Les coups de bélier peuvent également se produire dans les fluides multiphasiques, qui sont des milieux liquides qui entraînent également des solides. Les exemples incluent le mortier ou la pâte liquide (essentiellement des fibres de pâte transportant l'eau). Le facteur clé est que l’eau est le principal moyen de transport dans les canalisations et qu’elle peut transporter les ondes de choc de manière très efficace.

Solins et coups de bélier

L’évaporation flash est un autre type d’événement de pic de pression. L'évaporation instantanée se produit lorsque le condensat de vapeur (eau liquide) provenant d'un système à vapeur s'accumule dans le système de tuyauterie. Cette eau liquide peut soudainement se transformer de liquide en vapeur avec un facteur d'expansion de volume ultérieur de 400 à 600 fois. La vapeur flash doit être gérée d’une manière complètement différente. Bien que le contrôle soit tout aussi important, pour les besoins de cet article, nous limiterons notre discussion aux milieux liquides et au bruit des coups de bélier.

Causes du coup de bélier

Les coups de bélier peuvent être causés par une mauvaise sélection des vannes, un mauvais emplacement des vannes et parfois un mauvais entretien. Certains clapets, tels que les clapets anti-retour à battant, les clapets anti-retour à clapet basculant et les clapets anti-retour à double porte, peuvent également provoquer des problèmes de coups de bélier. Ces clapets anti-retour sont susceptibles de cogner car ils dépendent du flux inverse et de la contre-pression pour repousser le clapet du clapet dans le siège, ce qui ferme le clapet. Si le flux inverse est fort, par exemple lorsqu'une ligne verticale s'écoule normalement vers le haut, le clapet de la vanne est susceptible d'être soumis à une force d'impact élevée. Le choc qui en résulte endommagera l’alignement du clapet de soupape, de sorte qu’il ne sera plus en contact complet à 360 degrés avec le siège. Cela peut entraîner des fuites et, dans le meilleur des cas, détruire l’efficacité du système. Dans le pire des cas, cela peut provoquer de graves dommages aux autres composants de la tuyauterie.

Une chute de pression localisée et soudaine est pour le moins une nuisance et peut causer de graves problèmes. Certaines étapes peuvent prévenir ou atténuer les coups de bélier. La première priorité est d’examiner les causes, les conséquences et les solutions.

Choc hydraulique
La cause la plus courante des coups de bélier est la fermeture trop rapide des vannes ou l'arrêt soudain des pompes. En fait, un choc hydraulique est une augmentation transitoire de la pression du fluide dans un système de tuyauterie lorsque le fluide s'arrête brusquement. Comme l'a observé Sir Isaac Newton, les objets en mouvement ont tendance à rester en mouvement à moins d'être sollicités par une autre force. L’élan du fluide qui avance le maintiendra dans cette direction. Lorsqu'une vanne est soudainement fermée ou qu'une pompe est soudainement arrêtée, le fluide dans la tuyauterie en aval de la vanne ou de la pompe sera étiré élastiquement jusqu'à ce que l'élan du fluide soit arrêté.

La fermeture brutale d'une vanne est généralement associée aux vannes de type quart de tour, plus précisément aux vannes automatiques quart de tour. Une solution simple consiste à fermer plus lentement ces vannes automatiques quart de tour. Cela fonctionne dans de nombreuses situations, mais pas dans toutes. Par exemple, les vannes d'arrêt d'urgence doivent se fermer rapidement, d'autres solutions peuvent donc être nécessaires pour ce type d'applications. Plus d’informations sur les calculs du temps de fermeture des vannes seront abordées plus loin dans cet article.

Une autre cause la plus courante de coup de bélier est l’arrêt soudain de la pompe. Dans les applications de tour de refroidissement ou d'assèchement de mines, où plusieurs pompes alimentent un collecteur commun, soit un arrêt lent est nécessaire, soit un clapet anti-retour silencieux en ligne doit être installé immédiatement après la pompe. Les clapets anti-retour silencieux peuvent être très efficaces pour réduire, voire éliminer les coups de bélier.

Prédire les pics de pression des coups de bélier
L'ampleur du pic de pression du coup de bélier peut être calculée sur la base d'une connaissance détaillée de la tuyauterie et du fluide transporté. La pression réelle du coup de bélier dépend du débit du fluide lorsqu'il s'arrête et du temps qu'il faut pour arrêter de s'écouler. Par exemple, supposons que 100 gallons d'eau s'écoulent 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, l'effet est équivalent à celui d'un marteau de 835 livres heurtant un obstacle. Si le débit est arrêté dans la demi-seconde (qui peut être la vitesse de fermeture de la vanne), un pic de pression supérieur à 100 psi de la pression de fonctionnement du système est généré.

L'équation permettant de calculer l'amplitude du potentiel de pointe est la suivante :

∆H=a/g*∆V

∆H est le changement de pression de tête

∆V est le changement de débit de fluide

a = vitesse du son dans le milieu

g = gravité constante

Exemple :

a = 4 864 pieds par seconde

g = 32,2 pieds par seconde2

∆V = 5 pieds par seconde

∆H est 756 pieds (328 psi)

Cette valeur suppose la présence d'une fermeture instantanée de la vanne.

Calculs du temps de fermeture des vannes
Les coups de bélier constituent évidemment un problème sérieux dans les environnements industriels, tels que les usines de traitement des eaux usées ou les systèmes d'eau municipaux. Contrairement à l'exemple ci-dessus, le diamètre nominal moyen du tuyau d'un robinet de salle de bain est généralement de ½ pouce, avec des pressions d'eau allant de 60 à 80 psi, délivrant environ 8 à 10 gallons par minute. Une conduite de 6 pouces provenant d'une usine de traitement d'eau peut fournir 900 gallons d'eau par minute à un débit de 10 pieds par seconde. Une conduite principale de 24 pouces peut fournir plus de 12 000 gallons d'eau par minute, soit suffisamment pour remplir une piscine de jardin en moins de deux minutes.

La formule de base pour le temps de fermeture de la vanne est : T = 2 L/a

T = temps minimum en secondes

L = longueur de tuyau droit entre la vanne de fermeture et le prochain coude, té ou autre pièce de changement

Pour 70 °F (21 °C) eau avec 100 pieds de tuyau droit :

T = temps d'arrêt minimum de 41 millisecondes.

Conséquences des coups de bélier
Les conséquences des coups de bélier peuvent varier de légères à graves. Un signe courant est un bruit sourd ou de martèlement provenant du tuyau, en particulier après un arrêt rapide de la source de pression de l'eau. Il s'agit du son émis lorsqu'une onde de choc de pression frappe avec une grande force une vanne fermée, un raccord ou tout autre blocage. Ce bruit parfois fort peut provoquer une grande détresse et une grande inquiétude, surtout si des personnes travaillent à proximité.

Cependant, l’apparition récurrente de coups de bélier n’est pas seulement une nuisance. Les coups de bélier peuvent également endommager gravement les canalisations, les joints de canalisations, les joints et tous les autres composants du système (débitmètres, manomètres, etc.). Lors d'un choc, les pics de pression peuvent facilement dépasser 5 à 10 fois la pression de service du système, mettant ainsi beaucoup de pression sur le système. Les coups de bélier provoquent des fuites dans les joints du système. Cela provoque également des fissures dans les parois des canalisations et une déformation des systèmes de support des canalisations. La réparation ou le remplacement des composants et équipements de canalisations endommagés peuvent être coûteux. Si la fuite entraîne des problèmes environnementaux, les coûts peuvent être faramineux.

Dans la plupart des cas, les coups de bélier sont considérés comme un risque pour la sécurité. La pression extrême des coups de bélier peut provoquer l’éclatement des joints, entraînant la rupture soudaine d’un tuyau. Les personnes se trouvant à proximité d'un tel événement peuvent être gravement blessées.

Solutions contre les coups de bélier
Selon la cause du coup de bélier, il existe plusieurs façons d'atténuer les effets des coups de bélier. L’un des moyens les plus simples de réduire les coups de bélier causés par les chocs hydrauliques consiste à former et à éduquer les opérateurs. Les opérateurs qui comprennent l’importance d’ouvrir et de fermer correctement les vannes manuelles ou actionnées peuvent prendre des précautions pour minimiser les effets. Cela est particulièrement vrai pour les vannes quart de tour telles que les vannes à bille, à papillon et à boisseau.

Considérations relatives à la conception de la tuyauterie
Les éliminateurs de coups de bélier fournissent un point de soulagement pour les pics de pression provoqués par les coups de bélier. Ces composants du système de tuyauterie réduisent le bruit caractéristique et les contraintes synthétiques des systèmes de tuyauterie en agissant comme des amortisseurs. Lorsqu’ils sont correctement dimensionnés et installés, les éliminateurs de coups de bélier peuvent constituer une solution efficace.

D’un autre côté, il convient d’éviter de pomper le fluide de sortie vers de grandes longueurs de tuyauterie verticale. Les sections de tuyaux verticales doivent être minimisées ou des clapets anti-retour silencieux installés aussi près que possible de la pompe doivent être utilisés.

Un autre aspect de la réduction des coups de bélier consiste à installer des clapets anti-retour dans les canalisations verticales. Les clapets anti-retour à battant, les clapets basculants et les robinets à double vanne peuvent fonctionner verticalement. Cependant, ils n’arrêteront pas le flux inverse dans le sens vertical. Seuls les clapets anti-retour silencieux fonctionneront dans ce sens.

Les chocs hydrauliques provoqués par la fermeture soudaine des clapets anti-retour à battant, à clapet basculant et à double vanne peuvent être résolus en remplaçant les clapets anti-retour à battant, à clapet basculant et à double vanne par des clapets anti-retour silencieux ou non silencieux. Les clapets anti-retour silencieux se ferment lorsque la pression différentielle à travers la fermeture du clapet diminue, plutôt qu'à contre-courant. De ce fait, ils sont moins susceptibles de se fermer brusquement et ainsi de déclencher des coups de bélier. La vanne est complètement fermée lorsque la pression différentielle à travers le clapet s'approche de la pression de rupture de la vanne. Cela ralentit le débit de fluide de sorte que la quantité de mouvement du fluide soit réduite avant que la vanne ne se ferme complètement, tout en garantissant que le débit de fluide ne soit pas inversé.

Les concepteurs de systèmes doivent être familiers avec les meilleures pratiques et les normes de l'industrie pour minimiser les coups de bélier, telles que l'utilisation de vannes à fermeture lente le cas échéant, une compréhension des emplacements optimaux des vannes dans les systèmes de tuyauterie et des considérations particulières de conception de tuyauterie pour les systèmes à haute pression de fonctionnement.

Si le système de tuyauterie est correctement conçu, la probabilité de coups de bélier sera considérablement réduite, voire éliminée. Dans les systèmes déjà en place, les effets dommageables des coups de bélier peuvent être limités de plusieurs manières importantes, notamment en installant des éliminateurs de coups de bélier, en déplaçant les clapets anti-retour hors de la tuyauterie verticale, en installant des clapets anti-retour silencieux comme première ligne de défense et en garantissant que les vannes quart de tour fonctionnent selon une procédure à vitesse de fermeture lente. Notez que le temps de fermeture dans un système automatisé doit être au moins 10 fois la valeur calculée dans la formule T=2L/a.

Conclusion
Les coups de bélier sont étudiés depuis de nombreuses années. Certaines des recherches fondatrices remontent à la fin des années 1800. Les recherches se poursuivent. De nombreuses grandes universités aux États-Unis, au Royaume-Uni et aux Pays-Bas, ainsi que des fabricants de vannes très respectés, ont rédigé des articles comparant les caractéristiques dynamiques de différents types de clapets anti-retour et de leurs installations.

Cet article ne fait qu'effleurer la surface du sujet des transitoires fluides en explorant certaines des causes et des solutions à ce que nous appelons communément les coups de bélier. Les solutions pour lutter contre les coups de bélier peuvent être assez coûteuses et, comme toujours, mieux vaut prévenir que guérir. Les pompes et les fermetures rapides de vannes pour le refoulement vers des conduites verticales ou des collecteurs communs peuvent toutes être conçues dès le départ. Une fois la tuyauterie en place et le processus de l'usine en cours, le défi consiste à trouver une solution respectant les contraintes spécifiques.

La plupart des fabricants de clapets anti-retour silencieux pour pipelines sont bien conscients du phénomène des coups de bélier et comptent parmi leur personnel des ingénieurs qui peuvent les aider. Ils peuvent constituer la meilleure source de connaissances lorsqu’il s’agit de trouver la bonne solution.