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Coup de bélier dans les systèmes de canalisations fermés : causes, effets et solutions

Le coup de bélier, également appelé martèlement ou choc hydraulique, est un problème sérieux dans les systèmes de tuyauterie industrielle. Ce phénomène se produit lorsque des pics de pression apparaissent à la suite de l’arrêt brutal d’un liquide dans les canalisations. De graves dommages aux vannes, tuyauteries et autres composants en sont souvent la conséquence. Ces dommages entraînent non seulement des réparations coûteuses, mais aussi des temps d’arrêt et des pertes de production. Découvrez comment éviter les coups de bélier en choisissant correctement les vannes et en adaptant le système.

Les coups de bélier peuvent se produire dans des systèmes de canalisations fermés et concernent différentes applications. De l’installation d’eau domestique aux grandes installations de production.

Qu’est-ce qu’un coup de bélier ?

Le coup de bélier est une augmentation soudaine de la pression dans une tuyauterie, provoquée par des changements rapides de la vitesse d’écoulement. Ce phénomène se produit lorsqu’un fluide en mouvement dans un système fermé est contraint de s’arrêter brusquement ou de changer de direction. Ce coup de bélier s’étend à l’ensemble du système et est d’abord multiplié, ce qui entraîne une augmentation de la pression dans une zone limite qui n’est plus admissible pour les composants. En outre, la vitesse d’écoulement est multipliée et peut atteindre 1 200 m/s dans des conditions défavorables. 

Les coups de bélier ne se produisent pas seulement avec l’eau, mais aussi avec d’autres liquides incompressibles (dont la masse volumique ne change pas de manière significative, même sous pression) ou avec des gaz. Le coup de bélier s’accompagne souvent de vibrations ou d’un bruit de cognement qui se répète avant que la pression ne retombe. C’est pourquoi on parle parfois de martèlement.

Bien que l’on entende clairement les coups de bélier, ils sont difficiles à mesurer, car le coup de bélier s’accumule et se dissipe en une durée extrêmement courte de l’ordre de la milliseconde. Les appareils de mesure électroniques ne sont souvent pas adaptés à ce type de mesure ou le coup de bélier dépasse la valeur finale de la plage de mesure.

Causes des coups de bélier

Il existe plusieurs causes de coups de bélier, comme l’ouverture et la fermeture rapides de vannes, le démarrage ou l’arrêt rapide de pompes, la fermeture trop rapide de clapets anti-retour et les interruptions soudaines de l’alimentation électrique. Une séparation de la colonne d’eau ou des tampons de pression favorisent également leur apparition.

Mais le mode de construction a également une influence sur l’apparition de coups de bélier. Dans les systèmes présentant de grandes différences de hauteur, le risque est particulièrement élevé, car des pressions plus élevées sont nécessaires pour surmonter les différences de hauteur.

Les constructions de systèmes qui interrompent un écoulement régulier présentent également un risque accru. Il convient donc d’éviter autant que possible les courbures et les fortes variations de pression.

Effets directs des coups de bélier

Les coups de bélier peuvent causer de graves dommages :

  • Fuites au niveau des composants.
  • Déformation ou destruction du siège de soupape.
  • Déformation des disques des clapets anti-retour.
  • Tiges de pompe cassées ou déformées.
  • Aplatissement prématuré des joints d’étanchéité et des joints toriques.
  • Roue à aubes brisée.
  • Fuite ou rupture de la tuyauterie.

Conséquences possibles à long terme pour les systèmes de canalisations

Outre les dommages causés aux différents instruments et composants, les coups de bélier ont souvent un impact négatif sur la durée de vie de l’ensemble du système. Le danger augmente avec l’intensité des coups de bélier. Il arrive aussi fréquemment que les conduites brutes fuient, ce qui empêche le système de fonctionner efficacement pendant une longue période et entraîne une perte de fluide ou de produit.

Éviter les coups de bélier

Sélection correcte des vannes lors de la phase de planification

L’idéal est de concevoir le système de manière à minimiser les risques de coups de bélier dès le départ. Le choix de vannes appropriées joue un rôle décisif. Lors de la phase de planification, les utilisateurs doivent veiller à choisir des vannes de haute qualité, dotées des fonctionnalités correspondantes, afin d’éviter dès le départ l’apparition de coups de bélier. Les vannes à commande pneumatique ou électrique sont disponibles dans des variantes appropriées. Il est également possible d’utiliser des vannes à commande manuelle. Voici un bref aperçu des exigences auxquelles les vannes doivent répondre.

Vannes de process à commande pneumatique avec temps d’ouverture ou de fermeture réglable

Pour les vannes de processus à commande pneumatique, les vannes à siège incliné (également connues sous le nom de vannes en Y) ou les vannes à passage direct (également connues sous le nom de vannes droites) s’imposent. Il est important de configurer les vannes de manière à ce qu’elles se ferment dans le sens inverse de l’écoulement du liquide. Cela permet d’équilibrer la fonction de fermeture avec l’inertie du milieu et d’éviter naturellement les coups de bélier. Les vannes à ressort de rappel et les vannes à double effet peuvent être configurées de cette manière.

Cut-away view of the Type 2000 angle seat valve

Pour éviter les coups de bélier, les vannes de process à commande pneumatique (ici le type 2000) doivent se fermer contre la vitesse d’écoulement du liquide.

Vannes à moteur électrique

Les vannes à moteur électrique sont également proposées, tout comme les vannes de processus à commande pneumatique, avec des variantes de corps adaptées, sous forme de vanne à siège incliné ou droit. Les vannes motorisées Bürkert se distinguent par les caractéristiques suivantes, qui ont un effet positif dans le contexte des coups de bélier :

  • chaîne cinématique rigide, non réactive et indépendante de la pression du fluide. Les variations de pression ou les coups de bélier dans le fluide ne se répercutent donc pas sur la position de vanne. Les vannes compactes (types 3280/3281/3285) sont par exemple recommandées. 
  • Comparée aux vannes de process à commande pneumatique, la structure mécanique spécifique de la vanne ne nécessite pas de palier à ressort et offre une grande résistance aux chocs et aux vibrations.
  • La vitesse de réglage des vannes motorisées Bürkert peut être réglée avec précision grâce à une fonction logicielle. Ainsi, les vannes peuvent être volontairement ouvertes ou fermées lentement afin de ne pas augmenter inutilement la pression dans le système et de minimiser les effets qui en découlent.
Type 3323

Vanne à membrane électro-motorisée à 2/2 voies (ouvert / fermé)

Type 3323
  • Position de sécurité par accumulateur d’énergie
  • Force d'entraînement réglable
  • Fonctions de diagnostic et liaison bus de terrain
  • Surfaces en contact avec le fluide avec Ra ≤ 0,38 µm...1,6 µm (en option avec polissage électrolytique)
  • Disponible en diamètres nominaux de raccordement DN 06...DN 100

 

Vannes à membrane

En outre, des vannes à membrane à commande pneumatique ou électromotrice peuvent être utilisées spécialement dans le domaine de la production pharmaceutique et biotechnologique. Contrairement aux vannes à siège, ce type de vanne peut être utilisé indépendamment du sens d’écoulement, mais est soumis aux mêmes critères de conception (valeur kV, pression maximale...) que les vannes à siège. Pour les vannes à membrane, il faut savoir qu’en cas de coup de bélier, il peut y avoir une fuite momentanée vers l’extérieur (pas seulement par l’intermédiaire de l’entretoise) qui ne se manifeste tout d’abord que pendant le bref moment du coup de bélier. Si la membrane n’est pas endommagée, la vanne peut continuer à fonctionner normalement dans le meilleur des cas. 

Type 2103

Vanne à membrane 2/2 voies avec actionneur pneumatique en acier inoxydable (type ELEMENT) pour l’automatisation décentralisée

Type 2103
  • Corps de vanne et membrane disponibles en plusieurs matériaux et variantes
  • Surfaces en contact avec le fluide avec Ra ≤ 0,38 µm - 1,6 µm (en option avec polissage électrolytique)
  • Disponibles dans les tailles et variantes de raccordement les plus courantes

Possibilités d’optimisation des systèmes existants

Dans le cas de systèmes existants, il existe différents points de départ pour réduire ultérieurement le risque de coup de bélier. Ce type d’adaptation à l’échelle du système ne devrait être envisagé que par un ingénieur des procédés qui a une compréhension approfondie de l’ensemble du processus.

Les mesures possibles sont :

  • Remplacement de vannes individuelles par des vannes à temps d’ouverture et de fermeture réglables.
  • Installation d’étranglements et d’étages de tuyaux pour réduire le débit du liquide à travers la vanne afin que les vannes se ferment plus lentement. 
  • Ralentissement de la vitesse de fermeture des vannes de process pneumatiques par étranglement de l’alimentation ou de la purge pneumatique de l’actionneur pneumatique. 
  • Utilisation d’entraînements à moteur électrique avec temps d’ouverture et de fermeture Set-Up.
  • Limitation des changements de vitesse dans le système.
  • Utilisation d’entraînements à double effet avec commande correspondante.

Conclusion

Les coups de bélier sont un problème sérieux dans les systèmes de canalisations. Il peut endommager les instruments du système et la tuyauterie. Le bon choix de vannes, l’adaptation de la vitesse de fermeture, l’installation de limiteurs de débit ou de clapets anti-retour ainsi que d’autres adaptations du système par des professionnels expérimentés permettent d’éviter les coups de bélier dans la plupart des cas.

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Vous avez des problèmes de coups de bélier ou vous souhaitez les éviter ?

Les experts en fluidique de Bürkert vous conseillent dans la phase de planification et vous assistent également dans le choix des composants appropriés.

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