Coup de bélier (Partie 1)

La plupart des ingénieurs impliqués dans la planification des 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 à des coups de bélier peuvent survenir dans des canalisations mesurant plus de cent mètres et ne véhiculant que quelques dixièmes de litre par seconde. Mais même les canalisations très courtes et non supportées 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 de services du bâtiment, par exemple dans les conduites d'alimentation en eau de chauffage et en eau potable, qui sont généralement de courte longueur et ont une petite section.

Les propriétaires ou les exploitants de systèmes touchés 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 » (Figs. 1-a, 1-b, 1-c) une chose est claire : les dégâts causés par les coups de bélier dépassent de loin le coût des analyses préventives et des mesures de contrôle des surtensions.

La capacité de fournir un équipement de contrôle des surtensions conçu de manière fiable, 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 pris en compte lors de la conception et de l'exploitation des systèmes d'approvisionnement en eau, car ils peuvent causer des dommages importants. Cela signifie qu'une analyse de surtension conforme aux normes de l'industrie doit être effectuée pour chaque système de tuyauterie hydraulique à risque de coup de bélier. Un logiciel dédié est disponible à cet effet - un outil important à utiliser par l'analyste spécialiste des surtensions. 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 être utilisée comme base pour tirer des conclusions pour des systèmes similaires ?
• Quels paramètres sont nécessaires pour une analyse de surtension ?
• Combien coûte une analyse de surtension ?
• Quelle est la fiabilité de l'équipement de contrôle des surtensions disponible et combien coûte son fonctionnement ?
• Quelle est la fiabilité d'une analyse informatisée?

Le concepteur du système et l'analyste des surtensions doivent travailler en étroite collaboration pour gagner du temps et de l'argent. Le coup de bélier est un phénomène complexe ; L'objectif de cette brochure est de transmettre une connaissance de base de ses nombreux aspects sans les simplifier à l'excès.

Écoulement régulier et instable dans un pipeline

Lors de l'examen de la pression d'un fluide, une distinction doit être faite entre la pression au-dessus de 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 » se réfèrent toujours à une donnée (par exemple, niveau moyen de la mer, ligne médiane axiale du tuyau et couronne 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 d'écoulement stationnaire typique :

Avec un diamètre de tuyau constant et une rugosité de surface constante des parois intérieures du tuyau, la courbe 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 la caractéristique de la tuyauterie.

Un système de pompage ne peut jamais fonctionner en régime permanent en permanence, car le démarrage et l'arrêt de la pompe à eux seuls modifient les conditions de fonctionnement. D'une manière générale, chaque modification des conditions de fonctionnement et chaque perturbation entraînent des variations de pression et de débit ou, autrement dit, une modification des 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 à la suite d'une coupure de l'alimentation électrique ou d'une panne de courant.
• Démarrage ou arrêt d'une ou plusieurs pompes pendant que d'autres pompes fonctionnent.
• Fermeture ou ouverture des vannes d'arrêt dans le système de tuyauterie.
• Excitation de vibrations résonnantes par des pompes à courbe H/Q instable.
• Variations du niveau d'eau à l'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.

h_constant sur la Fig. 2.1-b est la courbe de charge de pression en régime permanent. Enveloppes de hauteur de pression h_minWK et h_maxWK ont été obtenus à partir d'une installation avec, hmin et hmax à partir d'une installation sans ballon d'air. Alors que h_minWK et h_maxWK se trouvent dans la plage de pression admissible, hmin met en évidence la pression de vapeur (macro cavitation) sur une distance de conduite de 0 m à environ 800 m. Presque sur toute la longueur du tuyau, la valeur de h_maximum dépasse la pression nominale maximale admissible du tuyau PN 16 (courbe marquée "tuyau PN") et est donc trop élevée. En règle générale, la pression de vapeur est un phénomène des plus indésirables. Il peut avoir les effets nocifs suivants :

• Bosses ou déformations des tuyaux en acier à paroi mince et des tubes en plastique.
• Désintégration du revêtement en ciment de la conduite.
• De l'eau sale est aspirée dans les conduites d'eau potable par des prises de raccordement qui fuient.

Nous poursuivrons ces articles techniques et reviendrons également sur le sujet de la macro-cavitation, c'est-à-dire la séparation des colonnes liquides, dans les parties suivantes.

REF : Savoir-faire KSB, tome 1