SANITAIRE
Install Magazine 963 – septembre 2019

Coups de bélier dangereux dans des installations d’eau potable

Éviter les dégâts et les nuisances sonores

Les installations d’eau potable des habitations et des collectivités sont équipées de nombreuses vannes de régulation et de vannes d’arrêt. Sans oublier les électrovannes, qui s’ouvrent et se ferment à l’aide d’un moteur électrique. On rencontre cet exemple dans des lessiveuses ou des lave-vaisselle, mais aussi dans des systèmes de rinçage hygiénique automatique. Lorsque toutes ces vannes se ferment rapidement, cela peut entraîner des pics de pression énormes dans certaines parties de l’installation. Ces coups de bélier ne font pas seulement du bruit, ils peuvent aussi occasionner des dégâts aux conduites, raccords et étanchéités.

Une étude analytique a permis de déterminer quels étaient les facteurs pouvant induire des coups de bélier, mais aussi l’importance de ceux-ci ainsi que le rôle majeur que pouvaient jouer les robinets à commande manuelle dans cette problématique. En tenant intelligemment compte de ces problèmes dès la conception de l’installation d’eau potable, on a pu limiter les coups de bélier, et même les empêcher.

Physique d’un coup de bélier

Les coups de bélier dans les conduites ont des causes multiples. Nous distinguerons avant tout le coup de bélier hydraulique et le coup de bélier thermique. Dans les deux cas, un bruit apparaît au fur et à mesure que l’onde de pression se propage dans l’installation. Outre la nuisance sonore, ces pics de pression peuvent également causer des dégâts aux conduites et aux robinetteries, dans la mesure où ce coup de bélier peut être beaucoup plus puissant que la pression de fonctionnement normale (PN). Un coup de bélier hydraulique peut par ex. se manifester lorsqu’un robinet se ferme rapidement. L’eau qui coule à travers les conduites, est soudainement à l’arrêt. En raison de l’inertie de l’eau, une force est toutefois exercée sur la vanne fermée. La figure 1 montre l’évolution d’un coup de bélier typique ; la formule 1 donne le calcul de la vitesse de propagation d’une onde de pression dans un tube. La vitesse dépend du matériau du tube, des dimensions du tube et des propriétés physiques du médium.

Avec cette valeur, on peut calculer le temps de réverbération acoustique (T_R). Il s’agit du temps dont l’onde de pression a besoin pour parcourir une fois complètement -et aller-retour- la longueur totale de la conduite (L).

Si le temps de fermeture (T_s) est inférieur au temps de réverbération (T_R) , on peut alors calculer l’importance du coup de bélier à l’aide de la formule 3, selon Joukowski (Δp _Jou). D’autres types de coups de bélier sont déterminés à l’aide des calculs d’Alliévi.

Cette formule concerne uniquement le délai durant lequel la vitesse du flux diminue du maximum V_max à l’arrêt complet V₀ of 0 m/s. Pour déterminer ce qui se passe ici après, en d’autres termes, la propagation ultérieure des ondes de pression à travers l’installation jusqu’à leur affaiblissement, on doit utiliser des mesures ou des simulations informatiques.

Si tous paramètres pertinents sont connus, on peut alors calculer le coup de bélier attendu à l’aide de la formule 4.

Paramètres importants et exemples pratiques

L’augmentation de la pression dans une conduite dépend de différents facteurs. Si certains d’entre eux ont une influence plutôt limitée, d’autres jouent par contre un rôle majeur. Le tableau 1 donne un aperçu des paramètres sur lesquels il faut surtout compter.

Dans des conditions normales, la densité de l’eau va très peu varier avec des températures usuelles (entre 10 et 60°C). Ce paramètre influence donc à peine la puissance du coup de bélier. Nous pouvons donc le considérer comme une constante.

Le matériau du tube a par contre une grande influence sur le coup de bélier. Le module d’élasticité du matériau est dès lors également pris en compte dans le calcul. Ce paramètre fournit le niveau de résistance d’un matériau à la déformation sous l’influence de forces externes. Plus le module E est élevé, plus le matériau est rigide. La vitesse de propagation d’une onde de pression dans un tube en matière synthétique DN15 peut ainsi s’élever à environ 300 m/s. Dans un tube en cuivre comparable, nous atteignons toutefois 1.300 m/s. Nous renvoyons à nouveau le lecteur à la figure 2. Cet aspect peut générer des différences dans les coups de bélier (voir formule 3), même lorsque toutes les autres conditions restent identiques.

Étant donné que la vitesse de propagation d’une onde varie peu en fonction du diamètre du tube, la dimension du tube a peu d’influence sur la puissance du coup de bélier, tant que la vitesse du flux ne change pas. Ceci est démontré dans la formule 3.

Si, par contre, en plus du diamètre du tube, nous modifions aussi le débit, cela aura une plus grande influence sur la force du coup de bélier qui naît lorsque qu’un robinet rapidement fermé interrompt le flux. La figure 2 montre les coups de béliers escomptés dans des conduites en cuivre de différents diamètres pour différents débits.

La vitesse de fermeture de la vanne est enfin d’une énorme importance pour la puissance du coup de bélier. Ce paramètre est toutefois difficilement décelable. La plupart du temps, cette valeur n’est pas reprise dans la documentation technique de la robinetterie. Le comportement de l’utilisateur a aussi une influence, par exemple lorsqu’il s’agit d’un mitigeur. Un tel robinet à commande manuelle peut être fermé en seulement 20 ms. La cartouche céramique est parfaitement capable d’atteindre cette vitesse.

Les électrovannes peuvent également interrompre le flux d’eau en quelques millisecondes. En fonction du diamètre et de l’exécution, le temps de fermeture varie de 50 à 500 ms. Le diagramme de la figure 3 montre comment la force du coup de bélier varie en fonction de la vitesse de fermeture ( voir aussi formule 4). Ce calcul vaut pour une conduite en cuivre de 40 m de long en DN12, avec une vitesse de l’eau de 2,5 m/s. Il en résulte des hausses de pression qui se manifestent dans l’intervalle de temps précédant l’arrêt complet. Une vanne qui se ferme en 0,2 s, entraîne dans ce cas un bref coup de bélier de 1 MPa (ou 10 bar). Un temps d’obturation de 0,5 s n’engendre par contre qu’un coup de bélier de 0,4 MPa (ou 4 bar).

Un autre paramètre qui influence la puissance du coup de bélier est la longueur de conduite entre la vanne et la première dérivation. Cela va des conduites d’alimentation distinctes pour points de puisage individuels jusqu’aux colonnes montantes pour consommateurs multiples, avec à chaque fois une courte conduite de raccordement. Dans la pratique, les systèmes de rinçage hygiénique automatiques sont souvent montés à l’extrémité d’une conduite d’alimentation commune. Les appareils sanitaires avec mitigeurs qui ont une conduite d’alimentation distincte, font également partie de cette catégorie. Plus la distance jusqu’à la première dérivation est grande, plus le coup de bélier sera important en cas de fermeture du robinet. Cela ressort également de la formule 4. Ce phénomène est une conséquence de l’inertie de l’eau en mouvement qui est soudainement stoppée. Plus la conduite d’alimentation vers le robinet contient d’eau, plus grand sera l’effet de l’inertie.

Dans les boucles, la distribution et la réverbération d’un coup de bélier sont plus complexes. Bien qu’une boucle contienne plus d’eau, la puissance du coup de bélier est en général plus faible. Cela est principalement dû au fait que l’onde de pression se répartit en deux directions, et est renvoyée partiellement. L’énergie est distribuée dans des proportions différentes à travers l’installation. La pose d’un clapet antiretour n’a en première instance pas d’influence sur le coup de bélier en lui-même. Si la direction du courant est inversée, ce clapet se ferme automatiquement, et assure ainsi le maintien de la pression qui s’est développée dans la colonne d’eau de la conduite d’alimentation. Cette pression peut certes causer des problèmes ou même des pannes dans le reste de l’installation.

Application pratique

Il est possible d’intervenir sur chacun de ces paramètres afin de limiter les coups de bélier. Le fait qu’il s’agisse d’une installation existante ou bien d’une nouvelle, fait bien entendu une différence. Dans les installations existantes, il n’est habituellement pratiquement pas possible de réaliser des modifications drastiques. On peut dans ce cas monter des amortisseurs de coups de bélier. Ces appareils contiennent un gaz, qui est comprimé par un piston. Ce système permet d’amortir efficacement le coup de bélier dans la conduite. Une autre possibilité consiste à ne placer que de la robinetterie à fermeture lente. Cela présuppose certes que les appareils qui sont montés au bout de la conduite, soient testés sur ce point. En cas d’absence d’alternative aux vannes à fermeture rapide, il faut trouver une autre solution.

Les nouvelles installations offrent par contre beaucoup plus de possibilités. Il est ainsi déjà possible d’éviter des problèmes dès la conception, en plaçant correctement les appareils sanitaires. On peut ainsi par exemple raccourcir la conduite d’alimentation vers le point de puisage et, au contraire, allonger la conduite d’évacuation. Pour des appareils comme des lessiveuses, lave-vaisselle ou systèmes de rinçage hygiénique automatiques, cela fonctionne la plupart du temps sans trop de problème.

On peut par ailleurs opter pour un matériau de tube qui limite la montée en pression. Des aspects hygiéniques et hydrauliques (comme la somme des pertes de charge à travers les conduites et accessoires) ne doivent par ailleurs pas non plus être perdus de vue. D’autres interventions visant à atténuer les coups de bélier, sont privilégiées pour un plus grand diamètre du tube ou encore pour limiter le contenu en eau de la conduite d’alimentation. Cela ne peut également pas entraîner de problèmes d’hygiène. On doit en outre s’assurer que les températures d’eau aux points de puisage se situent au sein des valeurs limites permettant de lutter contre la légionnelle.

En résumé, on peut éviter les coups de bélier en faisant attention aux points suivants :

Éviter des conduites d’alimentation trop longues
Tester le fonctionnement des électrovannes et envisager des alternatives
Évaluer le placement des clapets antiretour et prévoir, si nécessaire, des amortisseurs de coups de bélier
Prévenir les utilisateurs des effets des mitigeurs à fermeture rapide.

Résumé et conclusion

Les coups de bélier constituent un problème, parce qu’ils peuvent causer des dégâts aux conduites, aux raccords et à la robinetterie. Ils génèrent de plus du bruit qui peut être entendu à travers toute l’installation. Afin d’éviter de tels coups de bélier, on doit faire attention à un certain nombre de facteurs, dont le débit, le dimensionnement des conduites, la longueur des conduites d’alimentation, le matériau du tube et la vitesse de fermeture des vannes. Une bonne planification permet de réduire fortement le risque de coup de béliers dès la phase de conception. Il faut, pour ce faire, également respecter les autres prescriptions, notamment en matière d’hygiène. On doit avant tout prévoir des conduites d’alimentation aussi courtes que possible, et il faut aussi chercher des alternatives aux robinetteries à fermeture rapide.

Bibliographie

[1]: OLAER AG (2016): Allgemeiner Beschrieb Druckschlagdämpfer, Auswirkungen von Druckschlägen: http://olaer.ch

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[8]: Danfoss (2006): Produktkatalog Magnetventile

[9]: DIN EN 806 (2005): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 2: Planung

Par Christian Röser (Universitätsklinikum Münster)