Conception des cages de soupapes en carbure de tungstène : influence de la géométrie des orifices sur l’érosion et la perte de charge

Dans les vannes destinées à des conditions d'utilisation sévères, la cage est souvent l'élément qui détermine si la chute de pression est maîtrisée en toute sécurité ou libérée de manière destructive.

UNcage de soupape en carbure de tungstènepeut guider le bouchon, définir la zone d'étranglement, réguler la chute de pression, répartir le débit, résister aux particules abrasives, protéger les composants en aval et préserver la géométrie de contrôle du débit dans des conditions qui élimineraient rapidement un matériau plus tendre.

C’est pourquoi la conception de la cage de soupape ne doit jamais se réduire à une seule question : « La cage est-elle faite de… » carbure de tungstène?

Une meilleure question serait :

La géométrie de l'orifice permet-elle de contrôler la vitesse, la récupération de pression, l'impact des particules, l'interaction du jet et la chute de pression de manière à ce que le carbure puisse réellement survivre ?

Le carbure de tungstène améliore considérablement la résistance à l'érosion et à la déformation. Cependant, si les orifices dirigent du sable à grande vitesse vers un bord mince, créent une cavitation incontrôlée, emprisonnent des particules solides ou transfèrent le jet dans le corps de la vanne, même un matériau dur risque de ne pas offrir la durée de vie escomptée.

Cet article explique comment la géométrie des orifices dans les cages de soupapes en carbure influence l'érosion, la chute de pression, la cavitation, le vaporisation instantanée et la capacité d'écoulement.

À quoi sert réellement une cage de soupape ?

Dans une vanne à cage ou à obturateur à cage, la cage peut remplir plusieurs fonctions simultanément. Selon sa conception, elle peut :

● Guidez la prise et réduisez la charge latérale

● Définir la zone de régulation du débit lorsque la bougie se déplace

● Contrôler la caractéristique de débit

● Répartir la perte de charge

● Réduire la vitesse grâce à des voies d'écoulement étagées

● Réduire le bruit et les vibrations

● Contrôler l'intensité de la cavitation

● Localiser l'érosion sur un élément de garniture remplaçable

● Protéger le corps de la vanne et la conduite en aval des impacts directs du jet.

En service propre, à faible perte de charge, une cage peut être choisie principalement pour ses caractéristiques de guidage et de contrôle. En service sévère, la cage devient un élément de gestion de l'énergie et de la pression.

C'est pourquoi Langsun Carbide traitecages de soupapes en carbure pour la régulation de débit en conditions de service sévèresen tant que pièces d'usure conçues à cet effet plutôt que de simples chemises cylindriques.

Comment la géométrie du port influe sur la perte de charge

Une soupape crée une chute de pression en forçant le fluide à traverser une section de passage restreinte. Dans une cage, cette restriction est créée par la relation entre la position du bouchon et les orifices de la cage.

Pour un débit donné, une section d'écoulement effective plus petite implique généralement une vitesse locale plus élevée. Une vitesse locale plus élevée entraîne généralement une augmentation de :

● énergie d'impact des particules

● risque d'érosion

● Bruit

● Vibration

● potentiel de cavitation dans les liquides

● Risque de dommages par éclair lorsque de la vapeur persiste en aval

La zone de plus basse pression dans une valve se situe généralement près de la vena contracta, qui se forme en aval de l'obstruction. Si la pression chute en dessous de la pression de vapeur saturante du liquide, des bulles de vapeur peuvent se former. Si la pression en aval remonte au-dessus de la pression de vapeur saturante, une cavitation peut se produire. Si elle reste inférieure à cette pression, une vaporisation instantanée a lieu.

C’est pourquoi le concepteur de la cage doit prendre en compte non seulement la perte de charge nécessaire, mais aussi l’endroit où cette perte de charge se produit et l’effet du schéma local de récupération de pression sur le trim.

1. Surface totale ouverte : Le premier contrôle de vitesse

La surface ouverte totale correspond à la surface effective combinée disponible pour l'écoulement à travers les orifices exposés de la cage dans une position de bouchon donnée.

Si la surface d'écoulement est trop réduite par rapport au débit réel, la vitesse locale augmente. En présence de sable ou de particules dures, cela peut entraîner une érosion rapide des berges et des surfaces en aval.

Si la surface d'ouverture est trop grande, la vanne risque de perdre en contrôle à faible ouverture ou de ne pas assurer la chute de pression requise.

Pourquoi c'est important pour les cages en carbure

Le carbure de tungstène résiste à l'érosion, mais il ne modifie pas l'énergie requise pour le fluide. Si un débit élevé est imposé à travers une section de passage trop réduite, la vitesse résultante risque d'endommager la garniture, le bouchon, le siège ou le corps de vanne en aval.

2. Nombre et taille des ports : quelques gros jets ou de nombreux petits courants ?

Une cage peut comporter un petit nombre d'orifices de grande taille, de nombreux petits trous, des fentes étroites ou des passages étagés. Chaque choix influe sur la manière dont l'énergie est libérée.

Peu de grands ports

Les orifices de plus grand diamètre sont moins susceptibles de se boucher et facilitent le passage des particules solides. Ils sont souvent plus faciles à fabriquer et à inspecter.

Cependant, si chaque orifice crée un jet puissant, l'érosion risque de se concentrer à l'endroit où ce jet frappe.

De nombreux petits ports

De nombreux petits orifices permettent de diviser le flux en plusieurs courants plus petits. Cela peut réduire l'intensité des jets individuels, améliorer la répartition des pertes de charge et diminuer la cavitation, le bruit ou les vibrations dans les services propres appropriés.

Le risque est que les petits orifices se bouchent et retiennent les impuretés. Ils réduisent également la quantité de carbure entre les orifices, ce qui peut affecter la résistance si l'espacement des ports et l'épaisseur des parois ne sont pas soigneusement conçus.

La vraie décision

Le bon choix n’est pas de dire « les grands ports sont bien » ou « les petits ports sont mieux ». La vraie décision est :

La cage doit-elle privilégier le passage des solides, la mise en place d'étages de pression, la réduction du bruit, le contrôle de la cavitation, la répartition de l'érosion ou la précision du réglage fin ?

Pour la détente de fluides propres, de nombreux petits passages peuvent convenir. Pour la régulation de fluides contenant du sable, une conception avec passage de solides et moins de pièges directs peut s'avérer plus judicieuse.

3État des bords des ports : là où l’érosion commence souvent

Les abords des ports subissent des vitesses locales élevées, des impacts de particules et des gradients de pression importants. Ce sont souvent les premiers endroits où l'érosion ou l'écaillage deviennent visibles.

Un bord net peut être utile pour définir un flux, mais il peut aussi créer :

● Concentration du stress

● Écaillage des bords en carbure

● Concentration d'impact des particules

● Initiation de la fissure

● croissance instable de l'usure

Un rayon de courbure contrôlé ou un chanfrein peuvent améliorer la résistance des arêtes et réduire les dommages liés à la manipulation. Cependant, un arrondi excessif peut modifier le coefficient de débit, la récupération de pression, le comportement en cas de fuite ou les caractéristiques d'étranglement.

L'état de bord correct doit donc être défini par la conception de la vanne et non pas laissé comme un détail de fabrication non contrôlé.

4Orientation portuaire : Où vont les avions à réaction ?

L'orientation des orifices détermine la trajectoire des jets d'eau après leur sortie de la cage. Cela peut décider si l'érosion est contenue à l'intérieur de la garniture remplaçable ou transmise au corps de la vanne.

Les stratégies d'orientation courantes comprennent :

● Diriger les jets vers le centre pour que les flux opposés se rencontrent.

● Diriger le flux loin de la paroi du corps de la vanne

● Utilisation d'un flux extérieur-intérieur à travers la cage

● Utiliser un flux intérieur-extérieur lorsque la conception l'exige

● Diriger le flux de purge en douceur vers l'axe du tuyau

● Éviter tout contact direct avec les sièges, les joints ou les arêtes de carbure non supportées

Dans les vannes de régulation et d'étranglement à sable, Valve Magazine note que le flux extérieur vers l'intérieur de la cage peut faire en sorte que les jets se percutent au centre de la cage, réduisant ainsi l'énergie grâce à un moindre contact avec les surfaces métalliques.

Il s'agit d'un point crucial pour la conception des cages en carbure :

Le meilleur matériau résistant à l'érosion est moins efficace si l'orientation de l'orifice envoie le jet le plus destructeur sur une surface du corps de vanne non remplaçable.

5Géométrie des ports à plusieurs étages : réduction des dommages par répartition de la perte de charge

Une chute de pression importante au niveau d'une restriction unique peut engendrer une vitesse locale très élevée, de la cavitation, des projections, du bruit, des vibrations et une érosion des garnitures.

La géométrie à plusieurs niveaux de la cage vise à libérer l'énergie progressivement grâce à une série de restrictions ou de virages.

Une mise en place correcte de la pression peut :

● Réduire la vitesse locale de pointe

• Accroître la résistance aux dommages causés par la cavitation

● Réduire le bruit et les vibrations

● Réduire l'intensité du jet direct

● Répartir l'usure sur davantage de surfaces

● Améliorer le contrôle dans les applications à forte chute de pression

Les recommandations de Valmet pour les conditions d'utilisation sévères indiquent que le contrôle de la vitesse et de la pression dans le trim est une méthode efficace pour éliminer la cavitation et minimiser les dommages. Elles précisent également que la division du flux en plusieurs petits courants améliore encore la résistance à la cavitation et réduit le bruit et les vibrations.

6Géométrie des ports sous cavitation et flashage

La cavitation et le flashage sont tous deux liés au comportement de la pression locale, mais ils endommagent les garnitures différemment.

cavitation

La cavitation se produit lorsque la pression du liquide chute en dessous de la pression de vapeur, puis remonte en aval, provoquant l'effondrement des bulles de vapeur.

L'effondrement peut produire des microjets et des ondes de choc qui creusent et endommagent les surfaces environnantes. La géométrie de l'orifice influe sur la formation de la vapeur, le rétablissement de la pression et la proximité de l'effondrement des bulles avec la cage, le bouchon, le siège ou le corps de la vanne.

La conception des cages anti-cavitation vise souvent à contrôler la chute de pression par étapes et à empêcher l'effondrement intense des bulles près des surfaces critiques.

Clignotant

La vaporisation instantanée se produit lorsque le liquide se vaporise et reste sous forme de vapeur en aval, car la pression en aval demeure inférieure à la pression de vapeur. La vanne ne peut empêcher la vaporisation instantanée si les conditions du procédé l'exigent.

En service de vaporisation instantanée, la géométrie des orifices doit minimiser l'impact direct et guider le mélange liquide-vapeur à travers des surfaces capables de tolérer l'érosion.

7Géométrie des ports pour le sable, le tartre et les milieux chargés de particules.

L'écoulement contenant des solides ajoute une couche de complexité supplémentaire.

Le sable, le tartre, les fines particules de catalyseur, la rouille, les cristaux et les particules de forage ne suivent pas toujours parfaitement le flux de liquide ou de gaz. Ils peuvent heurter les parois, s'accumuler dans les zones mortes, se loger dans les petits passages ou éroder les bords des orifices à grande vitesse.

Pour les supports de stockage sales, la géométrie des ports doit être examinée afin de vérifier :

● Taille minimale de passage

● Contractions soudaines

● Poches mortes

● coudes à 90 degrés

● régions à flux inverse

● Piégeage de particules entre les étapes

● Les couloirs d'entrée sont plus petits ou plus grands que les couloirs de sortie

● Possibilité d'évacuer les débris par les garnitures

La meilleure conception de cage de soupape en carbure n'est pas simplement celle qui utilise le matériau le plus dur ou qui comporte le plus grand nombre d'orifices.

C'est la conception qui détermine où va l'énergie.

Dans les systèmes de régulation de débit soumis à des conditions de service sévères, l'érosion ne peut pas toujours être éliminée. L'objectif pratique consiste souvent à la ralentir, à la répartir de manière sûre et à la contenir sur les surfaces de garniture remplaçables plutôt que sur le corps de vanne, la tige du bouchon, les surfaces d'étanchéité ou la conduite en aval.

C’est pourquoi Langsun Carbide évalue les projets de cages de soupapes en carbure à travers quatre questions :

1. Quel est le mécanisme de dommage dominant ?

2. Où iront les flux et les particules à vitesse maximale ?

3. La géométrie du port peut-elle résister à la fois aux contraintes d'écoulement et d'assemblage ?

4. La pièce peut-elle être fabriquée et inspectée de manière cohérente ?

Si la réponse n'est pas claire, le projet nécessite plus qu'un simple devis. Il requiert une analyse des matériaux et de la géométrie.

UN Valve en carbure de tungstène La cage ne doit pas seulement résister à l'érosion. Elle doit également préserver la géométrie de régulation de débit et de perte de charge prévue aussi longtemps que l'exige la conception de la vanne.

FAQ

Comment la géométrie des orifices influence-t-elle l'érosion dans une cage de soupape ?

La géométrie des orifices influe sur la vitesse locale, l'angle d'impact des particules, la direction du jet, la turbulence, la localisation de la cavitation, les dommages dus à l'évaporation instantanée et le point de libération de l'énergie de pression. Une géométrie inadéquate peut concentrer l'érosion sur les bords des orifices, le bouchon, le siège, le corps de la vanne ou la conduite en aval.

Le carbure de tungstène empêche-t-il l'érosion de la cage de soupape ?

Le carbure de tungstène peut améliorer considérablement la résistance à l'érosion et contribuer à préserver la géométrie des orifices, mais il n'élimine pas l'érosion causée par une vitesse excessive, une cavitation incontrôlée, un flashage important, une mauvaise direction d'écoulement ou une mauvaise gestion des solides.

Vaut-il mieux avoir de nombreux petits ports que quelques grands ports ?

Pas toujours. De nombreux petits orifices peuvent diviser le flux et faciliter la montée en pression en milieu propre, mais ils risquent d'encrasser ou d'affaiblir la cage en carbure en milieu poreux. Des orifices plus larges peuvent mieux laisser passer les particules solides, mais peuvent générer des jets plus puissants.

Références

1. Valmet, Solutions pour vannes de régulation en conditions extrêmesLa source explique que le contrôle de la vitesse et de la pression dans le trim permet d'éliminer la cavitation et de minimiser les dommages, et que la division du flux en plusieurs petits courants peut améliorer la résistance à la cavitation tout en réduisant le bruit et les vibrations.

2. Valmet, « Manuel de contrôle des débits : Écoulement des liquides ». Cette source explique le comportement de la vena contracta, la récupération de pression, l’écoulement bloqué, la cavitation, la vaporisation instantanée et l’influence du facteur de récupération de pression de la vanne sur le comportement de l’écoulement des liquides.

3. Valmet, « Solutions pour les vannes de régulation en service sévère ». La source traite de la cavitation, de la vaporisation instantanée, de la sélection des vannes, de l'étagement de la pression et des choix géométriques pour un service sévère.

4. Emerson, « Flashage des vannes de régulation ». La source explique que le flashage se produit lorsque le liquide se vaporise et reste à l’état de vapeur en aval, que le mélange liquide-vapeur est très érosif et que des géométries et des matériaux appropriés sont nécessaires pour minimiser les dommages.

5. Valve Magazine, « Gestion de l’érosion par le sable dans les vannes de régulation et d’étranglement ». L’article explique la relation entre la surface de garniture, la vitesse, l’érosion par le sable, le style du corps, la direction d’écoulement de la cage, le risque de blocage de la garniture à plusieurs étages, les inserts en carbure de tungstène, les sièges protégés et la prédiction de l’érosion par le sable basée sur la CFD.

6. Valve World, « Choisir la vanne de régulation adaptée aux applications en conditions extrêmes ». Cet article traite des fluides abrasifs, de la sélection des vannes pour conditions extrêmes, des conduits revêtus, de la réduction de la perte de charge par étages, de la cavitation et du contrôle de la vaporisation instantanée.

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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