Les vannes hydrauliques dans la prévention des coups de bélier

Plongez dans l’univers souvent méconnu, mais crucial, des coups de bélier. Ces ondes de surpression, générées par des variations de débit, peuvent avoir un impact dramatique sur les réseaux hydrauliques.

Dans cet article, nous explorons deux scénarios clés : la fermeture d’une vanne et l’arrêt des pompes.

Grâce à des innovations telles que le pilote SP et la vanne BC de Aquestia, découvrez comment anticiper et atténuer ces phénomènes pour garantir la robustesse de votre réseau.

Qu’est-ce qu’un coup de bélier ?

Il ne s’agit pas ici d’assurer un cours exhaustif sur les phénomènes transitoires, une littérature abondante étant accessible – on renverra notamment vers les publications du SNECOREP par exemple.

En bref : un coup de bélier est une onde de surpression générée par une variation de débit dans la conduite ; l’énergie cinétique de la masse de fluide est convertie en pression. Parmi les situations courantes susceptibles de causer un coup de bélier, on peut citer : arrêt intempestif des pompes suite à une coupure de courant, fermeture ou ouverture d’une vanne ou d’un clapet, résorption brutale d’une poche d’air, rupture de la conduite mais aussi démarrage des pompes.

Les conséquences d’un coup de bélier peuvent être dramatiques, à court terme avec l’éclatement de la conduite mais aussi à long terme avec l’usure prématurée de tous les éléments du réseau à commencer par la pompe, l’apparition de phénomènes de cavitation, la formation de poches d’air, etc.

Il convient donc dès la conception du réseau et le tracé du profil hydraulique de prendre en compte tous les scénarios transitoires possibles pour protéger au mieux le réseau et prolonger son espérance de vie. De façon générale, plus la vitesse de circulation est élevée, plus le réseau est long et plus le profil présente de dénivelé, plus le risque de coup de bélier est important.

L’enveloppe des pressions mini/maxi dans les différents cas de figure doit être calculée par le concepteur du réseau afin de définir les moyens les plus adaptés pour éliminer ou réduire les fluctuations transitoires. Ces moyens comprennent généralement la pose de ventouses (en particulier pour éliminer les risques de dépression, voir le précédent article d’Aquestia sur la gestion de l’air dans les réseaux) aux points-clefs du réseau, la mise en place de réservoirs hydropneumatiques (type ballon à vessie notamment), la construction de cheminées d’équilibrage mais aussi l’installation de vannes de régulation hydraulique avec un circuit de pilotage spécial, ou encore une combinaison de ces dispositifs.

Aquestia propose ici de partager son expérience sur des projets concrets pour illustrer l’action des différents types de vannes de contrôle.

Fermeture d’une vanne

Étudions pour commencer le cas de la fermeture d’une vanne.

Considérons une conduite de transfert en acier, DN 600, d’une longueur de 11 km, qui permet le remplissage d’un réservoir aval à partir d’un réservoir amont au débit nominal de 1150 m3/h ; une fois le niveau requis atteint dans le réservoir aval, la vanne en pied de conduite, contrôlé par un pilote de niveau, se ferme linéairement en 60 secondes.

Instinctivement, 60 secondes peuvent paraître un délai conséquent, suffisant pour fermer une vanne en douceur, sans générer de coup de bélier.

Pourtant, du fait des caractéristiques hydrauliques d’une vanne, la réduction effective de débit va survenir uniquement dans les dernières secondes :

Au cours des 50 premières secondes, le débit n’est réduit que de 22% ; on passe donc de 900 m3/h à zéro en seulement 10 secondes, largement en-dessous du temps critique de 22 s pour ce réseau.

La conséquence est un coup de bélier considérable :

Plus de deux minutes après la fermeture totale, on mesure encore des pics à près de 12 bar, nettement au-dessus de la pression hydrostatique de 2,5 bar ; ainsi que des dépressions aux alentours de -0,9 bar pendant plus de 15 sec.

Voici l’enveloppe des pressions mini/maxi enregistrées le long du profil dans les 5 minutes à compter du début de fermeture de la vanne :

Pour remédier à ces surpressions et dépressions transitoires, la première étape consiste à installer des ventouses pour permettre l’admission d’air et éliminer les pressions négatives .

La solution classique pour gérer la surpression est l’ajout d’une vanne de décharge, qui s’ouvrira lorsque la pression en pied dépasse par exemple la pression hydrostatique + 5 mCE et dissipera le surplus d’énergie cinétique et rejetant de l’eau dans le réservoir :

Cependant, pour éviter la mise en œuvre d’une dérivation, l’ajout d’une vanne supplémentaire et réduire encore les coups de bélier, Aquestia a développé un pilote spécifique, compatible avec toute vanne de contrôle existante, pour obtenir une fermeture variable et progressive de la vanne :

Ce pilote SP (pour Progressive Shutoff, fermeture progressive) interrompt la fermeture de la vanne dès que la pression en pied dépasse le seuil hydrostatique plus 5 mCE[i].

Voici les pressions et débits mesurés après installation du module SP (et des ventouses) :

[i] Cette valeur est indiquée par défaut car elle permet généralement de préserver efficacement le réseau ; comme sur tous nos pilotes, la consigne du module SP est bien sûr ajustable aisément sur site par l’opérateur.

On constate que dès que la pression atteint 30 mCE, le pilote SP suspend le remplissage de la chambre de contrôle et donc la fermeture de la vanne jusqu’à ce que la pression retombe au seuil hydrostatique.

La fermeture complète est atteinte en un peu plus de 3 minutes (contre 1 minute auparavant), de façon complètement autonome, sans besoin de pilotage électrique en continu ou de source d’énergie externe – et, encore une fois, avec un dispositif adaptable sur n’importe quelle vanne de contrôle de niveau existante.

La pression maximale enregistrée n’est plus que de 3,7 bar, réduisant d’autant la fatigue des composants du réseau.

Arrêt des pompes

Considérons maintenant un autre cas normal de fonctionnement avec un poste de relevage entre deux réservoirs distants de 5 km et 30 m d’élévation, et reliés par une conduite (correctement ventousée) en acier DN 600, alimenté par des pompes débitant à 2900 m3/h :

Lorsque les pompes s’arrêtent, voici les pressions enregistrées en aval des pompes et au point 1000 (point haut du parcours) :

Les coups de béliers y atteignent respectivement 11 et 13 bar environ – pour une pression hydrostatique de 3 bar – et l’onde de pression va mettre plusieurs minutes à se dissiper via les pertes de charge linéaires – l’eau continue à circuler en va-et-vient dans la conduite grâce à l’action des ventouses.

Le coup de bélier particulièrement important au point 1000 s’explique par l’action de la ventouse disposée à cet endroit, qui à chaque retour de l’onde se ferme après avoir expulsé l’air ce qui modifie la vélocité de la colonne d’eau et génère donc un second coup de bélier qui s’ajoute à l’effet de l’arrêt des pompes :

Aquestia a conçu un système de pilotage de pompe pour vanne hydraulique, appelé BC (Booster Control, contrôle de surpresseur) qui va commander directement le démarrage et l’arrêt de la pompe et remplir plusieurs fonctions aux différentes phases de fonctionnement :

Comparativement à un clapet anti-retour tel qu’habituellement installé derrière une pompe, la vanne BC, en dissociant début de fermeture et arrêt des pompes, réduit déjà considérablement le coup de bélier enregistré dans la conduite :

La vanne est ici réglée pour se fermer en 120 sec ; on peut constater que cette fermeture est encore trop rapide et que le coup de bélier, même s’il est maintenant de moins de 10 bar, reste susceptible de causer des dégâts.

Il est bien sûr possible d’ajouter sur le circuit de pilotage un module SP avec la pression hydrostatique pour consigne et de réduire ainsi encore les pics de pression :

En résumé, voici les enveloppes de pression avec installation standard d’un clapet, son remplacement par une vanne BC, puis une vanne BC+SP :

Dans un prochain article, nous étudierons comment anticiper et réduire les coups de béliers causés par des évènements impromptus comme une coupure de courant généralisée.