Quand les conduites d’eau font « bang » : tout savoir sur les coups de bélier dans les tuyauteries
Le grondement d’une conduite d’eau est généralement provoqué par un coup de bélier. Découvrez ici comment de tels chocs hydrauliques se produisent, quelles conséquences ils peuvent avoir et comment ils peuvent être évités.
Le grondement d’une conduite d’eau est généralement provoqué par un coup de bélier. Découvrez ici comment de tels chocs hydrauliques se produisent, quelles conséquences ils peuvent avoir et comment ils peuvent être évités.
Au petit matin du 2 janvier 1998, les habitants de la Cinquième Avenue à New York ont été réveillés par une forte détonation. Une conduite d’eau de 48 pouces (env. 120 cm) de diamètre, datant de près de 100 ans, a été rompue. Conséquence : plusieurs centaines de milliers de litres d’eau ont balayé la route en très peu de temps et ont provoqué son effondrement sur une longue distance. Une fuite de gaz a également fait jaillir des flammes hautes d’environ deux étages.
Le 4 juillet 2009, les pompes de 14 usines d’eau sont brusquement tombées en panne à la suite d’une chute de tension dans toute la région de Hambourg. Lorsque les pompes ont redémarré, 16 conduites d’eau endommagées se sont rompues et ont causé des dégâts considérables.
Il ne s’agit là que de deux exemples d’événements dont la seule et même cause est un coup de bélier incontrôlé dans des conduites d’eau (en anglais : « water hammer »). Ce phénomène est connu depuis l’Antiquité. Des coups de bélier dans des conduites romaines en plomb et en pierre ont déjà été relatés une centaine d’années avant Jésus-Christ. Ce fut toutefois le mathématicien russe Nikolai Joukowsky qui effectua des expériences et des calculs détaillés à partir de 1887. Le terme de « coup de Joukowsky » fut ainsi adopté pour désigner ce phénomène physique. Mais comment un tel coup de bélier se produit-il et comment éviter d’éventuels dommages lors de la phase de planification ?
Coups de bélier : où peuvent-ils se produire et comment ?
Les coups de bélier peuvent se produire dans toutes les conduites où circulent des liquides – par ex. l’eau, les produits chimiques, les huiles thermiques, mais aussi les pipelines ou les liquides alimentaires comme le lait ou les boissons.
En règle générale, il est admis que les liquides sont incompressibles, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas être comprimés – contrairement aux gaz. Ce n’est cependant pas tout à fait exact. Les liquides sont en réalité relativement peu compressibles, beaucoup moins que les gaz ; il est donc impossible que des coups de bélier se produisent dans les conduites « ouvertes ».
Comment se produit un tel coup de bélier ?
Un coup de bélier se produit chaque fois que la vitesse d’écoulement d’un liquide dans un tuyau change – autrement dit, lors d’une accélération ou d’une décélération. Exemple : en ouvrant complètement le robinet dans les toilettes des invités, 20 litres par minute peuvent s’écouler par la conduite – et ce, par des tuyaux relativement étroits, comme le prévoit la norme DIN dans de tels endroits. Conséquence : la vitesse d’écoulement de l’eau dans le tuyau peut atteindre plus de 4 mètres par seconde. Si le robinet est fermé rapidement, l’eau s’accumule en amont du robinet – une augmentation de la pression se produit et le « front d’onde de pression » se propage dans le sens inverse de l’écoulement initial – comme une boule de billard qui rebondit sur une bande et est repoussée. Une réduction de pression se produit simultanément côté sortie du robinet rapidement fermé ; celle-ci se propage également, mais dans le sens de l’écoulement.
L’onde de pression ainsi générée dans la conduite se propage dans le sens inverse de l’écoulement initial, jusqu’à ce qu’elle rencontre à nouveau un point de réflexion – par ex. un changement soudain de section, une pièce en T ou un clapet de non-retour. Le choc y est à nouveau réfléchi et parcourt le système de part et d’autre jusqu’à ce que l’onde de pression soit complètement dissipée.
Des vitesses encore plus faibles peuvent entraîner de graves dommages en raison d’un coup de bélier provoqué par un changement soudain de vitesse. Au sein des ménages, les coups de bélier sont toutefois relativement minimes en raison des petits diamètres et longueurs.
Quelles sont les vitesses atteintes par ces ondes de pression ?
Tout se passe à une vitesse très élevée – en fonction de plusieurs facteurs : si la température en est un, le matériau de la tuyauterie est encore plus déterminant. Selon le matériau utilisé, des vitesses de propagation des ondes allant jusqu’à 1 200 m/s peuvent être atteintes. (En comparaison : la vitesse du son dans l’air sec à 20 °C s’élève « seulement » à 343,2 m/s.) La vitesse de propagation des ondes peut être calculée avec précision avec la formule suivante :
a - vitesse de propagation des ondes [m/s]
r - masse volumétrique du fluide [kg/m³]
EF - module d’élasticité du fluide [N/m²]
ER - module d’élasticité de la paroi du tuyau [N/m²]
di - diamètre intérieur du tuyau [mm]
s - épaisseur de la paroi du tuyau [mm]
µ - facteur de contraction transversale
La rupture de conduites due à un coup de bélier peut rapidement causer des dégâts considérables.
Quels sont les facteurs d’influence à prendre en compte ?
Une équation développée par Joukowsky peut servir de première base pour le calcul du choc :
∆pJou = ρ · a · ∆v
∆pJou = coup de Joukowsky = changement de pression dans un liquide [N/m2]
∆v = changement de vitesse
ρ = densité du liquide [kg/m3]
a = vitesse de propagation des ondes dans un tuyau rempli de liquide [m/s]
Avec des hypothèses simplifiées pour l’accélération de la pesanteur et la vitesse de propagation des ondes, on obtient :
∆hJou = (a / g) · ∆v ≈ 100 ∙ ∆v
∆hJou = changement de hauteur manométrique [m]
g = accélération de la pesanteur [m/s2]
Les temps de fermeture d’un robinet jouent un rôle essentiel.
Les changements soudains de vitesse entraînent des variations de pression maximales, tandis que les changements plus lents entraînent des amplitudes de pression beaucoup plus faibles – ce qui peut donc être utilisé comme option pour une éventuelle protection contre les pressions inadmissibles.
Pour simplifier, disons que lorsque le liquide décélère ou accélère, l’énergie cinétique dans le système est convertie en énergie de pression. Étant donné que le liquide et la tuyauterie sont tous deux peu compressibles ou extensibles, ils peuvent en réalité absorber une fraction de l’énergie. Le temps nécessaire à la dissipation du coup de bélier dépend de la nature du tuyau : matériau, épaisseur et rugosité des parois internes. En effet, la « dissipation » est principalement garantie par la conversion de l’énergie en chaleur de frottement. En règle générale :
- Plus l’écoulement d’une conduite est arrêté ou accéléré rapidement, plus l’augmentation ou la baisse de pression est forte.
- Et plus le liquide se déplaçait rapidement avant la décélération, plus l’augmentation ou la baisse de la pression est forte.
Le matériau du tuyau est notamment un facteur décisif pour d’éventuels dommages dus à des coups de bélier.
La fonte, par exemple, est un matériau assez fragile et donc particulièrement sujet aux défaillances. D’autres matériaux plus extensibles, comme le plastique, absorbent mieux les coups de bélier sans se rompre. (Voir l’influence du module d’élasticité dans l’équation ci-dessus.) Ils peuvent néanmoins également être endommagés, tout comme les robinets, les têtes de sprinklers et les raccords de tuyauterie. Les coups de bélier peuvent également avoir des effets néfastes sur les supports des tuyaux et les fondations de pompes.
Tout en puissance : quelles conséquences peut avoir un coup de bélier ?
Les exemples décrits précédemment montrent qu’un coup de bélier peut atteindre des proportions immenses. Par exemple, la charge dynamique à court terme d’un tuyau en cuivre de 12 mm peut être supérieure à 60 bar – un ordre de grandeur qu’aucun technicien spécialisé n’attendrait d’un système domestique d’alimentation en eau dans le cadre d’un essai d’étanchéité*. Des chutes de pression jusqu’à la pression de vapeur sont également possibles – avec d’éventuels dommages :
- Les tuyaux peuvent se rompre et les appareils de robinetterie peuvent être endommagés.
- Les fixations des tuyaux peuvent se desserrer.
- Les pompes et leurs fondations peuvent être endommagées.
- Les tuyaux en plastique et en acier à parois minces peuvent se déformer.
- En cas de baisse de pression, l’air ou l’eau sale peuvent être aspirés par des raccords à bride et assemblages à manchon, des presse-étoupes ou des points de fuites.
- Les revêtements intérieurs (revêtement en mortier de ciment, plastique) des tuyauteries peuvent s’écailler.
- Rupture de la colonne d’eau et macro-cavitation (collision des colonnes d’eau séparées ou impact d’une colonne d’eau rompue sur un robinet fermé)
En comparaison, les effets secondaires « normaux » des coups de bélier semblent tout à fait inoffensifs : vibrations, oscillations, bruits de choc, cliquetis ou martèlements provenant de la conduite d’eau. Ces nuisances peuvent également perturber le calme de la nuit.
Comment éviter les coups de bélier ?
Amortir les chocs : comment éviter les coups de bélier ?
Mauvaise nouvelle : il est impossible d’empêcher physiquement les coups de bélier – mais ils peuvent être maintenus dans des limites raisonnables, et ce, dès la phase de planification. Le concepteur spécialisé doit posséder un certain savoir-faire en matière de mécanique des fluides et de problèmes de conception des systèmes d’eau et de chauffage. Les paramètres suivants sont déterminants pour éviter les coups de bélier :
- le profil de la tuyauterie,
- la longueur de la tuyauterie,
- le moment d’inertie de la pompe (plus moteur, accouplement, poulie, etc.),
- le matériau et les dimensions de la tuyauterie
- et le débit maximal, le fluide pompé et les niveaux d’eau.
La seule solution pour protéger une installation contre les coups de bélier est de calculer avec précision la pression dans un réseau de tuyauterie, de tirer les bonnes conclusions de ces calculs et de dimensionner les paramètres susmentionnés en conséquence.
D’autre part, certaines mesures de protection actives peuvent être mises en œuvre pour protéger le système contre les coups de bélier :
- Grâce à un variateur de fréquence, la vitesse de rotation d’une pompe peut être contrôlée avec précision, ce qui permet notamment d’éviter un arrêt trop rapide de la pompe.
- Un « démarreur progressif » empêche les pointes de pression trop soudaines en démarrant et en arrêtant doucement une pompe à vitesse variable.
- L’ouverture et la fermeture correctes des robinets sont également essentielles : plus un robinet est fermé lentement, plus le coup de bélier est faible. Ce résultat peut être obtenu, par exemple, par des clapets à commande hydraulique.
- Les soupapes de sécurité empêchent toute éventuelle surpression dans la tuyauterie. Les soupapes de sécurité casse-vide, installées en aval du robinet, permettent à l’air d’entrer dans le système pour empêcher la formation d’un vide.
- Un diamètre plus grand réduit les vitesses d’écoulement et donc la variation maximale possible de la vitesse due à une décélération soudaine.
- Le matériau du tuyau influence considérablement la vitesse de propagation des ondes.
- Un réservoir à vessie (réservoir sous pression) est un réservoir qui contient un « matelas d’air » qui peut être comprimé. Comme un ballon, le matelas d’air absorbe l’énergie produite lorsque la pression augmente.
Certains facteurs supplémentaires doivent également être pris en compte : la quantité de pompes, les conditions en cas d’arrêts normaux et d’éventuelles pannes de courant, ainsi que le risque de déformation, de fatigue des matériaux et de colmatage.
Schéma d’un réservoir à vessie
Réduire la pression de la conduite : résumé et conclusion
Les coups de bélier dans les conduites se produisent lorsque la vitesse d’écoulement d’un liquide change plus ou moins brusquement – par ex. à l’arrêt d’une pompe ou la fermeture d’un robinet. Étant donné que les parois des tuyaux ne sont que légèrement élastiques, la pression accrue générée par la stagnation ne peut se propager que dans une seule direction : axialement dans le sens inverse de l’écoulement. La propagation radiale est limitée par la paroi du tuyau ou n’est possible que dans une certaine mesure. L’onde de pression se propage dans le système, ce qui peut avoir des conséquences dramatiques : grondement de la conduite, dommages aux appareils de robinetterie, fuites ou rupture de tuyau.
Certaines mesures peuvent être prises pour éviter de tels coups de bélier : de la planification ou de la conception correcte de l’installation, en passant par le montage de robinets à fermeture lente et d’amortisseurs mécaniques de coups de bélier, jusqu’aux modules de commande électronique des pompes pour un démarrage et un arrêt adéquats. Il n’existe cependant pas de solution universelle – chaque système requiert une mesure de protection adaptée. La conception d’un système de chauffage à l’abri des coups de bélier requiert donc un grand savoir-faire – KSB vous aide volontiers dans la conception (par ex. avec KSB EasySelect, notre logiciel de sélection pour toutes les applications).
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