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

Divers liquides ont des degrés différents de résistance à la cavitation parce qu’ils dépendent, dans une mesure considérable, de la concentration de gaz et de particules étrangères dans le liquide.

Mécanisme de cavitation

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

Le résultat immédiat de cette condition est que les bulles augmentent rapidement en taille. Par la suite, lorsque les bulles pénètrent dans une zone de pression réduite, leur taille se réduit par suite de la condensation des vapeurs qu’elles contiennent.

Ce processus de condensation se déroule assez rapidement, accompagné de chocs hydrauliques locaux, de l’émission de sons, de la 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 à la teneur en divers adjuvants, tels que des particules solides non mouillées et des bulles de gaz-vapeur, en particulier celles de niveau submicroscopique, qui servent de noyaux de cavitation.

Un aspect critique du processus d’usure par cavitation est la destruction de la surface et le déplacement des matériaux causés par des mouvements relatifs élevés entre une surface et le fluide exposé. En raison de ces mouvements, la pression locale du fluide est réduite, ce qui permet à la température du fluide d’atteindre le point d’ébullition et à de petites cavités de vapeur de se former.

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 l’écrouissage, la fatigue et les piqûres de cavitation.

Donc, la cavitation est le nom donné à un mécanisme dans lequel les bulles de vapeur (ou les cavités) dans un fluide croissent et s’effondrent en raison des 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

Deux principaux types de cavitation existent : vaporeuse et gazeuse.

La cavitation vaporeuse est un processus d’ébullition qui a lieu si la bulle croît de manière explosive et non limitée, le liquide se transformant rapidement en vapeur. Cette situation se produit lorsque le niveau de pression passe sous la pression de vapeur du liquide.

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

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

Elle crée seulement du bruit, génère des températures élevées (même des craquements 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 piqûre par 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 provoquent l’ébullition du fluide, puis exposée à des contraintes de compression qui provoquent l’effondrement (implosion) des bulles de vapeur.

Cet effondrement produit un choc mécanique et provoque l’impact de microjets contre les surfaces, unifiant le fluide. Tout système qui peut répéter ce schéma de contraintes de traction et de compression est sujet à l’usure par cavitation et à toutes les horreurs accompagnant 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 provoque l’usure par cavitation. L’usure par cavitation ne nécessite pas une seconde surface ; elle 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 la 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 qui produit une onde de choc. Cette onde de choc frappe alors les surfaces métalliques adjacentes et détruit les liaisons entre les matériaux.

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.

Figure 1. Effondrement d’une bulle 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 produit généralement lorsqu’une condition hydrodynamique, caractérisée par un changement soudain et brutal de la pression hydrostatique, existe. Comme l’ébullition peut se produire à l’instant où la pression chute, les bulles de vapeur se forment et s’effondrent fréquemment et rapidement.

Les particules d’air et de poussière entraînées dans le fluide servent de sites de nucléation pour la formation de cavités de vapeur. Ces nucléi peuvent être de petites poches remplies de gaz dans les crevasses du récipient ou simplement des poches de gaz sur des particules contaminantes se déplaçant librement dans le flux d’écoulement. Par conséquent, tous les fluides confinés peuvent contenir suffisamment d’impuretés pour produire une 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 initiées, les bulles continuent de croître tant qu’elles restent dans des régions à basse pression. Lorsque les bulles se déplacent dans des régions à haute pression, elles s’effondrent, produisant des pressions intenses et érodant toute surface solide à proximité.

Pendant 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 forte intensité (choc), qui s’amplifient à mesure que le front progresse vers le centre de la bulle.

Détection auditive et visuelle

Les utilisateurs de l’équipement peuvent détecter la cavitation de manière auditive, visuelle, par instrumentation acoustique, par des capteurs de vibrations de la 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, de rigidité et de 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 extensive.

La quantité de dommages que la cavitation provoque dépend de la pression et de la vitesse que les bulles effondrées créent. 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 des bulles plus grandes à des différentiels de pression d’effondrement donnés. Ainsi, plus la contrainte de traction sur le fluide est grande (plus la pression statique est faible), plus les bulles sont grandes, plus la cavitation est intense et plus les dommages sont graves.

Les impulsions qui résultent de la formation et de l’effondrement des bulles de vapeur provoquent des cratères individuels symétriques et des déformations permanentes du matériau lorsque l’effondrement se produit à côté de la surface. Par conséquent, les dommages dus à la cavitation, comme la rupture par fatigue, ont plusieurs périodes d’activité :

• Période d’incubation – les microfissures se 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 fait en fonction du degré d’action de fendage, de cisaillement et de déchirement sur le matériau.

• Période d’état stationnaire – la vitesse de nucléation et de propagation des fissures devient constante pour le reste du temps d’exposition.

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

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

Les points chauds de la cavitation

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

• En aval des valves de contrôle qui ont des différentiels de pression élevés,

• Dans les chambres d’aspiration des pompes où des conditions d’entrée affamées existent,

• Dans les actionneurs à déplacement rapide (à la fois les types linéaires et rotatifs) où des conditions de charge négative se produisent,

• Dans les voies de fuite (à travers les joints, les sièges de soupape et les portées de tiroir) où des vitesses élevées font chuter les niveaux de pression en dessous de la pression de vapeur du fluide (une condition de cavitation souvent appelée tirage de fil) et

• Dans tous les dispositifs où l’écoulement du fluide est soumis à des virages brusques, à une réduction des sections transversales avec des expansions ultérieures (dans les robinets, les clapets, 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 haute pression.

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

Figure 2. Processus de cavitation dans les composants hydrauliques

Réduire l’usure par cavitation

Dans l’usure par cavitation, les microfissures se propagent jusqu’au point où le matériau ne peut plus résister à la charge d’impulsion que les bulles de vapeur en implosion imposent. Par conséquent, les particules finissent par se détacher et entrer dans le système.

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

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

Le moyen le plus fondamental de lutter contre l’usure par cavitation est de minimiser la contrainte de traction sur le fluide. En d’autres termes, les utilisateurs de l’équipement 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.

• Augmenter la pression d’entrée à l’orifice d’aspiration de la pompe en suralimentant l’entrée de la pompe.

• Utiliser des contrôles d’anticavitation sur les applications d’actionneurs à charge négative.

• Réduire la teneur en eau du fluide pour éliminer la possibilité de tirage de fils (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 avec une faible pression de vapeur.

• Sélectionner une pompe avec de bonnes caractéristiques de remplissage par opposition à une configuration d’entrée affamée.

• Utiliser un fluide avec une faible viscosité ou augmenter la température du fluide.

Dans de nombreux cas, les ingénieurs de conception peuvent minimiser les dommages de cavitation en sélectionnant correctement les matériaux de fabrication. Par exemple, on peut choisir l’acier inoxydable au lieu de l’aluminium (figure 3) et utiliser un revêtement dur avec un alliage résistant à la cavitation sur la surface exposée. Les revêtements en caoutchouc et autres élastomères ont également contribué à minimiser l’usure par cavitation. Malgré leur faible résistance à la cavitation, ces surfaces reflètent l’onde de choc sans causer de dommages intenses.

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 apparaissent pendant la période d’accumulation. Les pentes des courbes de distribution cumulative de la taille des particules augmentent lorsque l’énergie de déformation du matériau augmente. La taille moyenne des particules produites par la cavitation diminue lorsque l’intensité de la cavitation augmente.

Précurseurs de la cavitation

Lorsque vous étudiez un problème de cavitation dans un système 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 devrait servir de ligne directrice pour identifier les zones de basse pression dans un système fluide :

• Aspiration de la pompe – hydraulique incorrecte de la ligne d’aspiration (conditions limitant le débit).

• Effet de l’orifice de la vanne – tourbillons provenant d’un jet à grande vitesse dans les passages d’écoulement de la vanne de contrôle.

• Jet submergé – un jet s’étendant dans des zones d’écoulement non délimitées où des régions de basse pression sont créées.

• Charges négatives sur les moteurs et les cylindres – les charges d’actionneurs à entraînement externe créent une basse pression dans l’actionneur.

• Sauts de pression et coups de bélier – la partie de raréfaction des ondes de pression est capable de créer des régions de pression négative dans la conduite.

• Effet de haute altitude – la faible pression atmosphérique soumet la conduite d’aspiration à une pression qui peut s’avérer inadéquate pour remplir les chambres de pompage.

Sources de chaleur qui conduisent à la cavitation

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

• Température ambiante élevée
• Mauvais rendement mécanique des pompes et des moteurs
• Conditions d’écoulement turbulent dans les conduits
• Chaleur de vaporisation dans un écoulement cavitant
• Chaleur de compression dans un écoulement aéré
• Pertes de charge élevées à travers les orifices de contrôle
• Cycle d’utilisation opérationnel sévère. cycle de service
• Restrictions importantes du débit dans toutes les parties du système de circulation des fluides
• Mauvais refroidissement ou absence de transfert de chaleur
• Frottement élevé dû à des surfaces rugueuses et à une action abrasive

Lieux possibles d’entrée d’air à vérifier

En ce qui concerne les points d’entrée d’air d’un système, vous devez examiner attentivement ces endroits lorsque de graves cavitations se produisent :

Réservoirs – sites où se produit un entraînement d’air de type mécanique (agitation), où le fluide tourbillonne, où il y a un impact du fluide sur des surfaces liquides ou solides, où les conditions du réservoir sont sous pression, où il y a un écoulement cyclonique au niveau de l’orifice d’aspiration de la pompe, où l’altitude critique (réservoir incliné) se produit pendant le fonctionnement et expose l’orifice d’aspiration de la pompe à l’atmosphère, où le fluide est bousculé en raison du déplacement sur un terrain accidenté et/ou où le niveau de fluide du réservoir est bas et 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 conditions de longue ligne d’aspiration, 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 ; une hauteur d’aspiration insuffisante pour élever le fluide jusqu’au niveau d’entrée de la pompe (c’est-à-dire une élévation entre le niveau du fluide et l’entrée de la pompe trop importante), une hauteur d’aspiration insuffisante pour accélérer le fluide du réservoir jusqu’aux conditions de débit nominal 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, écoulement rationalisé à travers des canaux se terminant dans des chambres où la basse pression est aux parois aval de la vanne, et/ou vannes d’étranglement se déchargeant dans un conduit à basse pression (ligne de retour).

Actuateurs (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 inertielles externes.

Moteurs (joints d’arbre) – joints de passage d’air et cavitation gazeuse/vaporeuse se produisant lorsqu’une charge négative existe en raison d’un effet de volant d’inertie.

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

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

Connecteurs de conduits (raccords de tuyaux, raccords de tubes et joints de collecteurs) – air passant par des surfaces d’étanchéité de connecteurs que les vibrations et les effets de dilatation et de contraction thermiques ont desserrées.

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

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