que la cavitation ? Quels dommages cause-t-elle aux pompes ? Comment prévenir la cavitation ?

La cavitation est un phénomène qui peut se produire dans les machines hydrauliques et les systèmes fluidiques tels que les vannes et les canalisations. La conversion mutuelle entre l'eau et la vapeur, propriété inhérente aux fluides, requiert des conditions de température et de pression spécifiques. Par exemple, l'eau se vaporise à 100 °C sous une pression de 101 325 Pa, mais seulement à 30 °C sous 4 243 Pa. De même, à température constante, une réduction progressive de la pression absolue à la surface du liquide provoque la vaporisation de l'eau lorsque la pression descend en dessous d'un certain seuil. Chaque niveau de pression correspond à une température de vaporisation spécifique, de même que chaque niveau de température correspond à une pression de vaporisation spécifique. Lors de la circulation de l'eau dans une pompe, la vaporisation se produit lorsque la pression absolue dans une zone localisée chute à une valeur égale ou inférieure à la pression de vaporisation à cette température, créant ainsi de nombreuses bulles. Ces bulles contiennent de la vapeur d'eau et des gaz actifs comme l'oxygène (O₂) qui s'échappent du liquide. Lorsque ces bulles atteignent la zone de haute pression de la pompe, la pression élevée les force à se déformer et à imploser rapidement. Simultanément, les particules de fluide environnantes s'engouffrent à très grande vitesse dans l'espace de la bulle, provoquant des collisions violentes et un coup de bélier intense. Plus la bulle est grosse, plus la pression du coup de bélier lors de son implosion est importante ; les valeurs mesurées peuvent atteindre des centaines, voire des milliers de mégapascals. Si l'implosion d'une bulle se produit près de surfaces métalliques, elle engendre des impacts directs sur le matériau. La formation et l'implosion continues de bulles entraînent des impacts répétés sur les surfaces métalliques, accélérant l'érosion par fatigue. De plus, l'érosion endommage progressivement le revêtement protecteur du métal. Avec l'accélération de la condensation thermique, les gaz réactifs initient la corrosion chimique, détériorant davantage le matériau. Les effets combinés de l'érosion et de la corrosion transforment la surface métallique, passant de piqûres à des structures alvéolaires ou spongieuses, jusqu'à la perforation complète de la paroi. Ce processus complet de formation, de développement, d'implosion et de rupture du matériau est appelé cavitation.

L’apparition et le développement de la cavitation dépendent de l’état du fluide (température, pression) et des propriétés physiques du fluide (y compris le gaz dissous dans les impuretés).

① La cavitation mobile fait référence à la formation d'une seule bulle transitoire et de petites cavités dans le fluide, ainsi qu'à la croissance et à l'effondrement du flux de fluide, à la cavitation causée par la quantité de bulles, à la formation de brouillard nuageux ;

② Cavitation fixe, elle fait référence à la cavitation causée par la cavitation attachée à la limite fixe du fluide d'écoulement, également appelée cavitation attachée, dans les machines hydrauliques, ce type de cavitation est le principal ;

③ Cavitation par vortex : il s'agit de la bulle produite au centre du vortex liquide, la vitesse du centre du vortex est grande, la pression est faible, ce qui facilite la vaporisation du liquide par cavitation ; cavitation par vibration : il s'agit de la cavitation formée par la fluctuation continue de pression de grande amplitude et de haute fréquence dans le fluide.

Qu’est-ce qui provoque la cavitation d’une pompe à eau ?

● La cavitation est principalement causée par une conception inadéquate de la pompe et du système, notamment une conception inappropriée de la conduite d'entrée de la pompe, des vortex et des perturbations de la boue, un excès de bulles entrant dans la pompe et une teneur élevée en gaz dans la boue, ce qui aggravera également la cavitation.

● Une conception appropriée de la pompe et du système, la sélection de matériaux résistants à l'usure, la réduction de l'entrée d'air dans la pompe et un réglage approprié du jeu entre la plaque de protection côté aspiration et la roue sont des mesures clés pour minimiser la cavitation et l'usure, prolongeant ainsi la durée de vie de la pompe.

Quels dommages spécifiques la cavitation d'une pompe à eau peut-elle causer à un équipement ?

Les dommages causés aux équipements par la cavitation des pompes à eau se concentrent en trois catégories : dommages mécaniques, atténuation des performances et détérioration des matériaux.

● Usure mécanique et dommages dus aux chocs

Le microjet et l'onde de choc produits par l'éclatement de la bulle vont impacter de manière répétée la roue, le corps de pompe et d'autres composants d'écoulement, provoquant des piqûres, des piqûres de corrosion et, dans les cas graves, la formation de trous en nid d'abeille, voire une perforation.

À long terme, les impacts provoqueront le décollement et la rupture du bord de la pale de la roue, l'amincissement de la paroi intérieure du corps de pompe et endommageront directement l'intégrité structurelle de l'équipement.

● Les performances de l'appareil continuent de se dégrader.

Les bulles de cavitation occuperont l'espace du canal d'écoulement, ce qui entraînera une diminution significative du débit réel, de la hauteur manométrique et du rendement de la pompe, et celle-ci ne pourra pas atteindre ses conditions de fonctionnement nominales.

L'obstruction du flux par des bulles d'air peut provoquer des fluctuations de débit et une instabilité de pression, ce qui intensifie les vibrations de la pompe et affecte la stabilité opérationnelle globale.

●Accélération de la fatigue des matériaux et de la corrosion

Les charges d'impact et les contraintes alternées provoquent des fissures de fatigue dans les pièces métalliques, et la propagation de ces fissures peut entraîner la rupture soudaine des pièces.

La cavitation endommage le film de passivation à la surface du métal, ce qui accélère la corrosion électrochimique. En particulier, en milieu acide ou alcalin, la corrosion et la cavitation s'alimentent mutuellement, réduisant d'autant plus la durée de vie de l'équipement.

La zone la plus vulnérable à la cavitation dans une pompe centrifuge

●La plaque de recouvrement avant avec la courbure maximale de la roue est située du côté basse pression près du bord d'entrée de la pale ;

La languette de la volute et les aubes directrices de la chambre d'extrusion sont situées près du côté basse pression du bord d'entrée.

●Le jeu d'étanchéité entre le bord extérieur de l'extrémité de la pale de la turbine à vitesse spécifique élevée et le carter, et le côté basse pression de l'extrémité de la pale sans plaque de recouvrement avant ;

La roue du premier étage d'une pompe multi-étages.

Mesures visant à améliorer les performances anti-cavitation des pompes centrifuges

• Optimiser la conception structurelle depuis l'entrée d'aspiration de la pompe jusqu'à la zone de la roue. Augmenter la section de passage du fluide ; accroître le rayon de courbure de l'entrée du couvercle de la roue afin d'atténuer les accélérations brusques du flux et les chutes de pression ; réduire l'épaisseur de l'entrée des aubes et arrondir cette entrée pour obtenir un profil plus aérodynamique, ce qui contribue également à réduire l'accélération et les chutes de pression au bord d'attaque de l'aube ; améliorer l'état de surface de la roue et des entrées des aubes afin de minimiser les pertes par résistance ; prolonger le bord d'entrée des aubes vers l'entrée de la roue pour permettre une entrée de fluide plus précoce, augmentant ainsi la pression.

●La roue de pré-induction est utilisée pour que le flux de liquide s'amorce dans la roue de pré-induction, afin d'augmenter la pression du flux de liquide.

●La conception de la turbine à double aspiration permet au liquide d'entrer simultanément des deux côtés, doublant ainsi la section transversale d'entrée tout en réduisant de moitié la vitesse d'écoulement.

●. La conception prévoit un angle d'incidence positif légèrement supérieur afin d'augmenter l'angle d'entrée de la pale, de réduire sa courbure et de minimiser son encrassement, ce qui accroît la surface d'entrée. Elle améliore également les conditions de fonctionnement à débits élevés et réduit les pertes de charge. Toutefois, cet angle d'incidence positif ne doit pas être excessif, au risque de nuire au rendement.

● Utilisez un matériau anti-cavitation. L'expérience montre que plus la résistance, la dureté et la ténacité du matériau sont élevées, meilleure est sa stabilité chimique et plus ses performances anti-cavitation sont importantes.

Mesures visant à améliorer la marge de cavitation effective du dispositif d'entrée de liquide

● Augmenter la pression du niveau de liquide dans le réservoir de stockage de la pré-pompe pour améliorer la marge de cavitation effective.

● Réduisez la hauteur d'installation de la pompe d'aspiration.

●Remplacez le dispositif de refoulement par un dispositif anti-refoulement.

● Réduisez les pertes de charge dans la canalisation en amont de la pompe. Par exemple, raccourcissez au maximum la canalisation dans les limites requises, diminuez la vitesse d'écoulement, minimisez le nombre de coudes et de vannes, et optimisez l'ouverture des vannes.

● Réduire la température du fluide de travail à l'entrée de la pompe (lorsque le fluide transporté approche de la température de saturation).

Les mesures ci-dessus peuvent être appliquées en fonction du choix de la pompe, du choix des matériaux et du lieu d'application de la pompe.