Figure 1 Figure 2
figure 3
Figure 4
Une chute de pression importante des services liquides dans la vanne à soupape en dessous de la pression de vapeur fait sortir la presse à vapeur du liquide. Les bulles vont récupérer la pression et s'effondrer, créant des ondes de pression. Par conséquent, les ondes de pression peuvent endommager le siège, le clapet et le corps des robinets à soupape. La cavitation peut créer des piqûres irrégulières et de l'érosion dans la garniture (siège et clapet), le corps et la tuyauterie en aval. La figure 2 montre les dommages de cavitation sous la forme de petites piqûres très similaires aux dommages de corrosion dans les bouchons des vannes à soupape.
La cavitation a d'autres effets négatifs en plus de la corrosion et de l'érosion :
- Bruit fort
- Fortes vibrations
- Obstruction du débit due à la formation de vapeur
- Modification des propriétés du fluide
- Usine à l'arrêt
MESURE DE LA SÉVÉRITÉ DE LA CAVITATION
La sévérité de la cavitation est mesurée par l'indice de cavité, qui est calculé par cette formule :
La sévérité et l'extension de la cavitation pour les vannes en fonction des valeurs d'indice de cavité sont données dans le tableau 1.
La figure 3 montre le résultat du test de débit et le développement du coefficient de cavitation pour les vannes quart de tour, y compris les vannes à bille, à papillon et à boisseau.
Le risque de cavitation ne dépend pas seulement de l'indice de cavitation mais est également affecté par le pourcentage d'ouverture de la vanne. En fait, moins d'ouverture de la vanne augmente le risque de cavitation. Il existe d'autres paramètres qui affectent la cavitation :
- Taille des vannes : les vannes de plus grande taille augmentent le risque de cavitation.
- Classe de pression : les vannes de classe de pression supérieure présentent la possibilité d'une chute de pression et d'un risque de cavitation plus élevés.
- Matériau : les matériaux plus durs tels que le duplex 22Cr présentent moins de risque de cavitation que les choix de matériaux plus tendres tels que les aciers inoxydables austénitiques. De plus, les matériaux de garniture durs comme le Stellite 6 (UNS R30006) ou le Stellite 21 sous forme de solide ou de recouvrement et les aciers inoxydables martensitiques 13Cr comme UNS S41000 ou 415000 ont une résistance plus élevée contre la cavitation.
- Fuite : Une fuite du siège de soupape lorsque la soupape est fermée augmente le risque de cavitation.
- Régime d'écoulement : la vitesse d'écoulement turbulente et élevée augmente le risque de cavitation.
- Conception de la garniture : par exemple, la conception de la garniture à plusieurs étapes crée une chute de pression en deux étapes ou plus pour éviter une chute de pression élevée dans une étape. L'autre avantage de la conception de la garniture à plusieurs étages est d'avoir une chute de pression élevée loin des zones d'étanchéité du siège et du clapet.
SOLUTIONS PROPOSÉES
Il existe différentes approches pour éviter la cavitation. Ils comprennent le changement de vanne et la réduction de la sélection de vannes à soupape. D'autres solutions concernent la sélection de la vanne à soupape droite plus robuste.
Nouvelle norme
La première édition de la norme American Petroleum Institute (API) 623, publiée en 2013, comprend des exigences pour les robinets à soupape afin d'éviter les fuites, les vibrations et la cavitation. La norme API 623 spécifie le rechargement à la fois du siège et du clapet et du disque guidé, en particulier pour les classes haute pression. Le diamètre de tige spécifié dans l'API 623 suit les principes de la norme API 600 Cast Steel Gate Valves, avec des valeurs différentes. Les valeurs de diamètre de tige dans l'API 623 sont supérieures à celles des autres normes de vannes à soupape, y compris BS 1873, pour éviter les ruptures telles que la séparation de la tige et du clapet. Cette norme couvre les vannes de 2- à 24- pouces de diamètre et les classes de pression de 150 à 2500. La stellite est un alliage cobalt-chrome qui est largement utilisé pour le rechargement dur des composants internes des vannes à soupape, y compris le siège et bouchon, pour éviter l'érosion et la cavitation.
Sélection de vanne alternative
Figure 5
Les vannes à soupape de type Y (également appelées vannes obliques) et les vannes axiales (figures 4 et 5) sont des types de vannes alternatives qui peuvent être utilisées pour éviter l'érosion et la cavitation. Le chemin d'écoulement à l'intérieur du robinet à soupape à motif de type Y est plus droit que le globe à motif droit.
Les vannes axiales en tant que nouvelle génération de vannes à soupape DAGO présentent de nombreux avantages tels qu'une faible perte de charge, une vitesse de fermeture et d'ouverture rapide, une caractéristique d'écoulement fluide, un faible couple de fonctionnement et une longue durée de vie. Cependant, les vannes axiales et de type Y sont plus chères que les vannes à soupape droites en ce qui concerne le coût des dépenses (CAPEX). De plus, les vannes papillon peuvent être le choix préféré pour l'étranglement dans les services publics tels que l'eau, au lieu des vannes à soupape. L'une des raisons de choisir des vannes papillon au lieu de vannes à soupape pour l'étranglement dans les services d'eau de mer est que les vannes papillon sont moins coûteuses, bien que la cavitation puisse se produire à l'intérieur des vannes papillon comme c'est le cas dans les vannes à soupape.
CONCLUSION
La cavitation est le principal problème de fonctionnement des vannes à soupape de type T conventionnelles. La sélection de matériaux de garniture durs tels que Stellite, l'utilisation de garnitures anti-cavitation comme le type à plusieurs étapes et l'application de la norme API 623 sont recommandées pour la conception de vannes à soupape de type T (DAGO). Cependant, la sélection de vannes comme le globe de type Y (DAGO) ou les vannes axiales peut également être une bonne solution pour réduire ou éviter le risque de cavitation.