Cavitation des pompes de relevage : origine et conséquences

Cavitation des pompes de relevage

Cavitation des pompes de relevage : origine et conséquences

Les pompes de relevage sont principalement des pompes centrifuges qui peuvent malheureusement caviter, comme toute autre pompe centrifuge. Quelles sont les origines et les conséquences néfastes pour ces pompes?

Phénomène physique, explication !

La cavitation se définit par la formation de cavités gazeuses dans un liquide où la pression, en un lieu donné, devient inférieure à celle de la vapeur de ce liquide.
Il existe deux possibilités pour atteindre l'état gazeux d'un liquide.

  • Soit augmenter la température pour atteindre la température d'ébullition (ex : 100°C pour l'eau).
  • Soit réduire la pression atmosphérique à température constante.

La pression dans un système de pompage n'est pas homogène. Il a des zones où la pression est positive et des zones où la pression est négative (dépression).
Si la dépression est inférieure à la pression de vapeur du fluide, alors la cavitation a lieu. Et lorsque ces bulles de gaz entrent dans une zone de pression plus élevée, les bulles implosent et causent des dégâts au niveau des parties métalliques de la pompe. La force d'implosion de ces bulles peut excéder 6.800 bars.

Les deux origines de la cavitation d’une pompe

La cavitation à l'aspiration d'une pompe se forme dans la zone où la pression est la plus faible, c'est-à-dire dans le cas d'une pompe centrifuge au centre de la roue. Ce type de cavitation se rencontre lorsque la pompe crée une dépression trop importante. De nombreuses causes peuvent être à l'origine de ce problème. La hauteur géométrique peut excéder les capacités de la pompe, ou la canalisation d'aspiration peut être obstruée de manière partielle voir totale, ou encore la différence entre le NPSHa (Net Positive Suction Head disponible) du circuit et le NPSHr (Net Positive Suction Head requis) de la pompe peut être négative.

La cavitation de refoulement est, quant à elle, la conséquence d'un point de fonctionnement où la HMT est trop importante par rapport au faible débit à fournir. En effet, si à partir des relevés de manomètres de votre application, vous reportez le point de fonctionnement sur le courbier de la pompe et que celui-ci est à gauche du champ de performance de la pompe, vous êtes dans le cas typique de la cavitation de refoulement. Dans ce cas, la cavitation se localise à la pointe des aubes de la roue.

Diagramme pression température et cavitation

Les dommages engendrés par la cavitation

Les conséquences pour la pompe sont variables suivant l'intensité du phénomène. Il peut s'agir de petits impacts à peine visibles jusqu'à la destruction des composants essentiels au fonctionnement de la pompe. Les dommages sont principalement localisés suivant le(s) type(s) de cavitation (à l'aspiration et/ou au refoulement) présent(s).
Les dégâts causés par la cavitation à l'aspiration se répercutent sur deux éléments de la pompe : au niveau du centre de la roue et sur la plaque ou anneau d'usure avant.
Les impacts sont de forme sphérique. C'est pourquoi les comparaisons au gruyère ou à des impacts d'arme à feu sont parfois utilisées pour décrire l'aspect des éléments touchés par ce phénomène.

La cavitation de refoulement peut être beaucoup plus destructrice que la cavitation d'aspiration. Dans ce cas, la cavitation se localise au bout des aubes sur la face interne. Toutefois, lorsque le phénomène est important, les implosions se répercutent également sur le dessus de l'aube suivante. Les dégâts causés sur les aubes réduisent les capacités de la pompe, déséquilibrant la roue.
Ce déséquilibre va se répercuter sur l'arbre de la pompe par une déformation pouvant aller jusqu'à sa rupture. Et cela va engendrer une usure prématurée des roulements et de la garniture mécanique qui se trouvent sur l'arbre.
Les effets néfastes de la cavitation de refoulement touchent la majeure partie des composants du bloc hydraulique, contrairement à la cavitation d'aspiration dont les effets ne sont pas excentrés sur la roue.

Cavitation à l'aspiration

Détecter la cavitation, les signes caractéristiques

Sans ouvrir la pompe de relevage, il est courant de détecter si celle-ci est sujette à la cavitation. En effet, dans la majeure partie des cas, c'est par l'ouïe que l'on décèle ce problème. Le bruit caractéristique d'une pompe qui cavite est comparable à celui de billes ou de cailloux que l'on ferait tomber sur du métal. Bien sûr si la pompe est installée dans un milieu bruyant tel qu'une usine ou sous deux mètres d’eau pour une pompe submersible, il sera difficile de percevoir ce bruit. Dans ce cas, c'est par l'intermédiaire des capteurs de pression que la cavitation pourra être mise en évidence.

Pour vérifier la présence de cavitation, le calcul de NPSH est un bon révélateur.
NPSH disponible moins NPSH requis doit être positif.
NPSHa - NPSHr > 0.

NPSHa = pression atmosphérique tenant compte de la densité du liquide (10,33/d), auquel il faut soustraire :

  • Le facteur d'altitude (voir abaque)
  • La pression de vapeur due à la température du liquide (voir abaque)
  • La pression totale à l'aspiration (hauteur géométrique + pertes de charges)
  • Une marge de sécurité

NPSHr = caractéristique de la pompe en fonction du débit.

La cavitation d’une pompe peut engendrer des conséquences non négligeables sur la pompe, mais également sur la consommation électrique et le débit pompé. Ne pas en tenir compte serait très dommageable, d’autant plus que sa vérification par calcul n’est pas trop complexe à réaliser. Cela serait dommage de s’en priver.

Calcul NPSH

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