Chaque système de pompage requiert un dispositif de protection plus ou moins élaboré, permettant de protéger ses divers composants (en particulier la station de pompage et ses conduites d’aspiration et de refoulement) contre tous les phénomènes hydrauliques engendrés durant les cycles de démarrage, de marche ou de mise à l’arrêt.
En général, cette protection doit être installée contre les effets causés par les états de service principaux suivants :
- » Surpression passagère ou permanente.
- » Choc hydraulique ou coup de bélier.
- » Inversion du sens de rotation de pompe.
- » Inversion des pressions dans le système.
- » Abaissement dangereux de la pression d’aspiration.
- » Abaissement dangereux de la pression de refoulement.
Le choix de la protection dépend d’une part de l’implantation topographique du système de pompage, d’autre part des conditions particulières d’exploitation requises : elle peut ainsi ne comporter qu’une unique soupape hydraulique de retenue, empêchant tout reflux à travers la pompe, ou plusieurs vannes pilotées par dispositif hydraulique ou hydro-électrique, assurant un service automatique contrôlable en toutes conditions. Nous en examinerons ci-après les divers éléments (figure 1).
Clapet de retenue
Le dispositif élémentaire de protection d’une pompe consiste à monter, au refoulement, un clapet mécanique (A) (à battant, à double battant, à cône métallique vulcanisé), qui empêche le reflux du fluide pompé, supprimant le risque d’inversion de rotation et conservant la conduite de refoulement en charge durant la mise hors service de la pompe (si la conduite n’assure aucune distribution).
Lors du démarrage l’onde de pression provoque une ouverture brutale du clapet mécanique et cause un choc hydraulique parfois dangereux dans tout le système de pompage ; de manière identique, la mise à l’arrêt de la pompe, engendrant une brusque décélération de la vitesse d’écoulement du fluide, provoque une onde de sous-pression, qui réfléchie à l’extrémité du système, revient en surpression, provoquant à nouveau une fermeture brutale et dangereuse du clapet mécanique, source d’un choc hydraulique important.
Toute vanne de protection ne peut produire cependant qu’une dissipation d’énergie ; par conséquent, son emploi ne permet que de diminuer une valeur de surpression, sans action sur toute sous-pression éventuelle dans le système de pompage. En fonction de la célérité de l’onde de choc hydraulique, l’utilisation d’une vanne de décharge de pression (en B) peut contrôler la surpression dans le système et en décharger une partie à l’atmosphère, en permettant d’écrêter les valeurs de pointe. Dans certains cas cependant, seule une vanne d’amortissement de chocs hydrauliques à ouverture anticipée permet d’obtenir une réduction sensible, éventuellement l’élimination de la surpression dans le système.
Soupape de retenue à verrouillage hydraulique
Le système de pompage est pratiquement identique à celui du cas de figure précédent, à l’exception du clapet de retenue mécanique (A), remplacé par une soupape de retenue permettant :
- » d’éliminer tout choc hydraulique de mise en service de la pompe, par une vitesse d’ouverture contrôlable ;
- » de diminuer, voire de supprimer, par une vitesse de fermeture contrôlable, le coup de clapet engendré par le retour de l’onde de surpression ; cependant, dans la plupart des systèmes de pompage à faible inertie, la vitesse de fermeture doit être accélérée au maximum, afin d’éviter toute inversion du sens de rotation de la pompe.
De manière identique à celle exposée dans le cas de figure précédent, l’utilisation d'une vanne de sûreté (B) contribue à diminuer (éventuellement à supprimer) la surpression engendrée par la mise hors service de la pompe.
Stabilisateur de pression aval à soupape de retenue hydraulique incorporée
Afin de maintenir une pression de distribution constante dans le système et d’éviter la transmission de la valeur de pression caractéristique de la pompe aux utilisateurs, un étage de stabilisation de pression aval est associé à la soupape hydraulique de retenue décrite ci-dessus, sous la forme d'une vanne (A).
Outre les fonctions hydrauliques indiquées précédemment, le régulateur de pression aval contrôle sa course de travail en fonction du débit consommé ; il adapte par conséquent en permanence son degré d’ouverture aux divers états de service, garantissant une fermeture accélérée en présence d'une condition d’écoulement inverse, lors de la mise hors service de la pompe. La surpression éventuelle issue de cet arrêt de pompe peut également être contrôlée par une vanne de sûreté (B).
La suppression rapide de grands débits de consommation engendre parfois des surpressions momentanées importantes dans le réseau aval, que l'inertie du régulateur de pression ne peut contrôler instantanément. La vanne de sûreté (B) peut décharger à l’atmosphère cette surpression passagère ; dans certains cas cependant, le régulateur de pression aval doit être équipé d'un accélérateur hydraulique, permettant de supprimer toute inertie de fermeture et de minimiser toute formation de surpression aval.
L'installation d’une électrovanne et d'un contact fin de course (détecteur de proximité) dans le circuit-pilote de tout régulateur permet d’en assurer sa télégestion électrique de manière identique à celle d’une vanne classique de protection de pompe ; dès lors, la mise en service ou hors service de la pompe contrôlée par un tel régulateur hydro-électrique s’effectue sans création de surpression dans le système de pompage.
Stabilisateur de pression aval à maintien de pression amont minimale et à soupape de retenue hydraulique incorporée
L'utilisation d'un clapet hydraulique (B) combiné avec une régulation automatique de sa pression aval et de sa pression amont offre les mêmes avantages que ceux décrits précédemment, avec en supplément la protection hydraulique de la pompe contre toute formation de cavitation et la protection électrique du moteur d’entraînement de la pompe contre toute surcharge électrique provoquant son arrêt d’urgence. Cette particularité s'utilise plus spécialement pour toute station de pompage d'irrigation, où la contre-pression topographique est inférieure à la pression minimale requise par la pompe en extrémité de sa courbe caractéristique. Les remarques formulées dans le cas précédent permettent de préconiser également des vannes hydro-électriques pour cette application.
De manière similaire au premier cas de figure, l’élimination partielle ou totale de la surpression à la mise hors service non contrôlée de la pompe peut également être assurée par une vanne de sûreté (B).
Vanne de protection de pompe
Afin de répondre aux exigences de la protection efficace d'une pompe, une vanne (A) à clapet mécanique incorporé ou une vanne (C) à double chambre de commande (figure 2) offrent par leurs diverses possibilités de réglage la flexibilité nécessaire pour maîtriser toutes les anomalies de service révélées par l’exploitation pratique d’une station de pompage.
Vanne de protection de pompe à clapet mécanique incorporé et vitesses d’opération réglables de manière individuelle
Cette vanne, prévue pour le montage en série avec la pompe, assure la protection optimale du réseau de refoulement, aussi longtemps que la tension électrique permet le contrôle de son circuit-pilote ; elle n’autorise le démarrage ou le déclenchement de la pompe que par sa position de fermeture. À la mise en service de la pompe, l’électrovanne de commande, placée sous tension électrique, provoque l’ouverture de la vanne, avec une vitesse réglable, permettant au réseau aval d’atteindre sa condition d’exploitation sans choc hydraulique. Lors de l’arrêt contrôlé de la pompe, le signal électrique respectif assure, dans un premier temps, la fer
Fermeture de la vanne, avec une vitesse réglable, permettant au réseau aval de reprendre son état statique sans à-coup de pression ; à vanne fermée, son contact fin de course déclenche la pompe.
En cours d’exploitation, toute panne électrique engendre la mise hors service immédiate de la pompe ; le clapet mécanique incorporé à la vanne de protection se ferme instantanément pour prévenir toute rotation inverse de la pompe et se verrouille ensuite hydrauliquement par la pression du réseau aval. La position verrouillée libère le contact fin de course de la vanne et autorise dès lors la mise en service de l’installation, dès le retour de la tension électrique.
Toute vanne de protection de pompe peut être équipée :
- - d’un dispositif de sélection de vitesse de service, permettant en fonction de la différentielle de pression régnant entre son entrée et sa sortie d’obtenir un régime basse vitesse ou haute vitesse, afin de réduire le temps total d’ouverture, ou de fermeture, en garantissant une vitesse d’opération optimale sans créer de choc hydraulique ;
- - d’un circuit-pilote auxiliaire combinant sa fonction de protection à une ou plusieurs fonctions complémentaires de réglage de pression amont, pression aval, pression différentielle de pompe ou de débit.
Vanne de protection de pompe à double chambre de commande
Cette vanne, montée en dérivation de la conduite de refoulement (figure 2), travaille en association avec le clapet mécanique ou la soupape hydraulique de retenue, monté en série avec la pompe dans la conduite de refoulement. Elle permet de contrôler la mise en service de la pompe, comme sa mise hors service, sans provoquer de choc hydraulique dans le réseau situé en aval de la soupape de retenue, avec un calibre réduit par rapport à celui de la conduite de refoulement.
La vanne (C) n’autorise le démarrage ou le déclenchement de la pompe que dans sa position d’ouverture. À la mise en service de la pompe, l’électrovanne de commande, placée sous tension électrique, provoque la fermeture de la vanne, avec une vitesse réglable, permettant la mise sous pression progressive de la soupape de retenue (A), qui s’ouvre lentement, permettant au réseau aval d’atteindre sa condition d’exploitation sans choc hydraulique. Lors de l’arrêt contrôlé de la pompe, le signal électrique respectif assure, dans un premier temps, l’ouverture de la vanne (C) à une vitesse réglable, permettant une fermeture progressive de la soupape de retenue (A), qui ramène le réseau aval dans son état statique, sans à-coup de pression ; à vanne ouverte, son contact de fin de course déclenche la pompe.
En cours d’exploitation, toute panne électrique engendre la mise hors service immédiate de la pompe ; la soupape de retenue se ferme instantanément pour prévenir toute rotation inverse de la pompe, alors que la vanne de protection (C) s’ouvre et libère son contact de fin de course, autorisant la mise en service de la pompe dès le retour de la tension électrique.
Dans les deux applications décrites ci-dessus, la panne de courant électrique crée, en dépit du contrôle de la vanne de protection de pompe, un choc hydraulique qui requiert éventuellement le montage complémentaire de vanne de sûreté (B), telle que décrite dans le premier cas de figure.
La protection d’un système de pompage exige par conséquent une étude approfondie, qui seule permet, en fonction des divers critères soulevés ci-dessus, de trouver une solution technique et économique valable, assurant une maintenance d’exploitation minimale.
