Pour un réchauffeur à gaine en titane immergé en permanence dans une prise d'eau de rivière (total de solides dissous 300 ppm, pH 7,2, 25 degrés), quelle est l'épaisseur de paroi minimale pour résister à la cavitation d'une pompe à proximité ?

Le compromis fondamental dans les radiateurs en titane pour la cavitation induite par pompe
Les pompes installées dans les structures de prise d’eau des rivières transfèrent l’eau vers des usines de traitement ou des systèmes de refroidissement industriels. Parfois, des gaines chauffantes en titane sont placées pour éviter le gel ou pour maintenir des températures minimales. Si le réchauffeur est proche des entrées ou du refoulement de la pompe, il est sujet à la cavitation, c'est-à-dire la production et l'effondrement rapide de bulles de vapeur dans l'eau en mouvement. La cavitation produit des pressions de choc localisées supérieures à 1 000 bars et des micro-jets avec des vitesses allant jusqu'à 100 m/s. Il en résulte une usure des surfaces en titane par un mécanisme de fatigue. L'épaisseur minimale de paroi pour résister à l'érosion par cavitation est fonction de l'intensité de la cavitation (fonction de la conception de la pompe et de la vitesse d'écoulement) et de la résistance du titane aux charges cycliques. L'épaisseur de la paroi fournit une couche sacrificielle qui peut se détériorer avant la perforation. Cette analyse identifie l'épaisseur de paroi minimale nécessaire aux conditions de cavitation dans les stations de pompage d'eau de rivière courantes.

Effet sur l'intégrité mécanique : mécanisme d'érosion par cavitation
Lorsque la pression locale descend en dessous de la pression de vapeur de l’eau, une cavitation se produit et des bulles de vapeur se forment. Ces bulles s’effondrent ensuite rapidement lorsqu’elles rencontrent des régions de pression plus élevée. L'effondrement de la bulle produit un micro-jet à 50-150 m/s impactant la surface voisine. L’effet cumulé de millions d’effondrements de bulles chaque seconde entraîne une fatigue de la surface, un écrouissage et finalement une perte de matière. La durée d'incubation (durée jusqu'au début de la perte de poids observable) pour le titane de grade 2 repose sur la force de cavitation exprimée par le nombre de cavitation σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Plus le σ est faible, plus la cavitation est intense.

Les vitesses d'écoulement normales dans les prises d'eau de rivière sont de 2 à 4 m/s à l'emplacement du chauffe-eau. L'indice de cavitation est compris entre 0,3 et 1,0, ce qui indique une cavitation modérée à sévère. Le taux d'érosion par cavitation du titane de grade 2 dans ces conditions est de 0,2 à 0,8 mm par an après l'incubation. La période d'incubation elle-même est de 100 à 500 heures. La matière est retirée, puis retirée à rythme constant.

Effet sur les performances thermiques : vitesse d'écoulement et taux d'érosion
Le taux d'érosion par cavitation évolue avec une vitesse à la puissance 4-6 (extrêmement sensible). Le taux d'érosion est réduit d'un facteur de 16 à 64 si la vitesse d'écoulement est réduite de 4 m/s à 2 m/s. L'épaisseur de la paroi n'a aucun effet sur le taux d'érosion : elle détermine uniquement la durée de vie du radiateur après le début de l'érosion. Les performances thermiques (coefficient de transfert thermique) s'améliorent avec l'augmentation de la vitesse d'écoulement, qui est en conflit. Une vitesse plus élevée améliore l’efficacité du chauffage, mais augmente considérablement l’érosion par cavitation.

Épaisseur de paroi minimale Durée de vie de 10- ans Synthèse des compromis
Vitesse d'écoulement au réchauffeur (m/sec) Nombre de cavitation (σ) Taux d'érosion (mm/an) Paroi recommandée (avec facteur de sécurité) Paroi minimale pour une durée de vie de 10 ans (mm)
1.5 m/s >1,0 (cavitation) 0.00 0.8 mm (structurelle) 0,8 mm
0,8 (modéré) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 millimètre
2,5 m/s 0,6 (modéré) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/sec 0,4 (grave) 0.60 6.0 mm Pas pratique 4,0 m/sec 0,3 (très sévère) 1.50 15 mm Impossible
Pour des prises d'eau de rivière normales avec des vitesses d'écoulement de 1,5 à 2,0 m/s au niveau du chauffe-eau (et non à l'entrée immédiate de la pompe), une paroi de 1,2 à 1,5 mm est suffisante pour une durée de vie de 10 ans. Au-dessus de 2,5 m/s, l'épaisseur de mur nécessaire n'est pas pratique et une nouvelle conception est nécessaire.

Ingénierie au-delà du mur : prévenir la cavitation et déplacer le radiateur
Le taux d'érosion par cavitation évolue avec la puissance quatrième de la vitesse ou plus. La meilleure approche consiste donc à déplacer le réchauffeur hors des zones à vitesse élevée. Localement, la vitesse est réduite à<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Conclusion Un mur de 1,5 mm est suffisant pour des conditions typiques (v Inférieur ou égal à 2,0 m/s)
L'épaisseur de paroi minimale requise pour résister à la cavitation d'une pompe à proximité pour un réchauffeur à gaine en titane immergé en permanence dans une prise d'eau de rivière à 25 degrés avec un total de solides dissous de 300 ppm et un pH de 7,2 est fonction de la vitesse d'écoulement locale. Avec une vitesse typique de 1,5-2,0 m/s (en dehors de l'entrée immédiate de la pompe), une paroi de 1,2-1,5 mm d'épaisseur en titane de grade 2 a une durée de vie de 10 ans. Lorsque les vitesses sont supérieures à 2,5 m/sec, une épaisseur de paroi supérieure à 3 mm est nécessaire (peu pratique pour les tubes chauffants) et le radiateur doit être déplacé ou protégé par un déflecteur ou un revêtement. Les chauffe-eau de prise d'eau de rivière doivent être spécifiés avec une gaine en titane de grade 2, d'une épaisseur de paroi de 1,5 mm, à au moins 1 m de toute entrée ou sortie de pompe et montés avec un déflecteur dirigeant le débit si possible. Le fabricant calculera le nombre de cavitation et le taux d'érosion. Indiquez la vitesse d'écoulement prévue à l'emplacement du réchauffeur (m/s) et les caractéristiques de la pompe. La prévention de la cavitation (diminution de la vitesse) est bien meilleure que l'augmentation de l'épaisseur de la paroi.