valves: les problèmes potentiels 1. problèmes potentiels plusieurs phénomènes physiques peuvent...
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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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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
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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
Les formules de calcul de la cavitation
• 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.
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Jd
d J k
lo g( / )( . . lo g )
1 2
1 010 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).
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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.
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Jp p
nv
10 3 9
7 1 5.
.
Les formules de calcul de la cavitation
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J
d
d
do
1 0 6 1 2
1 0 0 1 2
0 9 4 1 2
.
.
.
p o u r
p o u r
p o u r
Les formules de calcul de la cavitation
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JJ J
J J
JJ J
J J
i
k k
k k
c
k k
k k
6 0 4 0 1
3 6 2 0 1
7 1 0 0 1
4 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 Gv
C 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 psia
psia psiac v
1 0 4 2 3 5 0 7
1 4 4 2 0
. .
.Donc la valve va être
en 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 Cp
G
C
C
v
v
v
3 3 02 4 1 5
111 0
Étape #2: Calcul approximatif du CD correspondant
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CCdd
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 0
11 6 91 0 3 6 5
2
1 2
2
1 2
/
/
..
Étape #3: Calcul du coefficient Jk
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Jd
Jdk
lo g ( / )
lo g ( . . lo g )
lo g ( / . )
lo g ( . . lo g ( . )).
1 2
0 3 2 9 0 6 1 51
1 2 3 0 6 8
0 3 2 9 0 6 1 5 0 3 6 51 1 1 4 9
1
1
Étape #3: Calcul des coefficients Jk, Ji et Jc
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J d
J J J
J J J
o
i k k
c k k
1 0 6 1 2
3 6 2 2 4 2 0 1
1 5 6 3
4 3 0 0 1
1 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 3 9 0 3 9
7 1 5
2 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 15.63
12.35 / sec
1.06 0.649 1.149 18.50
14.62 / sec
i o n d i
c o n d c
v J J J J
pi
v J J J J
pi
Étape #6: Calcul des chutes de pression delta Pi et delta Pc
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p Gv
Cpsi
p Gv
Cpsi
ii
d
cc
d
6 0 6 01 2 3 5
11 6 96 7
6 0 6 01 4 6 2
11 6 99 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 p
Gv1 2
Vaporisation de l’eau
• Il faut faire apparaître la pression au vena-contracta :
40
q F Cp p
G
FH H
H H
p p
p 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 ».
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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:
– pc = pression thermodynamique critique;
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1 F vLP v
p F pq F C
G
FppF
v
c 0 9 6 0 2 8. .
Paramètre FLP
• Si des réducteurs sont utilisés:
• Sinon FLP = FL.
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1
221 1
2
1
890B d
LPL
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.
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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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FppF
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:
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 63.3
0.0177115 (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…
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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.
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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
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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.
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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.
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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 6
3 2 5 3 2 1 0 7
3 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:
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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.
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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 ?
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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.
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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.
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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 2 0 4 0lo g Chute de pression
Le bruit des valves
• Pour la majorité des valves :
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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 D
t D t
t D tko
o o
1 0
4
2 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.
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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
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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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Exemple de calcul de bruit
• 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 tDL
D t D t D t
dBA
Exemple de calcul de bruit
• 2) calcul de Lx :
79
0.45
0.45
20
20 0.75
15
x TL x
dBA
Exemple de calcul de bruit
• 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 0
9 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 :
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L L r rp po o
1 0
9 2 1 0 3 5 3
8 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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