Qu’est-ce qu’un coup de bélier et comment le réparer ?

Qu'est-ce qu'un coup de bélier ?

Le coup de bélier se produit lors d'une coupure de courant soudaine ou d'une fermeture trop rapide d'une vanne. L'inertie du flux d'eau sous pression génère une onde de choc, comparable à un coup de marteau. La force générée par ces ondes de choc, parfois si importante, peut endommager les vannes et les pompes.

Lorsqu'une vanne ouverte est fermée brusquement, l'eau s'écoule contre la vanne et la paroi de la conduite, créant une pression. Du fait de la surface lisse de la conduite, le débit d'eau atteint rapidement son maximum sous l'effet de l'inertie et provoque des dommages. C'est ce qu'on appelle le « coup de bélier » en mécanique des fluides, ou coup de bélier positif. Ce phénomène doit être pris en compte lors de la construction des canalisations d'adduction d'eau.

Au contraire, l'ouverture brutale d'une vanne fermée provoque également un coup de bélier, appelé coup de bélier négatif. Ce dernier possède lui aussi un certain pouvoir destructeur, mais moindre que le coup de bélier. Lors d'une coupure de courant ou d'un démarrage soudain d'une pompe à eau électrique, un choc de pression et un coup de bélier se produisent également. L'onde de choc ainsi générée se propage le long de la canalisation, pouvant facilement entraîner une surpression locale, voire une rupture de la canalisation et des dommages matériels. C'est pourquoi la protection contre les coups de bélier est devenue une technologie essentielle dans le domaine de l'adduction d'eau.
Conditions d'apparition du coup de bélier hydraulique

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

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

3. Distribution d'eau par un seul tuyau vers les endroits élevés (la différence de hauteur du terrain d'alimentation en eau dépasse 20 mètres) ;

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

5. La vitesse 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.

Les dangers du coup de bélier

La surpression causée par un coup de bélier peut atteindre plusieurs fois, voire des dizaines de fois, la pression de service normale de la canalisation. De telles fluctuations de pression importantes endommagent le réseau de canalisations, principalement de la manière suivante :

1. Provoquer de fortes vibrations du pipeline et la déconnexion du joint du pipeline ;

2. La vanne est endommagée et la pression est tellement élevée qu'elle risque de faire éclater le tuyau, ce qui réduit la pression du réseau d'alimentation en eau ;

3. Au contraire, si la pression est trop faible, le tuyau s'effondrera et la vanne ainsi que les pièces de fixation seront endommagées ;

4. Provoquer l'inversion de la pompe à eau, endommager l'équipement ou les canalisations dans la salle des pompes, provoquer une submersion grave de la salle des pompes, causer des pertes humaines et d'autres accidents majeurs, et affecter la production et la vie.

Mesures de protection pour éliminer ou atténuer le coup de bélier.

Il existe de nombreuses mesures de protection contre le coup de bélier, mais différentes mesures doivent être prises en fonction des causes possibles de ce phénomène.

1. Réduire le débit de la conduite d'eau peut atténuer la pression due au coup de bélier, mais cela augmente le diamètre de la conduite 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. L'intensité du coup de bélier à l'arrêt de la pompe est principalement liée à la hauteur manométrique de la salle des pompes. Plus la hauteur manométrique est élevée, plus le coup de bélier est important. Il est donc essentiel de choisir une hauteur manométrique adaptée aux conditions locales. Après un arrêt accidentel de la pompe, attendez que la conduite en aval du clapet anti-retour soit remplie d'eau avant de la redémarrer. Ne pas ouvrir complètement la vanne de refoulement lors du redémarrage, sous peine de provoquer un fort coup de bélier. La plupart des accidents majeurs dus au coup de bélier dans les stations de pompage surviennent dans ces conditions.

2. Installer un dispositif d'élimination des coups de bélier

(1) Utilisation de la technologie de contrôle de pression constante :
Étant donné que la pression dans le réseau de canalisations d'eau varie constamment en fonction des conditions de fonctionnement, des baisses ou des surpressions surviennent fréquemment, provoquant des coups de bélier et endommageant les canalisations et les équipements. Un système de contrôle automatique est mis en œuvre pour réguler la pression du réseau. Ce système détecte les variations de pression, contrôle le démarrage, l'arrêt et la vitesse de la pompe à eau, régule le débit et maintient la pression à un niveau constant. La pression d'alimentation de la pompe est paramétrée par micro-ordinateur afin de garantir une alimentation en eau à pression constante et d'éviter les fluctuations excessives, réduisant ainsi le risque de coups de bélier.

(2) Installez l'éliminateur de coup de bélier

Ce dispositif empêche 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 une action automatique en cas de basse pression : lorsque la pression descend en dessous du seuil de protection défini, la vanne de purge s'ouvre automatiquement et évacue l'eau. Ce dispositif permet de réguler 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 purge : mécaniques et hydrauliques.

3) Installez un clapet anti-retour à fermeture lente sur le tuyau de sortie de la pompe à eau de gros calibre.

Ce dispositif permet d'éliminer efficacement le coup de bélier à l'arrêt de la pompe. Cependant, un léger reflux d'eau se produisant lors de la fermeture du clapet, le puits d'aspiration doit être équipé d'un trop-plein. Il existe deux types de clapets anti-retour à fermeture lente : les modèles anti-coup de bélier et les modèles à stockage d'énergie. Ce type de clapet permet d'ajuster le temps de fermeture selon les besoins. Généralement, 70 % à 80 % du clapet se ferment en 3 à 7 secondes après une coupure de courant, et le temps de fermeture des 20 % à 30 % restants est ajusté en fonction des caractéristiques de la pompe et de la canalisation, généralement entre 10 et 30 secondes. Il est à noter que le clapet anti-retour à fermeture lente est particulièrement efficace pour atténuer le coup de bélier en présence d'un ressaut dans la canalisation.

(4) Installer une tour anti-surtension 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, celle-ci alimente la canalisation en eau pour éviter la rupture de la colonne d'eau et les coups de bélier. Cependant, son effet de dépressurisation sur les coups de bélier autres que ceux provoqués par l'arrêt de la pompe, comme les coups de bélier à la fermeture d'une vanne, est limité. De plus, le clapet anti-retour utilisé dans la tour doit être d'une fiabilité absolue. Une défaillance de ce clapet pourrait entraîner des accidents graves.

(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. En cas de coupure de courant entraînant l'arrêt brutal de 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 crée une dépression transitoire qui repousse le clapet anti-retour et s'écoule vers la conduite d'eau sous pression, augmentant ainsi la pression initiale. Parallèlement, le coup de bélier côté aspiration est atténué. De cette manière, les variations de pression dues au coup de bélier de part et d'autre de la station de pompage sont maîtrisées, réduisant et prévenant ainsi efficacement les risques liés à ce phénomène.
(6) Installer le clapet anti-retour à plusieurs étages

Sur une conduite d'eau longue, ajoutez un ou plusieurs clapets anti-retour, divisez la conduite en plusieurs sections et installez un clapet anti-retour sur chaque section. Lors d'un coup de bélier, lorsque l'eau remonte dans la conduite, les clapets anti-retour se ferment successivement, divisant ainsi le flux de rinçage en plusieurs segments. La faible hauteur de colonne d'eau dans chaque section (ou zone de rinçage) réduit le débit et atténue le coup de bélier. Cette mesure de protection est efficace lorsque la différence de hauteur géométrique de la conduite 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 donc du coût de l'approvisionnement en eau.

(7) Des dispositifs d'échappement automatique et d'alimentation en air sont installés au point haut de la canalisation pour réduire l'impact du coup de bélier sur la canalisation.