Les coups de bélier
Lors de la conception d’un réseau, les risques éventuels de coups de bélier doivent être étudiés et quantifiés, afin de mettre en œuvre les protections qui s’imposent, notamment dans le cas de canalisations de refoulement. Lorsque les dispositifs de protection n’ont pas été prévus, les canalisations en fonte ductile présentent une réserve de sécurité souvent utile face aux surpressions accidentelles.
Origines
Lorsque l’on modifie brutalement la vitesse d’un fluide en écoulement dans une canalisation, il se produit un violent changement de pression. Ce phénomène transitoire, appelé coup de bélier, apparaît généralement lors d’une intervention sur un appareil attenant au réseau (pompes, vannes...). Des ondes de surpression et de dépression se propagent le long de la canalisation à une vitesse “a” appelée célérité de l’onde.
Les coups de bélier peuvent prendre naissance aussi bien dans les conduites gravitaires que dans les refoulements. Ils ont pour origine quatre causes principales :
- le démarrage et l’arrêt des pompes,
- la fermeture des vannes, bornes, appareils d’incendie ou de lavage,
- la présence d’air,
- la mauvaise utilisation des appareils de protection.
Conséquences
Les surpressions peuvent entraîner dans des cas critiques la rupture de certaines canalisations ne présentant pas de coefficients de sécurité suffisants. Les dépressions peuvent créer des poches de cavitation dangereuses pour les canalisations et pour les appareils de robinetterie.
Evaluation complète
La méthode graphique de BERGERON permet de déterminer avec précision les pressions et débits en fonction du temps en tout point d’une canalisation soumise à un coup de bélier. Il existe aujourd’hui des logiciels informatiques adaptés à la résolution de ces problèmes complexes.
Prévention
Les protections à mettre en œuvre pour limiter un coup de bélier à une valeur admissible sont diverses et adaptées à chaque cas. Elles agissent soit en ralentissant la modification de la vitesse du fluide, soit en limitant la surpression par rapport à la dépression. L’utilisateur doit déterminer l’enveloppe de surpression et de dépression créée par le coup de bélier, et juger, d’après le profil de la canalisation, du type de protection à adopter :
– volant d’inertie sur pompe,
– soupape de décharge,
– ballon à air ou ARAA (à régulation d’air automatique),
– aspiration auxiliaire,
– cheminée d’équilibre.
Le ballon anti-bélier est d’utilisation courante. Il a deux fonctions :
– limiter la surpression (perte de charge contrôlée par un clapet)
– éviter la cavitation (vidange du ballon).
En cas d’arrêt brusque d’une pompe, la dépression est compensée par un débit fourni par la vidange du ballon. Lors de l’inversion du flux d’eau, l’énergie de la masse d’eau est transformée en
pertes de charge par remplissage du ballon à travers le clapet calibré. Le profil de la canalisation est déterminant dans le dimensionnement du ballon. En pratique, la courbe de dépression minimale (résultante après protection) ne doit pas descendre en dessous du profil réel de la canalisation de plus de cinq mètres. Les abaques de PUECH et MEUNIER ou des logiciels informatiques permettent de déterminer le volume des ballons de protection.
On note en outre que les canalisations en fonte ductile comportent une réserve de sécurité importante :
– en surpression : PAM autorise un dépassement de 20 % de la pression de fonctionnement admissible pour les surpressions transitoires ;
– en dépression : le joint garantit l’étanchéité vis à vis de l’extérieur, même en cas de vide partiel dans la canalisation.