Du bon dimensionnement des canalisations

Le choix judicieux du diamètre d’une canalisation tend à améliorer le bilan économique au niveau des investissements, mais également le fonctionnement des installations pour obtenir une exploitation fiable. Avant toute chose, il est nécessaire :

• de bien définir les conditions d’exploitation du réseau pour lequel on doit déterminer le diamètre, à savoir le fluide véhiculé (eau, air, boues, réactifs, ...), ses caractéristiques (agressif, corrosif, abrasif, colmatant, ...), son débit, sa pression ;

• de bien choisir le matériau de la canalisation ;

• de bien connaître les caractéristiques normalisées du tube sélectionné.

Normalisation des dimensions des tubes

Les différentes normes définissent le diamètre extérieur et l’épaisseur des tubes et les classent en fonction de leur diamètre nominal (DN) qui se rapproche de leur diamètre intérieur.

La vitesse d’écoulement dans une conduite se calcule non pas à l'aide du diamètre nominal mais à l'aide du diamètre intérieur réel, d’où la nécessité de connaître le matériau de la conduite.

Les principaux matériaux utilisés pour les réseaux sont :

• l’acier au carbone ;

• l’acier inoxydable ;

• la fonte ;

• les matériaux synthétiques : PRV, PVC, PE.

Le tableau 1 définit les caractéristiques normalisées (NF EN 10220) des tubes en acier sans soudure et soudés, pour les diamètres les plus couramment utilisés. Pour les usines de production d’eau destinée à la consommation humaine, il est en général utilisé des tubes sans soudure jusqu’au diamètre DN125 compris, et des tubes soudés.

Tableau 1 : dimensions normalisées des tubes en acier sans soudure et soudés

Tableau 2 : Vitesse et débit maxima dans une conduite d’eau sous pression

bar absolu Tv : tension de vapeur du fluide à la température de dosage, en bar absolu H : hauteur géométrique d’aspiration, en m

longitudinalement ou hélicoïdalement, au-delà.

Fluides

Le diamètre et le matériau d'une canalisation doivent être adaptés au fluide ou à la suspension qu'elle transporte.

Quatre principales catégories de fluides sont rencontrées dans une usine de production d’eau destinée à la consommation humaine :

• eau faiblement chargée en MES : eau brute, eau décantée, eau filtrée, eau traitée ;
• eau chargée en MES ou boues : eaux sales de lavage des filtres, boues de décantation ou de flottation, boues d’épaississement… ;
• air : air comprimé de service, air surpressé pour le détassage des filtres ;
• réactifs chimiques : polymère, coagulant, lait de chaux,…

Détermination des vitesses maximales et des débits correspondants en fonction du diamètre et du fluide

Dans le cas des écoulements sous pression, la vitesse maximum de l’eau dans une conduite peut être déterminée à l'aide de la formule suivante, afin d’éviter l'apparition de bruits :

V = (Di / 50)^0,5 (1)

Avec : V : vitesse d'écoulement, en m/s Di : diamètre intérieur du tube, en mm.

Cette formule peut être utilisée pour tous les réseaux d'eau, qu'il s’agisse des réseaux principaux, comme des réseaux secondaires : eau de service, eaux sanitaires.

Les vitesses ainsi que les débits maxima correspondant à plusieurs diamètres figurent dans le tableau 2.

Dans le cas des stations de pompage, l’article 37 du fascicule 73 (équipement hydraulique, mécanique et électrique des stations de pompage d’eau) du CCTG des marchés publics de travaux recommande de limiter les vitesses à l'intérieur des locaux aux valeurs suivantes :

• à l'aspiration :
  • 1,2 m/s pour un DN ≤ 150,
  • 1,6 m/s pour un DN > 150,
• au refoulement :
  • 1,8 m/s pour un DN ≤ 150,
  • 2,2 m/s pour un DN > 150.

Il est regrettable que les recommandations du fascicule 73 ne soient pas plus précises.

En se référant à la formule (1) pour les vitesses de refoulement, le tableau 3 donne les vitesses recommandées à l’aspiration et au refoulement en fonction de toute la gamme des diamètres, et ceci en respectant les valeurs maximales définies dans le fascicule 73.

Dans le cas des pompes doseuses alternatives, à membrane ou à piston, destinées à l’injection des réactifs, les diamètres des conduites d'aspiration et de refoulement ne peuvent être déterminés de la même façon que pour les pompes centrifuges du fait que le débit est pulsé.

En ce qui concerne la tuyauterie d’aspiration des pompes doseuses, on vérifiera que le NPSH disponible satisfait à la relation suivante :

NPSHd > ΔH + 2 mCL (2)

où :

ΔH = pertes par inertie en mCL
  = 0,016 × L × Q × N / d² (3)

Avec : L : longueur de la tuyauterie d’aspiration, en m Q : débit nominal de la pompe doseuse, en l/h N : cadence nominale de dosage, en coups/min d : diamètre intérieur de la tuyauterie d’aspiration, en mm

NPSHd = 10,2 × (P – Tv) / W + H (4)

Avec : W : densité du fluide à la température de dosage P : pression dans la bâche d’aspiration, en bar absolu + H si la pompe est en charge – H si la pompe est en aspiration

Pour la tuyauterie de refoulement des pompes doseuses, on veillera à installer un ballon amortisseur de pulsations, surtout si sa longueur est importante et si la cadence (cps/min) est élevée. Ainsi on évitera les vitesses importantes, le débit pulsé sans amortisseur étant de plus de trois fois supérieur au débit nominal.

Dans le cas d'un écoulement d’air surpressé, la vitesse maximum dans la conduite peut être déterminée à l'aide de la formule suivante, afin d’éviter l'apparition de bruits :

V = (2 Di)^0,5 (5)

Avec : V : vitesse réelle d'écoulement aux conditions du refoulement, en m/s   = débit à l'aspiration dans les conditions réelles / pression absolue au refoulement Di : diamètre intérieur du tube, en mm

Les vitesses maximales ainsi que les débits maxima correspondant à plusieurs diamètres figurent dans le tableau 4.

Détermination des vitesses minimales en fonction du fluide

Si les eaux sont chargées, la vitesse d’autocurage dans la canalisation devra être respectée. Elle varie de 0,6 m/s à 1 m/s.

Le transport de lait de chaux nécessite une vitesse minimum élevée dans les conduites afin d’éviter les dépôts. Il pourra être retenu une vitesse de 1,5 m/s.

Optimisation des diamètres

Pour des raisons économiques (dépenses énergétiques), lors de la conception d'une usine de production d’eau destinée à la consommation humaine, il est recherché dans la mesure du possible un écoulement gravitaire d'un ouvrage à l'autre. Par consé-

Tableau 3 : Vitesses recommandées à l’aspiration et au refoulement des pompes centrifuges

Tableau 4 : Vitesse et débit maxima dans une conduite en acier sans soudure et soudé transportant de l'air surpressé

Souvent, les conduites de liaison sont du type écoulement gravitaire en charge. Il est recherché dans ce cas une vitesse d’écoulement de 1 à 1,2 m/s, compromis entre les pertes de charge et le coût économique des conduites. Les vitesses excessives sont en effet susceptibles d’entraîner :

• les frais d’amortissement de la conduite, qui diminuent quand le diamètre de la canalisation diminue ;
• les bruits ;
• les vibrations.

Toutefois, dans de nombreux cas, il est inévitable de prévoir un poste de relevage, soit en tête d'usine, soit intermédiaire (par exemple pour alimenter un deuxième étage de filtration). De plus, l’usine peut disposer d'un poste de refoulement de l'eau traitée vers les réservoirs en tête des réseaux de distribution.

Pour ces stations, on peut optimiser à la fois le collecteur reliant les refoulements des différentes pompes, ainsi que la conduite de refoulement externe.

En ce qui concerne le collecteur de refoulement, le débit varie d'un point à un autre, en fonction de sa position et donc du nombre de pompes placées en amont. La réalisation d'un collecteur de diamètre constant (se reporter à la figure 1) ne prend pas en compte cette donnée et on obtient des vitesses très faibles en bout de collecteur au niveau du dernier piquage.

Pour éviter d’avoir des vitesses trop faibles et pour optimiser le poids et donc le coût, le diamètre de la conduite est calculé dans chaque tronçon en fonction du débit réel transité et à l'aide de la formule 1 (voir figure 1).

Pour l'optimisation de la conduite de refoulement en sortie du poste de pompage, il existe un diamètre économique résultant d'un compromis entre les deux éléments suivants :

• les frais d’amortissement de la conduite, qui diminuent quand le diamètre de la canalisation diminue ;
• les frais d’exploitation de la station de pompage, qui augmentent quand le diamètre diminue par suite de l’augmentation des pertes de charge et donc des dépenses énergétiques.

Une formule a été établie par M. Vibert dans le cas des conduites de refoulement en fonte :

D = A (e : f)^0,14 Q^0,46  (6)

Avec :

D : diamètre optimal, en m A : variable dépendant du nombre d’heures de pompage journalier  = 1,547 pour un pompage 24 h/24 h  = 1,350 pour un pompage 10 h/24 h e : coût du kWh f : coût du kilomètre de fonte (e : f) : rapport entre le prix de l’énergie et celui de la matière Q : débit, en m³/s

Problème lié aux survitesses : la cavitation

La cavitation est un phénomène étroitement lié à la vitesse dans les canalisations et donc au choix de leur diamètre.

La cavitation apparaît lorsque la pression locale dans l’écoulement atteint la valeur de la tension de vapeur du liquide. Elle se caractérise par la formation de bulles de vapeur qui, en implosant, sont source de plusieurs effets nuisibles :

• chute des performances ;
• érosion des matériaux.

L’apparition de la cavitation peut résulter :

• d'une baisse de la pression locale due à l’abaissement de la pression dans un réseau (partie haute d’un siphon ou d'une canalisation) ;
• d’une augmentation de la tension de vapeur due à une augmentation de la température du liquide ;
• d'une augmentation de la vitesse de l’écoulement :
  • survitesses dues à une singularité (équipement, coude, …),
  • accélération de l’écoulement dans une machine tournante.

Dans une usine de production d'eau destinée à la consommation humaine ou de pompage, la cavitation apparaît principalement au niveau des conduites d’aspiration des groupes électropompes.

Le concepteur de la station de pompage doit s’assurer qu’il y ait une marge minimum de 1 m de colonne d'eau entre le NPSH disponible de l'installation et le NPSH requis par le constructeur de la pompe, et ceci au débit maximal de fonctionnement de l'installation.

Le NPSH disponible de l’installation dépend de plusieurs facteurs. Il est donné par les formules suivantes :

Lorsque la pompe est en charge : NPSH = Pa + Hga – Ts – (ΔPf + ΔPs), en mCE (7)

Lorsque la pompe est en aspiration :

Tableau 5 : évolution du coefficient de singularité K d’une vanne à papillon en fonction de son degré d’ouverture

NPSH = Pa − Hga − Ts − (ΔPf + ΔPs), en mCE (8)

Avec :

• Hga : hauteur géométrique à l’aspiration des pompes, en mCE
• Pa : pression atmosphérique, en mCE
• Ts : tension superficielle de l’eau pompée, en mCE
• ΔPf : pertes de charge par frottement à l’aspiration des pompes, en mCE
• ΔPs : pertes de charge singulières dans les équipements et raccords placés à l’aspiration des pompes, en mCE

Lorsque la marge entre le NPSH requis et le NPSH disponible n’est pas assez importante, il existe plusieurs solutions correctives :

• augmenter le NPSH disponible de l’installation en augmentant le diamètre de la conduite d’aspiration et donc en diminuant la vitesse d’écoulement, ce qui réduit les pertes de charge ΔPf et ΔPs ;
• diminuer le NPSH requis en sélectionnant un modèle de pompe différent.

Prise en compte des équipements du réseau

Le diamètre des canalisations doit varier localement pour s’adapter aux diamètres de raccordement des équipements. Les éléments suivants permettent de dimensionner certains équipements fréquemment rencontrés dans les usines de production d’eau destinée à la consommation humaine et les postes de pompage :

• vannes de régulation de débit ou de pression ;
• clapets de non-retour ;
• débitmètres électromagnétiques.

Les vannes de régulation à papillon sont par exemple utilisées en tête de filière afin de maintenir un débit constant d’alimentation. Si le débit mesuré est inférieur au débit de consigne, le papillon s’ouvre, créant moins de pertes de charge et augmentant ainsi le débit. Inversement, si le débit est trop élevé, le papillon se ferme, créant des pertes supplémentaires qui diminuent le débit.

La détermination du diamètre de la vanne se fait à partir des pertes de charge maximum à créer pour obtenir le débit de consigne. Les pertes de charge singulières créées par la vanne sont données par la formule suivante :

ΔPs = K · v² / (2 g) (9)

Le coefficient de singularité K dépend de l’angle d’ouverture du papillon (tableau 5). Le concepteur doit veiller à choisir un angle d’inclinaison maximum compris entre 40° et 50°. Un angle plus faible entraînerait des vitesses trop importantes et donc des pertes de charge excessives ; l’ouverture nominale ne devra pas dépasser 70 %.

Une attention particulière doit être portée aux pertes de charge lorsque le stabilisateur est grand ouvert. Ces pertes, de l’ordre de 3 mCE, dépendent :

• de la vitesse nominale dans la vanne et donc du diamètre nominal retenu ;
• du coefficient de singularité de la vanne K, lui-même fonction du diamètre. Quelques valeurs typiques figurent au tableau 6.

Placés au refoulement des groupes électropompes, les clapets de non-retour génèrent d’importantes pertes de charge. Le concepteur doit donc choisir leur diamètre avec soin.

Pour les clapets à battant, on retient le plus petit diamètre pour lequel l’obturateur est grand ouvert au débit nominal. Pour les clapets Clasar®, le diamètre est sélectionné sur la base des pertes de charge admissibles au refoulement de la pompe. Le tableau 7 regroupe les pertes de charge en fonction de la vitesse dans le clapet.

Au-dessus d’un angle d’inclinaison du papillon de 50°, le coefficient K évolue trop rapidement pour un réglage précis et stable.

Pour un stabilisateur de pression à membrane hydraulique, deux critères doivent être respectés :

• vitesse nominale dans la vanne < 3 m/s ;
• ouverture de la vanne ≤ 70 %.

Les pertes calculées à partir de la formule (9) sont généralement basées sur un coefficient K voisin de 4.

Au-delà de 2,2 m/s dans la conduite, les pertes générées par un clapet dépassent 1 mCE, valeur souvent jugée inacceptable pour les débits élevés.

Pour les débitmètres électromagnétiques, la vitesse idéale de mesure se situe entre 2 m/s et 3 m/s afin de limiter les pertes de charge.

Tableau 6 : évolution du coefficient de singularité d’un stabilisateur de pression en fonction de son DN

Tableau 7 : pertes de charge générées par un clapet Clasar® en fonction de la vitesse

pertes de charge et de réduire l’erreur sur la mesure du débit à 0,5 %. Se reporter à la figure 2.

Dans le cas de la mesure de débit en sortie du collecteur de refoulement d’un poste de pompage équipé de plusieurs pompes, le diamètre du débitmètre est optimisé de telle façon que :

• • la vitesse minimum correspondant au débit minimum de fonctionnement soit supérieure à 1 m/s, vitesse en dessous de laquelle la précision de la mesure se dégrade rapidement ;
• • la vitesse maximum correspondant au débit de toutes les pompes en fonctionnement soit inférieure à 5 m/s, vitesse à partir de laquelle le bruit peut devenir un élément perturbateur.

Conclusion

Une attention toute particulière doit être portée à la sélection des diamètres des canalisations d'une usine de production d'eau ou d'un poste de pompage car un mauvais dimensionnement des conduites peut être à l'origine de nombreux problèmes d’exploitation (colmatage, bruits, vibrations, usure rapide des équipements…).