Valves: Les problèmes potentiels

Valves: Les problèmes potentiels

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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

• 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


• 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


– 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


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

« schedule 40 » de même diamètre nominal.

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Jd

d J k

lo g ( / )( . . lo g )

1 21 0

10 3 2 9 0 6 1 5


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

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JCkd

8 9 0

12

1 2/


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

20

Jp p

nv

10 3 9

7 1 5.

.


21

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


22

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


• 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 #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.

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

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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

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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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1.06 0.649 1.149 15.6312.35 / sec

1.06 0.649 1.149 18.5014.62 / sec

i o n d i

c o n d c

v J J J Jpi

v J J J Jpi

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).

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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.

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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


• 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


• 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 ».

41

p F pvc F v


• Alors :

– ou FF est l’approximation suivante pour l ’eau pure sans air dissous:

– pc = pression thermodynamique critique;

42

1 F vLP v

p F pq F C

G

F ppF

v

c 0 9 6 0 2 8. .

Paramètre FLP

• Si des réducteurs sont utilisés:

• Sinon FLP = FL.

43

1

221 1

2

1890

B dLP

L

K K CF

F

Exemple de calcul de vaporisation instantannéee (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.

46

Exemple

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

47

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

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:

48

0.91 96 87vc F vp F p psia psia

1 163.3 LP V vcw F C p p

Exemple

• Donc:

49

115 8738000 63.30.01771

15 (requis)

LP V

LP V

F C

F C

Exemple

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

50

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…

52

53

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.

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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.

55


• 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

56

57

Chute isentropique

Trajet incertain, maisenthalpie reste la même


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

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

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• 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.

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• 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


• Courbe de prédiction:

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

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

64

Exemple

• Si du CO2 à 600 psi, 60°F passe au travers d’une valve de contrôle à une pression de 40 psi, quelle sera la nouvelle température ?

65

66

Un peu sous -60°F

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.

67

Le bruit des valves

• Normes de bruit (U.S.A):– 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.

68

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).

70

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 :

71

0.4520x TL x

Le bruit des valves

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

72

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;

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La réduction du son- Les remèdes

• Mettre la valve loin des gens;

• Utiliser des silencieux.

74

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

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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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• 1) calcul de Lk :

78

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


• 2) calcul de Lx :

79

0.45

0.45

20

20 0.7515

x TL x

dBA


• 3) calcul du niveau sonore:

80

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.


• 4) calcul du niveau sonore à 35 pieds :

81

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)

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Valves: Les problèmes potentiels