Qu'est-ce que le coup de bélier ?
Figure 1 : Les effets des coups de bélier peuvent faire éclater les canalisations.
Le 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 brusquement. 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 dynamique du fluide, généralement dû à la fermeture d'une vanne, provoque une poussée de pression qui envoie une onde à la vitesse du son dans les deux sens dans le réseau de canalisations.
L'effet du coup de bélier est associé à un bruit de claquement qui peut se répéter plusieurs fois avant que la pression ne se dissipe. La surpression peut être plusieurs fois supérieure 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, constituer un danger pour les personnes et l'environnement. Il est plus important pour les vannes électriques ou pneumatiques qui se ferment rapidement, comme les électrovannes.
Causes des coups de bélier
Comme nous l'avons expliqué, le coup de bélier se produit dans un système de canalisations lorsque le fluide se heurte à une paroi et que la force exercée provoque une poussée de pression dans le réseau de canalisations. La paroi la plus courante est la fermeture rapide d'une vanne. En examinant quelques applications courantes, nous pouvons voir comment le coup de bélier se produit dans ces cas :
Demande 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, il ne cause pas de dommages, mais on peut 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 des coups de bélier. D'autres procédés industriels sont également utilisés :
- Arrêt soudain d'une pompe 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 se ferme soudainement.
- Fermeture brutale d'un clapet anti-retour : Un coup de bélier peut se produire lorsqu'un clapet anti-retour se ferme. Les clapets anti-retour peuvent se fermer presque instantanément si la pression différentielle est inférieure 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 de coup de bélier se produit.
- En amont d'une pompe en marche : L'effet inverse se produit lorsqu'une vanne en amont d'une pompe en marche est soudainement fermée, ce qui entraîne un vide juste après la vanne. Cette dépression peut entraîner l'implosion de la conduite.
- Remplissage initial du tuyau : Un autre type de coup de bélier se produit lorsqu'un tuyau vide est rempli d'eau à grande vitesse et que l'air est libéré par un petit trou. Lorsque l'air est complètement évacué de la conduite, l'écoulement de l'eau est soudainement interrompu, ce qui entraîne une surpression.
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 qui se déplacent d'avant en arrière dans le tuyau.
Effets des coups de bélier
Le résultat le plus élémentaire du coup de bélier est le bruit de claquement et les vibrations lorsque l'onde rebondit dans un réseau de canalisations. Les vibrations peuvent affaiblir les joints et les raccords des tuyaux, déformer les tuyaux et affaiblir les supports et les suspensions. Elle peut également entraîner des fuites, des dommages aux conduites et aux équipements (instruments, pompes ou manomètres) reliés à la conduite. Dans des cas rares mais graves, elle peut entraîner des accidents et parfois des décès.
Comment prévenir les coups de bélier
Figure 3 : Vanne à siège incliné en laiton EPDM 10 bar Eau potable. Il n'y a pas de 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 de mettre en place des mesures préventives. Il convient d'examiner attentivement le contrôle du débit des fluides. Les mesures possibles pour atténuer les coups de bélier sont les suivantes :
- Éviter les vannes à fermeture rapide : Les vannes manuelles doivent être fermées lentement, en particulier lorsque les pompes fonctionnent encore. Les électrovannes à fermeture rapide doivent être évitées en l'absence d'autres mesures d'atténuation. À des fins domestiques, les robinets à siège incliné ou les robinets à tournant sphérique manuels que l'on ferme lentement sont d'excellents robinets à utiliser dans les systèmes d'eau potable.
- Installer des réservoirs d'expansion, des châteaux d'eau, des réservoirs d'équilibre ou des accumulateurs hydrauliques : Ces systèmes captent les coups de bélier en permettant la dilatation du fluide et empêchent les coups de bélier.
- Réduire la pression de fonctionnement : Très souvent, la pression d'alimentation principale n'est pas nécessaire sur l'ensemble du réseau de canalisations. La réduction de la pression au niveau local permet d'éviter les coups de bélier.
- Installer des tuyaux à haute pression : Cela n'empêche pas les coups de bélier mais évite d'endommager le tuyau.
- Procédure opérationnelle : Les procédures de démarrage et d'arrêt doivent tenir compte des effets des coups de bélier.
- Installer 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. Les soupapes de décharge permettent d'évacuer la pression excédentaire dans le flux.
Applications de l'effet de coup de bélier
Les effets des coups de bélier ont généralement des conséquences indésirables, mais ils peuvent avoir quelques 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 hauteur de pression d'eau à un débit élevé en une hauteur de pression plus élevée à un débit faible. L'effet de coup de bélier permet également de détecter les fuites dans une conduite et les poches d'air enfermées.
Conclusion
Les coups de bélier peuvent être très dommageables pour les canalisations et les équipements qui y sont raccordés. Le bruit, les vibrations et les coups de bélier créés peuvent perturber le confort des personnes et entraîner des accidents. Elle est causée par l'arrêt soudain d'un fluide en mouvement rapide, comme l'eau, généralement au niveau d'une vanne ou d'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 également avoir des applications pratiques, telles que le pompage de l'eau, comme on le voit avec le bélier hydraulique.
