Diagnostic de la cavitation
Cavitation est un phénomène destructeur qui se produit dans les pompes et autres systèmes hydrauliques : la formation rapide et l'effondrement violent (implosion) de bulles de vapeur dans un liquide. Elle se produit lorsque la pression statique locale du liquide tombe en dessous de sa pression de vapeur, de sorte que le liquide bout momentanément à la température ambiante, puis se recondense lorsque la pression se rétablit. Bien qu'elle soit souvent décrite comme un “sifflement” ou un “bruit de billes”, la cavitation est une source importante de Vibrations et peut causer des dommages graves et érosifs aux roues et aux carters. Il s'agit surtout d'un signe d'un hydraulique plutôt qu'un problème mécanique — pourtant, il est facilement détectable à l'aide de analyse des vibrations, ce qui en fait un exemple classique d'utilisation des vibrations pour diagnostiquer un défaut de processus.
1. Définition : Qu'est-ce que la cavitation ?
La physique de la cavitation repose sur la relation entre la pression locale et la pression de vapeur. À l'intérieur d'une pompe, le liquide s'accélère lorsqu'il pénètre dans l'œil de la roue et, selon le principe de Bernoulli, cette accélération fait chuter la pression locale. Si la pression descend en dessous de la pression de vapeur du liquide, de minuscules cavités de vapeur se forment. Elles ne survivent que jusqu'à ce que le flux les entraîne dans une zone de pression plus élevée — généralement quelques millimètres plus loin le long de l'aube — où elles s'effondrent presque instantanément. Chaque effondrement est une implosion microscopique qui libère un pic de pression brutal et une rafale d'énergie à haute fréquence. Si l'on multiplie ce phénomène par les milliers de bulles qui se forment chaque seconde, l'effet cumulatif se traduit par un bruit audible et des vibrations mesurables, ainsi que par une lente et implacable formation de piqûres sur les surfaces métalliques.
2. Les deux types de cavitation
a) Cavitation par aspiration
C'est la forme la plus courante. Elle se produit lorsque la pompe est “privée” de fluide, c'est-à-dire lorsque la hauteur d'aspiration positive nette disponible (NPSHa) est inférieure à la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHr) par la pompe.
- Mécanisme : La basse pression à l'œil de la turbine provoque l'ébullition du liquide, ce qui forme des bulles de vapeur. En étant entraînées dans les zones de pression plus élevée des aubes de la turbine, ces bulles s'effondrent violemment.
- Causes : un filtre ou une crépine d'aspiration bouchés, un clapet d'aspiration partiellement fermé, une conduite d'aspiration trop longue ou d'un diamètre trop petit, ou une pompe nécessaire pour soulever le fluide d'une hauteur trop importante.
La marge côté aspiration est fondamentalement un problème de NPSH, de sorte que lors de la conception ou du dépannage d'une installation, il est utile de vérifier les chiffres de manière explicite ; notre Calculateur NPSH calcule la hauteur de charge disponible et montre à quel point un système est proche du seuil de cavitation.
b) Cavitation de refoulement
Cela est moins courant et se produit lorsque la pression de refoulement de la pompe est extrêmement élevée, empêchant le fluide de s'écouler hors de la pompe.
- Mécanisme : Le fluide est emprisonné entre les aubes de la turbine et recircule à grande vitesse, créant une zone de vide à basse pression où se forment des bulles. Ces bulles implosent ensuite en quittant la zone de basse pression.
- Causes : Une vanne de refoulement bloquée ou fermée, ou un pompage contre une « charge morte » (une conduite de refoulement complètement bloquée).
La recirculation interne à grande vitesse associée à la cavitation de décharge est étroitement liée au débit. recirculation, une autre instabilité à faible débit qui présente certains des mêmes symptômes et qui est l'une des nombreuses défauts des pompes centrifuges un analyste apprend à faire la distinction.
3. La signature vibratoire de la cavitation
L'implosion violente de milliers de minuscules bulles de vapeur ne produit pas une fréquence unique et précise. Elle crée plutôt une signature vibratoire très distincte :
- Bruit à haute fréquence et à large bande : l'indicateur principal est une augmentation significative du “bruit de fond” de Spectre FFT, notamment aux hautes fréquences (généralement supérieures à 2 000 Hz). Elle se présente comme une large “bosse” d'énergie aléatoire plutôt que comme des pics discrets.
- Aléatoire et instable : la vibration est aléatoire et non périodique - c'est précisément la raison pour laquelle elle ne produit pas de lignes nettes - et l'amplitude globale peut fluctuer sensiblement d'un moment à l'autre. C'est ce caractère aléatoire qui distingue la cavitation de l'écoulement ordinaire turbulence, qui a tendance à être plus légère et de fréquence plus basse.
- Harmoniques potentielles de la fréquence de passage des pales : dans certains cas, l'énergie aléatoire peut exciter les fréquence de passage des pales (BPF = nombre d'ailettes × vitesse de fonctionnement) et ses harmoniques, mais la caractéristique dominante reste le bruit de fond à large bande. Sur les pompes, cette même composante est souvent appelée fréquence de passage des aubes.
L'énergie étant à large bande et impulsive, des techniques adaptées aux impacts répétitifs peuvent permettre d'affiner le diagnostic : analyse d'enveloppe et des mesures telles que facteur de crête réagissent fortement aux transitoires rapides d'effondrement des bulles. Si la cavitation est laissée à l'abandon, elle peut provoquer des dommages secondaires — l'érosion de la roue — qui introduisent alors un véritable déséquilibre mécanique déséquilibre qui apparaît sous la forme d'un pic élevé de 1×, ce qui rappelle utilement qu'un défaut peut en engendrer un autre.
4. Confirmation
La signature étant celle d'un bruit aléatoire, elle peut être confondue avec d'autres sources liées à la turbulence ou à l'écoulement, et il convient donc de la confirmer avant de s'engager dans une réparation :
- Écoute : La cavitation produit souvent un son audible distinct, comme du gravier ou des billes qui roulent à l'intérieur de la pompe — c'est souvent le premier indice qu'un opérateur remarque en atelier.
- Modifications des processus : en cas de suspicion de cavitation à l'aspiration, l'ouverture lente et prudente d'une vanne d'aspiration partiellement fermée ou le nettoyage de la crépine d'aspiration devrait immédiatement réduire ou éliminer le bruit à haute fréquence. Ce test de changement délibéré et d'observation est l'une des confirmations les plus efficaces disponibles, car il manipule directement la cause hydraulique.
Il est essentiel de s'attaquer rapidement à la cavitation. Chaque implosion agit comme un micro-jet martelant les aubes de la roue et la volute de la pompe, entraînant une défaillance prématurée. Sur le terrain, la procédure pratique consiste à confirmer la signature à large bande sur un analyseur de vibrations, à éliminer la cause hydraulique, puis à vérifier que la machine est revenue à un état mécanique propre. Un instrument portable à deux canaux tel que le Balanset-1A est bien adapté à cette dernière étape : une fois que le défaut du processus est corrigé, il mesure la valeur 1× l'amplitude et la phase dans les roulements propres de la pompe à la vitesse de fonctionnement, de sorte que tout résidu de déséquilibre laissé par l'érosion peut être quantifié et corrigé par un équilibrage en place équilibrage.
