Le coup de bélier est une onde de choc transmise par le fluide contenu dans un système de tuyauterie. Lexplication la plus élémentaire est que le coup de bélier se produit lorsquun fluide en mouvement est soudainement forcé de sarrêter de bouger. Lélan du fluide qui sarrête brusquement crée une onde de pression qui traverse le média dans le système de canalisations, soumettant tout ce qui se trouve dans ce système fermé à des forces importantes.
Normalement, londe de pression est atténuée ou dissipée en un temps très court durée, mais les pointes de pression peuvent causer dénormes dégâts pendant cette brève période.
Le coup de bélier est mis en évidence par un bruit sourd ou de claquement qui, dans des cas extrêmes, peut indiquer que des dommages importants et coûteux se produisent. des joints de dilatation, des capteurs de pression, des débitmètres et des parois de tuyaux.
Les coups de bélier peuvent également se produire dans un fluide multiphase, qui est un milieu liquide qui a également entraîné des solides. Un exemple serait la suspension de sable ou la pâte liquide (qui est essentiellement de leau transportant les fibres de pâte). Le facteur clé est que leau est le principal moyen de transport dans le système de tuyauterie et que leau peut transmettre des ondes de choc très efficacement.
CLIGNOTANT VS. MARTEAU À EAU
Le clignotement est un autre type dévénement de pointe de pression. Le clignotement se produit dans les systèmes à vapeur où le condensat de vapeur (eau liquide) sest accumulé dans le système de tuyauterie. Cette eau liquide peut soudainement passer dun liquide à une vapeur avec un facteur dexpansion volumétrique subséquent de 400 à 600 fois. Le clignotement doit être traité de manière totalement différente. Bien quil soit tout aussi important de contrôler, aux fins de cet article, nous limitons nos discussions aux milieux liquides et aux bruits de coups de bélier uniquement.
CAUSES DU MARTEAU DEAU
Les coups de bélier peuvent résulter dune mauvaise sélection de la vanne, emplacement incorrect de la vanne et parfois de mauvaises pratiques dentretien. Certaines vannes, telles que les clapets anti-retour à battant, les contrôles à disque basculant et les clapets anti-retour à double porte peuvent également contribuer aux problèmes de coups de bélier. Ces clapets anti-retour ont tendance à claquer car ils reposent sur linversion du débit et de la contre-pression pour repousser le disque sur le siège afin que la vanne se ferme. Si le flux inverse est puissant, comme dans le cas dune ligne verticale avec un flux normal vers le haut, le disque est susceptible de claquer avec beaucoup de force. Le choc qui en résulte peut endommager lalignement du disque de sorte quil nentre plus en contact complet à 360 degrés avec le siège. Cela conduit à des fuites qui, dans le meilleur des cas, nuisent à lefficacité du système. Dans le pire des cas, cela pourrait sérieusement endommager les autres composants du système de tuyauterie.
Les chutes de pression localisées et brusques sont au moins une gêne et tout au plus un problème sérieux. Certaines mesures peuvent prévenir ou atténuer les coups de bélier. La première consiste à étudier les causes, les conséquences et les solutions.
CHOC HYDRAULIQUE
La cause la plus fréquente de coup de bélier est soit une fermeture trop rapide dune vanne, soit une pompe qui sarrête brusquement. Le choc hydraulique est, en fait, laugmentation momentanée de la pression du fluide dans un système de tuyauterie lorsque le fluide est soudainement arrêté. Comme la observé Sir Isaac Newton, un objet en mouvement a tendance à rester en mouvement à moins dêtre agi par une autre force. Lélan du fluide se déplaçant dans sa direction vers lavant fonctionnera pour maintenir le fluide en mouvement dans cette direction. Lorsquune vanne se ferme soudainement ou quune pompe sarrête soudainement, le fluide dans le système de tuyauterie en aval de la vanne ou de la pompe sera étiré élastiquement jusquà ce que lélan du fluide soit arrêté.
Le fluide veut alors revenir à son état normal, sans contrainte, un peu comme un ressort étendu qui a été libéré. Cela provoque le retour du liquide à travers le tuyau. Le fluide à reflux rencontre alors la vanne fermée, potentiellement avec une force destructrice significative. Le reflet de cette onde de pression de fluide est la forte détonation (et il pourrait y avoir plus dune impulsion de pression) (Figure 1).
La fermeture soudaine de la vanne est le plus souvent associée à des types de vannes quart de tour et plus en particulier, les vannes quart de tour automatisées. Une solution simple consiste à fermer plus lentement ces vannes quart de tour automatisées. Cela fonctionne dans de nombreux cas, mais pas dans tous. Par exemple, les vannes darrêt durgence doivent se fermer rapidement, de sorte que dautres solutions peuvent être nécessaires pour ces types dapplications. Plus dinformations sur les calculs du temps de fermeture des vannes sont incluses plus loin dans cet article.
Lautre cause la plus courante de coup de bélier est larrêt soudain de la pompe. Plusieurs pompes alimentant un collecteur commun, comme dans les applications de tour de refroidissement ou dans la déshydratation des mines, doivent soit être arrêtées lentement, soit avoir des clapets anti-retour silencieux en ligne installés immédiatement après la pompe. Les clapets anti-retour silencieux peuvent être extrêmement efficaces pour réduire et parfois éliminer les coups de bélier.
PRÉVISION DES POINTS DE PRESSION DES MARTEAUX DEAU
Il est possible de calculer lampleur des pics de pression des coups de bélier sur la base dune connaissance détaillée du système de tuyauterie et du fluide transporté. La force réelle du coup de bélier dépend du débit du fluide lorsquil est arrêté et de la durée pendant laquelle ce flux est arrêté. Par exemple, considérez 100 gallons deau sécoulant dans un tuyau de 2 pouces à une vitesse de 10 pieds par seconde. Lorsque le débit est rapidement arrêté par une vanne à fermeture rapide, leffet est équivalent à celui dun marteau de 835 livres qui claque dans une barrière. Si le débit est arrêté en moins dune demi-seconde (ce qui peut être la vitesse de fermeture de la vanne), alors un pic de pression de plus de 100 psi supérieur à la pression de fonctionnement du système peut être généré.
Léquation pour le calcul de la magnitude potentielle du pic est le suivant:
∆H = a / g * ∆V
∆H est le changement de pression de tête
∆ V est le changement de vitesse découlement du fluide
a = vitesse acoustique dans le milieu
g = constante gravitationnelle
Un exemple est:
a = 4864 pieds par seconde
g = 32,2 pieds par seconde2
∆V = 5 pieds par seconde
∆H serait de 756 pieds (328 psi )
Cette valeur suppose que la fermeture instantanée de la vanne existe.
CALCUL DU TEMPS DE FERMETURE DE LA VALVE
Les coups de bélier sont évidemment un problème sérieux dans les milieux industriels, comme dans un station dépuration ou réseau daqueduc municipal. Contrairement à lexemple ci-dessus, le robinet de salle de bain moyen est généralement basé sur une taille de ligne nominale dun demi-pouce et a une pression deau comprise entre 60 et 80 psi et délivre environ 8 à 10 gallons par minute. Une ligne de 6 pouces dans une usine de traitement de leau fournirait 900 gallons par minute avec une vitesse de 10 pieds par seconde. Une conduite deau de 24 pouces pourrait fournir plus de 12000 gallons deau par minute, suffisamment pour remplir la piscine moyenne de la cour en moins de deux minutes.
La formule de base pour le temps de fermeture de la vanne est: T = 2L / a
T = temps minimum en secondes
L = longueur du tuyau droit entre la vanne de fermeture et le coude, té ou autre changement suivant
Pour leau à 21 ° C (70 ° F) où vous avez 100 pieds de tuyau droit:
T = temps de fermeture minimum de 41 millisecondes
CONSÉQUENCES DU MARTEAU À EAU
Les conséquences des coups de bélier peuvent aller de légères à graves. Un signe courant est un fort bruit de claquement ou de martèlement émanant des tuyaux, en particulier après la coupure rapide dune source de pression deau. Il sagit du son de londe de choc de pression frappant une valve fermée, un joint ou un autre blocage à force élevée. Ce bruit parfois assourdissant peut être une source de grande détresse et d’inquiétude, surtout si les gens travaillent à proximité.
Les occurrences répétées de coups de bélier ne sont cependant pas seulement un désagrément. Les coups de bélier endommagent également gravement les canalisations, les joints de tuyaux, les joints et tous les autres composants du système (débitmètres, manomètres, etc.). Les pointes de pression peuvent facilement dépasser 5 à 10 fois la pression de service du système lors dun impact, ce qui exerce une forte pression sur le système. Les coups de bélier provoquent des fuites au niveau des joints du système. Cela provoque également des fissures dans la paroi des tuyaux et la déformation des systèmes de support de tuyauterie. La réparation ou le remplacement de composants et déquipements de pipeline endommagés peut entraîner des coûts élevés. Si le déversement entraîne un problème environnemental, les coûts peuvent être énormes.
Dans la plupart des situations, les coups de bélier sont considérés comme un danger pour la sécurité. La pression extrême des coups de bélier peut faire sauter les joints et provoquer la rupture soudaine des tuyaux. Les personnes à proximité dun tel événement peuvent être gravement blessées.
SOLUTIONS POUR LE MARTEAU DEAU
Il existe de nombreuses façons datténuer les effets du coup de bélier, selon sa cause. Lune des méthodes les plus simples pour minimiser les coups de bélier causés par les chocs hydrauliques consiste à former et éduquer les opérateurs. Les opérateurs qui apprennent limportance douvrir et de fermer correctement les vannes manuelles ou actionnées peuvent prendre des précautions pour minimiser les effets. Ceci est particulièrement vrai pour les vannes quart de tour telles que les vannes à bille, les vannes papillon et les vannes à boisseau.
CONSIDÉRATIONS RELATIVES À LA CONCEPTION DES TUYAUX
Les amortisseurs de coups de bélier fournissent un point de décharge pour les pointes de pression causées par coup de bélier. Ces composants du système de tuyauterie réduisent le bruit caractéristique et la contrainte résultante sur le système de canalisation en agissant comme un amortisseur. Lorsquils sont dimensionnés et installés correctement, les amortisseurs de coups de bélier peuvent être une solution efficace.
Dun autre côté, les pompes qui sortent dans un long tuyau vertical doivent être évitées. La jambe verticale doit être soit minimisée, soit des clapets anti-retour silencieux installés aussi près que possible de la pompe doivent être utilisés.
Un autre domaine à examiner pour minimiser les coups de bélier est linstallation de clapets anti-retour dans les conduites verticales. Les contrôles doscillation, les disques basculants et les vannes à double porte peuvent être conçus pour fonctionner en ligne verticale. Cependant, ils nempêcheront pas linversion du flux dans cette orientation.Seul un clapet anti-retour silencieux peut fonctionner dans cette orientation.
Les chocs hydrauliques résultant de la fermeture soudaine des clapets anti-retour doscillation, du disque basculant et des clapets anti-retour à double porte peuvent être corrigés en remplaçant ces vannes par des clapets silencieux ou non clapets anti-retour. Les clapets anti-retour silencieux se ferment lors de la diminution de la pression différentielle à travers lélément de fermeture de la vanne, plutôt que de se fermer à partir du flux inverse. Ainsi, ils sont beaucoup moins susceptibles de claquer, ce qui induit un coup de bélier. Lorsque la pression différentielle à travers le disque sapproche de la pression de fissuration de la soupape, la soupape est complètement fermée. Cela permet au flux de fluide de ralentir, ce qui permet à lélan du fluide de diminuer avant que la vanne ne soit complètement fermée tout en garantissant que le flux de fluide ne change pas de direction.
Les concepteurs de systèmes doivent être familiarisés avec les meilleurs pratiques et normes de lindustrie pour minimiser les coups de bélier, comme utiliser des vannes à fermeture lente le cas échéant, connaître les emplacements optimaux des vannes dans un système de tuyauterie et donner des considérations spéciales de conception de tuyauterie pour les systèmes à haute pression de fonctionnement.
sont correctement conçus, la probabilité de coup de bélier est considérablement réduite, voire éliminée. Dans les systèmes qui sont déjà en place, les effets néfastes des coups de bélier peuvent être limités de plusieurs façons importantes, telles que linstallation danti-béliers, le déplacement des clapets anti-retour hors des conduites verticales, linstallation de clapets anti-retour silencieux comme principale ligne de défense et sassurer que les procédures de fonctionnement des vannes quart de tour ont un taux de fermeture lent. Notez que le temps de fermeture dans les systèmes automatisés doit être à lest de 10 fois ce qui est calculé dans la formule T = 2L / a.
CONCLUSION
Le coup de bélier est étudié depuis de nombreuses années. Certaines des recherches fondatrices remontent à la fin du 19e siècle. La recherche se poursuit aujourdhui. De nombreuses grandes universités aux États-Unis, au Royaume-Uni et aux Pays-Bas ainsi que des sociétés de vannes réputées ont rédigé des articles sur la comparaison de différents styles de clapets anti-retour et de leurs caractéristiques dynamiques installées.
Cet article ne fait queffleurer le surface du sujet des transitoires fluides en explorant certaines des causes et solutions de ce que nous appelons communément les coups de bélier. Les solutions pour faire face aux problèmes de coups de bélier peuvent être assez coûteuses et, comme toujours, une once de prévention vaut une livre de remède. Les pompes alimentant des lignes verticales ou des collecteurs communs et des fermetures rapides de vannes peuvent toutes être conçues à partir dun processus au début. Une fois la tuyauterie en place et les processus de lusine en cours, le défi est de trouver des solutions compte tenu des contraintes spécifiques.
La plupart des fabricants de clapets anti-retour silencieux en ligne comprennent très bien les coups de bélier et ont des ingénieurs dans leur personnel cela peut aider. Ils peuvent être la meilleure source de connaissances pour trouver la bonne solution.
ARIE BREGMAN est vice-présidente et directrice générale de DFT Valves. Contactez-le à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.