Dans la première partie de cette chronique en deux parties, nous allons définir les coups de bélier et explorer les événements qui les provoquent. Nous tenterons également de prendre du recul sur la pression supplémentaire qu’il génère. Pour lire la deuxième partie, cliquez ici.
Qu’est-ce qu’un coup de bélier ?
Le coup de bélier (également waterhammer) est une surpression qui peut survenir dans tout système de pompage qui subit un changement abrupt de son débit et qui résulte généralement de démarrages et d’arrêts de pompes, de l’ouverture et de la fermeture de vannes, ou de la séparation et de la fermeture de colonnes d’eau. Ces changements abrupts peuvent provoquer un changement de vitesse de tout ou partie de la colonne d’eau qui s’écoule. Ce changement peut produire une onde de choc qui va et vient entre la barrière qui l’a créée et une barrière secondaire. Si l’intensité de l’onde de choc est élevée, le système peut subir des dommages physiques. Curieusement, le coup de bélier peut être plus préoccupant dans les applications à basse pression.
Le coup de bélier est encore un autre exemple de conservation de l’énergie et résulte de la conversion de l’énergie de vitesse en énergie de pression.
Puisque les liquides ont une faible compressibilité, l’énergie de pression résultante a tendance à être élevée.
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Peut-être que la meilleure façon de visualiser les coups de bélier est de commencer par un exemple hypothétique. La figure 1 ci-dessous montre une pompe pompant de l’eau dans un tuyau qui était vide lorsque la pompe a démarré. Les deux vannes, situées au refoulement de la pompe et à l’extrémité de la conduite, sont complètement ouvertes et peuvent se fermer instantanément. Le tuyau, les vannes et les autres raccords sont entièrement inélastiques et aucun changement de volume ne peut se produire, quelle que soit la pression. La colonne d’eau qui s’écoule dans le tuyau a également un bord d’attaque parfaitement plat qui correspond à la section transversale du tuyau. Lorsque le bord d’attaque de la colonne d’eau atteint la vanne en aval, celle-ci se ferme presque à la vitesse de la lumière et n’emprisonne aucun air en amont de la colonne d’eau.
Figure 1Même si le bord d’attaque a heurté la vanne fermée, l’écoulement dans la conduite se poursuit pendant les quelques millisecondes suivantes. Juste au moment où l’écoulement cesse, la vanne amont se ferme (cette fois à la véritable vitesse de la lumière), et la colonne d’eau est complètement isolée entre les deux vannes. Quels sont les événements qui se produisent lorsque la colonne heurte la vanne fermée, en aval, et pourquoi l’eau continue-t-elle à entrer dans le tuyau bien que la vanne soit fermée ?
Si cette colonne en mouvement était une colonne de métal au lieu d’eau (hypothétiquement, bien sûr), plusieurs choses pourraient se produire. En fonction de son coefficient de restitution (sa capacité à éviter les dommages permanents), l’énergie cinétique due à l’écoulement (mouvement) pourrait être transformée en énergie mécanique lorsque le bord d’attaque de la colonne métallique est écrasé contre la vanne fermée. Dans ce cas, la colonne s’arrêterait et resterait immobile au niveau de la valve. Si sa restitution est suffisamment élevée pour empêcher l’écrasement, cette même énergie cinétique pourrait être utilisée pour inverser sa direction sous la forme d’un rebond. Quel que soit le résultat, la colonne métallique « entière » s’immobilise ou rebondit dans la direction opposée. Aucun de ces événements ne se produit lorsque l’eau est impliquée.
L’eau est un liquide presque incompressible, ce qui semble suggérer qu’elle est légèrement compressible. À température ambiante, 1 psi diminuera son volume d’environ 0,0000034 pour cent. Cela semble assez faible, mais plus le volume est grand, plus il est facile de voir l’effet. Par exemple, si l’eau ne se comprimait pas, le niveau de la mer serait environ 30 mètres plus haut que son niveau actuel ! À de très hautes pressions, par exemple 40 000 psi, sa compressibilité est portée à environ 10 %. Mais la plupart des eaux ne sont pas que de l’eau – elles contiennent aussi de l’air, qui est principalement composé d’azote (78 %) et d’oxygène (21 %). Sinon, les poissons ne pourraient pas survivre ! L’air dissous compose environ 2 pour cent d’un volume donné d’eau non traitée, et ajoute considérablement à sa compressibilité.
Pourquoi
C’est la compressibilité de l’eau (et de l’air dissous) qui fait que l’eau agit différemment de la colonne métallique. Si elle n’était pas compressible, son bord d’attaque serait définitivement écrasé ou la colonne entière rebondirait en arrière. Lorsque le bord d’attaque d’une colonne d’eau heurte la vanne fermée, elle s’arrête brusquement. Comme l’eau derrière le bord d’attaque est toujours en mouvement, elle commence à se comprimer. Cette compression sur toute la longueur de la colonne permet à une petite quantité d’eau de continuer à s’écouler dans le tuyau, même si le bord d’attaque s’est arrêté. Lorsque l’écoulement cesse, toute son énergie cinétique de mouvement et celle due à la compression sont converties en énergie de pression.
La compression commence au bord d’attaque de la colonne d’eau et comme l’énergie supplémentaire qu’elle produit ne peut se poursuivre au-delà de la vanne fermée, une onde de pression ou de choc est générée et se déplace le long du chemin de moindre résistance qui, dans cet exemple, est en amont. Son apparition est similaire à l’écho produit lorsqu’une onde sonore, se déplaçant dans l’air, frappe une barrière similaire. Lorsque l’onde frappe la valve en amont, elle est réfléchie en aval mais avec une intensité moindre. Ce mouvement de va-et-vient se poursuit jusqu’à ce que les pertes par friction et par réflexion fassent disparaître l’onde. La vitesse à laquelle une vague se déplace et l’énergie qu’elle perd pendant son voyage dépendent de la densité et de la compressibilité du milieu dans lequel elle se déplace. La densité et la compressibilité de l’eau en font un bon milieu pour la génération et la transmission des ondes de choc.
Les ondes de pression créées par un choc hydraulique ont des caractéristiques similaires à celles des ondes sonores et se déplacent à une vitesse similaire. Le temps nécessaire à une onde de pression de coup de bélier pour négocier une longueur de tuyau est simplement la longueur du tuyau divisée par la vitesse du son dans l’eau (environ 4 860-ft/sec). Dans l’analyse des coups de bélier, une constante de temps souvent utilisée décrit la progression de l’onde depuis son début jusqu’à la barrière secondaire, puis à nouveau. Elle prend la forme de Tc = 2L/a (où L est la longueur de la conduite et a est la vitesse de l’onde, qui est la vitesse du son). Dans un tuyau de 1 000 pieds, l’onde peut faire un aller-retour complet en moins d’une demi-seconde.
La pression créée par cette onde de choc est directement proportionnelle à la fois à la vitesse de l’onde et à la vitesse de l’eau qui circule dans le tuyau. Bien que l’équation ci-dessous ne tienne pas compte de l’effet de la longueur, du diamètre et de l’élasticité de la canalisation, elle donne un aperçu de la pression supplémentaire créée par une onde de pression de coup de bélier.
P(supplémentaire) = aV / 2,31g
P est la pression supplémentaire créée par l’onde de choc, a est la vitesse de l’onde, V est la vitesse de l’eau qui s’écoule dans la canalisation en pieds par seconde, g est la constante gravitationnelle universelle @ 32-ft/sec2 et 2,31 est la constante de conversion de la pression. À une vitesse de la canalisation de 5-pieds/sec², la pression supplémentaire créée par l’onde de choc est d’environ 328-psi. En augmentant cette vitesse à 10 pieds/seconde, la pression supplémentaire atteint environ 657 psi. De toute évidence, les systèmes qui ne sont pas conçus pour supporter une telle augmentation de pression sont souvent endommagés, voire détruits.
Le mois prochain, nous explorerons les trois principales causes des coups de bélier et les facteurs qui contribuent à l’ampleur de l’onde de choc qu’ils génèrent. Nous verrons également pourquoi les coups de bélier peuvent être plus dommageables dans les systèmes à basse pression.
Il s’agit là d’une question de sécurité.