1/Concept

Le coup de bélier est également appelé coup de bélier hydraulique. Il se produit lors du transport d'eau (ou d'autres liquides) en raison de l'ouverture ou de la fermeture soudaine d'une vanne.Vanne papillon API, vannes à guillotine, les soupapes de contrôle etvannes à billeLors d'arrêts brusques de pompes à eau, d'ouvertures et de fermetures soudaines de vannes de guidage, etc., le débit et la pression fluctuent brutalement. Le terme « coup de bélier » est explicite. Il désigne un violent coup de bélier provoqué par l'impact du flux d'eau sur la canalisation lors du démarrage et de l'arrêt d'une pompe. À l'intérieur d'une conduite d'eau, la paroi est lisse et l'eau circule librement. Lorsqu'une vanne ouverte est fermée brusquement ou que la pompe d'alimentation en eau s'arrête, le flux d'eau génère une pression sur la vanne et la paroi de la conduite, principalement sur la vanne ou la pompe elle-même. La paroi étant lisse, sous l'effet de l'inertie du flux d'eau, la force hydraulique atteint rapidement son maximum et provoque des dégâts. C'est ce qu'on appelle le « coup de bélier » en hydraulique, ou coup de bélier positif. À l'inverse, lorsqu'une vanne fermée est ouverte brusquement ou que la pompe à eau démarre, un coup de bélier se produit également : il s'agit d'un coup de bélier négatif, mais d'une ampleur moindre. L'impact de la pression va provoquer une contrainte sur la paroi du tuyau et produire du bruit, comme un marteau frappant le tuyau ; c'est ce qu'on appelle l'effet de coup de bélier.

2/Dangers

La pression instantanée générée par un coup de bélier peut atteindre des dizaines, voire des centaines de fois la pression de service normale dans la canalisation. De telles fluctuations de pression importantes peuvent provoquer de fortes vibrations ou du bruit dans le réseau de canalisations et endommager les joints de vannes. L'effet est très dommageable pour le système de tuyauterie. Afin de prévenir les coups de bélier, le réseau de canalisations doit être correctement dimensionné pour éviter un débit excessif. Généralement, le débit nominal de la canalisation doit être inférieur à 3 m/s et la vitesse d'ouverture et de fermeture des vannes doit être contrôlée.
En raison des démarrages et arrêts brusques de la pompe, ainsi que des ouvertures et fermetures de vannes trop rapides, la vitesse de l'eau varie considérablement. L'arrêt brutal de la pompe provoque notamment un coup de bélier, susceptible d'endommager les canalisations, les pompes et les vannes, et d'entraîner l'inversion du fonctionnement de la pompe et une chute de pression dans le réseau. L'effet du coup de bélier est extrêmement destructeur : une pression trop élevée peut provoquer la rupture de la canalisation, tandis qu'une pression trop faible peut entraîner son affaissement et endommager les vannes et les fixations. Le débit d'eau passe de zéro à son débit nominal en un laps de temps très court. Les fluides possédant une énergie cinétique et une certaine compressibilité, ces variations importantes de débit en un laps de temps très court engendrent des chocs de pression, à la hausse comme à la baisse, sur la canalisation.

3/générer

Les causes du coup de bélier sont nombreuses. Voici les facteurs les plus courants :

1. La vanne s'ouvre ou se ferme soudainement ;

2. Le groupe de pompe à eau s'arrête ou démarre soudainement ;

3. Un seul tuyau transporte l'eau vers un lieu élevé (la différence de hauteur du terrain d'approvisionnement en eau dépasse 20 mètres) ;

4. La hauteur de refoulement totale (ou pression de service) de la pompe à eau est importante ;

5. La vitesse d'écoulement de l'eau dans la conduite d'eau est trop élevée ;

6. La conduite d'eau est trop longue et le terrain est très accidenté.
7. La construction irrégulière représente un danger caché dans les projets de canalisations d'eau potable.
(1) Par exemple, la production de piliers de poussée en ciment pour les tés, les coudes, les réducteurs et autres joints ne répond pas aux exigences.
Conformément au « Règlement technique relatif à l'ingénierie des canalisations d'adduction d'eau enterrées en PVC rigide », des piliers de butée en béton doivent être installés aux jonctions telles que les tés, les coudes, les réducteurs et autres tuyaux d'un diamètre ≥ 110 mm afin d'empêcher tout déplacement de la canalisation. Ces piliers doivent être en béton de classe C15 minimum et coulés sur place, au niveau du sol d'origine excavé et de la pente de la tranchée. Certains constructeurs négligent le rôle des piliers de butée. Ils utilisent un piquet en bois ou une tige de fer comme pilier de butée, en les clouant à côté de la canalisation. Parfois, le volume de béton utilisé est insuffisant ou le pilier n'est pas coulé sur le sol d'origine. Par ailleurs, certains piliers sont insuffisamment résistants. De ce fait, en exploitation, les piliers de butée deviennent inefficaces et peuvent entraîner le désalignement et l'endommagement des raccords tels que les tés et les coudes.
(2) La soupape d'échappement automatique n'est pas installée ou sa position d'installation est inappropriée.
Conformément aux principes de l'hydraulique, des soupapes d'échappement automatiques doivent être conçues et installées aux points hauts des canalisations dans les zones montagneuses ou vallonnées. Même en plaine, sur un terrain légèrement vallonné, le tracé des canalisations doit être adapté lors du creusement des tranchées. En cas de dénivellation cyclique, la pente ne doit pas être inférieure à 1/500, et une ou deux soupapes d'échappement sont prévues au point le plus haut tous les kilomètres.
Lors du transport de l'eau dans une canalisation, le gaz s'échappe et s'accumule dans les parties surélevées, pouvant même former des bouchons d'air. Lorsque le débit d'eau fluctue, ces poches d'air subissent des compressions et des expansions successives, générant une pression des dizaines, voire des centaines de fois supérieure à celle de l'eau (source : Pump Butler). Ce tronçon de canalisation, présentant des risques cachés, peut alors engendrer les situations suivantes :
• Une fois l'eau passée en amont du tuyau, les gouttes disparaissent en aval. Cela est dû au fait que le coussin d'air présent dans le tuyau bloque le flux d'eau, provoquant une séparation des colonnes d'eau.
• Le gaz comprimé dans la canalisation atteint sa limite maximale et se dilate rapidement, provoquant la rupture de la canalisation.
Lorsque l'eau provenant d'une source en altitude est transportée vers l'aval à une certaine vitesse par gravité, et que la vanne amont est rapidement fermée, l'inertie due à la différence de hauteur et au débit empêche l'arrêt immédiat de la colonne d'eau dans la conduite amont. Celle-ci continue de s'écouler vers l'aval. Un vide se forme alors dans la conduite, car l'air ne peut être remplacé à temps, ce qui provoque un affaissement et une détérioration de la canalisation par dépression.
(3) La terre de la tranchée et du remblai ne respecte pas la réglementation.
On observe fréquemment des tranchées non conformes aux normes dans les zones montagneuses, principalement en raison de la présence de nombreuses pierres. Creusées manuellement ou à l'explosif, ces tranchées présentent souvent un fond très irrégulier et parsemé de pierres pointues. Dans ce cas, la réglementation en vigueur exige le retrait des pierres et le remblayage sur une couche de sable d'au moins 15 centimètres avant la pose de la canalisation. Cependant, certains ouvriers, par négligence ou par manque de rigueur, déposent directement le sable sans le recouvrir de sable, ou seulement de façon symbolique. La canalisation est ainsi posée sur les pierres. Une fois le remblayage terminé et l'eau mise en service, le poids de la canalisation, la pression verticale des terres, la charge des véhicules et la gravité s'accumulent au contact d'une ou plusieurs pierres pointues situées au fond de la tranchée, créant une concentration de contraintes excessive. La canalisation risque alors fortement de se rompre à cet endroit et de se fissurer en ligne droite. C'est ce que l'on appelle communément « l'effet de fissure ».

4/Mesures

Il existe de nombreuses mesures de protection contre les coups de bélier, mais différentes mesures doivent être prises en fonction des causes possibles de ces coups de bélier.
1. Réduire le débit des conduites d'eau permet d'atténuer la pression due aux coups de bélier, mais cela augmente le diamètre des conduites et, par conséquent, le coût du projet. Lors de la conception des conduites d'eau, il convient d'éviter les dénivellations importantes et les changements de pente brusques afin de réduire leur longueur. Plus la conduite est longue, plus le coup de bélier est important à l'arrêt de la pompe. Pour relier deux stations de pompage, un puits d'aspiration est utilisé.
Coup de bélier à l'arrêt de la pompe

Le coup de bélier à l'arrêt de la pompe désigne le phénomène de choc hydraulique provoqué par des variations brusques de la vitesse d'écoulement dans la pompe à eau et les conduites sous pression lors de l'ouverture et de la fermeture de la vanne, notamment suite à une coupure de courant. Par exemple, une défaillance du réseau électrique ou d'un équipement électrique, ou encore une panne ponctuelle du groupe motopompe, peuvent entraîner l'ouverture et l'arrêt de la pompe centrifuge, provoquant ainsi un coup de bélier. L'amplitude de ce coup de bélier est principalement liée à la hauteur manométrique de la salle des pompes : plus cette hauteur est importante, plus le coup de bélier est fort. Il convient donc de choisir une hauteur manométrique adaptée aux conditions locales.

La pression maximale due au coup de bélier lors de l'arrêt d'une pompe peut atteindre 200 % de la pression de service normale, voire plus, ce qui peut endommager les canalisations et les équipements. Les incidents mineurs entraînent des fuites et des coupures d'eau ; les incidents graves provoquent l'inondation de la salle des pompes, des dommages aux équipements et aux installations, voire des blessures ou des décès.

Après l'arrêt de la pompe suite à un incident, attendez que la conduite située derrière le clapet anti-retour soit remplie d'eau avant de la redémarrer. Ne pas ouvrir complètement le robinet de sortie de la pompe lors du démarrage, sous peine de provoquer un coup de bélier. De graves accidents de ce type surviennent fréquemment dans les stations de pompage.

2. Installer un dispositif d'élimination des coups de bélier
(1) Utilisation de la technologie de contrôle de tension constante
Un système de contrôle automatique par automate programmable (PLC) est utilisé pour piloter la pompe à vitesse variable et gérer automatiquement le fonctionnement de l'ensemble du réseau de pompage d'eau. La pression dans le réseau de canalisations d'eau fluctuant constamment en fonction des conditions de fonctionnement, des variations de pression (basse ou haute) surviennent fréquemment et peuvent facilement provoquer des coups de bélier, endommageant ainsi les canalisations et les équipements. Le système de contrôle automatique par automate programmable assure la gestion du réseau de canalisations. Il détecte la pression, contrôle le démarrage et l'arrêt de la pompe, ajuste sa vitesse et régule le débit, maintenant ainsi la pression à un niveau constant. La pression d'alimentation en eau est paramétrée par microprocesseur afin de garantir une pression d'alimentation stable et d'éviter les fluctuations excessives. Le risque de coups de bélier est ainsi réduit.
(2) Installer un éliminateur de coups de bélier
Ce dispositif prévient principalement les coups de bélier lors de l'arrêt de la pompe. Il est généralement installé près du tuyau de refoulement de la pompe. Il utilise la pression interne de la conduite pour assurer une action automatique en cas de basse pression. Ainsi, lorsque la pression dans la conduite descend en dessous du seuil de protection défini, l'orifice de purge s'ouvre automatiquement pour évacuer l'eau. Ce dispositif de décharge de pression permet d'équilibrer la pression dans les canalisations et d'éviter les effets des coups de bélier sur les équipements et les canalisations. On distingue généralement deux types de dispositifs de décharge de pression : mécaniques et hydrauliques. Les dispositifs mécaniques sont réarmables manuellement après utilisation, tandis que les dispositifs hydrauliques sont à réarmement automatique.
(3) Installer un clapet anti-retour à fermeture lente sur le tuyau de sortie de la pompe à eau de grand diamètre

Elle peut éliminer efficacement le coup de bélier lorsque la pompe est arrêtée, mais comme une certaine quantité d'eau refluera lorsque la pompe s'arrête, elle peut néanmoins refluer.API 609Lorsque la vanne est activée, le puits d'aspiration d'eau doit être équipé d'un trop-plein. Il existe deux types de clapets anti-retour à fermeture lente : les clapets anti-coup de bélier et les clapets à stockage d'énergie. Ce type de vanne permet d'ajuster le temps de fermeture selon les besoins (voir Pump Butler). Généralement, la vanne se ferme à 70 % ou 80 % en 3 à 7 secondes après une coupure de courant. Le temps de fermeture restant (20 % ou 30 %) est ajusté en fonction des conditions de la pompe et de la canalisation, généralement entre 10 et 30 secondes. Il est important de noter qu'en cas de surpression dans la canalisation et de coup de bélier, l'efficacité du clapet anti-retour à fermeture lente est très limitée.
(4) Installer une tour de régulation de pression unidirectionnelle
Elle est construite à proximité de la station de pompage ou à un emplacement approprié sur la canalisation, et sa hauteur est inférieure à la pression dans la canalisation à cet endroit. Lorsque la pression dans la canalisation est inférieure au niveau d'eau dans la tour, cette dernière alimente la canalisation en eau afin d'éviter la rupture de la colonne d'eau et de limiter le coup de bélier. Cependant, son efficacité contre les coups de bélier autres que ceux provoqués par l'arrêt de la pompe, comme le coup de bélier dû à la fermeture d'une vanne, est limitée. De plus, le fonctionnement du clapet anti-retour utilisé dans la tour de régulation de pression doit être absolument fiable. Une défaillance de ce clapet peut entraîner un important coup de bélier.
(5) Installer une conduite de dérivation (vanne) dans la station de pompage
Lorsque le système de pompage fonctionne normalement, le clapet anti-retour est fermé car la pression de l'eau côté refoulement est supérieure à celle côté aspiration. Lors d'une coupure de courant accidentelle qui arrête brutalement la pompe, la pression à la sortie de la station de pompage chute brutalement, tandis que la pression côté aspiration augmente tout aussi brutalement. Sous l'effet de cette différence de pression, la surpression transitoire dans la conduite d'aspiration pousse le clapet anti-retour vers la conduite d'alimentation en eau sous pression, où la pression est transitoirement plus basse, ce qui provoque une augmentation de la pression dans cette dernière. Parallèlement, le coup de bélier côté aspiration est également réduit. De cette manière, les variations de pression dues au coup de bélier sont maîtrisées de part et d'autre de la station de pompage, ce qui permet de réduire et de prévenir efficacement les risques liés au coup de bélier.
(6) Installer un clapet anti-retour à plusieurs étages
Dans une longue conduite d'eau, ajoutez un ou plusieursclapets anti-retourOn divise la conduite d'eau en plusieurs sections et on installe un clapet anti-retour sur chacune d'elles. Lors d'un coup de bélier, lorsque l'eau remonte dans la conduite, les clapets se ferment successivement, divisant ainsi le flux de rinçage en plusieurs segments. La faible hauteur de chute dans chaque section de la conduite (ou segment de rinçage) réduit le débit d'eau et atténue le coup de bélier. Cette mesure de protection est efficace lorsque la différence de hauteur géométrique entre les conduites d'alimentation en eau est importante ; cependant, elle ne permet pas d'éliminer complètement le risque de séparation de la colonne d'eau. Son principal inconvénient est l'augmentation de la consommation électrique de la pompe en fonctionnement normal et, par conséquent, du coût de l'approvisionnement en eau.