Lors de la détermination de la section d'une canalisation de refoulement d'eaux usées, quatre paramètres doivent être pris en compte : — les coûts d'acquisition et de fonctionnement ; — le diamètre nécessaire au passage correct des corps solides ; — la vitesse minimale admissible pour éviter toute décantation ; — la vitesse maximale permettant d'éviter les coups de bélier. Nous examinerons ci-après ces divers éléments.
H. Sarvanne Sté E. Sarlin (Helsinki)
J.-C. Cardot Sté A. Johnson & Cie
Lors de la détermination de la section d'une canalisation de refoulement d'eaux usées, quatre paramètres doivent être pris en compte :
— les coûts d'acquisition et de fonctionnement ; — le diamètre nécessaire au passage correct des corps solides ; — la vitesse minimale admissible pour éviter toute décantation ; — la vitesse maximale permettant d'éviter les coups de bélier.
Nous examinerons ci-après ces divers éléments.
LES COÛTS
Ils dépendent essentiellement de la section de la canalisation, comme l'indiquent les courbes de la figure 1. En effet, une diminution de diamètre entraîne trois conséquences :
— le prix de la tuyauterie diminue ; — le coût des éléments de la station de pompage s’élève ; l'augmentation des pertes de charge amène à choisir des pompes et une armoire de commande plus importantes et, dans certains cas, à construire une station de relevage de dimensions plus fortes ; de même, le surcroît de puissance demandé peut augmenter de façon substantielle le coût de l'alimentation en énergie de celle-ci ; — la consommation énergétique augmente avec la puissance des pompes.
La courbe 4, qui intègre les trois facteurs précédents, donne la section optimale de canalisation correspondant au coût global minimal (1).
La figure 3 représente les résultats d'une étude effectuée en 1985 par la Société E. Sarlin et le Helsinki Technical College, à partir des données suivantes :
— station de pompage équipée de deux pompes immergées identiques, qui relèvent chacune le débit nominal d’arrivée ; — tuyauterie de refoulement en PVC ; — hauteurs géométriques comprises entre 5 et 20 m.
(1) Afin de minimiser l'influence des points 2 et 3 (coût de la station et consommation énergétique), la Société E. Sarlin a étudié, pour sa nouvelle série de pompes Supervortex (voir photographie), des hydrauliques dont la courbe débit-hauteur très pentue (figure 2) permet, pour une faible variation des débits, des écarts importants de HMT (hauteur manométrique totale).
peuvent, suivant leur importance, détériorer l'appareillage hydraulique, déformer les canalisations et leurs supports et, dans les cas extrêmes, provoquer l'éclatement ou la striction des conduites.
L'importance du coup de bélier est fonction :
• de la vitesse initiale du fluide ;
• de la longueur de la canalisation ;
• de la nature et de l'épaisseur de la canalisation ;
• des caractéristiques du fluide (en particulier de la teneur en gaz du fluide) ;
• de la vitesse d'arrêt ou de fermeture de l'appareil hydraulique.
L’onde de choc, qui parcourt la canalisation suivant des allers et retours périodiques, s’atténue progressivement par frottement sur les parois de cette dernière et par inertie.
La durée de l'aller et retour de l'onde est calculée à partir de la formule suivante :
μ = 2 L / a dans laquelle μ = durée de l'aller et retour de l'onde (en secondes) ; L = longueur de la canalisation (en mètres) ; a = célérité ou vitesse de propagation de l'onde (en mètres par seconde).
À titre indicatif, la célérité caractérisant différents matériaux et des épaisseurs de paroi courantes est environ la suivante :
- acier......... 900 - 1300 m/s
- fonte......... 1000 - 1200 m/s
- béton armé... 1000 - 1200 m/s
- PVC.......... 300 - 500 m/s
Par exemple dans le cas d'une canalisation en acier (a = 1 000 m/s), longue de 1 000 m, le temps d’aller et retour de l'onde est de :
μ = 2 × 1000 / 1000 = 2 secondes
Le risque de coup de bélier apparaît lorsque cette durée est supérieure au temps d’arrêt de la pompe ou à celle de fermeture de la vanne ou du clapet.
Les eaux usées et les boues contiennent très fréquemment de l'air ou des gaz non dissous dont la présence diminue de façon significative la célérité du liquide (la diminution peut atteindre 90 %). L’air ou les gaz dissous dans l'effluent n’ont pas d’effet sur la célérité.
L'évaluation approximative de la surpression ou de la dépression due au coup de bélier peut être chiffrée, dans les cas simples, et pour les eaux usées, par l’application de la formule :
Δh = a Δv / g dans laquelle : Δh = valeur de la surpression ou de la dépression ; a = célérité de l'onde (en mètres par seconde) ; Δv = valeur de la différence entre les vitesses, en régime permanent, avant le changement de régime et après l’intervalle d'un aller et retour de l'onde (exprimée en mètres par seconde) ; g = accélération de la pesanteur (en mètres par seconde par seconde).
Dans la pratique, il est très difficile de déterminer Δv et seule la valeur maximale de Δh peut être calculée, c’est-à-dire lorsque Δv est égale à la vitesse observée avant le changement de régime (vitesse de circulation du fluide en régime normal).
La valeur du coup de bélier, qui est proportionnelle à la vitesse de circulation du fluide dans la canalisation, est donc directement liée au diamètre de celle-ci : plus le diamètre de la canalisation est important, plus la vitesse de circulation est faible et plus la valeur du coup de bélier est diminuée. Suivant l’importance de l'onde de choc et les éléments constitutifs de l'installation, il peut être supprimé par la mise en service de l'un des dispositifs suivants :
— vannes à commande automatique à vitesse d’ouverture et de fermeture contrôlée (le temps d’ouverture ou de fermeture doit être environ 20 fois celui de l’aller et retour de l'onde) ;
— clapet anti-retour inversé, placé dans le fond de la bâche et relié à la canalisation de refoulement, en aval de la robinetterie habituelle ;
— clapet anti-retour à battant avec levier, contrepoids et amortisseur hydraulique qui retardent la fermeture du battant ;
— volant d'inertie accouplé au moteur d’une pompe « à sec » et qui retarde l’arrêt de la pompe ;
— cheminée d'équilibre ;
— réservoir anti-bélier.
Ces quelques indications permettront de vérifier l'existence d’un coup de bélier et de chiffrer sa valeur maximale approximative ; toutefois, si le coup de bélier se produit, il sera nécessaire de faire appel à des sociétés spécialisées, lesquelles, après une étude approfondie du cas spécifique, proposeront le procédé ou le matériel le plus apte à protéger l'installation.
CONCLUSION
L'examen des différents points décrits précédemment fait apparaître l'interdépendance des quatre paramètres principaux et l'opposition entre leurs valeurs les plus favorables.
La section optimale d'une canalisation de refoulement d’eaux usées représente donc un compromis dont l’étude s'avérera longue et délicate puisqu’elle devra impérativement tenir compte de toutes les sujétions de l'installation, sans omettre ni minimiser l'une d’entre elles.
- — longueurs de la tuyauterie de refoulement comprises entre 500 et 4 000 m ;
- — temps de fonctionnement compris entre 500 et 2 000 heures par an ;
- — consommation énergétique calculée sur 10 ans.
Les coûts de l’alimentation en énergie de la station n’ont pas été pris en compte car ils peuvent influencer de façon notable les résultats.
Les indications de la figure 3 peuvent être utilisées dans la majorité des cas lorsque les données sont comparables à celles de l’étude réalisée. Toutefois, une telle étude peut être refaite pour des cas d’espèce, en particulier lorsque l’alimentation en énergie de la station de pompage s’effectue à partir d’un point éloigné (ce paramètre pouvant être déterminant).
La figure 4 représente les résultats d’une autre étude : il s’agit de l’optimalisation de la section des canalisations et de la robinetterie à l’intérieur d’une station de pompage d’eaux usées.
Comme précédemment, la station est prévue équipée de deux pompes immergées identiques, qui relèvent chacune le débit nominal d’arrivée, et ce, avec une alternance de fonctionnement à chaque démarrage.
L’aménagement intérieur de la station comprend :
- — les pieds d’assise avec leur coude de refoulement ;
- — les clapets anti-retour à boule et les vannes à passage direct ;
- — les tuyauteries de liaison, les coudes et la pièce de raccordement qui, à partir du refoulement de chaque pompe, permet aux eaux de sortir de la station dans une canalisation unique.
Dans cette étude, sont pris en compte :
- — les coûts d’acquisition des pompes, de la robinetterie et de la tuyauterie ;
- — la consommation due aux pertes de charge internes (pour un rendement de 50 %) ;
- — la consommation énergétique totale sur une durée de 10 ans, pour un fonctionnement de 2 000 heures par an.
Le diagramme inférieur permet de déterminer les pertes de charge dans la station lorsqu’une pompe est en fonctionnement.
LE DIAMÈTRE MINIMAL
Pour les eaux brutes non dégrillées, le plus petit diamètre admissible pour un passage correct des solides, sans bouchage, est de 100 mm. Toutefois, pour les faibles débits, un diamètre de 80 mm peut être utilisé à l’intérieur de la station de pompage ; il va de soi que les pompes doivent également présenter un passage libre de 80 mm. Cette dernière condition est respectée par nos pompes, que ce soit en gamme Vortex, monocanal ou à 2 canaux, sans qu’en soient affectés les courbes Q/H et le rendement.
LA VITESSE MINIMALE
La vitesse de circulation dans une canalisation est fonction du diamètre de celle-ci et du débit qui la parcourt. Si la vitesse de circulation est trop faible, le sable et la boue peuvent se décanter et provoquer l’obturation partielle de la canalisation. La vitesse minimale de 0,7 m/s est généralement retenue ; cependant celle-ci est essentiellement fonction de la teneur en matières solides des effluents ; si ceux-ci contiennent, par exemple, du sable en quantité importante, cette valeur devra être augmentée. Pour des eaux usées, la vitesse de circulation dans la tuyauterie ne devra jamais être inférieure à 0,5 m/s, même si les pompes de la station fonctionnent parfois en parallèle.
LA VITESSE MAXIMALE
Le fluide qui circule dans une canalisation peut être accéléré ou ralenti brusquement par un changement important du régime d’écoulement ; ce changement peut avoir pour origine l’arrêt d’une pompe ou la fermeture d’une vanne ou d’un clapet. Les surpressions ou dépressions alternatives ainsi créées engendrent une onde de choc appelée coup de bélier.
