Pulsations de pression expliquées : un guide complet

Les pulsations de pression posent des défis considérables dans de nombreuses applications industrielles. Si elles ne sont pas contrôlées, ces oscillations peuvent entraîner des vibrations excessives, du bruit, une efficacité réduite et même une défaillance catastrophique de l'équipement.

Dans ce guide complet, nous allons examiner en profondeur les causes et les conséquences des pulsations de pression dans l'industrie des machines. Nous explorerons ensuite des solutions éprouvées et des meilleures pratiques pour atténuer ces problèmes, vous aidant ainsi à optimiser vos systèmes pour des performances et une fiabilité optimales.

Qu'est-ce que la pulsation de pression

Les pulsations de pression sont des fluctuations périodiques de pression qui se produisent dans les systèmes de fluides, en particulier ceux équipés de pompes, de compresseurs ou de turbines. Ces variations de pression se superposent à la pression de fonctionnement constante du système et peuvent avoir une amplitude comprise entre quelques millibars et plusieurs bars.

Les pulsations de pression sont différentes des variations de pression à l'état stable ou des coups de bélier. Les variations à l'état stable sont des variations relativement lentes et progressives de la pression globale du système. Les coups de bélier, en revanche, sont des pics soudains et de grande amplitude provoqués par des événements tels que la fermeture de vannes ou le démarrage d'une pompe. Alors que les coups de bélier sont des événements transitoires, les pulsations sont des oscillations continues qui persistent tant que le mécanisme à l'origine de ces variations (par exemple, une pompe) fonctionne.

Causes des pulsations de pression

Pompes et compresseurs alternatifs

L’une des causes les plus courantes de pulsation de pression est l’utilisation de pompes à piston et les compresseurs. Ces dispositifs fonctionnent en déplaçant le fluide par le mouvement cyclique des pistons ou des plongeurs. Lorsque le piston se déplace d'avant en arrière, il crée des phases d'aspiration et de refoulement alternées, ce qui entraîne des fluctuations inhérentes au débit et à la pression.

Pompes volumétriques

Les pompes volumétriques, notamment les pompes à engrenages, les pompes à vis et les pompes à palettes, peuvent également contribuer aux pulsations de pression. Ces pompes piègent et déplacent des volumes discrets de fluide, ce qui peut entraîner des ondulations de débit et des variations de pression, en particulier au niveau du refoulement de la pompe.

Disposition des tuyaux

Les changements brusques de diamètre des tuyaux, tels que les dilatations ou les contractions, peuvent provoquer des perturbations de l'écoulement et des fluctuations de pression. Les conduites longues et droites peuvent permettre aux pulsations de se propager et de s'amplifier, tandis que les coudes et les courbes peuvent refléter les ondes de pression, ce qui entraîne des modèles d'interférence. L'emplacement et l'espacement des supports et des ancrages des tuyaux peuvent également affecter la réponse du système aux pulsations.

Réservoirs et récipients sous pression

Les récipients et réservoirs sous pression du système peuvent interagir avec le flux pulsé, en amplifiant ou en atténuant les pulsations. Lorsque la fréquence de pulsation correspond à la fréquence naturelle du récipient ou du réservoir, résonance peut se produire, entraînant des vibrations excessives et des dommages potentiels.

Turbulence et décollement tourbillonnaire

Lorsque le fluide s'écoule au-delà d'obstacles ou à travers des géométries complexes, il peut créer des tourbillons et des tourbillons localisés qui se détachent périodiquement. Ces instabilités d'écoulement génèrent des forces fluctuantes sur les parois des conduites, ce qui entraîne des pulsations de pression.

Coup de bélier (fermeture rapide de la vanne)

La fermeture rapide d'une vanne ou le démarrage/arrêt d'une pompe peut déclencher un phénomène connu sous le nom de coup de bélier. Lorsqu'un fluide en mouvement est soudainement contraint de s'arrêter ou de changer de direction, il crée une onde de pression qui se propage dans le système à la vitesse du son. Cette poussée de pression peut être plusieurs fois supérieure à la pression de fonctionnement normale, ce qui peut entraîner de graves dommages aux tuyaux, aux vannes et à d'autres composants.

Changements de direction/vitesse d'écoulement

Tout changement brusque de direction ou de vitesse d'écoulement peut générer des pulsations de pression. Cela peut se produire au niveau des coudes, des tés ou des réducteurs de conduites où le fluide est contraint de modifier son parcours ou sa vitesse. Les perturbations d'écoulement qui en résultent créent des fluctuations de pression localisées qui peuvent se propager dans le système.

Résonance

La résonance se produit lorsque la fréquence des pulsations de pression correspond à la fréquence naturelle du système de tuyauterie ou de ses composants. Dans des conditions de résonance, les pulsations peuvent être amplifiées de manière significative, entraînant des vibrations excessives, du bruit et des dommages structurels potentiels. Le risque de résonance est plus élevé dans les systèmes avec de longues portées de tuyaux non supportées, un faible amortissement ou une coïncidence entre la fréquence d'excitation et les fréquences naturelles acoustiques ou structurelles.

Propriétés du fluide

Les propriétés du fluide transporté peuvent également influencer le comportement des pulsations de pression. Les principales caractéristiques du fluide sont les suivantes :

• Densité:Les fluides à densité plus élevée ont une plus grande inertie, ce qui peut entraîner des fluctuations de pression plus prononcées lorsqu'ils sont soumis à des perturbations d'écoulement.
• Viscosité:Les fluides à haute viscosité ont tendance à amortir les pulsations de pression en raison de leur résistance accrue à l’écoulement et de leur capacité à dissiper l’énergie.
• Compressibilité:Les fluides compressibles, comme les gaz, sont plus sensibles aux pulsations de pression que les liquides incompressibles. La compressibilité permet aux ondes de pression de se propager plus facilement et peut conduire à des amplitudes de pulsation plus élevées.

Conséquences d'une pulsation de pression incontrôlée

Vibration

Les vibrations excessives sont l'une des conséquences les plus courantes des pulsations de pression incontrôlées. Les ondes de pression fluctuantes peuvent induire des vibrations mécaniques dans les tuyaux, les vannes et d'autres composants. Ces vibrations contribuent non seulement à l'usure accrue de l'équipement, mais présentent également des risques pour l'intégrité structurelle du système.

Bruit

Les pulsations de pression se manifestent souvent par un bruit audible, en particulier dans les systèmes à grande vitesse d'écoulement ou à changements de pression rapides. La turbulence et cavitation Le bruit généré par le flux pulsé peut créer une gamme de fréquences de bruit, allant des grondements faibles aux sifflements aigus.

Perte d'efficacité

L'énergie associée au flux pulsé est essentiellement gaspillée, car elle ne contribue pas au transfert de fluide souhaité. Cette perte d'énergie se manifeste par une augmentation de la consommation d'énergie des pompes et des compresseurs, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus élevés. De plus, les turbulences et les perturbations de débit causées par la pulsation peuvent réduire l'efficacité des échangeurs de chaleur, des filtres et d'autres équipements de traitement, compromettant davantage l'efficacité du système.

Dommages matériels

La conséquence la plus grave d'une pulsation de pression incontrôlée est peut-être le risque d'endommagement de l'équipement. Les cycles de contrainte répétés imposés par la pression fluctuante peuvent entraîner une usure accélérée et une défaillance prématurée de divers composants :

• Joints, joints d'étanchéité et jauges:La charge cyclique peut provoquer une dégradation plus rapide des joints et des garnitures, ce qui entraîne des fuites et une perte d'intégrité du système. Les manomètres et autres instruments peuvent également être endommagés par la pression pulsatoire, ce qui peut entraîner des relevés inexacts ou une panne complète.
• Érosion:Les schémas d'écoulement turbulents associés aux pulsations de pression peuvent accélérer l'érosion, en particulier dans les zones où la direction ou la vitesse de l'écoulement changent brusquement. Au fil du temps, cette érosion peut amincir les parois des conduites, créer des fuites et même entraîner des ruptures.
• Cavitation:Dans les cas graves de pulsations de pression, des chutes de pression localisées peuvent provoquer la formation et l'effondrement de bulles de vapeur, appelées cavitation. L'implosion de ces bulles génère des ondes de choc de haute intensité qui peuvent éroder et piquer les surfaces, causant des dommages importants aux turbines, aux vannes et à d'autres composants.
• Rupture de pipeline:Dans des scénarios extrêmes, les effets combinés des vibrations, de l’érosion et de la fatigue induits par les pulsations de pression peuvent entraîner des ruptures de canalisations.

Solutions

Amortisseurs de pulsations

Amortisseurs de pulsations Les dispositifs de compression sont des dispositifs conçus pour réduire les fluctuations de pression dans les systèmes de fluides. Ils sont généralement constitués d'une vessie ou d'un diaphragme chargé de gaz à l'intérieur d'un récipient sous pression. Lorsque la pression du fluide augmente, le gaz se comprime, absorbant le pic de pression. Lorsque la pression chute, le gaz se dilate, maintenant une pression en aval plus constante.

Les amortisseurs de pulsations sont installés à proximité de la source de pulsations, comme une décharge de pompe ou près d'une vanne, afin de minimiser la transmission des pulsations à travers le système.

Suppresseurs de surtension

Les parasurtenseurs, également appelés parafoudres ou coup de bélier Les dispositifs anti-coup de bélier sont conçus pour absorber les pics de pression soudains associés aux coups de bélier. Lors d'une fermeture rapide de la vanne, le dispositif anti-coup de bélier permet un débit limité de fluide dans une chambre d'expansion, amortissant ainsi la surpression.

Les parasurtenseurs sont généralement installés aux extrémités des tuyaux et à proximité des vannes à fermeture rapide.

Roues à aubes décalées

Pour pompes centrifuges, l'utilisation de turbines à aubes décalées peut aider à réduire les pulsations de pression. Dans une turbine conventionnelle, les aubes sont régulièrement espacées, ce qui provoque des pulsations de pression lorsque chaque aube passe devant la languette de la volute. En décalant les aubes à intervalles irréguliers, les pulsations de pression sont réparties de manière plus uniforme, ce qui réduit l'amplitude globale des pulsations.

Les roues à aubes décalées sont les plus efficaces pour réduire les pulsations à la fréquence de passage des pales de la pompe. Elles n'éliminent pas entièrement les pulsations, mais peuvent les réduire considérablement. vibration et des problèmes de bruit.

Conception de la pompe

Les pompes surdimensionnées fonctionnant loin de leur point de rendement optimal (BEP) sont plus sujettes aux instabilités et aux pulsations du débit. Le choix d'une pompe qui fonctionne près de son BEP au débit souhaité peut aider à réduire les pulsations.

Pour pompes volumétriques, l'utilisation de plusieurs petites pompes en parallèle plutôt qu'une seule grande pompe peut aider à réduire l'amplitude des pulsations. Les pompes triplex ont tendance à avoir des pulsations plus faibles que les conceptions simplex ou duplex en raison d'un débit plus régulier.

Approches alternatives

Dans certains cas, les pulsations peuvent être atténuées par de simples modifications du système de tuyauterie :

• Plaques à orifice:L’installation d’une plaque à orifice en aval de la source de pulsation introduit une chute de pression qui peut aider à dissiper l’énergie de pulsation.
• Tuyaux flexibles et joints de dilatation:L'utilisation de raccords flexibles à proximité de la source de pulsation peut contribuer à isoler les vibrations du reste du système de tuyauterie. Les joints de dilatation s'adaptent aux mouvements des tuyaux et à la croissance thermique qui pourraient autrement entraîner des contraintes élevées et des défaillances.

Ajustements opérationnels

En plus des solutions matérielles, le réglage du fonctionnement du système peut aider à gérer les pulsations de pression :

• Contrôle de la vitesse de la pompe:Faire fonctionner les pompes à des vitesses plus faibles réduit la fréquence et l'amplitude des pulsations. Les variateurs de fréquence permettent aux pompes de fonctionner à des vitesses réduites pendant les périodes de faible demande.
• Mise en phase de plusieurs pompes:Pour les installations à pompes multiples, le réglage de l'angle de phase entre les pompes de sorte que leurs pulsations ne soient pas synchronisées peut aider à minimiser les pulsations en aval.