Causes de l'érosion des garnitures de soupapes

Lorsqu'une cage de soupape, un bouchon, un siège, un disque, une bille ou une garniture de starter s'use trop rapidement, la première réaction est souvent d'incriminer le matériau.

Cette réaction est compréhensible. La partie endommagée est visible, le joint d'étanchéité a disparu, l'orifice s'est agrandi ou la surface de régulation a été découpée. Il est donc naturel de demander un matériau plus dur.

Mais dans les vannes soumises à des conditions d'utilisation sévères, l'érosion est rarement due au seul choix des matériaux.

L'érosion est généralement provoquée par une combinaison de vitesse élevée, de chute de pression, d'impact de particules, de formation de vapeur, d'effondrement de bulles, de turbulence, de direction d'écoulement, de corrosion et de fonctionnement répété dans une plage de contrôle dommageable.

Chez Langsun Carbide, nous fabriquonscages de soupapes en carbure de tungstène, disques de soupape, clapets, sièges et autres pièces d'usure du système de régulation de débit. De ce point de vue, je résumerais le problème ainsi :

carbure de tungstène Elle peut ralentir l'érosion, mais la conception de la vanne doit tout de même contrôler où vont réellement l'énergie, les particules, la vapeur et l'impact.

Cet article explique les principales causes d'érosion des garnitures de soupapes et ce que les ingénieurs et les acheteurs doivent vérifier avant de remplacer une garniture endommagée par une pièce de même conception.

Qu'est-ce que le trim de soupape ?

Les garnitures de soupape désignent les pièces internes qui contrôlent, régulent, guident, étanchéifient ou limitent directement le débit. Selon la conception de la soupape, les garnitures peuvent comprendre :

● Prise

● Siège

● Cage

● Disque

● Balle

● Type de tige

● Haricot d'aronia

● Orifice ou restricteur

● surfaces de guidage

● Éléments de réduction de pression à plusieurs étages

Ces composants sont exposés aux conditions d'écoulement locales les plus extrêmes. Le corps de la vanne peut subir la pression du procédé, mais la garniture est souvent soumise à la vitesse la plus élevée, aux turbulences les plus intenses, aux impacts de particules les plus importants et aux variations de pression les plus brutales.

Voilà pourquoicomposants de garniture de soupape en carbure de tungstène sur mesuresont souvent envisagées pour les vannes d'étranglement, les vannes de régulation pour conditions de service sévères, les outils de contrôle du débit de pétrole et de gaz, les vannes de traitement chimique et d'autres applications de réduction de pression.

Huit causes principales d'érosion des garnitures de soupapes

Cause	Pourquoi cela endommage les garnitures	Pièces typiques à haut risque
Solides abrasifs	Les particules heurtent ou glissent sur la garniture à grande vitesse	Orifices de cage, bords de bouchon, sièges, restrictions de starter, zones de sortie
Haute vitesse	L'énergie d'impact augmente à mesure que le flux s'accélère à travers des ouvertures restreintes.	Petites ouvertures, bords des ports, fentes de régulation, région de la vena contracta
chute de pression importante	L'énergie libérée est concentrée dans une petite zone de finition.	Garniture à un étage, soupapes de starter, soupapes de décompression
Clignotant	L'écoulement diphasique liquide-vapeur élimine les matières le long du parcours en aval.	Sortie de prise, sortie de siège, cage aval, sortie du corps de vanne
cavitation	L'effondrement des bulles crée des microjets et des ondes de choc	Zones de récupération de pression, garniture aval, sorties de cage, paroi du corps de vanne
Écoulement multiphasique	Les gaz, les liquides, les gouttelettes et les solides modifient l'angle d'impact et la vitesse locale.	Garniture de vanne d'étranglement, vannes de séparation, vannes de production, zones de sortie
Mauvais chemin d'écoulement ou impact	Le flux est dirigé vers les surfaces critiques de garniture ou de carrosserie.	Zone du siège, paroi de la carrosserie, bouchon nasal, coude de sortie, fenêtres de la cage
Érosion assistée par la corrosion	L'attaque chimique fragilise le matériau avant son enlèvement mécanique.	Surfaces de finition humides, crevasses, phase de liant en carbure, support en acier, sièges

1. Solides abrasifs dans le fluide de traitement

Les particules abrasives sont l'une des causes les plus directes de l'érosion des garnitures de soupapes.

Les particules courantes comprennent :

● Sable de formation

● Échelle

● Rouiller

● Amendes pour catalyseur

● particules minérales

● particules de charbon

● Forage de solides

● Cristaux ou sels précipités

● contamination par procédé dur

Dans une vanne de régulation ou d'étranglement, ces particules ne se contentent pas de se déplacer lentement dans un tuyau. Elles accélèrent à travers les ouvertures restreintes et heurtent les surfaces de garniture selon des angles dommageables.

Ce sable peut éroder à la fois les garnitures et l'enveloppe de pression, et un choix judicieux des vannes et des garnitures peut prolonger les intervalles d'entretien même si aucun matériau n'est totalement à l'abri de l'érosion par le sable.

2. Vitesse élevée à travers des ouvertures de garniture restreintes

L'érosion est fortement influencée par la vitesse locale. Les dommages se produisent souvent là où l'écoulement est forcé de traverser une petite zone :

● petites ouvertures de vannes

● Ports de cage

● écarts entre les sièges

● Restrictions d'étranglement

● Machines à sous

● trous percés

● Dégagements entre la prise et le siège

Lorsqu'une soupape fonctionne près de son siège, la section de passage diminue et la vitesse augmente. En présence de sable ou de gouttelettes, les dommages dus aux impacts s'accélèrent.

C’est pourquoi une garniture peut s’éroder plus rapidement avec une faible ouverture qu’avec une grande ouverture, même si le débit total n’est pas maximal.

3. Forte chute de pression concentrée en un seul étage

Une chute de pression n'est pas automatiquement nuisible. Les vannes de régulation sont conçues pour créer une chute de pression.

Le problème réside dans la manière et l'endroit où cette énergie de pression est libérée.

Lorsqu'une chute de pression importante se produit au niveau d'une restriction unique, la vanne peut subir :

● vitesse locale très élevée

● Flux bloqué

● Clignotant

● cavitation

● bruit aérodynamique ou hydrodynamique

● Vibration

● impact en aval

Les garnitures à plusieurs étages, les garnitures labyrinthiques, les cages perforées ou les conceptions à pression équilibrée permettent de répartir l'énergie sur plusieurs étapes. L'objectif est de réduire l'intensité de l'attaque locale.

Un composant en carbure peut résister à l'usure en surface, mais il n'élimine pas l'énergie de la chute de pression. Si cette chute de pression reste concentrée en un point critique, la zone d'érosion risque de se déplacer vers l'aval.

4. Éclaboussure en service liquide

La vaporisation instantanée se produit lorsqu'un liquide traverse la vanne, que la pression chute en dessous de la pression de vapeur du liquide et que la pression en aval reste inférieure à la pression de vapeur.

En termes simples, une partie du liquide se transforme en vapeur et reste à l'état de vapeur en aval.

La vaporisation instantanée est très érosive car l'écoulement se transforme en un mélange liquide-vapeur à grande vitesse. L'érosion par vaporisation instantanée se manifeste par une surface lisse et brillante. Il est à noter que la vanne ne peut empêcher la vaporisation instantanée ; la solution pratique consiste à choisir une géométrie et des matériaux appropriés afin d'éviter ou de minimiser les dommages.

5. Cavitation en milieu liquide

La cavitation débute de la même manière que la vaporisation instantanée : la pression locale chute en dessous de la pression de vapeur et des bulles de vapeur se forment.

La différence réside dans le fait que la pression en aval finit par dépasser la pression de vapeur. Les bulles implosent.

Cet effondrement peut créer des microjets et des ondes de choc qui attaquent les surfaces métalliques ou en carbure voisines.

6. Écoulement multiphasique et impact de gouttelettes

De nombreuses vannes destinées à des conditions d'utilisation sévères ne sont pas conçues pour traiter un fluide monophasique propre.

Ils peuvent gérer :

● Gaz avec sable

● Gaz avec des gouttelettes liquides

● Liquide contenant des bulles de gaz

● mélanges pétrole-eau-gaz

● mélanges vapeur-eau

● Fluides produits contenant du sable et des produits de corrosion

● Boues contenant du gaz dissous

L'écoulement multiphasique est complexe car chaque phase se comporte différemment dans le dispositif. L'accélération du gaz diffère de celle du liquide. Les gouttelettes peuvent percuter le sol à grande vitesse. Les particules peuvent ne pas suivre parfaitement le flux de gaz.

Dans les vannes d'étranglement, le sable transporté par le gaz à haute pression peut créer des zones d'érosion concentrées. Une étude numérique de l'érosion des vannes d'étranglement dans les puits de gaz à haute pression et haute température a permis d'identifier des zones de haute vitesse et de haute pression qui variaient en fonction de l'ouverture de la vanne, démontrant ainsi pourquoi la position et la géométrie d'ouverture influencent la localisation de l'érosion.

7. Mauvaise direction d'écoulement, géométrie ou impact direct

L'érosion des garnitures de soupapes est souvent localisée. La zone endommagée n'est pas toujours celle où le matériau est le plus fragile ; il peut simplement s'agir de la surface soumise à l'impact direct le plus violent.

L'érosion d'origine géométrique peut être causée par :

● Flux dirigé vers une paroi corporelle

● Passant à toute vitesse par une ouverture étroite

● Bords tranchants aux trous de la cage

● Expansion soudaine en aval du siège

● Désalignement entre le bouchon et la cage

● Orientation incorrecte du flux vers l'ouverture ou vers la fermeture

● Absence de diffuseur ou de protection de la prise

● Répartition inégale à travers la garniture multi-trous

Valve Magazine note que la direction du flux peut être utilisée pour réduire l'impact direct sur la paroi du corps, et que les diffuseurs de siège peuvent aider à prévenir l'impact direct dans certaines configurations de vannes à globe.

Le point de vue de Langsun Carbide est similaire : un insert en carbure doit protéger la surface la plus exposée, mais la valve ne doit pas délibérément diriger le jet le plus destructeur vers un bord en carbure non supporté ou une section mince.

8. Érosion assistée par la corrosion

La corrosion et l'érosion agissent souvent de concert.

Un fluide corrosif peut d'abord fragiliser la surface. Ensuite, un écoulement à grande vitesse, des particules, des gouttelettes ou la cavitation emportent la matière fragilisée. Une fois le film protecteur de surface éliminé, la corrosion peut s'accélérer à nouveau.

Ce cycle est particulièrement important dans :

● Service pétrolier et gazier acide

● Eau produite

● Procédés chimiques acides

● Liquides contenant du chlorure

● Service CO2 humide

● Fluides contenant du H2S

● Boue contenant une phase liquide corrosive

● Fluides corrosifs à vaporisation instantanée ou à cavitation

Il convient de choisir des matériaux capables de résister à la fois aux attaques mécaniques et chimiques, sachant qu'une attaque mécanique peut éliminer les films protecteurs et rendre le matériau de base plus vulnérable aux attaques chimiques.

Facteurs secondaires qui accélèrent l'érosion des garnitures de soupapes

Valve surdimensionnée

Une vanne surdimensionnée peut fonctionner avec une ouverture très réduite pendant de longues périodes. Cela concentre le flux sur une zone étroite et augmente la vitesse locale.

Style de garniture incorrect

Une garniture standard peut ne pas résister à la chute de pression, à la cavitation, à la vaporisation instantanée ou à la présence de particules solides. Des garnitures renforcées peuvent être nécessaires pour réguler la chute de pression, répartir le débit ou protéger le corps de pompe.

Mauvaise association de matériaux

Une garniture en acier trempé peut convenir pour une utilisation avec des liquides propres, mais s'avérer insuffisante dans un environnement gazeux sableux. Un matériau fragile peut résister à une fine érosion, mais se fissurer sous l'effet d'un choc ou d'une vibration.

Rugosité de surface après dommages initiaux

Lorsqu'une surface devient rugueuse, elle peut perturber l'écoulement et créer davantage de turbulences. Les dommages peuvent alors s'accélérer, même si le taux d'érosion initial était modéré.

Mauvais calendrier d'entretien

Si un orifice de la cage s'élargit, le débit de la vanne peut varier. La vanne peut alors fonctionner dans une plage différente, ce qui accentue l'érosion ailleurs.

Changements de processus inattendus

Une nouvelle production de sable, une modification de la pression, une modification du débit, une fuite de gaz, la corrosion en amont ou un nouvel additif chimique peuvent rendre une garniture existante inadaptée.

En quoi le choix des matériaux est utile — et en quoi il ne l'est pas.

Le choix des matériaux est important, mais il doit correspondre au mode de défaillance.

Quand le carbure de tungstène aide

Le carbure de tungstène peut s'avérer précieux lorsque les principaux dommages sont causés par :

● Impact du sable

● Particules dures

● Lavage du port

● Érosion du taraudage

● perte au bord du siège

● Flux abrasif à grande vitesse

● Perte de géométrie modifiant le comportement de Cv ou d'arrêt

Langsun Carbide fabriquedisques de soupape en carbure de tungstène, soupapes, cages de soupapes, sièges et pièces d'usure de régulation de débitconformément aux plans du client et aux exigences de l'application.

Une bonne conception de garniture pour conditions d'utilisation extrêmes ne se limite pas à l'utilisation systématique de matériaux durs.

Elle repère d'abord les zones d'érosion, puis place un matériau adapté selon une géométrie capable de résister à la charge.

Pour Valve en carbure de tungstène réduire, c'est-à-dire réviser :

● Direction d'impact des particules

● Géométrie du bord du port

● Chargement du siège et de la prise

● Ajustement et support de l'insert en carbure

● Étagement de la chute de pression

● Résistance à la corrosion du liant

● Choc thermique et mécanique

● stratégie d'inspection et de remplacement

Chez Langsun Carbide, nous préférons fabriquer les composants de vannes en carbure à partir du dessin et des données d'application réels, et non pas simplement à partir d'un nom de pièce générique.

Les meilleurs outils de finition en carbure ne sont pas seulement durs. Ils sont correctement positionnés, correctement supportés, correctement calibrés et adaptés au mécanisme d'érosion.

FAQ

Qu’est-ce qui provoque l’érosion des garnitures de soupapes ?

Les principales causes sont les particules abrasives, la vitesse élevée, la forte chute de pression, le flashage, la cavitation, l'écoulement multiphasique, l'impact direct et l'usure assistée par la corrosion.

Quelle est la différence entre l'érosion et la cavitation dans les vannes ?

L'érosion désigne généralement l'enlèvement de matière par un écoulement à grande vitesse, des particules, des gouttelettes ou des flux diphasiques. La cavitation se produit lorsque des bulles de vapeur se forment puis implosent lors du retour à la pression initiale, créant ainsi des microjets et des ondes de choc.

À quoi ressemblent les dégâts causés par un éclair ?

Les dommages causés par le flashage sont souvent lisses, brillants et directionnels car le mélange liquide-vapeur reste en aval et continue d'enlever de la matière le long du trajet d'écoulement.

Pourquoi le sable endommage-t-il si rapidement les garnitures de soupapes ?

Le sable devient extrêmement dommageable lorsqu'il s'engouffre à travers de petites ouvertures. Plus la vitesse locale est élevée et plus les particules sont dures ou anguleuses, plus la surface de la garniture perd rapidement de la matière.

Le carbure de tungstène peut-il stopper l'érosion des garnitures de soupapes ?

Le carbure de tungstène peut grandement améliorer la résistance à l'usure abrasive et érosive, mais il ne peut pas éliminer l'érosion causée par un mauvais dimensionnement de la vanne, une cavitation incontrôlée, un flashage important, une mauvaise direction d'écoulement ou la corrosion au niveau de l'assemblage.

Références

1. Emerson, « Flashage de la vanne de régulation ». La source explique que le flashage se produit lorsque le liquide se vaporise et reste à l’état de vapeur en aval, et que le mélange liquide-vapeur est hautement érosif.

2. Valve Magazine, « Gestion de l’érosion par le sable dans les vannes de régulation et d’étranglement ». L’article explique que l’érosion par le sable affecte à la fois les garnitures et les pièces de l’enveloppe de pression, et que la vitesse et la chute de pression doivent être considérées conjointement.

3. Valve Magazine, « Flambage et cavitation ». L'article traite de l'attaque mécanique, du flashage, de la cavitation, du choix des matériaux et des stratégies d'isolation du flux.

4. Valmet, « Solutions pour les vannes de régulation en service sévère ». La source explique que les dommages dus à la cavitation et à la vaporisation instantanée dépendent du choix de la vanne, de l'étagement de la pression et des données complètes du processus.

5. Kent Introl, « Solutions contre l'érosion des vannes ». La source identifie la cavitation, le flashage et les particules telles que le sable ou la saleté comme causes d'érosion et aborde la sélection des matériaux et des garnitures.

6. Guo et al., « Étude sur l’érosion des vannes d’étranglement dans les puits de gaz à haute pression et haute température », Processus, 2022. L'étude analyse l'érosion des vannes d'étranglement sous flux gaz-solide et montre comment la position d'ouverture, la distribution de la vitesse et le comportement des particules influencent l'emplacement de l'érosion.

7. Emerson Exchange 365, « Choisir les bons matériaux pour les vannes de régulation ». Le résumé de l'article identifie l'érosion, le flashage, la cavitation, la corrosion, les températures extrêmes et les mécanismes de dégradation combinés dans les matériaux des vannes de régulation.

Auteur | Allen

Allen est directeur du marketing international chez NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Il possède plus de 5 ans d'expérience dans le domaine des pièces d'usure industrielles et Applications du carbure de tungstèneIl travaille avec des clients dans les secteurs du pétrole et du gaz, des vannes et du contrôle des débits, de la métallurgie, du traitement chimique, des pompes, du traitement de surface, des mines et du traitement des minéraux.

Il se concentre sur l'aide aux équipementiers, aux fabricants d'équipements, aux sociétés d'ingénierie et aux équipes d'approvisionnement pour choisir des pièces d'usure en carbure de tungstène fiables en fonction des conditions de travail réelles, des performances des matériaux, de la faisabilité de la fabrication et des exigences de contrôle de la qualité.

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