Comment actionner les vannes pour réduire ou prévenir les coups de bélier ?

Le coup de bélier est un phénomène qui découle des principes d’incompressibilité. Il se produit lorsqu’il y a un changement soudain de la direction d’un grand volume de fluide s’écoulant dans une canalisation. En raison de l’inertie du fluide, qui est déterminée par sa masse, il s’arrête brusquement, ce qui entraîne une augmentation rapide de la pression. En raison de la nature non élastique du fluide, l’énergie excédentaire ne peut pas se dissiper ou être absorbée, ce qui entraîne la génération d’ondes de pression qui se déplacent dans le pipeline jusqu’à ce qu’elles trouvent un moyen de dissiper l’énergie.

La pression maximale associée au coup de bélier est proportionnelle au volume, comme lorsqu’un objet non conforme entre en collision avec un mur à grande vitesse. Par exemple, un pipeline de 24 pouces de diamètre et de 50 kilomètres de long, rempli d’eau, a une masse d’environ 16 000 tonnes. Toute perturbation de l’élan d’une telle substance nécessite une quantité importante d’énergie.

Par conséquent, dans les grandes canalisations, ce phénomène peut entraîner des dommages catastrophiques, allant des vibrations et du bruit à l’effondrement complet de la canalisation.

Il existe plusieurs méthodes pour prévenir ou atténuer les coups de bélier, qui consistent toutes à éviter les changements soudains dans le mouvement du fluide ou à dissiper l’énergie des vagues en toute sécurité sans endommager le système. Les vannes jouent un rôle crucial dans ce phénomène, car leur conception permet de modifier la direction du fluide. Assurer le bon fonctionnement des vannes dans le système est fondamental pour concevoir un réseau de canalisations efficace.

Comment actionner les vannes pour réduire ou prévenir les coups de bélier ?

1. Prolonger la durée de fermeture

Une méthode efficace consiste à prolonger le temps pendant lequel le mouvement du fluide subit un changement. Dans les pipelines, on y parvient souvent en prolongeant le temps de fermeture des vannes, ce qui permet la dissipation de l’énergie due à la perte de pression. Lorsqu’une vanne est fermée, sa capacité d’écoulement diminue, déterminée par la relation entre la différence de pression aux extrémités de la vanne et le débit à travers la vanne. Pour un débit donné, plus le taux de fermeture est élevé, plus le débit est faible et plus la différence de pression est importante pour un débit donné. Le pic de pression généré par la fermeture de la vanne est lié au temps nécessaire pour fermer la vanne. La fermeture instantanée de la soupape produit le pic de pression maximal. Bien qu’une fermeture extrêmement lente de la vanne puisse sembler éliminer totalement le coup de bélier, cette solution n’est pas envisageable dans toutes les situations ou pour certaines applications.

Dans de nombreuses applications de vannes d’isolement ou de vannes d’arrêt, les vannes doivent fonctionner aussi rapidement que possible, en particulier lorsqu’il s’agit de vannes d’arrêt d’urgence. Il s’agit non seulement d’arrêter rapidement le fluide, mais aussi de ne pas laisser les vannes ouvertes/fermées partiellement ouvertes pendant des périodes prolongées, car cela pourrait endommager les membranes de fermeture, les sièges de vanne et d’autres composants en raison de la corrosion. Ce problème peut être résolu en utilisant un système à deux vitesses ou à vitesse variable pour actionner les vannes. Ces systèmes permettent aux opérateurs de fermer la vanne à grande vitesse, par exemple en fermant d’abord 80 % de la vanne, puis en fermant progressivement les 20 % restants, afin de dissiper l’énergie au maximum en un minimum de temps. Cette approche permet de réduire considérablement le débit de la vanne en peu de temps, ce qui permet de bloquer efficacement le débit tout en tenant compte de la perte de pression nécessaire pour atténuer ou prévenir les coups de bélier.

Le dispositif de contrôle du fonctionnement de l’actionneur s’appuie sur le retour d’information de la position de la vanne et sur le système d’alimentation en énergie pour gérer le système. Pour les systèmes d’actionneurs hydrauliques simples ou les systèmes utilisant des fluides non compressibles, la synchronisation du point de consigne de la position cible est généralement réalisée à l’aide d’interrupteurs de fin de course ou de capteurs de position. Lorsque la vanne atteint la position souhaitée, le système réduit le débit pour ralentir la course de l’actionneur. Des configurations de fonctionnement similaires peuvent être conçues pour les systèmes pneumatiques ou les systèmes utilisant des fluides compressibles. Le calcul du temps nécessaire pour changer le fluide dans la canalisation est déterminé par une analyse de transmission du système de canalisation.

2. Réduire la vitesse d’écoulement

Une autre technique courante pour atténuer les effets potentiellement destructeurs des coups de bélier consiste à réduire intentionnellement la vitesse à laquelle le fluide s’écoule à l’intérieur de la canalisation. Cette vitesse est liée au diamètre nominal de la canalisation. La clé du problème réside dans la compréhension de cette relation : à mesure que le diamètre de la canalisation augmente, il fournit essentiellement une section transversale plus large à travers laquelle le fluide peut s’écouler. Par conséquent, pour maintenir un débit constant, le fluide doit s’écouler à une vitesse plus faible dans une canalisation de plus grand diamètre. Inversement, dans une canalisation de plus petit diamètre, le fluide doit s’écouler à une vitesse plus élevée pour maintenir le même volume d’écoulement. Plus le fluide se déplace rapidement, plus son énergie cinétique est importante, et donc plus les fluctuations de pression causées par des changements soudains sont prononcées.

Dans ces conditions, le choix du diamètre de la canalisation devient un élément essentiel de la conception. S’il peut être tentant d’opter pour des canalisations plus petites afin de répondre aux exigences théoriques en matière de débit minimum, cette approche entraîne souvent une augmentation de la vitesse d’écoulement dans la pratique. Ces vitesses accrues exacerbent à leur tour la vulnérabilité aux coups de bélier lors de l’actionnement de vannes ou d’autres interruptions de débit.

Par conséquent, une stratégie prudente et proactive consiste à choisir un diamètre de canalisation plus grand que le diamètre minimum spécifié par les calculs de débit. En choisissant des canalisations plus grandes, la vitesse d’écoulement s’atténue naturellement à débit égal. Cette réduction de la vitesse agit comme un tampon, permettant des ajustements plus progressifs du débit et de la pression. Cela réduit la probabilité de pics de pression et les risques potentiels d’endommagement du système qui en découlent.

Conclusion :

Il est essentiel de bien concevoir les systèmes d’entraînement des vannes pour prévenir ou atténuer l’impact des coups de bélier dans les réseaux de canalisations. Les vannes jouent un rôle dans le changement de la direction de l’écoulement, en affectant l’élan du fluide dans la canalisation. En fonction de l’application, les vannes peuvent avoir besoin de réaliser ces changements rapidement, mais des changements rapides peuvent entraîner des pics de pression et une amplification de l’onde de pression. L’introduction d’un système à vitesse variable pour le fonctionnement des vannes dans la conception du système de canalisation, associée à une analyse détaillée de la transmission des fluides et à la prise en compte des augmentations de débit futures, peut fournir une solution viable aux problèmes de coups de bélier dans le fonctionnement des vannes de canalisation.