Qu'est-ce qu'un coup de bélier ?

Qu'est-ce qu'un coup de bélier ?

Figure 1 : Les effets d'un coup de bélier peuvent inclure l'éclatement des tuyaux.

Figure 1 : Les effets d'un coup de bélier peuvent inclure l'éclatement des tuyaux.

Un coup de bélier, techniquement appelé choc hydraulique, est un phénomène de tuyauterie qui se produit lorsqu'un fluide en mouvement est forcé de s'arrêter ou de changer de direction soudainement. Il se produit principalement dans les liquides, comme l'eau, en raison de l'incompressibilité, mais il peut également se produire dans les gaz. Le changement soudain de la quantité de fluide, généralement dû à la fermeture d'une vanne, provoque une surpression qui envoie une onde à la vitesse du son dans le réseau de tuyauterie.

L'effet d'un coup de bélier est associé à un bruit de claquement qui peut être répété plusieurs fois avant que la pression ne se dissipe. Le coup de bélier peut être plusieurs fois supérieur à la limite de pression de fonctionnement du système de tuyauterie, ce qui peut endommager la tuyauterie, l'équipement fixé à la tuyauterie et, dans certains cas, mettre en danger les personnes et l'environnement. Il est plus important pour les vannes électriques ou pneumatiques qui se ferment rapidement, comme une électrovanne.

Causes d'un coup de bélier

Comme nous l'avons expliqué, un coup de bélier se produit dans un système de tuyauterie lorsqu'un fluide heurte une paroi, et que cette force provoque une surpression dans le réseau de tuyauterie. Le mur le plus courant est celui de la fermeture rapide d'une valve. En examinant quelques applications courantes, nous pouvons voir comment un coup de bélier y est provoqué :

Application résidentielle

Dans une application résidentielle, lorsqu'un lave-vaisselle ou un lave-linge coupe l'eau, une électrovanne se ferme rapidement et peut provoquer un effet de coup de bélier. En général, cela ne cause pas de dommages, mais vous pouvez l'entendre.

Procédés industriels

Des opérations similaires dans les processus industriels, comme la fermeture rapide d'une vanne en aval d'une pompe en marche, peuvent entraîner un coup de bélier. D'autres procédés industriels sont également utilisés :

  • L'arrêt soudain d'une pompe à joint étanche : Lorsqu'une colonne d'eau se déplace dans une pompe (une pompe volumétrique, et non une pompe rotodynamique), un arrêt soudain de la pompe sans ralentissement progressif provoque un coup de bélier. Dans ce cas, la pompe agit comme une vanne en aval qui est soudainement fermée.
  • Fermeture brutale d'une valve de contrôle : Un coup de bélier peut se produire lorsqu'un clapet anti-retour se ferme. Les clapets anti-retour peuvent se fermer presque instantanément si le différentiel de pression est inférieur aux spécifications du clapet.
  • Dans la production de vapeur : Lors du démarrage de la production de vapeur, le taux élevé de condensation entraîne la formation d'un bouchon de condensat liquide qui se déplace à grande vitesse. Lorsque ce liquide rencontre un virage serré, le phénomène du coup de bélier se produit.
  • En amont d'une pompe en fonctionnement : Un effet inverse se produit lorsqu'une vanne en amont d'une pompe en fonctionnement est soudainement fermée, ce qui entraîne un vide juste après la vanne. Ce vide peut conduire à l'implosion de la canalisation.
  • Remplissage initial des tuyaux : Un autre type de coup de bélier se produit lorsqu'un tuyau vide est rempli d'eau à un débit élevé et que l'air est libéré par un petit trou. Lorsque l'air est complètement sorti du tuyau, le flux d'eau est soudainement arrêté, ce qui entraîne une surpression.
Figure 2 : L'effet du coup de bélier. (A) Condition initiale avec vanne fermée et eau stagnante, (B) Fonctionnement normal avec vanne ouverte et écoulement d'eau, (C) Coup de bélier avec vanne soudainement fermée. L'élan de l'eau est converti en ondes de pression se déplaçant d'avant en arrière dans le tuyau.

Figure 2 : L'effet du coup de bélier : la condition initiale avec une vanne fermée et de l'eau stagnante (A), le fonctionnement normal avec une vanne ouverte et un débit d'eau (B), le coup de bélier avec une vanne soudainement fermée (C). L'élan de l'eau est converti en ondes de pression se déplaçant d'avant en arrière dans le tuyau

Effets d'un coup de bélier

Le résultat le plus élémentaire d'un coup de bélier est le bruit de claquement et les vibrations lorsque l'onde rebondit dans un réseau de tuyaux. Les vibrations peuvent entraîner l'affaiblissement des joints et des raccords de tuyaux, la déformation des tuyaux et l'affaiblissement des supports et des suspensions. Elle peut également entraîner des fuites, endommager les conduites et endommager les équipements (instruments, pompes, manomètres, etc.) fixés à la conduite. Dans des cas rares mais graves, elle peut entraîner des accidents et parfois des décès.

Comment éviter un coup de bélier

Figure 3 : Une vanne à siège incliné en laiton EPDM 10 bar pour l'eau potable. Il n'y a pas de risque de coup de bélier dans cette vanne grâce à son mécanisme de fermeture lente.

Figure 3 : Vanne à siège incliné en laiton G3" EPDM 10 bar eau potable- AL2BM Il n'y a aucun risque de coup de bélier dans cette vanne grâce à son mécanisme de fermeture lente.

Lors de la conception et de la construction du réseau de canalisations, il est essentiel d'évaluer le risque de coup de bélier dans le système de canalisations et d'installer des mesures préventives. Vous devez examiner attentivement la méthode de contrôle du flux de fluide. Les mesures possibles pour atténuer les coups de bélier sont les suivantes :

  • Évitez les vannes à fermeture rapide : Les vannes manuelles doivent être fermées lentement, surtout lorsque les pompes sont encore en marche. Les électrovannes à fermeture rapide doivent être évitées lorsque d'autres mesures d'atténuation ne sont pas installées. À des fins domestiques, les vannes à siège incliné ou les vannes à bille manuelles que l'on ferme lentement sont une excellente vanne à utiliser dans les systèmes d'eau potable."
  • Installez des réservoirs d'expansion, des châteaux d'eau, des réservoirs d'équilibre ou des accumulateurs hydrauliques : Ces systèmes captent les surpressions en permettant l'expansion du fluide et empêchent les coups de bélier.
  • Pression de fonctionnement Très souvent, la pression d'alimentation principale n'est pas nécessaire dans le réseau de canalisations. En réduisant localement la pression, on peut éviter les coups de bélier.
  • Installez des tuyaux à haute pression : Cela n'empêche pas les coups de bélier, mais évite d'endommager le tuyau
  • Procédure d'exploitation du processus : Les procédures de démarrage et d'arrêt doivent tenir compte des effets des coups de bélier.
  • Installez des vannes de purge et des vannes d'air : Les soupapes d'air permettent de réduire les zones de basse pression qui empêchent l'accélération du fluide. Lesvannes de décharge permettent d'évacuer l'excès de pression dans l'écoulement.

Applications de l'effet coup de bélier

Les effets d'un coup de bélier ont généralement des conséquences indésirables, mais ils peuvent avoir certaines applications utiles lorsqu'ils sont délibérément simulés. Un vérin hydraulique utilise l'effet de coup de bélier pour pomper de l'eau en convertissant une tête de pression d'eau à un débit élevé en une tête de pression plus élevée à un débit faible. L'effet du coup de bélier permet également de détecter les fuites dans un tuyau et de déceler les poches d'air enfermées.

Conclusion

Les coups de bélier peuvent être très dommageables pour les tuyaux et l'équipement qui y est attaché. Le bruit, les vibrations et les surpressions créés peuvent perturber le confort des personnes et provoquer des accidents. Il est causé par l'arrêt soudain d'un fluide qui se déplace rapidement, comme l'eau, généralement par une vanne ou un coude de tuyau. Plusieurs mesures permettent d'éviter les coups de bélier, comme la réduction de la pression de fonctionnement, les vannes à fermeture lente et les réservoirs d'expansion. Le principe du coup de bélier peut aussi avoir des applications pratiques, comme le pompage de l'eau, comme on le voit avec le bélier hydraulique.