La plupart des ingénieurs impliqués dans la planification de systèmes de pompage connaissent les termes « transitoire hydraulique », « surpression » ou, dans les applications hydrauliques, « coup de bélier ». La question de savoir si une analyse des flux transitoires ou des surtensions est nécessaire ou non pendant la phase de planification est moins facile à répondre. Dans des circonstances défavorables, des dommages dus aux coups de bélier peuvent survenir sur des canalisations mesurant plus de cent mètres et ne transportant que quelques dixièmes de litre par seconde. Mais même les canalisations très courtes et non soutenues dans les stations de pompage peuvent être endommagées par des vibrations résonnantes si elles ne sont pas correctement ancrées. En revanche, le phénomène n'est pas très courant dans les systèmes techniques du bâtiment, par exemple dans les conduites de chauffage et d'alimentation en eau potable, qui sont généralement courtes et ont une petite section.
Les propriétaires ou exploitants d'installations touchées par des coups de bélier sont généralement réticents à transmettre des informations sur les dommages subis par les surtensions. Mais en étudiant les photos prises de certains « accidents » (Fig. 1-a, 1-b, 1-c), une chose est claire : les dommages causés par les coups de bélier dépassent de loin le coût de l'analyse préventive et des mesures de contrôle des surtensions.
La capacité de fournir un équipement fiable de contrôle des surtensions, tel qu'un réservoir d'air ou un accumulateur, un volant d'inertie et une vanne d'air, est depuis longtemps à la pointe de la technologie. La notice technique W 303 « Changements dynamiques de pression dans les systèmes d'approvisionnement en eau » publiée par l'association allemande du secteur du gaz et de l'eau indique clairement que les transitoires de pression doivent être prises en compte lors de la conception et de l'exploitation des systèmes d'approvisionnement en eau, car ils peuvent provoquer des dommages importants. Cela signifie qu'une analyse des surtensions conformément aux normes industrielles doit être effectuée pour chaque système de tuyauterie hydraulique présentant un risque de coup de bélier. Un logiciel dédié est disponible à cet effet – un outil important que l’analyste spécialisé en surtensions peut utiliser. Les consultants et les concepteurs de systèmes sont confrontés aux questions suivantes.
- Comment savoir s’il y a un risque de coup de bélier ou non ?
- Quelle est l’importance des formules d’approximation pour le calcul des coups de bélier ?
- L’analyse des surtensions d’un système de tuyauterie peut-elle servir de base pour tirer des conclusions pour des systèmes similaires ?
- Quels paramètres sont requis pour une analyse de surtension ?
- Combien coûte une analyse de surtension ?
- Quelle est la fiabilité des équipements de contrôle des surtensions disponibles et combien coûte leur fonctionnement ?
- Quelle est la fiabilité d’une analyse informatisée ?
Le concepteur système et l’analyste des surtensions doivent travailler en étroite collaboration pour économiser du temps et de l’argent. Les coups de bélier sont un phénomène complexe ; le but de cette brochure est de transmettre une connaissance de base de ses nombreux aspects sans les simplifier à l'excès.
Écoulement stable et instable dans un pipeline
Lorsqu'on parle de pression d'un fluide, une distinction doit être faite entre la pression supérieure à la pression atmosphérique [p bar], la pression absolue [p bar(a)] et la hauteur de pression h [m]. La hauteur de pression h désigne la hauteur d'une colonne de liquide homogène qui génère une certaine pression p. Les valeurs de « h » font toujours référence à une donnée (par exemple niveau moyen de la mer, ligne médiane axiale du tuyau et du sommet du tuyau, etc.).
En règle générale, les concepteurs de systèmes commencent par déterminer les pressions de fonctionnement et les débits volumiques en régime permanent. Dans ce contexte, le terme stable2 signifie que les débits volumiques, les pressions et les vitesses de pompe ne changent pas avec le temps. La Fig. 2.1-a montre un profil typique d'écoulement constant :
Avec un diamètre de tuyau constant et une rugosité de surface constante des parois intérieures du tuyau, la courbe de hauteur de pression sera une ligne droite. Dans des cas simples, le point de fonctionnement en régime permanent d'une pompe peut être déterminé graphiquement. Cela se fait en déterminant le point où la courbe de la pompe croise les caractéristiques de la tuyauterie.
Un système de pompage ne peut jamais fonctionner en permanence en régime permanent, car le démarrage et l’arrêt de la pompe à eux seuls modifieront les conditions de service. D'une manière générale, tout changement dans les conditions de fonctionnement et toute perturbation provoquent des variations de pression et de débit ou, en d'autres termes, font changer les conditions d'écoulement dans le temps. Les conditions d’écoulement de ce type sont communément appelées instables ou transitoires. Se référant spécifiquement aux pressions, elles sont parfois appelées changements de pression dynamiques ou transitoires de pression. Les principales causes des conditions d’écoulement transitoires sont :
- Déclenchement de la pompe suite à une coupure de l'alimentation électrique ou à une panne de courant.
- Démarrage ou arrêt d'une ou plusieurs pompes pendant que d'autres pompes sont en fonctionnement.
- Fermeture ou ouverture des vannes d'arrêt dans le système de tuyauterie.
- Excitation de vibrations résonantes par des pompes à courbe H/Q instable.
- Variations du niveau d'eau d'entrée.
La figure 2.1-b peut servir d'exemple représentatif montrant l'enveloppe de pression3 avec et sans réservoir d'air après le déclenchement de la pompe.
hconstant sur la figure 2.1-b est la courbe de hauteur de pression à l'état stable. Enveloppes de pression hminWK et hmaxWK ont été obtenus à partir d'une installation avec, hmin et hmax à partir d'une installation sans vase d'air. Alors que hminWK et hmaxWK se situent dans la plage de pression admissible, hmin indique une pression de vapeur (macrocavitation) sur une distance de conduite comprise entre 0 m et environ 800 m. Presque sur toute la longueur du tuyau, la valeur de hmaximum dépasse la pression nominale maximale admissible du tuyau PN 16 (courbe marquée «Tuyau PN») et est donc inadmissiblement élevée. En règle générale, la pression de vapeur est un phénomène des plus indésirables. Cela peut avoir les effets néfastes suivants :
- Bosses ou déformations de tuyaux en acier à paroi mince et de tubes en plastique.
- Désintégration du revêtement en ciment de la canalisation.
- L'eau sale est aspirée dans les conduites d'eau potable à travers des prises de raccordement qui fuient.
Nous continuerons ces articles techniques et reviendrons également sur le sujet de la macro-cavitation, c'est-à-dire la séparation des colonnes de liquide, dans les parties suivantes.
REF : Savoir-faire KSB, Tome 1
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Water hammer is less common in building services systems because these pipelines are typically short in length and have a small cross-section. This reduces the likelihood of unfavorable circumstances that can lead to water hammer damage.
Proper anchoring of pipelines, especially in pumping stations, is crucial for preventing water hammer damage. Unanchored pipelines can experience resonant vibrations, which can lead to damage or failure. Anchoring helps to dissipate the energy generated by water hammer, reducing the risk of damage.
The flow rate of a pipeline plays a significant role in determining the likelihood of water hammer damage. Pipelines with low flow rates (e.g., several tenths of a liter per second) are more susceptible to water hammer damage than those with higher flow rates. This is because low flow rates can lead to a greater pressure surge when the flow is suddenly stopped or changed.
Hydraulic transient surge pressure and water hammer are often used interchangeably, but they refer to the same phenomenon: a sudden increase in pressure in a pipeline due to a change in flow rate or direction. Water hammer is a specific type of hydraulic transient surge pressure that occurs in water applications.
A transient flow or surge analysis is necessary during the planning phase of a pumping system when the pipeline characteristics and operating conditions suggest a high risk of water hammer damage. This includes pipelines with long lengths, low flow rates, and unsupported sections. A thorough analysis can help identify potential issues and inform design decisions to mitigate water hammer risks.
Common signs of water hammer damage in pipelines include loud banging or knocking noises, vibration, and leakage or rupture of the pipeline. In severe cases, water hammer can cause catastrophic failure of the pipeline, leading to costly repairs and downtime.
