Comment atténuer les dommages causés par les coups de bélier ?

2024-12-25

Qu’est-ce que le phénomène de coup de bélier ?

Un coup de bélier se produit lorsque, en raison d'une panne de courant soudaine ou d'une fermeture rapide d'une vanne, l'inertie du débit d'eau génère une onde de choc, semblable à l'impact d'un marteau, d'où le terme « coup de bélier ».

Dans les stations de pompage, les coups de bélier peuvent être classés en coups de bélier au démarrage, coups de bélier à la fermeture des vannes et coups de bélier à l'arrêt de la pompe (qui se produisent en raison de pannes de courant soudaines ou de causes similaires). Les deux premiers types de coups de bélier, dans le cadre de procédures d'exploitation normales, ne présentent pas de risque significatif pour la sécurité de l'équipement. Cependant, la pression provoquée par les coups de bélier à l’arrêt de la pompe est souvent très élevée et peut conduire à des accidents.

Qu’est-ce que le phénomène de coup de bélier à l’arrêt de la pompe ?

Le soi-disant « coup de bélier à l'arrêt de la pompe » fait référence au phénomène de choc hydraulique provoqué par le changement soudain de la vitesse d'écoulement dans la pompe et la canalisation sous pression lorsqu'une vanne est fermée lors d'une panne de courant ou pour d'autres raisons, entraînant des fluctuations de pression. Par exemple, des défauts dans le système électrique ou dans l'équipement électrique, ou des pannes occasionnelles dans l'unité de pompage, peuvent entraîner la fermeture de la vanne de la pompe centrifuge, déclenchant ainsi l'arrêt de la pompe.

La pression maximale du coup de bélier à l'arrêt de la pompe peut atteindre 200 % de la pression de fonctionnement normale, voire plus, ce qui peut endommager les canalisations et les équipements. Les accidents courants entraînent des « fuites d'eau » ou une interruption de l'approvisionnement en eau, tandis que les accidents graves peuvent provoquer une inondation dans la station de pompage, des dommages à l'équipement, la destruction des installations et même des blessures ou des décès.

Comment atténuer les dommages causés par les coups de bélier ?

Les coups de bélier sont un problème courant dans les systèmes de distribution d’eau, et il existe diverses mesures de protection disponibles pour atténuer leurs effets. Ces mesures doivent toutefois être adaptées aux causes spécifiques des coups de bélier. Vous trouverez ci-dessous quelques méthodes couramment utilisées :

Réduire le débit dans le pipeline :

La diminution du débit dans la canalisation peut réduire dans une certaine mesure la pression des coups de bélier. Toutefois, cela peut nécessiter une augmentation du diamètre du tuyau, ce qui augmente les coûts du projet. Lors de la pose de la canalisation, il est essentiel d'éviter les situations de changements brusques de pente ou de formation de bosses (points hauts) dans la canalisation.

De plus, réduire la longueur du pipeline peut aider, car des pipelines plus longs entraînent généralement des coups de bélier plus importants lors des arrêts de pompe. Une approche consiste à diviser une station de pompage en deux et à utiliser un puits d'aspiration pour relier les deux stations.

L'ampleur des coups de bélier lors de l'arrêt de la pompe est principalement liée à la hauteur géométrique de la station de pompage. Plus la hauteur géométrique est élevée, plus le risque de coup de bélier est important. Il est donc important de sélectionner une tête de pompe appropriée en fonction des conditions locales.

Après un arrêt de la pompe, le système doit attendre que le tuyau en aval du clapet anti-retour se remplisse d'eau avant de redémarrer la pompe. Lors du démarrage de la pompe, il est crucial de ne pas ouvrir complètement la vanne de sortie de la pompe, car cela pourrait provoquer des coups de bélier importants. De nombreux incidents majeurs liés aux coups de bélier dans les stations de pompage se produisent dans ces conditions.

Installation de dispositifs d'atténuation des coups de bélier :

(1) Adoption de la technologie de contrôle de pression constante :

Un système de contrôle automatisé PLC (Programmable Logic Controller) peut être utilisé pour ajuster la vitesse des pompes grâce à un contrôle à fréquence variable. Comme la pression dans le réseau de distribution d’eau fluctue en fonction des conditions d’exploitation changeantes, les coups de bélier ou les chutes de pression sont fréquents, entraînant des risques de coups de bélier et d’endommagement des canalisations et des équipements. En surveillant la pression et en contrôlant le fonctionnement des pompes (en les allumant ou en les arrêtant ou en ajustant leur vitesse), le système maintient une pression constante. Cela permet d'éviter de grandes fluctuations de pression et de réduire le risque de coup de bélier.

(2) Installation de pare-béliers :

Ces dispositifs empêchent principalement les coups de bélier provoqués par les arrêts de pompe et sont généralement installés à proximité de la sortie de la pompe. Ils utilisent la pression à l’intérieur du pipeline pour activer une soupape de surpression lorsque la pression chute en dessous d’un seuil défini, permettant ainsi à l’eau d’être évacuée pour relâcher la pression. Cela aide à équilibrer les pressions locales des pipelines et à prévenir les dommages causés par les coups de bélier. Les antibéliers sont généralement disponibles en types mécaniques et hydrauliques. Les parafoudres mécaniques nécessitent une réinitialisation manuelle après activation, tandis que les parafoudres hydrauliques se réinitialisent automatiquement.

(3) Installation de clapets anti-retour à fermeture lente sur des tuyaux de grand diamètre :

Les clapets anti-retour à fermeture lente peuvent atténuer efficacement les coups de bélier causés par les arrêts de pompe. Cependant, comme l'action de la vanne permet à une partie de l'eau de refluer, elle nécessite un tuyau de trop-plein dans le puits d'aspiration. Les clapets anti-retour à fermeture lente sont de deux types : les types basés sur le poids et les types à stockage d'énergie. Ces vannes peuvent être ajustées pour se fermer dans un délai précis. En règle générale, la vanne se ferme à 70 % à 80 % dans les 3 à 7 secondes après une panne de courant, les 20 à 30 % restants de la fermeture prenant 10 à 30 secondes, en fonction des conditions de la pompe et du pipeline. Il est important de noter que lorsqu'il y a des points hauts (bosses) dans la canalisation, des coups de bélier causés par la séparation des colonnes peuvent se produire, auquel cas le clapet anti-retour à fermeture lente est moins efficace.

(4) Installation d'une tour de régulation de pression unidirectionnelle :

Une tour de régulation de pression unidirectionnelle peut être construite à proximité de la station de pompage ou à un point approprié du pipeline. Le niveau d’eau de la tour doit être inférieur à la pression du pipeline à ce stade. Lorsque la pression du pipeline descend en dessous du niveau d'eau de la tour, de l'eau est ajoutée de la tour au pipeline pour empêcher la colonne d'eau de se séparer et éviter les coups de bélier. Cependant, cette mesure n'est pas très efficace pour prévenir les coups de bélier provoqués par les fermetures de vannes. De plus, le clapet anti-retour utilisé dans la tour doit être fiable, car une panne pourrait entraîner des coups de bélier importants.

(5) Installation de tuyaux de dérivation (vannes) dans les stations de pompage :

Dans des conditions normales, la pression du côté refoulement de la pompe est plus élevée que du côté aspiration, provoquant la fermeture du clapet anti-retour. Lorsqu'une panne de courant soudaine se produit, la pression du côté refoulement de la pompe chute fortement, tandis que la pression du côté aspiration augmente considérablement. La différence de pression force l’eau à haute pression transitoire dans la canalisation d’aspiration à ouvrir le clapet anti-retour, envoyant l’eau vers le côté de refoulement basse pression. Ce processus permet d'égaliser la pression des deux côtés de la pompe, réduisant ainsi le risque de coup de bélier.

(6) Installation de plusieurs clapets anti-retour :

Pour les pipelines longs, l’installation de plusieurs clapets anti-retour peut diviser le pipeline en sections. Chaque section aurait son propre clapet anti-retour. En cas de coup de bélier, le débit d'eau est divisé en sections plus petites à mesure que chaque clapet anti-retour se ferme en séquence. La hauteur de pression plus petite dans chaque section réduit l’ampleur des coups de bélier. Cette méthode est particulièrement utile pour les systèmes présentant une grande différence de hauteur verticale. Cependant, cela ne peut pas éliminer le risque de séparation de la colonne d’eau. Un inconvénient majeur est qu’en fonctionnement normal, cela augmente la consommation d’énergie de la pompe et les coûts d’exploitation.

En mettant en œuvre ces stratégies, il est possible de réduire efficacement l'impact des coups de bélier sur le système d'approvisionnement en eau, garantissant à la fois la sécurité et l'efficacité de fonctionnement.

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