La cavitation

Cours d’instructeurs pour le service
des tonnes-pompes et motopompes 2005
Kreuzlingen
La cavitation (tiré du Manuel du machiniste de la Maison Vogt AG)
On peut toujours constater des dégâts plus ou moins importants sur des pompes
centrifuges qui sont occasionnées par de fausses manipulations. Une de ces
détériorations s’appelle la cavitation (avec érosion de la matière).
La cavitation est provoquée généralement lors d’un très grand débit, avec une
grande hauteur d’aspiration et un refoulement à pleine ouverture. Cette situation se
rencontre très souvent lors des épuisements de cave.
La cavitation est causée selon les lois de la nature par la vaporisation de l’eau dans
la pompe centrifuge. Si l’on veut vaporiser de l’eau, on doit tout d’abord atteindre une
certaine température. Cependant, cette température est dépendante de la pression
atmosphérique agissant à la surface de l’eau. Avec une pression atmosphérique
normale l’eau bout à 100 °C. Lorsque la pression diminue, la température d’ébullition
diminue également. En simplifiant: sur le Mont-Blanc, l’eau bout plus vite qu’à
Lugano.
Dans les pompes centrifuges, ce phénomène est identique. A l’entrée de la pompe,
côté aspiration, nous n’avons pas de pression, mais une dépression qui abaisse
sensiblement la température de vaporisation. Dans un vacuum, de l’eau à 20 °C
vaporise déjà à une dépression de 0,98 bar. Cela signifie donc que, lors d’un grande
hauteur d’aspiration, les pompes produisent et transportent un mélange d’eau et de
vapeur d’eau. Ce mélange arrive dans le secteur de la pompe où se produit
l’élévation de pression. Cette pression est supérieure à la pression de la vapeur et
provoque la condensation de ces vapeurs. Les bulles de vapeur se précipitent
ensembles avec formation d’un bruit important (coups de condensation). Ce
processus se reproduit en permanence et très rapidement. Ainsi les particules d’eau
s’entrechoquent avec les bulles de vapeurs encore existantes avec une grande
énergie en produisant des pressions de 100 à 1000 bar et une élévation de
température jusqu’à 5000 °C. Dans ce secteur, ave ces coups de condensation et
sous l’effet des hautes température et variations de pression, n’importe quel matériel
(roue à aubes ou diffuseur) subit des contraintes et des destructions telles
qu’érosions de matière. Ce phénomène se dénomme cavitation.
Plus la surface d’un matériel est attaquée, plus vite surviendra sa destruction.
Finalement, une pièce de la pompe sera fortement endommagée et inutilisable. Des
pompes en service se trouvant en permanence dans des conditions de cavitation
peuvent être complètement détruites après 1 à 2 heures de fonctionnement.
Comment peut-on éviter la cavitation ou la réduire au minimum ?
Comme nous l’avons évoqué précédemment, le machiniste peut être alerté par le
bruit de la pompe. Ce bruit s’entend comme si la pompe transportait du sable et du
gravier.
Remèdes:
- si possible réduire la hauteur d’aspiration (diminution de la dépression côté
aspiration)
- toujours maintenir une contre-pression, en particulier lors des épuisements en
montant une vanne d’étranglement sur la sortie
- nettoyer la crépine (diminution de la résistance à l’aspiration)
- contrôler les tuyaux d’aspiration (aspérités à l’intérieur)
- réduire le régime (d’où réduction de la dépression).
Influence de la température
(tiré du Manuel d’hydraulique du cdt Claude Dollinger)
A la pression atmosphérique l’eau bout à 100 °C, qui est la température d’ébullition.
Qu’en est-il de la température d’ébullition de l’eau quand la pression diminue.
L’expérience montre que cette température d’ébullition baisse avec la pression. Dans
le vide l’eau va donc avoir tendance à se vaporiser, cette vaporisation sera bien sûr
plus importante quand la température augmentera.
Dans une atmosphère limitée, comme celle d’une conduite d’aspiration par exemple,
ce dégagement de vapeur d’eau crée une pression qui tend à contrecarrer l’effet de
la pression atmosphérique. Cette pression est la tension de vapeur qui croît avec la
température.
Ce phénomène est important en hydraulique car il influe sur la hauteur géodésique
d’aspiration et provoque un handicap lors de l’amorçage.
La hauteur géodésique maximale d’aspiration est de 10,08 m à 20 °C en tenant
compte de la tension de vapeur. A 50 °C cette hauteur géodésique maximale
d’aspiration n’est plus que de 9,03 m. En réalité la hauteur d’aspiration est de 10,33
m ne peut être atteinte que lorsque l’eau n’émet pas de vapeur, c’est-à-dire à 4 °C.
L’influence de la température de l’eau sur la hauteur d’aspiration reste limitée pour
les mises en aspiration pratiquées par les sapeurs-pompiers. Les aspirations se font
généralement sur des points aux températures variant de 0 °C à 25 °C, la variation
de la hauteur géodésique d’aspiration est donc au maximum de 0,45 m.
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Exemple pratique:
Quelle est la pression de l’eau à l’entrée d’une roue à aubes de pompe centrifuge en
aspiration sur un plan d’eau?
Pour une eau à 25 °C et une hauteur d’aspiration de 6 m, la pression théorique
maximale à l’entrée de la pompe est de 4,08 m.
Pour une eau à 25 °C et une hauteur d’aspiration de 3 m, la pression théorique
maximale à l’entrée de la pompe est de 7,08 m.
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En régime statique, la pression d’entrée de la pompe est égale à la hauteur de
colonne d’eau capable de la pression atmosphérique corrigée par les facteurs de
température et d’altitude.
En régime dynamique, quand la pompe débite, cette valeur de pression d’entrée est
à minimiser en tenant compte de:
-
la mise en vitesse de l’eau qui nécessite une certaine énergie cinétique
provenant d’une transformation d’énergie de pression
la perte de charge dans la conduite d’aspiration qui augmente avec le débit et
la longueur de cette conduite
la perte de charge à l’entrée de la pompe pour permettre à l’eau d’arriver au
contact des pales de la roue à aubes. Cette perte de charge dépend de la
pompe et augment considérablement avec le débit.
Phénomène de cavitation
En tenant compte des facteurs cités précédemment, la pression à l’entrée de la roue
à aubes peut atteindre des valeurs très faibles, inférieures à la tension de vapeur
d’eau pour la température considérée. Que se passe-t-il alors?
L’eau se vaporise et des bulles de vapeur d’eau apparaissent dans la veine liquide.
Lors du passage dans la roue à aubes la pression augmente et devient à nouveau
supérieure à la tension de vapeur. Les bulles de vapeur d’eau ne peuvent plus
exister et elles se résorbent en "implosant".
Cette production de "cavités" dues à des bulles ou poches de vapeur dans la masse
liquide en écoulement est génératrice de chocs très violents (bruit de bétonnière) et
de corrosions mécaniques rapides et spectaculaires pouvant détruire très rapidement
les organes de la pompe (roue et diffuseur). En fait les érosions constatées sont
dues essentiellement aux chocs considérables qui se manifestent lorsque les bulles
ou poches de vapeur se résorbent par condensation rapide dans les zones ou la
pression reprend une valeur suffisante.
Le machiniste a beau accélérer sa pompe, celle-ci continue à débiter, elle n’est pas
désamorcée mais la pression de refoulement chute.
En pratique, la cavitation apparaît pour les grandes hauteurs d’aspiration et pour les
forts débits. Comme il n’est en général pas possible d’agir sur la hauteur d’aspiration,
il faut agir sur le débit de la pompe en le limitant, pour sortie d’une zone de
cavitation.
Le problème de la cavitation est trop souvent négligé par les sapeurs-pompiers, c’est
une erreur, car une pompe ne peut fournir sa pleine capacité que si elle fonctionne
en dehors d’une zone de cavitation.
FSSP 07.07.2005 / be
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