Dans un article précédent, nous avons déjà défini en quoi consiste le phénomène de la cavitation (lien disponible à la fin de celui-ci). En général, dans un parc aquatique, les conduites hydrauliques les plus fréquentes sont les réseaux de filtration des piscines et les lignes d’alimentation des attractions aquatiques telles que les toboggans, les jets, etc. Les deux cas correspondent à des canalisations sous pression avec des systèmes de pompage. Dans ce type d’infrastructure, les zones les plus sensibles à la cavitation sont les points hauts du tracé de la canalisation, le rétrécissement ou l’étranglement soudain de la canalisation ou les branches d’aspiration d’un système de pompage.
Aux points hauts d’une canalisation, lorsque le tracé est au-dessus de la ligne piézométrique, des pressions relatives négatives sont atteintes. Il est nécessaire d’évaluer la pression dans la canalisation à ces points, car la pression de vapeur pourrait être atteinte et la cavitation pourrait être déclenchée.
Figure 1.
La figure 1 montre deux cas où deux réservoirs sont reliés par une conduite avec un point haut. Dans le premier cas, la ligne piézométrique (ligne verte) ne croise pas le tracé de la conduite, le point haut (PA-1) n’est donc pas susceptible de cavitation. Cependant, au point haut du deuxième cas (PA-2), la ligne piézométrique de la canalisation croise le tracé de la canalisation, de sorte que dans cette zone (zone colorée en rouge) se produisent des pressions relatives négatives qui pourraient atteindre la pression de vapeur et, par conséquent, déclencher la cavitation.
Des vannes d’aspiration sont généralement installées à ces points hauts, qui permettent l’évacuation de la vapeur d’eau et de l’air en cas de formation de bulles. De cette façon, les bulles n’éclosent pas à l’intérieur du tuyau et les dommages sont évités.
-En cas de rétrécissement ou d’étranglement soudain de la canalisation, la vitesse de l’eau augmente considérablement, ce qui entraîne une chute de pression. Si la chute de pression est suffisamment importante, la pression de vapeur sera atteinte et la cavitation se produira. En général, ce phénomène se produit lors de réductions très importantes de la section transversale ou lorsque la fermeture partielle des vannes d’arrêt provoque un étranglement considérable de la zone d’écoulement.
Figure 2.
La figure 2 représente une section de tuyau dans laquelle la fermeture partielle d’une vanne papillon étrangle la zone de passage libre. La ligne de charge du pipeline est représentée en vert et la ligne piézométrique en orange. Cette dernière montre la chute de pression dans la zone d’étranglement, due à l’augmentation de la vitesse du fluide.
-Examinons le troisième cas, celui des branches d’aspiration d’un système de pompage : dans un tuyau pompé, la zone de pression la plus basse se trouve précisément dans la branche d’aspiration, plus précisément dans la section de la bride d’aspiration de la pompe, où la cavitation pourrait se déclencher. La cavitation dans les pompes est évaluée sur la base du paramètre appelé NPSH (Net Positive Suction Head en anglais), qui correspond à la pression positive nette au niveau de la bride d’aspiration de la pompe.
Le paramètre NPSH disponible dans la canalisation (ou NPSHd), correspond à la réserve de pression totale au-dessus de la pression de vapeur du fluide, et se calcule comme suit :
-Si la pompe est sous charge :
\[ NPSH_d = 10 ^ 5 · {\textstyle P_{atm} – P_v\over γ} + H – ΔH_5 \] -Si la pompe fonctionne à l’aspiration :
\[ NPSH_d = 10 ^ 5 · {\textstyle P_{atm} – P_v\over γ} – H – ΔH_5 \] Où :
NPSHd : Pression positive nette à la bride d’aspiration disponible dans la canalisation (en mètres).
Patm : Pression atmosphérique (en bars).
Pv : Pression de vapeur (en bars).
H : énergie potentielle gravitationnelle dans le réservoir d’aspiration (en mètres).
∆H : perte de charge dans le tuyau d’aspiration (en mètres).
γ : gravité spécifique de l’eau (Newton/m³).
Figure 3.
La figure 3 montre deux schémas d’aspiration : à gauche, la pompe est en charge ; à droite, la pompe est en aspiration. Évidemment, dans le second cas, le NPSH est plus faible, donc la possibilité de cavitation est plus élevée.
Le NPSHd dans la canalisation est comparé au NPSH minimum requis (ou NPSHr) par la pompe en question. Ce dernier paramètre, le NPSHr, est intrinsèque au modèle de pompe utilisé dans le système. Il est garanti qu’il n’y aura pas de cavitation dans la pompe si la condition suivante est respectée :
\[ NPSH_d ≥ NPSH_r + RS \] Où :
RS : marge de sécurité, dont la valeur est généralement de 0,5 m ou 1,0 m.
Dans les projets de parcs aquatiques qu’elle développe, Amusement Logic étudie soigneusement ces points dans le réseau de tuyauterie hydraulique. Il est ainsi en mesure de garantir que la cavitation ne se déclenche sur aucun d’entre eux. Cela permet de garantir le bon fonctionnement et la pérennité de vos infrastructures hydrauliques.
Vous pouvez accéder à la définition du phénomène de cavitation ICI.
Par Luis Llor, ingénieur hydraulique senior au département d’architecture d’Amusement Logic.
