La cavitation expliquée et illustrée.

Publié par
L'usure par cavitation hydraulique expliquée et illustrée

Le phénomène de cavitation consiste en la rupture de la continuité dans le liquide où il y a une réduction locale considérable de la pression. La formation de bulles dans les liquides (cavitation) commence même en présence de surpressions égales ou proches de la pression de vapeur saturante du fluide à la température donnée.

Divers liquides ont différents degrés de résistance à la cavitation car ils dépendent, dans une large mesure, de la concentration de gaz et de particules étrangères dans le liquide.

Mécanisme d’usure

Le mécanisme de la cavitation peut être décrit comme suit : Tout liquide contiendra des bulles gazeuses ou vaporeuses, qui servent de noyaux de cavitation. Lorsque la pression est réduite à un certain niveau, les bulles deviennent le réservoir de vapeur ou de gaz dissous.

Le résultat immédiat de cette condition est que les bulles augmentent rapidement de taille. Ensuite, lorsque les bulles pénètrent dans une zone de dépression, leur taille se réduit par condensation des vapeurs qu’elles contiennent.

Ce processus de condensation se déroule assez rapidement, accompagné de chocs hydrauliques locaux, d’émission de son, de destruction de liaisons matérielles et d’autres phénomènes indésirables. On pense que la réduction de la stabilité volumétrique dans la plupart des liquides est associée au contenu de divers mélanges, tels que les particules solides non mouillées et les bulles de gaz-vapeur, en particulier celles à un niveau submicroscopique, qui servent de noyaux de cavitation.

Un aspect critique du processus d’usure par cavitation est la destruction de surface et le déplacement de matériau provoqués par des mouvements relatifs élevés entre une surface et le fluide exposé. À la suite de tels mouvements, la pression locale du fluide est réduite, ce qui permet à la température du fluide d’atteindre le point d’ébullition et de former de petites cavités de vapeur.Le réservoir aéré provoque la cavitationCavitation de restriction de ligne d'aspiration

Lorsque la pression revient à la normale (qui est supérieure à la pression de vapeur du fluide), des implosions se produisent provoquant l’effondrement de la cavité ou des bulles de vapeur. Cet effondrement des bulles génère des ondes de choc qui produisent des forces d’impact élevées sur les surfaces métalliques adjacentes et provoquent un écrouissage, de la fatigue et des piqûres de cavitation.

Ainsi, la cavitation est le nom donné à un mécanisme dans lequel des bulles de vapeur (ou cavités) dans un fluide se développent et s’effondrent en raison de fluctuations de pression locales. Ces fluctuations peuvent produire une basse pression, sous forme de pression de vapeur du fluide. Ce processus de cavitation vaporeuse se produit dans des conditions de température approximativement constantes.

Types de cavitation

Il existe deux principaux types de cavitation : vaporeuse et gazeuse.

La cavitation vaporeuse est un processus d’ébullition qui se produit si la bulle se développe de manière explosive de manière illimitée alors que le liquide se transforme rapidement en vapeur. Cette situation se produit lorsque le niveau de pression descend en dessous de la pression de vapeur du liquide.

La cavitation gazeuse est un processus de diffusion qui se produit chaque fois que la pression tombe en dessous de la pression de saturation du gaz non condensable dissous dans le liquide. Alors que la cavitation vaporeuse est extrêmement rapide, se produisant en microsecondes, la cavitation gazeuse est beaucoup plus lente; le temps que cela prend dépend du degré de convection (circulation de fluide) présent.

L’usure par cavitation ne se produit que dans des conditions de cavitation vaporeuse – où les ondes de choc et les microjets peuvent éroder les surfaces. La cavitation gazeuse ne provoque pas l’érosion du matériau de surface.

Il ne fait que créer du bruit, génère des températures élevées (même au niveau moléculaire) et dégrade la composition chimique du fluide par oxydation . L’usure par cavitation est également connue sous le nom d’érosion par cavitation, de cavitation vaporeuse, de piqûres de cavitation, de fatigue par cavitation, d’érosion par impact liquide et de tréfilage.

L’usure par cavitation est un type d’usure fluide-surface qui se produit lorsqu’une partie du fluide est d’abord exposée à des contraintes de traction qui font bouillir le fluide, puis exposée à des contraintes de compression qui provoquent l’effondrement des bulles de vapeur (implose).

Cet effondrement produit un choc mécanique et provoque l’impact de microjets contre les surfaces, unifiant le fluide. Tout système capable de répéter ce modèle de contrainte de traction et de compression est soumis à l’usure par cavitation et à toutes les horreurs qui accompagnent une telle activité destructrice.

L’usure par cavitation est similaire à l’usure par fatigue de surface ; les matériaux qui résistent à la fatigue de surface (substances dures mais non cassantes) résistent également aux dommages causés par la cavitation.

Processus d’usure par cavitation

Le liquide est le milieu qui cause l’usure par cavitation. L’usure par cavitation ne nécessite pas de seconde surface ; il nécessite seulement qu’un mouvement relatif élevé existe entre la surface et le fluide. Un tel mouvement réduit la pression locale dans le fluide. Lorsque le liquide atteint son point d’ébullition et que l’ébullition se produit, des bulles de vapeur se forment, ce qui produit une cavitation.

Chaque cavité de vapeur dure peu de temps car presque toute augmentation de pression provoque la condensation instantanée de la vapeur dans la bulle et l’effondrement de la bulle et la production d’une onde de choc. Cette onde de choc frappe alors les surfaces métalliques adjacentes et détruit les liaisons matérielles.

L’onde de choc produit d’abord une contrainte de compression sur la surface solide, puis lorsqu’elle est réfléchie, produit une contrainte de traction normale à la surface.

Effondrement des bulles de vapeur et naissance d'un microjet
Figure 1. Effondrement des bulles de vapeur et naissance d’un microjet

La figure 1 représente l’effondrement d’une bulle de vapeur et la naissance d’un microjet. La cavitation se trouve généralement là où une condition hydrodynamique, caractérisée par un changement soudain et grossier de la pression hydrostatique, existe. Parce que l’ébullition peut se produire lors des chutes de pression instantanées, des bulles de vapeur se forment et s’effondrent fréquemment et rapidement.

L’air entraîné et les particules de poussière dans le fluide servent de sites de nucléation pour la formation de cavités de vapeur. Ces noyaux peuvent être de petites poches remplies de gaz dans les crevasses du conteneur ou simplement des poches de gaz sur des particules contaminantes se déplaçant librement dans le courant d’écoulement. Par conséquent, tous les fluides confinés peuvent contenir suffisamment d’impuretés pour produire de la cavitation.

De petits vides près de la surface ou du champ d’écoulement, où une pression minimale existe, indiquent que la cavitation a commencé. Une fois amorcées, les bulles continuent de croître tant qu’elles restent dans les régions à basse pression. Au fur et à mesure que les bulles se déplacent dans les régions à haute pression, elles s’effondrent, produisant des pressions intenses et érodant toutes les surfaces solides à proximité.

Lors de l’effondrement, les particules de liquide entourant la bulle se déplacent rapidement vers son centre. L’énergie cinétique de ces particules crée des coups de bélier locaux de haute intensité (choc), qui se développent à mesure que le front progresse vers le centre de la bulle.

Détection sonore et visuelle

Les utilisateurs d’équipements peuvent détecter la cavitation de manière audible, visuelle, par instrumentation acoustique, par des capteurs de vibration de machine, par mesure de sonoluminescence ou par une diminution ou un changement de performance par rapport à celle produite dans des conditions d’écoulement monophasique (par exemple, perte de débit, rigidité et réponse) .

Dans des conditions d’écoulement cavitant, le taux d’usure peut être plusieurs fois supérieur à celui causé par l’érosion et la corrosion seules. L’usure par cavitation peut détruire les matériaux les plus résistants – aciers à outils, stellites, etc. De tels dommages peuvent se produire rapidement et de manière importante.

La quantité de dommages causés par la cavitation dépend de la pression et de la vitesse créées par les bulles effondrées. En raison de cette pression et de cette vitesse, la surface exposée subit une variété d’intensités très variables.

Chaque imposition ne dure que peu de temps ; les amplitudes d’impulsion et les temps d’effondrement sont plus grands pour les bulles plus grosses à des différentiels de pression d’effondrement donnés. Ainsi, plus la contrainte de traction sur le fluide est importante (plus la pression statique est faible), plus les bulles sont grosses, plus la cavitation est intense et plus les dommages sont importants.

Les impulsions qui se produisent lorsque des bulles de vapeur se forment et s’effondrent provoquent des cratères individuels symétriques et des déformations permanentes des matériaux lorsque l’effondrement se produit près de la surface. Par conséquent, les dommages de cavitation, comme la rupture par fatigue, ont plusieurs périodes d’activité :

  • Période d’incubation – les microfissures nucléent autour des joints de grains et des inclusions en raison de la déformation élastique et plastique de la surface.
  • Période d’accumulation – la croissance des fissures se produit en fonction du degré d’action de fendage, de cisaillement et de déchirure sur le matériau.
  • Période d’état stable – le taux de nucléation et de propagation des fissures devient constant pendant le reste du temps d’exposition.

Dans un système d’écoulement de fluide (contrairement à un réservoir à ultrasons), des bulles de vapeur se forment là où des contraintes de traction du fluide (basses pressions) se produisent, et des bulles de vapeur s’effondrent dans les régions à haute pression où des contraintes de compression peuvent être imposées au fluide.

Ainsi, la région où les dommages se produisent est souvent assez distincte de la région dans laquelle les cavités sont créées, ce qui conduit souvent à un diagnostic erroné du problème. L’usure par cavitation est de nature mécanique et ne peut se produire sans l’application de contraintes de traction et de compression.

Points chauds de cavitation

De nombreuses zones des systèmes hydrauliques sont sujettes à l’usure par cavitation, telles que :

  • En aval des vannes de régulation qui présentent des différentiels de pression élevés,
  • Dans les chambres d’aspiration des pompes où existent des conditions d’aspiration insuffisantes,
  • Dans les actionneurs à déplacement rapide (types linéaires et rotatifs) où des conditions de charge négatives se produisent,
  • Dans les chemins de fuite (à travers les joints, les sièges de soupape et les portées de tiroir) où les vitesses élevées font chuter les niveaux de pression en dessous de la pression de vapeur du fluide (une condition de cavitation souvent appelée tréfilage) et
  • Dans tous les appareils où l’écoulement de fluide est soumis à des virages serrés, une réduction des sections transversales avec des dilatations ultérieures (dans les robinets, les volets, les soupapes, les diaphragmes) et d’autres déformations.

La cavitation perturbe les conditions normales de fonctionnement des systèmes mécaniques de type fluide et détruit les surfaces des composants. Le processus consiste en la formation de cavités lorsque les pressions sont faibles, la croissance de bulles ultérieures lorsque la pression se stabilise et enfin l’effondrement des bulles lorsque les cavités (bulles gazeuses ou vaporeuses) sont exposées à une pression élevée.

Notez que la chute de pression à travers le composant est la force motrice de l’usure par cavitation. La figure 2 illustre le processus de cavitation qui se produit dans une pompe à engrenages et dans un distributeur à tiroir montrant comment les cavités se génèrent, se développent et s’effondrent dans les composants de type fluide.

Processus de cavitation dans les composants hydrauliques
Processus de cavitation dans les composants hydrauliques
Figure 2. Processus de cavitation dans les composants hydrauliques

Réduction de l’usure par cavitation

Dans l’usure par cavitation, les microfissures se propagent au point où le matériau ne peut plus supporter la charge d’impulsion imposée par les bulles de vapeur qui implosent. Par conséquent, les particules finissent par se détacher et pénètrent dans le système.

Comme pour toute rupture par fatigue, les microfissures se forment d’abord au niveau des remontées de contraintes (encoches, déchirures, contre-dépouilles, défauts de soudure, etc.) ou dans des zones hétérogènes du matériau (comme au niveau de la directionnalité de l’écoulement du métal, des inclusions et des sections décarburées).

Par conséquent, une surface rugueuse est sujette à l’usure par cavitation et comme des piqûres et un profil rugueux caractérisent les dommages par cavitation, les dommages augmentent à mesure que la surface devient plus rugueuse.

Le moyen le plus fondamental de lutter contre l’usure par cavitation consiste à minimiser la contrainte de traction sur le fluide. En d’autres termes, les utilisateurs d’équipements doivent abaisser le niveau de réfraction ou les conditions de vide dans les zones de cavitation possible. En particulier, les étapes suivantes peuvent être appropriées :

  • Augmenter le niveau de pression à la sortie des vannes d’étranglement.
  • Augmentez la pression d’entrée au niveau de l’orifice d’aspiration de la pompe en suralimentant l’entrée de la pompe.
  • Utilisez des vérifications anticavitation sur les applications d’actionneur à charge négative.
  • Réduisez la teneur en eau du fluide pour éliminer la possibilité de tréfilage (l’eau a une pression de vapeur plus élevée que l’huile) à travers les sièges de soupape et les joints dynamiques.
  • Utiliser un fluide à faible pression de vapeur.
  • Sélectionnez une pompe avec de bonnes caractéristiques de remplissage par opposition à une configuration d’entrée affamée.
  • Utiliser un fluide à faible viscosité ou augmenter la température du fluide.

Dans de nombreux cas, les ingénieurs concepteurs peuvent minimiser les dommages dus à la cavitation en sélectionnant correctement les matériaux de fabrication. Par exemple, l’acier inoxydable peut être sélectionné à la place de l’aluminium (Figure 3) et utiliser un revêtement dur avec un alliage résistant à la cavitation sur la surface exposée. Le caoutchouc et d’autres revêtements élastomères ont également contribué à minimiser l’usure par cavitation. Malgré leur faible résistance à la cavitation, ces surfaces réfléchissent l’onde de choc sans causer de dommages intenses.

Ordre de résistance relative à la cavitation des matériaux
Figure 3. Ordre de résistance relative à la cavitation des matériaux

Particules de cavitation

La taille des particules générées par l’usure par cavitation est fonction de la dureté Brinell du matériau exposé. Les plus grosses particules se produisent pendant la période d’accumulation. Les pentes des courbes de distribution granulométrique cumulées augmentent à mesure que l’énergie de déformation du matériau augmente. La taille moyenne des particules produites par la cavitation diminue à mesure que l’intensité de la cavitation augmente.

Précurseurs de la cavitation

Lors d’une enquête sur un problème de cavitation dans un système de fluide, vous devez identifier toutes les sources possibles de basse pression (vide), de haute température (chaleur) et les endroits où l’air pourrait pénétrer. La liste suivante doit servir de ligne directrice pour identifier les zones de basse pression dans un système de fluide :

  • Aspiration de la pompe – hydraulique de la conduite d’aspiration incorrecte (conditions limitant le débit).
  • Effet d’orifice de vanne – vortex provenant d’un jet à grande vitesse dans les passages d’écoulement de la vanne de régulation.
  • Jet submergé – un jet s’étendant dans des zones d’écoulement illimitées où des régions de basse pression sont créées.
  • Charges négatives sur les moteurs et les vérins – les charges de l’actionneur à entraînement externe créent une basse pression dans l’actionneur.
  • Coups de bélier et coups de bélier – la partie de raréfaction des ondes de pression est capable de créer des régions de pression négative dans la ligne.
  • Effet haute altitude – la basse pression atmosphérique soumet la ligne d’aspiration à une pression qui peut s’avérer insuffisante pour remplir les chambres de pompage.

Sources de chaleur qui conduisent à la cavitation

Les sources de chaleur qui contribuent aux températures excessivement élevées et à la cavitation dans le fluide du système comprennent les suivantes :

  • Température ambiante élevée
  • Mauvais rendement mécanique des pompes et des moteurs
  • Conditions d’écoulement turbulent dans les conduits
  • Chaleur de vaporisation en écoulement cavitant
  • Chaleur de compression en flux aéré
  • Pertes de charge élevées à travers les orifices de contrôle
  • Cycle de service opérationnel sévère
  • Restrictions de débit majeures dans toutes les parties du système de circulation de fluide
  • Mauvais refroidissement ou manque de transfert de chaleur
  • Frottement élevé des surfaces rugueuses et action abrasive

Emplacements d’entrée d’air possibles à vérifier

En ce qui concerne les points d’entrée d’air d’un système, vous devez examiner attentivement ces emplacements lorsqu’une cavitation grave se produit :

Réservoirs – sites où se produit un entraînement d’air de type mécanique (agitation), un fluide tourbillonnant existe, un impact de fluide sur des surfaces liquides ou solides, des conditions de réservoir sous pression, un écoulement cyclonique à l’orifice d’aspiration de la pompe, une altitude critique (réservoir incliné) se produisant pendant le fonctionnement qui expose l’aspiration de la pompe orifice à l’atmosphère, bousculade du fluide due au mouvement sur un terrain accidenté et/ou à un faible niveau de liquide dans le réservoir qui expose l’orifice d’aspiration de la pompe à l’atmosphère.

Pompe – conduits et/ou orifices de petit diamètre, passages d’écoulement restrictifs, déviations d’écoulement et/ou conduites d’aspiration longues, mauvaises caractéristiques de remplissage de la pompe (passages d’écoulement internes restrictifs, vitesse de pompage élevée, déplacement d’écoulement trop important) ; altitude trop élevée pour fournir une pression de réservoir suffisante pour alimenter la pompe aux conditions de débit nominal ; hauteur d’aspiration inadéquate pour soulever le fluide jusqu’au niveau d’entrée de la pompe (c’est-à-dire, élévation trop importante entre le niveau de liquide et l’admission de la pompe), hauteur d’aspiration insuffisante pour accélérer le fluide du réservoir jusqu’aux conditions de débit nominales de la pompe (ne répondant pas aux demandes de déplacement de la pompe) .

Vannes – jets se déchargeant des orifices dans un espace d’écoulement limité, rationalisent le flux à travers des canaux se terminant dans des chambres où la basse pression est au niveau des parois en aval de la vanne, et/ou des vannes d’étranglement se déchargeant dans un conduit basse pression (conduite de retour).

Actionneurs (joints étendus) – joints de tige de passage d’air, désorption d’air existante et/ou cavités vaporeuses se formant lorsqu’une charge négative se produit en raison de charges d’inertie externes.

Moteurs (joints d’arbre) – joints de passage d’air et cavitation gazeuse/vapeuse se produisant lorsqu’il existe une charge négative due à un effet de volant.

Accumulateur – fuite d’air/de gaz au-delà d’un joint de piston usé, d’un diaphragme rompu ou d’une vessie déchirée.

Filtre – l’air passant par les joints externes dans les filtres de la ligne d’aspiration ou les restrictions de débit internes provoquant la désorption de l’air.

Connecteurs de conduit (raccords de tuyau, raccords de tube et joints de collecteur) – surfaces d’étanchéité du connecteur de passage d’air que les vibrations et les effets de dilatation et de contraction thermiques ont desserrés.

Conduit – parois rugueuses, sections d’écoulement pincées ou saillies dans le flux d’écoulement.

Lire l’original : https://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear-hydraulic?

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s