Les coups de bélier
Le terme “coup de bélier “, qui suggère l'idée de bruit et de changements soudain de pression, est couramment utilisé comme synonyme de diverses perturbations hydrauliques, provoquant parfois des effets dévastateurs sur le système.
Les réseaux d'eau et d'assainissement sont d'une importance vitale dans le monde moderne et leur protection doit être une priorité. Grâce à des simulations numériques, il est possible de connaître le comportement des canalisations en présence de phénomènes hydrauliques ou perturbations diverses et d'évaluer les dommages potentiels.
Les principales causes de coups de bélier sont :
- Des variations brusques de la demande en eau
- Le démarrage rapide des pompes
- L’arrêt intempestif des pompes à la suite d’une panne
- La fermeture et l’ouverture rapide des dispositifs de sectionnement
- Le remplissage rapide des réseaux de protection incendie
- L’ouverture et la fermeture des bornes incendie
- Les opérations de rinçage et de vidange des canalisations
- La vidange des réservoirs d'alimentation.
La vitesse des ondes sonores dans les fluides peut être exprimée par la formule suivante : a = [K / ρ / (1 + K * D / E * e)] ½
E est le module d'élasticité
D est le diamètre de la canalisation
e est l'épaisseur de la canalisation
K est le module de masse
p est la densité du fluide.
Arrêt intempestif des pompes à la suite d’une panne
L'un des événements les plus critiques pour les réseaux d’eau potable et d’eaux usées est l'arrêt d’une pompe : l'arrêt complet d’une pompe provoque une décélération et, par conséquent, une dépression qui se propage avec une vitesse qui dépend des caractéristiques du fluide et des tuyaux. Une pression négative peut provoquer de graves dommages : déformation et rupture des canalisations, déplacement des joints et entrée de contaminants par les points de fuite. De plus, si la ligne piézométrique descend en dessous de la valeur négative correspondant à la pression de vapeur, il existe également un risque de "décollement de la veine « ou écrasement de la conduite. Ce phénomène est dû à la formation et à l'éclatement à postériori de poches de vapeur qui produisent de fortes augmentations de la fréquence des hautes pressions avec des effets destructeurs sur le réseau.
Le diagramme montre le profil d'une canalisation, avec des pompes et un réservoir en aval les conditions limites d’utilisation. La ligne pointillée bleu foncé représente le HGL et la ligne pointillée bleu clair la pression statique. L'onde de dépression qui se propage en aval du fait de l'arrêt de la pompe est mise en évidence. Le segment rouge correspond au tronçon touché par la dépression lors de la phase initiale de l'événement.
La deuxième image montre la propagation de l'onde de pression négative le long de la canalisation aval. La partie de la conduite exposée à une forte pression négative est ombrée en rouge. Le changement de pente est un point où un décollement de veine peut se produire, lorsque des poches de vapeur se forment puis éclatent, générant de dangereux coups de bélier, comme illustré dans les 4 panneaux.
Les effets de l'arrêt de la pompe peuvent être visualisés sur les graphiques de l’évolution des valeurs de pression maximale et minimale obtenues lors de la simulation (dans l'illustration représentée, respectivement, en rouge et en vert). On note comment le système atteint le « vide absolu » sur une grande partie du profil, et le coup de bélier provoqué par le décollement de la veine au changement de pente.
Prévention des coups de bélier
Pour éviter les phénomènes transitoires et les dommages indésirables aux canalisations, il est essentiel de réduire les variations de vitesse du fluide et, lorsqu'elles se produisent, de les rendre aussi progressives que possible.
A cet effet, il faut :
- manœuvrer lentement les vannes lors de la fermeture, surtout dans les derniers 20 % de course. Les mêmes précautions doivent être observées lors de l'ouverture, surtout au début de celle-ci.
- s'assurer par simulation qu'il n'y a pas de risque de pressions négatives ou utiliser des ventouses avec une fonction anti-bélier, par exemple les modèles CSA RFP ou AS.
- introduire de l'air ou de l'eau dans la canalisation, aux endroits où des conditions de dépression sont susceptibles de se produire.
- adopter des systèmes de démarrage progressif des pompes.
- effectuer des analyses numériques approfondies sur ordinateur pour évaluer le risque de divers phénomènes transitoire possible sur le réseau.
L'une des meilleures solutions au problème est le réservoir anti-coup de bélier A.V.A.S.T avec ventouse. intégré, proposé par CSA. Il peut fonctionner seul ou en combinaison avec d'autres dispositifs, tels que les ventouses à fonction anti-bélier et les soupapes de surpression.
Le réservoir est installé en dérivation ou directement sur la canalisation principale, avec uniquement une vanne de sectionnement en amont pour permettre la maintenance. Aucune dérivation, clapet anti-retour ou réduction est nécessaire. Par rapport à d'autres produits, A.V.A.S.T. n'inclut aucun type de compresseur, de membrane avec précharge et ne nécessite pas de source d'énergie externe. Il en résulte une maintenance réduite, une plus grande fiabilité et, surtout, un volume occupé dans la station de pompage inférieur avec la même protection comparé aux réservoirs à membrane et aux boîtes à air.
Le graphique illustre les conséquences des différents mouvements, provoqués par l'arrêt de la pompe, sur une canalisation protégée par le réservoir A.V.A.S.T. Les courbes rouge et verte montrent les valeurs de pression maximale et minimale obtenues au cours de la simulation. Le bénéfice sur les pressions négatives est bien visible, ce qui a également pour effet de réduire le risque de coup de bélier.
Dans le cas où le réservoir A.V.A.S.T. est installé en combinaison avec des ventouses à fonction anti-bélier (série CSA AS), l'effet de la ventouse permettra l'utilisation d'un réservoir plus petit, réduisant les coûts. Les valeurs de pression maximale et minimale sont représentées en rouge et vert. Le réservoir A.V.A.S.T. peut être placé à proximité d'une station de pompage ou sur la canalisation. Il peut être également associé à des soupapes de surpression.
Analyse des coups de bélier
Simulation - conduite 1 - profil hydraulique en l'absence de protections
Exemple de phénomènes transitoire provoqué par l'arrêt des pompes. Au début, il y a une chute de pression, suivie d'une augmentation lorsque la colonne d'eau revient sur les clapets anti-retour de la station de pompage.
Simulation - conduite 1 - profil hydraulique avec dispositifs anti-bélier CSA installés
Visualisation des différents mouvements consécutifs à l'arrêt des pompes, dans la même canalisation, en présence d'une vanne d'anticipation des coups de bélier XLC 321/421 et de ventouses à fonction anti-bélier CSA FOX 3F AS. L'action de la vanne à ouverture anticipée est évidente, ce qui empêche l'augmentation incontrôlée de la pression et les éventuels dommages consécutifs sur le réseau.
Simulation - conduite 2 - profil hydraulique en l'absence de protections
Exemple de phénomènes transitoires provoqués par l'arrêt des pompes entrainant un “décollement de la veine” avec formation et éclatement à postériori de poches de vapeur. Cet événement est associé à de forts changements de pression à haute fréquence.
Simulation - conduit 2 - profil hydraulique avec dispositifs anti-coup de bélier CSA installés
Visualisation des différents mouvements à la suite de l'arrêt des pompes, dans la même conduite, en présence d'un Réservoir anti-bélier AVAST (breveté) et de ventouses à fonction anti-bélier CSA FOX 3F AS. L'action du réservoir A.V.A S T est évidente. Il limite l'abaissement de la ligne de charge et empêche d'atteindre des valeurs de pression négative en introduisant de l'eau dans la canalisation après l'arrêt des pompes.