Valves: Les problèmes potentiels

Été 2013Guy Gauthier ing. Ph.D.

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Problèmes potentiels

• Plusieurs phénomènes physiques peuvent venir affecter le fonctionnement d’une valve.

• Liquides:– Cavitation

• Gaz:– Autoréfrigération

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LA CAVITATIONQuand le vacuum est trop poussé…

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Pression de vapeur

• Lorsque la pression de vapeur d’un liquide (à une température donnée) est au dessus de la pression atmosphérique, ce liquide est dit en état d’ébullition.– A une pression de 1 atmosphère (101.3 kPa ou

14.7 psia) l’eau bout à 100°C ou 212°F.– A une pression de 0.24 atmosphère (24.1 kPa ou

3.5 psia) l’eau bout à environ 65.55°C ou 150°F.

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5

Pression de vapeur

La cavitation

• En traversant une valve, la pression statique descend.

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La cavitation

• Tant que la pression reste au dessus de la pression de vapeur, aucune vaporisation ne se produit.

• Mais, si la pression chute sous la pression de vapeur, il y a vaporisation et cela se traduit par la formation de bulles de gaz (liquide vaporisé).

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La cavitation

• Le problème survient lorsque la pression repasse au dessus de la pression de vapeur du liquide.

• La bulle de gaz étant constituée de liquide vaporisée se condense. Le volume de liquide étant beaucoup plus petit que le volume de gaz, cela entraine une implosion de la bulle.

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La cavitation

9

10

http://www.dailymotion.com/user/jerome_ferrari/1

Effets de l’implosion des bulles de gaz

• Aucun matériaux ne résiste à l’implosion des bulles de gaz.

• Dégâts importants dans la valve et dans les sections de conduites qui suivent en aval de la valve.

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Effets sur la capacité de la valve

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Phénomène semblable à celui observé avec un gaz

Définition de la cavitation par un accéléromètre

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Cavitation naissante

Cavitation critique

« choking flow »

Prévenir la cavitation

• Utilisation de valves anti-cavitation– plus coûteuses

• Introduction de bulles d’un gaz non-condensable.

• Localiser la valve ailleurs– plus bas• pression statique + élevée

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Les formules de calcul de la cavitation(version 1)

• Si le manufacturier nous donne les valeurs de test de KC sur l’étendue d’ouverture de la valve, on peut utiliser l’équation suivante:

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p K p pC v 1Pression amont Pression de vapeur

Exemple #1 de calcul de la cavitation

• Liquide: eau• Débit maximal: 1275 GPM• Valve à bille caractérisée de 6 po.• Température: 90°F (pv = 0.70)• Pression en amont : 35 psia• Pression en aval : 15 psia

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Solution: Calcul du delta P seuil au delà duquel il y a cavitation

• Le catalogue du manufacturier indique un KC = 0.42 pour cette ouverture de valve:

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p K p p psiapsia psia

c v

1 0 4 2 3 5 0 7

1 4 4 2 0. .

.Donc la valve va êtreen forte cavitation.

Les formules de calcul de la cavitation (version 2)

• Pour les valves à bille et les valves papillon, on utilise la série d’équations suivante:– La vitesse (en pi/sec) dans la conduite à l ’entrée

de la valve qui créée un début de cavitation est:

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v J J J Ji o i n d

Les formules de calcul de la cavitation

– La vitesse (en pi/sec) dans la conduite à l ’entrée de la valve qui créée une cavitation critique est:

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v J J J Jc o c n d

Les formules de calcul de la cavitation

• Ou d = diamètre interne de la valve– Utiliser le diamètre interne d’une conduite

« schedule 40 » de même diamètre nominal.

20

Jd

d J k

lo g ( / )( . . lo g )

1 21 0

10 3 2 9 0 6 1 5

Les formules de calcul de la cavitation

• Ou Cd = valeur Cv/d2 requise pour le débit spécifié (pas de la table doit être calculé).

21

JCkd

8 9 0

12

1 2/

Les formules de calcul de la cavitation

• Ou p1 est la pression d’entrée en psia, et pv la pression de la tension de vapeur en psia.

22

Jp p

nv

10 3 9

7 1 5.

.

Les formules de calcul de la cavitation

23

Jddd

o

1 0 6 1 21 0 0 1 20 9 4 1 2

.

..

p o u r p o u r p o u r

Les formules de calcul de la cavitation

24

JJ J

J J

JJ J

J J

ik k

k k

ck k

k k

6 0 4 0 13 6 2 0 1

7 1 0 0 14 3 0 0 1

. .. .

. .. .

p o u r + 2 .4 2 p o u r

p o u r + 2 .8 0 p o u r

Les formules de calcul de la cavitation

• La chute de pression risquant d’entraîner la cavitation est:

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p GvC d

6 0

2

.Densité relative

Vitesse en pi/s

Calculé précédemment

Exemple #2 de calcul de la cavitation

• Liquide: eau• Valve papillon de 3 po. (d = 3.068 po) • Débit maximal: 330 GPM• Pression de vapeur : 0.4 psia• Pression en amont : 24 psia• Pression en aval : 15 psia

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Étape #1: Calcul approximatif du CV requis

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q CpG

C

C

v

v

v

3 3 02 4 1 5

111 0

Étape #2: Calcul approximatif du CD correspondant

28

C Cdd

v 2 211 0

3 0 6 8 11 6 9. .

Étape #3: Calcul du coefficient Jk

29

JCkd

8 9 01

8 9 011 6 9

1 0 3 6 5

2

1 2

2

1 2

/

/

..

Étape #3: Calcul du coefficient Jk

30

Jd

Jdk

lo g ( / )lo g ( . . lo g )

lo g ( / . )lo g ( . . lo g ( . ))

.

1 20 3 2 9 0 6 1 5

1

1 2 3 0 6 80 3 2 9 0 6 1 5 0 3 65

1 1 1 4 9

1

1

Étape #3: Calcul des coefficients Jk, Ji et Jc

31

J dJ J J

J J J

o

i k k

c k k

1 0 6 1 23 6 2 2 4 2 0 11 5 6 34 3 0 0 11 8 5 0

.. . ... ..

ca r ca r

+ 2 .8 0 ca r

Étape #4: Calcul du coefficient Jn

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Jp p

nv

1

0 39 0 3 9

7 1 52 4 0 4

7 1 50 6 4 9

..

..

. .

Étape #5: Calcul des vitesses vi et vc

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sec

sec

1.06 0.649 1.149 15.6312.35

1.06 0.649 1.149 18.5014.62

i o n d i

piedsonde

c o n d c

piedsonde

v J J J J

v J J J J

Étape #6: Calcul des chutes de pression delta Pi et delta Pc

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p GvC

psi

p GvC

psi

ii

d

cc

d

6 0 6 01 2 3511 6 9

6 7

6 0 6 01 4 6 211 6 9

9 4

2 2

2 2

. ...

.

. ...

.

Conclusion de l’exemple #2

• Comme la chute de pression est de 9 psi, la valve va faire de la cavitation (> pi) mais pas de façon critique (< pc).

35

Conclusion de l’exemple #2

• Ce peut être acceptable selon la configuration de la conduite en aval, mais un risque de dommage est possible pour certaines configurations.

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Vaporisation du liquide(Flashing)

• Si en aval de la valve la pression reste inférieure à pv, nous n’avons plus de cavitation mais de la vaporisation, car la condensation n’a plus lieu.

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Vaporisation du liquide(Flashing)

• À la sortie de la valve on retrouve un mélange liquide-gaz. (Choked flow)

• Bien que la vitesse de sortie soit supérieure à celle d’entrée, l’agressivité reste quelque chose de contrôlable, alors que la violence de la cavitation reste inacceptable.– Toutefois, on fait en sorte que la sortie de la valve

soit directement dans le réservoir de destination.

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Vaporisation de l’eau

• Considérons l’équation d’une valve traversée par un liquide turbulent:

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q Cp pGv1 2

Vaporisation de l’eau

• Il faut faire apparaître la pression au vena-contracta :

40

q F Cp pG

FH HH H

p pp p

L vvc

Lvc vc

1

1 2

1

1 2

1

Vaporisation de l’eau

• Comme la valeur de la pression au vena-contracta dépend de la pression de vapeur, posons :

– avec FF est le « facteur critique du rapport de pression du liquide ».

– Ce facteur permet d’estimer la pression qui sera présente au vena contracta lorsque la valve est dans les conditions du débit critique.

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p F pvc F v

Vaporisation de l’eau

• Alors :

– ou FF est l’approximation suivante pour l ’eau pure sans air dissous (en équilibre thermodynamique):

– pc = pression thermodynamique critique;

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1 F vL v

p F pq F C

G

F ppF

v

c 0 9 6 0 2 8. .

Paramètre FLP

• Si des réducteurs sont utilisés, on remplace FL par FLP et:

• Sinon on conserve FL.

43

1

221 1

2

1890

B dLP

L

K K CF

F

Exemple de calcul de vaporisation instantanée (flashing)

• Liquide: eau• Débit maximal: 38 000 lb/h• Conduite de 2 po. « schedule 40 »• Température t1: 325°F• Pression en amont : 115 psia• Pression en aval : 80 psia

• Choisir la valve.

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Exemple

• Des tables de vapeur pv = 96 psia, pc=3206 psia et 1=1/v = 1/0.01771:

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F ppF

v

c

0 9 6 0 2 8

0 9 6 0 2 8 9 63 2 0 6 0 9 1

. .

. . .http://www.engineeringtoolbox.com/saturated-steam-properties-d_273.html http://www.engineeringtoolbox.com/water-specific-volume-weight-d_661.html

Exemple

• Le débit massique en livre par heure est:

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0.91 96 87vc F vp F p psia psia

1 163.3 LP V vcw F C p p

Exemple

• Donc:

47

115 8738000 63.30.01771

15 (requis)

L V

L V

F C

F C

Exemple

• Le catalogue d’un manufacturier nous indique qu’une valve de type « angle valve » de 2 pouces à un CV = 26 et FL = 0.80:

48

0.80 26 20.8 15L vF C Donc la valve est correcte dans cette

application et fonctionnera à 72 % de sa capacité.

Effets thermodynamiques

• Autoréfrigération• Condensation• Formation d’hydrates et gel

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Effets thermodynamiquesAUTORÉFRIGÉRATION

• Si un gaz ou de la vapeur passe d’une haute à une basse pression au travers d’une valve, une chute de température de produit.– CO2 à 300 psia et 20°F tombe à -60°F si la pression

chute à la pression atmosphérique.• On peut voir cela sur le diagramme de Mollier.

– L’enthalpie reste inchangée…

50

51

Effets thermodynamiquesAUTORÉFRIGÉRATION

• Le danger:– les matériaux ne tolèrent pas cette température• Les métaux deviennent cassants;• Les plastiques ne fonctionnent plus.

• Les solutions:– choisir des matériaux tolérants cette température;– préchauffer le gaz avant la valve.

52

Effets thermodynamiquesCONDENSATION

• Le gaz peut entrer en condensation si la pression et la température tombent sous le seuil de valeur saturée.– Conséquence du phénomène d’autoréfrigération.

53

Effets thermodynamiquesCONDENSATION

• Prévision de la chute de température par un diagramme de Mollier.

• Exemple:– CO2 à 1500 psia et 100°F– Chute de pression à 200 psi• condensation

54

55

Chute isentropique

Trajet incertain, maisenthalpie reste la même

Effets thermodynamiquesCONDENSATION

• Conséquences:– La condensation du gaz résulte en l’apparition de

gouttelettes.– Ces gouttelettes sont accélérées à grandes vitesses

et provoquent de l’érosion.

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Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• Certains gaz hydrocarbonés pressurisés mélangés avec de la vapeur d’eau forment des cristaux d’hydrates à des températures relativement élevées.

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Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• C’est le cas du gaz naturel qui contient souvent de l’humidité.

• Cela se produit lors d’une chute de pression - autoréfrigération.

58

Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• On doit donc installer un système diminuant l’humidité avant la valve.

• Exemple:– Des hydrates se forment à 60°F à 1000 psia et

autour de 45°F à 330 psia.– Dans une valve, si la pression passe de 1000 psia

(T=80°F) à 330 psia, la température tombe un peu sous les 45°F.

59

Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• Équations de calcul de températures (en °F) de formation d’hydrates:

– Valides si 32°F t 65°F

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t p G= .t p G= .t p G= .

3 2 9 3 8 4 0 63 2 5 3 2 1 0 73 1 0 2 5 6 0 8

. lo g .

. lo g .. lo g .

s i s i s i

Dépend de la densité relative

Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• Courbe de prédiction:

61

Effets thermodynamiquesFormation d’hydrates et gel

• La glace peut se former de la même façon que les hydrates.

• Dans les deux cas, cela peut entraîner l’obstruction de la conduite.

62

Le bruit des valves

• Les vibrations causées par l’écoulement d’un fluide dans une valve peut engendrer un bruit important.

• Plus le fluide s’écoule rapidement, plus les vibrations et le bruit est important.– Exemple les gaz s’écoulant à plus de Mach 0,3.

63

Le bruit des valves

• Normes de bruit (U.S.A et Québec):– 8 heures/jour 90 dBA maximum;– 4 heures/jour 95 dBA maximum;– 2 heures/jour 100 dBA maxi;– 1 heure/jour 105 dBA maxi;– 1/2 heure/jour 110 dBA maxi;– 1/4 heure/jour 115 dBA maxi.

64

Le bruit des valves

• Normes de bruit (Canada – plupart des provinces):– 8 heures/jour 85 dBA maximum;– 4 heures/jour 88 dBA maximum;– 2 heures/jour 91 dBA maxi;– 1 heure/jour 94 dBA maxi;– 1/2 heure/jour 97 dBA maxi;– 1/4 heure/jour 100 dBA maxi.

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http://www.cchst.ca/oshanswers/phys_agents/exposure_can.html

Le bruit des valves

• Pour estimer le niveau de bruit il faut:– Style de la valve;– Diamètre et type de la conduite;– Pression en amont et chute de pression;– Capacité requise.

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Le bruit des valves

• Équation de prédiction du bruit:

– Niveau sonore en dBA à un point à 48 pouces en aval de la valve et à 3 pieds de la conduite (horizontalement).

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L pC x L Lpo v T x k 20 4 0lo g Chute de pression

Le bruit des valves

• Pour la majorité des valves :

68

0.4520x TL x

Le bruit des valves

• D=diamètre externe de la conduite;• t = épaisseur de la parois;• indice o = conduite standard.

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LD

D t Dt D tt D tko

o o

1 0

42 7 22

3

lo g( ) ( )

( )( )

La réduction du son- Les remèdes

• Inverser le sens du débit;• Changer l’actuateur;• Remplacer la valve;• Éviter la cavitation;• Limiter la vitesse d’écoulement;• Écran acoustique;• Isolation acoustique;

70

La réduction du son- Les remèdes

• Mettre la valve loin des gens;

• Utiliser des silencieux.

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L L r rp po o 1 0 lo g ( / )Distance standard (3’)

Distance réelle

La réduction du son - Les vitesses d’écoulement

• Liquides:– Normales: de 5 à 10 pi/sec– Maximales: de 40 à 50 pi/sec

• Gaz:– Typiques: 250 à 400 pi/sec

• Vapeur:– 0-25 psig: 70 à 100 pi/sec

72

La réduction du son - Les vitesses d’écoulement

• Vapeur:– Sèche et saturée: 100 à 170 pi/sec• > 25 psig• < Mach 0.1

– Superchauffée: 115 à 330 pi/sec• >200 psig• <0.15 Mach

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Exemple de calcul de bruit

• Calculer le niveau sonore :– pression amont = 114.5 psia– pression aval = 54.5 psia– Cv requis = 34

– xT = 0.75 (table de la valve)– Conduite de 2 po. « schedule 40 »• D=2.375 po, t=0.154 po

– Aire ouverte, 3 pieds du sol, 35 pieds de l ’observateur.

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Exemple de calcul de bruit

• 1) calcul de Lk :

75

3

2

2

( )410log( 2 ) ( 72) ( )

4 2.37510log(2.375 2 0.154) (2.375 72)

20

ok

o o

t D tDLD t D t D t

dBA

Exemple de calcul de bruit

• 2) calcul de Lx :

76

0.45

0.45

20

20 0.7515

x TL x

dBA

Exemple de calcul de bruit

• 3) calcul du niveau sonore:

77

L pC x L Lpo v T x k

2 0 4 0

2 0 4 0 6 0 3 4 0 7 5 1 5 2 09 2

lo g

lo g ( ( ) . )

d B A a 3 p ied s.

Exemple de calcul de bruit

• 4) calcul du niveau sonore à 35 pieds :

78

L L r rp po o

1 0

9 2 1 0 3 5 38 1

lo g ( / )

lo g ( / ) d B A a 3 5 p ied s

Table de vapeur (1)

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Table de vapeur (2)

80