Dès leur mise en pression, les éléments constituant les canalisations d'eau sont soumis à des forces internes (poussées hydrauliques) qui tendent à déboîter les raccords. Des forces d'origine externe (forte pente, terrain instable,...) peuvent aussi s'associer et générer des sujétions complémentaires. Pour y remédier, il faut compenser ces forces par des massifs en béton parfaitement calculés, dimensionnés et correctement exécutés. Depuis 15 ans, Pont-à-Mousson commercialise des systèmes de verrouillage Ve résistant à des pressions hydrauliques importantes. Ce verrouillage, dont la fiabilité a fait ses preuves, présente une seule difficulté : la réalisation sur chantier du cordon de soudure. Afin de pallier cette sujétion et améliorer les performances, en simplifiant sa mise en ?uvre, un nouveau concept de verrouillage a été mis au point pour les diamètres 60 à 300 : les joints Vi.
Jacques BARLAS
Pont-à-Mousson
Dès leur mise en pression, les éléments constituant les canalisations d'eau sont soumis à des forces internes (poussées hydrauliques) qui tendent à déboîter les raccords. Des forces d'origine externe (forte pente, terrain instable...) peuvent s'associer et générer des sujétions complémentaires. Pour y remédier, il faut compenser ces forces par des massifs en béton parfaitement calculés, dimensionnés et correctement exécutés. Depuis 15 ans, Pont-à-Mousson commercialise des systèmes de verrouillage Ve résistant à des pressions hydrauliques importantes. Ce verrouillage, dont la fiabilité a fait ses preuves, présente une seule difficulté : la réalisation sur chantier du cordon de soudure. Afin de pallier cette sujétion et améliorer les performances, en simplifiant sa mise en œuvre, un nouveau concept de verrouillage a été mis au point pour les diamètres 60 à 300 : les joints Vi.
Les poussées hydrauliques exercent des forces importantes sur les divers éléments constituant les canalisations d’eau sous pression. En dehors du cas où les joints sont à brides ou soudés, elles peuvent entraîner leur déboîtement, les joints étant conçus uniquement pour assurer l’étanchéité de la conduite. Pour éviter ce risque, il faut rendre solidaires les divers composants : tuyaux, raccords et accessoires. L’équilibre des forces est obtenu par l’utilisation de dispositifs de verrouillage ou par des massifs de butée en béton.
Les forces de poussées hydrauliques apparaissent à chaque changement de direction (coudes-tés), à chaque changement de diamètre (cônes) et à chaque extrémité (plaques pleines ou vannes) (figures 1, 2, 3 et 4). Elles peuvent être calculées par la formule générale F = K.P.S., dans laquelle :
F = poussée exprimée en daN, P = pression d’essai hydraulique sur chantier en bars, S = surface de la section intérieure du tuyau en cm², K = coefficient dont la valeur est fonction de la géométrie du raccord concerné.
Pour s’opposer à cette poussée hydraulique, il faut calculer les massifs de butée à réaliser sur site en tenant compte de la configuration de la canalisation, de la résistance et de la nature du sol, de son immersion partielle ou totale.
Le massif reprend les efforts de poussée hydraulique soit par frottement sur le sol (massif poids), soit par appui sur le terrain en place (massif butée).
En pratique, les massifs en béton sont calculés en associant les forces de frottement sur le sol et la résistance d’appui sur le terrain (figure 5), en fonction des éléments suivants :
Forces agissantes : F = poussée hydraulique ; P = poids du massif ; W = poids des terres ; B = appui sur la paroi de la tranchée ; f = frottement sur le sol ; M = moment de renversement.
Forces dues aux caractéristiques du terrain : φ = angle de frottement interne du terrain ; σ = résistance admissible du terrain sur la paroi verticale ; H = hauteur de couverture ; γ = masse volumique.
Le dimensionnement des butées en béton se calcule à l'aide de formules successives, avec application des paramètres sus-mentionnés. Les butées en béton ou les massifs d’ancrage sont donc indispensables pour compenser les poussées hydrauliques, mais aussi pour faire face aux forces d'origine externes (milieu environnant, pesanteur, manutention...). Elles génèrent des exigences importantes à tous niveaux : lors de la conception des projets, de la mise en œuvre des canalisations et de l’exploitation des réseaux. Ces difficultés sont fortement amplifiées par les nombreux réseaux existant dans le sous-sol des zones urbaines.
Une alternative à ces problèmes consiste dans le verrouillage des joints.
Les principes du verrouillage des joints
Le verrouillage est un dispositif qui, ajouté à un joint classique, assure une liaison mécanique entre les deux éléments : en général une emboîture et un bout uni réunis par le joint.
Un verrouillage peut être :
- - soit rigide : dans ce cas le joint constitue un ensemble indéformable (joint à bride par exemple) qui n’autorise aucun mouvement d’un élément par rapport à l’autre ;
- - soit souple : la liaison autorisant alors certains mouvements : déviation angulaire et accrochage avec joint bloqué en traction mais coulissant en compression.
Utilisation du verrouillage
Une conduite verrouillée ne se comporte plus comme une somme d’éléments indépendants, mais comme un ensemble monolithique, plus ou moins articulé.
On utilise le verrouillage pour limiter les mouvements des joints et éviter leur déboîtement sous l’action des forces appliquées à la conduite :
- - les forces internes à la conduite : dues à la pression du fluide (déjà évoquées) ;
- - les forces externes à la conduite : dues au milieu environnant ou à la manutention.
Forces dues au milieu environnant
Le verrouillage peut être utilisé pour pallier une modification du milieu environnant de la conduite, tels que les mouvements de sol (terrains instables, tassements de remblais non consolidés, mouvements sismiques, etc.). Le verrouillage apporte une sécurité pour éviter les déboîtements de la conduite, mais dans de tels cas, le verrouillage ne doit pas être utilisé pour tenir les forces de pression : la pose est alors réalisée avec des assemblages sans tension associés avec des butées en béton :
- - terrains instables, tassements différentiels : les tuyaux sont soumis à des forces de cisaillement, ainsi qu’à des déviations angulaires aux joints. Le verrouillage posé sans mise en tension des joints apporte une sécurité pour éviter tout déboîtement (figure 6) ;
- - tassements de terrain, affaissements de surface : les tuyaux sont soumis à des déviations angulaires et la
La canalisation se déforme comme le terrain jusqu'à des limites qui sont celles du non-déboîtement. Le verrouillage, posé sans mise en tension des joints, apporte une sécurité pour éviter le déboîtement (figure 7).
- – disparition du sol environnant (affouillement, glissement de terrain, parois de tranchées détruites, etc.) : le verrouillage assure la sécurité au non-déboîtement lorsque ces désordres n’entraînent pas de modification de l’emplacement de la conduite, qui conserve son tracé d’origine ; le verrouillage doit être mis en tension à la pose (figures 8 et 9).
- – action de la pesanteur : pose de conduite en forte pente. Le joint verrouillé est utilisé pour retenir les tuyaux posés en forte pente, pour supporter à la fois les forces dues à la pression et les forces de glissement de la conduite. Dans ce cas, il remplace les massifs d’ancrage unitaires (figure 10).
Forces dues à la manutention
Lors de la mise en œuvre par traction d’un ensemble composé de plusieurs éléments de conduite, pour le passage en fourreau, une traversée immergée, la pose d’un émissaire, par exemple, il faut utiliser un verrouillage souple pour absorber les mouvements de la conduite et compenser les efforts de traction qui sont relativement faibles.
Conception du verrouillage des tuyaux en fonte
Pour rendre solidaires les deux éléments (bout uni et emboîtement des tuyaux ou des raccords), il est nécessaire de les accrocher entre eux suivant plusieurs techniques :
Accrochage sur le bout uni du tuyau
L’accrochage sur le bout uni du tuyau qui est lisse peut se faire de plusieurs façons, utilisées seules ou en combinaison :
- – Appui sur une surface en relief par cordon de soudure (figure 11).
- – Appui sur une surface en creux par rainure (figure 12).
- – Frottement et accrochage sur la surface du bout uni du tuyau (figure 13).
- – Soudure directe d’une pièce sur le bout uni du tuyau (figure 14).
Accrochage sur l’emboîture du tuyau ou raccord
L’accrochage sur l’emboîture peut s’effectuer soit par l’extérieur, avec appui sur la surface extérieure de l’emboîture (figure 15), soit par l’intérieur, avec appui sur une gorge ou par des trous, percés dans l’épaisseur de l’emboîture (figures 16 et 17).
Toutes ces solutions de verrouillage présentent des avantages, mais aussi des inconvénients. Pour répondre aux besoins des utilisateurs, il est indispensable de les étudier, les analyser, et gérer tous les critères qui entrent en jeu, tout en assurant la pérennité des opérations, sans négliger un paramètre important : la simplicité de la mise en œuvre.
Les techniques de verrouillage
Depuis 15 ans, le joint de verrouillage Ve (verrouillage par l’extérieur) est disponible, conçu sur le principe de l’ancrage du bout uni du tuyau à l’emboîture d’un tuyau ou d’un raccord, par appui sur une surface en relief constituée par un cordon de soudure.
Ces joints résistent à des pressions hydrauliques importantes (figure 18), tout en autorisant les déviations angulaires. Ce verrouillage, dont la fiabilité a fait ses preuves, présente une seule difficulté : la réalisation sur chantier des cordons de soudure sur les coupes de tuyaux, intervention inhabituelle lors de la pose des conduites en fonte, qu’il faut cependant moduler en fonction du type de conduite, transfert ou feeder et distribution.
Pose des conduites de transfert ou feeder
Il s’agit de canalisations de grand diamètre (supérieur au DN 300) véhiculant de l’eau à des pressions pouvant atteindre 16 à 25 bars, posées le plus souvent hors des agglomérations. Dans ce cas, les contraintes sont négligeables car la fréquence des coupes est faible, et les tuyaux sont livrés d’usine avec leurs cordons de soudure.
Pose des conduites de distribution
Ce sont des canalisations de faible section (DN 60 à 300) véhiculant de l’eau pour la consommation des abonnés à des pressions faibles (4 à 7 bars) posées dans le sous-sol très encombré de nos villes ; dans ce cas, les sujétions du cordon de soudure à réaliser sur chantier deviennent plus importantes, car les raccords et les coupes sont nombreux pour respecter le tracé de l’ouvrage.
Pour solutionner les problèmes occasionnés par la soudure et faciliter la tâche des entreprises, nous avons mis au point un nouveau concept de verrouillage pour les DN 60 à 300 (canalisations de distribution) : le « Verrouillage Vi ».
Ce verrouillage est assuré par le frottement d’inserts en acier sur la surface du bout uni du tuyau d’où son nom : V = comme verrouillage, i = comme inserts.
Critères de recherche et de développement des joints Vi
Les conditions à respecter étaient les suivantes :
• joints verrouillés,
• gamme de diamètre 60 à 300,
• suppression du cordon de soudure,
• utilisation possible sur les joints actuels des tuyaux et raccords (Standard pour les tuyaux, Express pour les raccords),
• utilisation de tuyaux Standard et raccords Express indifférenciés,
• conservation des avantages acquis : déviation angulaire, orientation des raccords, démontage des raccords, mise en œuvre sans outillages spéciaux.
Les inserts doivent remplir les conditions suivantes :
Spécifications techniques
Les caractéristiques dimensionnelles des inserts sont très complexes : ils sont fabriqués dans des moules en cire perdue en fonderie de précision, puis les arêtes sont usinées (figures 19 et 20).
Les inserts sont destinés à être surmoulés dans une garniture en élastomère.
L’adhérence de l’interface insert et de l’élastomère doit être parfaite : pour l’obtenir, une série de traitements (nettoyage – décapage – passivation – séchage) est réalisée sur les inserts. Pendant toutes ces phases, les arêtes des inserts ne doivent pas être altérées.
Choix de l’acier
Pour fabriquer les inserts, l’acier nuance Z15CN17-03 avec traitement thermique a été retenu, acier inoxydable martensitique au nickel équivalent aux normes AIR Z15CN17-03, NF Z15CN16-02, DIN X20 Cr Ni 17-2 et AISI 431, les qualités recherchées étant la résistance mécanique (compression, fragilité, dureté) et la résistance à la corrosion.
Résistance mécanique
La structure martensitique de l’acier inoxydable à forte teneur en chrome, 17 % et carbone 0,15 % permet, après traitement thermique (hyper trempe à 1020 °C pendant 1 heure) d’obtenir des aciers inoxydables dont les caractéristiques mécaniques sont suffisantes. La dureté est contrôlée par des essais Rockwell au pénétrateur conique (diamant en forme de cône circulaire droit d’angle de 120°) ; selon la norme en cause, les résultats seront compris entre 45 (+5 –4) HRC soit en équivalence de 400 à 600 Brinell par rapport à la fonte nodulaire dont la dureté maximum est de 230 Brinell.
L’examen micrographique a permis de mettre en évidence la structure martensitique de l’insert (figures 21 et 22).
Tenue à la corrosion
Les inserts ont un bon comportement à la corrosion grâce à la présence du chrome (17 %) augmentée par la présence du nickel (3 %). Le fort pourcentage en chrome permet de s’affranchir des risques de corrosion intergranulaire pouvant être favorisée par la précipitation de carbure de chrome (M23C7) en raison de la forte teneur en carbone 0,15 % indispensable pour obtenir les caractéristiques mécaniques. Cette nuance d’acier inoxydable martensitique à 17 % de chrome résistera bien dans les sols. La conception technique de la bague en élastomère renforce la protection des inserts et de la zone d’accrochage grâce à la présence de lèvres qui isolent les inserts de tout contact direct avec le sol (voir la coupe des joints, figures 26 et 29).
Pour fabriquer les inserts, un acier inoxydable a été retenu, de préférence à un acier faiblement allié et traité thermiquement (par exemple : acier 18 C3 : 0,18 % carbone 0,8 % chrome ou 16 NC6 : 0,16 % carbone 1,4 % nickel 1 % chrome) de façon à s’affranchir de tout risque de corrosion dans les sols agressifs.
Malgré l’écart existant sur l’échelle des potentiels électrochimiques entre l’acier inoxydable et la fonte nodulaire, le couplage galvanique consécutif au poinçonnement de la fonte par l’insert ne conduit pas à une pile de corrosion importante, défavorable à la fonte, compte tenu des faibles surfaces mises en jeu et de l'accès très réduit de l’électrolyte. Des essais de caractérisation du comportement des jonctions à inserts effectués à notre Centre de Recherches, dans des solutions salines et des sols reconstitués ont permis de vérifier la bonne tenue des deux métaux.
En complément des essais, des tests en grandeur réelle réalisés sur les sites très corrosifs des terrains d’essai du polder du Mont-Saint-Michel ont confirmé les résultats obtenus en laboratoire.
Conception des joints Vi
Le cœur du système défini, maîtrisé, doit être transplanté dans les jonctions respectives des tuyaux et des raccords pour obtenir les deux solutions Standard et Express Vi.
Les joints Standard Vi assurent l’étanchéité et l’auto-verrouillage des jonctions de tous les tuyaux en fonte standard de DN 60 à 300, à joint automatique (figure 23).
Le profil de la bague de joint Standard n’est pas modifié par rapport aux bagues de joints classiques (figure 24). Le nombre d’inserts varie en fonction du diamètre de la conduite et des pressions admissibles (figure 25).
Les inserts sont noyés dans la bague de joint en élastomère. La bague de joint comporte une lèvre sur la face avant qui protège les inserts du milieu environnant (figure 26).
Les éléments constituant le joint Express Vi assurent le verrouillage et l’étanchéité des jonctions des raccords Express de DN 60 à 300 sur le bout uni des tuyaux en fonte (figure 27).
Le profil de l’emboîture des raccords n’a pas été modifié (figure 28). L’étanchéité est toujours obtenue par la compression mécanique de la bague de joint Express (5), par l’intermédiaire d’une entretoise (3) et d’une contrebride (1) assemblée avec des boulons (4).
La bague de verrouillage à inserts (2) coiffée par la contrebride garantit le verrouillage du tuyau et du raccord. Les inserts sont noyés dans la bague en élastomère. Leurs quantités et leurs formes varient en fonction du diamètre de la conduite et des pressions admissibles. La bague comporte plusieurs lèvres pour protéger les inserts du milieu environnant (figure 29).
Qualification et performances
Les fabrications doivent répondre à des critères internes de qualification très sévères (conformes aux normes ISO 9001 et 9002), afin de pouvoir affronter les marchés de l’Europe et de la grande exportation.
Pour garantir sa fiabilité et sa qualité pendant de longues années, la mise au point des joints Vi a nécessité de nombreux tests aussi bien par diamètre que par type.
Les principaux essais définis (mais en partie seulement) dans le projet de norme européenne EN 545 concernant les assemblages sont les suivants :
- étanchéité des assemblages à une pression positive,
Tableau I
| DN | Pression maximale admissible (bars) | Disposition angulaire à la pose (degrés) | |
|---|---|---|---|
| Standard Vi | Express Vi | ||
| 60 à 150 | 25 | 5 | 4 |
| 200 à 300 | 16 | 4 | 3 |
● étanchéité des assemblages à une pression interne négative,
● étanchéité des assemblages à une pression externe positive,
● essai en pression des assemblages pour contrôler les déviations angulaires, la tenue aux vibrations et la tenue aux pressions pulsées.
Tous ces essais, dont la liste reste incomplète, représentent au total environ 2 000 tests répartis à raison de 70 % pour la mise au point des joints Vi et de 30 % pour leur homologation avant le lancement industriel.
Performances des joints Vi
La haute technicité et la parfaite adéquation des inserts, associées aux jonctions Standard et Express, permettent d’atteindre des niveaux de performances élevées (tableau I) garantissant à long terme l’étanchéité et le verrouillage des jonctions.
Domaine d’emploi
Les joints Standard Vi et Express Vi simplifient considérablement le verrouillage des éléments de canalisations (tuyaux et raccords) de DN 60 à 300. Leurs performances couvrent les cas d’utilisation les plus fréquents :
● remplacement des massifs de butée en béton,
● pose de canalisations en terrains instables,
● verrouillage de lignes partielles ou complètes de canalisations par autobutage (utile lors de la réouverture de tranchées...),
● pose en forte pente ou en fourreau.
CONCLUSION
Le verrouillage des canalisations offre la solution de bien des problèmes quotidiens des entreprises et des Maîtres d’Œuvre : en effet, grâce au nouveau système de verrouillage Vi pour les canalisations de diamètre 60 à 300, tous les tuyaux Standard et tous les raccords Express peuvent se verrouiller rapidement : plus de massifs en béton (et d’attente pour la prise du béton), ni de problèmes dans les sous-sols encombrés ou de cordon de soudure à réaliser pour assurer le verrouillage.
Un cap supplémentaire vers la haute technologie vient ainsi d’être franchi, tout en préservant la simplicité et l’efficacité.
