Analyse de la cavitation des roues de pompes centrifuges

1. La nature de la cavitation
La cavitation, un processus destructeur physico-chimique combiné, se déroule en trois étapes :

Vaporisation locale : lorsque la pression locale à l'entrée de la turbine ou dans la zone de basse pression tombe en dessous de la pression de vapeur saturante du liquide à sa température de fonctionnement, le liquide bout, générant de nombreuses bulles de vapeur (cavités).

Implosion et dommages causés par les bulles : Ces bulles sont entraînées par le flux dans la zone de haute pression de la turbine où la pression environnante augmente brusquement, provoquant leur implosion quasi instantanée. Cette implosion génère des ondes de choc intenses et des microjets dont la pression localisée atteint plusieurs centaines de mégapascals, agissant en quelques microsecondes et sur des zones de l’ordre du micron.

Fatigue et érosion des matériaux : Ces ondes de choc frappent la surface métallique de la roue de manière répétée (des milliers de fois par seconde), induisant une fatigue mécanique et une corrosion. Ce phénomène provoque le détachement progressif des grains de métal, entraînant une érosion superficielle ponctuée, alvéolaire ou spongieuse.

2. Risques spécifiques de cavitation pour les pompes

Dégradation des performances : Les bulles de vapeur obstruent les canaux d'écoulement, perturbent la continuité du fluide et provoquent une baisse significative du débit, de la hauteur manométrique et du rendement de la pompe, créant souvent une rupture dans la courbe de performance.

Vibrations et bruit : La formation et l'effondrement violents des bulles provoquent de fortes vibrations de la pompe et des crépitements ou sifflements caractéristiques, compromettant la stabilité et l'environnement de travail.

Dommages à l'hélice :

Piqûres mécaniques : Créent l'érosion caractéristique en nid d'abeille.

Corrosion électrochimique : L’énergie libérée lors de l’effondrement détruit la couche passive protectrice de la roue (particulièrement critique pour l’acier inoxydable), accélérant la corrosion chimique. Cette agression combinée entraîne une perte de matière extrêmement rapide.

Dans les cas les plus graves, cela peut entraîner la perforation de la roue et une panne complète de la pompe.

Durée de vie réduite : les dommages à la turbine, associés à une usure accélérée des roulements et des joints d’étanchéité due aux vibrations, raccourcissent considérablement les intervalles de maintenance et la durée de vie globale de la pompe.

3. Identification et diagnostic

Son : Un bruit persistant de crépitement, de claquement ou de sifflement provenant de la pompe, semblable à celui du pompage de gravier.

Performances : À vitesse et position de vanne constantes, une chute soudaine ou progressive du débit, de la pression de refoulement (hauteur manométrique) et du courant moteur (consommation électrique) est observée.

Vibrations : relevés de vibrations de la pompe anormalement élevés, notamment dans la direction axiale.

Inspection visuelle : Le démontage après opération révèle la présence de piqûres en nid d’abeille caractéristiques sur la face arrière des bords d’entrée de la pale (zone de basse pression).

4. Causes principales (dans les systèmes d'eau en circulation)

NPSH disponible insuffisant (NPSHa) : La cause première.

Élévation excessive de la pompe : La pompe est installée trop haut au-dessus du niveau du liquide d’alimentation.

Pertes excessives dans la conduite d'aspiration : une tuyauterie d'aspiration trop longue, trop étroite, comportant trop de coudes ou dont les filtres/crépines/clapets de pied sont obstrués augmente la perte de charge.

Température élevée du liquide : Un mauvais échange de chaleur ou une charge thermique élevée dans le système augmente la température de l’eau et sa pression de vapeur, réduisant ainsi le NPSHa.

Pression du système basse : Les fluctuations de pression ou un apport d’eau insuffisant dans les systèmes fermés diminuent la pression du récipient d’aspiration.

NPSH requis par la pompe élevée (NPSHr) :

Conception intrinsèque de la pompe défectueuse ou géométrie d'entrée de la roue défavorable/vitesse d'entrée élevée.

Usure ou colmatage de la turbine, ce qui compromet la conception hydraulique d'origine.

5. Prévention et solutions

Optimisation de la conception du système (augmentation du NPSHa) :

Abaisser la hauteur d'installation de la pompe ; utiliser une aspiration noyée (niveau de liquide au-dessus de l'axe de la pompe) chaque fois que possible.

Optimiser la tuyauterie d'aspiration : raccourcir la longueur, augmenter le diamètre, minimiser le nombre de raccords/vannes et nettoyer régulièrement les filtres/crépines.

Contrôle de la température du liquide : Garantir le bon fonctionnement des tours de refroidissement, des échangeurs de chaleur, etc.

Stabiliser la pression du système : maintenir une pressurisation et un appoint appropriés dans les systèmes fermés.

Sélection et modification appropriées (réduction du NPSHr) :

Sélectionnez des pompes avec une marge suffisante : assurez-vous que le NPSHa > NPSHr dispose d'une marge de sécurité suffisante (généralement ≥ 0,5-1,0 m).

Choisissez des pompes résistantes à la cavitation : modèles avec turbines à double aspiration (vitesse d’entrée plus faible) ou aubes d’inducteur.

Modification de la turbine : Remplacez la turbine standard par un modèle anti-cavitation (avec des bords d'entrée plus épais et des profils aérodynamiques spéciaux) ou remodelez/découpez professionnellement l'entrée de la turbine standard pour obtenir un profil plus fin et plus pointu.

Exploitation et maintenance :

Rechargement dur/Revêtement : Appliquer des matériaux résistants à la cavitation (par exemple, des alliages à base de cobalt, du carbure de tungstène) par rechargement laser, projection plasma ou rechargement par soudage.

Revêtements polymères : Utilisez des revêtements époxy haute performance pour les applications moins critiques.

Les turbines endommagées doivent être réparées ou remplacées rapidement.

Évitez le fonctionnement à faible débit : la recirculation interne à faible débit favorise la cavitation. Utilisez la pompe dans sa plage de fonctionnement optimale (BEP).

Utilisez des variateurs de fréquence (VFD) : la réduction de la vitesse de la pompe diminue considérablement son NPSHr (proportionnel au carré de la vitesse), une solution efficace.

Protection et réparation des surfaces :

Résumé
La cavitation de la roue des pompes centrifuges est un problème systémique dû à un déséquilibre : la hauteur d'aspiration positive nette disponible (NPSHa) du système est insuffisante pour satisfaire la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHr) par la pompe. La solution repose sur une double approche : augmenter l'offre et réduire la demande, c'est-à-dire améliorer la NPSHa du système tout en réduisant la NPSHr de la pompe. Grâce à une conception, une sélection, une exploitation et une maintenance systématiques, la cavitation peut être efficacement prévenue et gérée.