Les canalisations en matières plastiques, matériau de notre temps

Après trente années de progrès essoufflants, une pause est intervenue depuis les années 70, et ce fut aux techniciens (ou aux « technologistes ») de travailler pour ancrer dans notre vie quotidienne l'énergie nucléaire domestiquée d'une part, et les produits industriels issus des macromolécules d'autre part : les équipes de pointe de chercheurs ont alors été orientées vers la biologie et la génétique, dont le développement sera définitivement acquis pour l'an 2000.

Les canalisations en matières plastiques font partie des retombées spectaculaires des progrès de ces années de recherche puis de développement : les efforts de connaissance fondamentale des matériaux, l'amélioration des technologies de fabrication, et l'utilisation de l'expérience pratique acquise sur les chantiers d'exploitation des réseaux, font des « tuyaux plastiques » un produit indispensable à notre époque, un produit traditionnel de notre temps. Ce n'est pas un hasard : ils apportent en effet à l'utilisateur final, mais aussi au plombier ou au traiteur d'eau, un faisceau de propriétés remarquables que leur matière constitutive possède intrinsèquement : leur légèreté, leur résistance à la corrosion et au vieillissement, leur homogénéité (synonyme d'étanchéité), leur qualité « alimentaire ». Faisons le point de la pénétration en France des matières plastiques dans le secteur des canalisations, et des perspectives de développement qui se font jour.

EAU POTABLE :

UN COEFFICIENT DE SÉCURITÉ CONFORTABLE

Un tube en plastique se fabrique en général par extrusion, un raccord par injection. Chacun de ces procédés met en œuvre à un moment donné la matière première à un état fondu ou semi-fondu (plastique), en conjugaison avec une forte pression de plusieurs centaines de bars. C'est l'une des raisons du fini de surface impeccable et de l'homogénéité du matériau dans toute son épaisseur ; résultats : pas de porosité à l'eau, et cela indéfiniment puisque les macromolécules sont insensibles aux produits corrosifs de l'eau ou de la nappe phréatique ; pas de problème d'attaque par les eaux très douces des régions granitiques où le gaz carbonique dissous fait des ravages sur les métaux ; pas de piqûres ni de perforations extérieures par les sulfates des terrains argileux où les ciments gonflent et se ramollissent ; tout cela sans précautions spéciales au moment de la pose.

Du point de vue hydraulique, les canalisations en plastiques conduisent aux pertes de charge les plus faibles et au coefficient d'écoulement le plus élevé : le y de la formule de Bazin est inférieur à 0,05, ou le k de la formule de Manning-Strickler supérieur à 115 pour les vitesses classiques de 1 à 2 mètres par seconde ; et tout cela non seulement avec des conduites neuves, mais aussi avec des conduites « culottées », car la nature hydrophobe du matériau retarde sérieusement les dépôts de tartre éventuels ; résultat : une conduite en plastique d'un diamètre nominal donné (pourtant égal au diamètre extérieur) possède une capacité d'écoulement bien supérieure à celle d'une conduite en matériaux minéraux de même diamètre nominal (pourtant égal au diamètre intérieur). Dans les cas les plus favorables, on peut « gagner un diamètre ».

La détermination des coefficients de sécurité en pression a fait l'objet d'importantes recherches ces dix dernières années. Il est désormais acquis que l'on peut, de façon scientifiquement indiscutable, extrapoler sur une longue durée les résultats obtenus sur des tubes lors d'essais de durée plus courte : par exemple jusqu'à 50 ans (durée choisie arbitrairement) à partir d'essais de l'ordre de 10 000 heures.

Cette méthode d'essais, lourde mais riche de résultats, a été normalisée en France en 1982 (Norme T 54.091) et sa version internationale est en bonne voie d'achèvement au sein de l'ISO.

tubes en plastiques, avec leurs épaisseurs actuelles, pourraient supporter en permanence pendant 50 ans une pression égale à 1,5 ou 2 fois leur pression maximale de service normalisée. Traduites en durée de vie à la pression maximale de service, les valeurs des contraintes de rupture adoptées pour 50 ans dans les normes correspondent en fait à des temps de 10 à 100 fois plus longs (selon le matériau utilisé) : les tubes plastiques promettent donc de vigoureux centenaires.

Quant aux raccords des canalisations pour eau potable sous pression, qui avaient engendré certains désordres au début de leur développement, ils ont également fait l’objet d’études poussées d’extrapolation. La méthode d’essai, mise au point par un fabricant (français) de raccords PVC en 1978, vient d’être normalisée et permet d’assurer un contrôle sélectif de qualité en cours de fabrication. Il s’agit d’un essai de pression pulsée entre 30 et 60 bars, auquel le raccord doit résister pendant plusieurs milliers de cycles.

L’essai ne dure que quelques heures et donne une bonne corrélation avec la tenue de longue durée en service réel. La large gamme de raccords disponibles sur le marché bénéficie donc d’une assurance de qualité homogène avec celle des tubes.

Les assemblages entre les divers éléments des conduites, enfin, n’ont pas été négligés. Les branchements de petit diamètre sont raccordés par des pièces mécaniques à visser si l’on utilise du polyéthylène, ou par collage s’il s’agit de PVC. Par contre, pour les conduites maîtresses il est recommandé d’utiliser le soudage pour le polyéthylène et les joints de caoutchouc (joints « automatiques » sans bride ni boulon) pour le PVC. La technique de soudage du polyéthylène est tellement sûre qu’elle a été la seule retenue par Gaz de France pour les conduites de gaz « moyenne pression » (4 bars) ceinturant les grandes villes, tandis que l’assemblage par bagues caoutchouc du PVC est imposé pour les marchés publics d’adduction d’eau.

Tous ces développements technologiques dont bénéficient les réseaux d’eau potable ont permis aux canalisations plastiques de conquérir 80 % de ce marché jusqu’au diamètre 125 mm ; dans les diamètres supérieurs, leur part devient majoritaire jusqu’au diamètre 200 mm en France et 300 mm aux États-Unis par exemple. Le fait que le matériau constitutif soit « alimentaire », c’est-à-dire conforme à la réglementation des produits destinés au contact avec les aliments, est évidemment un atout important en faveur de leur utilisation. Mais surtout, il n’y a plus à craindre de corrosion, ce qui représente un avantage pour le concepteur et le gérant du réseau. Ajoutons un élément bien mis en évidence lors de notre hiver rigoureux : le parfait comportement au gel des conduites en polyéthylène dans nos régions du sud-ouest. Lorsque la pose ne peut être profonde, c’est un facteur qui mérite considération.

EAUX CHAUDES ET FLUIDES CHIMIQUES : LE NOUVEAU CRÉNEAU DES PLASTIQUES

Encore un peu plus de technique, le domaine du transport des eaux chaudes s’est ouvert aux canalisations plastiques : c’est l’une des conséquences les plus positives de la connaissance de la tenue à la pression de longue durée ; la technique d’extrapolation s’applique en effet aussi aux températures supérieures à l’ambiante.

La commission des Avis chimiques, chargée de délivrer des agréments aux produits « nouveaux », a ainsi autorisé certains matériaux bien fabriqués et bien contrôlés pour les réseaux d’eau chaude sanitaire (60 °C sous 6 bars), de chauffage par le sol (50 °C sous 4 bars). Les Avis Techniques couvrent des tubes de petits diamètres, jusqu’à 50 mm, associés à une gamme spécifique de raccords et de joints. Les règles d’agrément prennent en compte un coefficient de sécurité de 2 sur la « contrainte à 50 ans » applicable à la température maximale envisagée. Les matériaux suivants ont obtenu des Avis Techniques « sans limitation de durée » :

• — le polyéthylène réticulé pour le chauffage central, l’eau chaude sanitaire et le chauffage par le sol,
• — le polybutylène pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage par le sol,
• — le PVC surchloré pour l’eau chaude sanitaire,
• — le polypropylène pour le chauffage par le sol.

La part de ces matériaux augmente régulièrement sur ce marché, où ils représentent environ 1 500 tonnes par an. Ils y remplacent efficacement, et à moindre coût, les tubes en matériaux métalliques, par exemple lorsque se posent des problèmes de corrosion : eaux adoucies, ou naturellement très douces, eaux légèrement salines. Dans l’habitat ancien, leur facilité de manutention et de pose facilite la réhabilitation. Ces utilisations « pointues » sont a posteriori une confirmation de la qualité de l’extrapolation effectuée.

Mieux encore, on sait désormais conjuguer pression, température et fluides chimiques : dans de nombreuses unités de fabrication de produits chimiques, les conduites de « process » se réalisent en matières plastiques plus ou moins nobles ; la qualité à employer relève du spécialiste averti, mais une fois le bon choix réalisé, il n’y a plus à craindre corrosion ni entretien coûteux. Les piscines avec leurs conduites de traitement d’eau plus ou moins chaude en sont un bon exemple, mais aussi nombre d’industries agro-alimentaires : laiteries et brasseries où l’on doit pouvoir laver, rincer et stériliser, industrie sucrière dont les liqueurs attaquent très rapidement certains alliages, etc. Ce créneau est le plus chargé d’avenir pour les conduites en plastiques et tient en haleine les services de recherche et de développement des producteurs. On peut par exemple signaler la réalisation, actuellement en cours, d’une conduite de diamètre 710 mm pour le transport

sur près de 5 km d’eaux salées et abrasives aux mines domaniales de Potasse d’Alsace.

L'ÉVACUATION DES EAUX USÉES : LE FIEF BIEN ÉTABLI DU PVC

Les canalisations en matières plastiques ont pris en France une part largement majoritaire dans le domaine de l’écoulement des eaux usées et pluviales à l’intérieur des bâtiments ; actuellement, elles représentent environ 80 % de ce marché. Il s’agit essentiellement de PVC, mais surtout de PVC allégé, produit typiquement français, particulièrement bien adapté à l’écoulement intermittent des eaux usées. Pour cet usage, le PVC compact, tel qu’il est normalisé, est « à la bonne épaisseur » compte tenu des sollicitations qu'il subit, en particulier l’échauffement par les eaux usées ménagères. L’expérience malheureuse des Allemands qui, voici quinze ans, avaient ramené de trois à deux mm l’épaisseur des tubes PVC évacuation, est là pour nous le rappeler : ils ont eu à subir une vague d’incidents dus au ramollissement des tubes lors d’écoulement intermittent d’eaux usées chaudes, et le PVC a été éliminé à tout jamais de ce marché.

Le PVC allégé permet d’économiser de la matière, et d'obtenir un prix plus compétitif, sans pour autant diminuer l'épaisseur du tube, donc sa tenue à la température. Au contraire, étant plus isolante, sa paroi résiste même un peu mieux aux écoulements chauds.

Dans ce même domaine, et lorsque des paramètres chimiques interviennent en plus, on dispose des canalisations en polyéthylène : c’est le cas par exemple des conduites d’évacuation de laboratoires chimiques et biologiques, ou des hôpitaux. Il faut cependant bien s’assurer que l’assemblage, en général à base de joints de caoutchouc, est compatible avec les effluents à transporter.

Enfin, si l'on doit faire face à des effluents chauds à écoulement prolongé, il faut passer au PVC surchloré ou au polypropylène, particulièrement adaptés à cet usage. On se trouve dans cette situation, par exemple, dans les laveries collectives, ou dans les restaurants de collectivités.

L’assemblage des éléments de conduite en PVC, PVC allégé, ou PVC chloré se fait par la technique ultrasimple du collage et il existe sur le marché une énorme panoplie de raccords. Pour cet usage, les fabricants français produisent plus de 70 millions de pièces en PVC par an.

Les tubes, comme les raccords en PVC, sont généralement fabriqués en qualité « M1 » : ils comportent des agents anti-feu permettant de répondre à la majorité des cas prévus par la réglementation incendie, y compris dans les constructions à haut risque tels que les « établissements recevant du public ». Les fabricants de tubes et de raccords en PVC ont rédigé un document résumant les différents cas de figures possibles. Il est bon toutefois de rappeler qu’aucune canalisation, de quelque nature qu’elle soit, n’a jamais pu être jugée responsable de l’initiation ou de la propagation d’un incendie, ni de l’intoxication des personnes situées à proximité : l'étude exhaustive effectuée sur les rapports d’incendie des sapeurs-pompiers de la région parisienne en témoigne très clairement.

Remarquons cependant que des canalisations d’évacuation en PVC sont de plus en plus importées de l'étranger, mais que certaines n’ont ni l'épaisseur normalisée de trois mm nécessaire pour la tenue aux eaux chaudes domestiques, ni les qualités réglementaires. Les entreprises qui les utilisent s’exposent à des refus de réception par les bureaux de contrôle du Bâtiment, ou par les commissions de Sécurité.

L'ASSAINISSEMENT PUBLIC : LE MARCHÉ PORTEUR

Dans ce marché en bonne santé (c’est la seule gamme de canalisations qui progresse régulièrement depuis plusieurs années), les plastiques prennent une place de plus en plus importante : environ 30 % à l’heure actuelle en métrage, la compétition venant des tubes en amiante-ciment et en béton pour l’essentiel. Nous sommes encore loin des 75 ou 80 % atteints en Scandinavie ou aux U.S.A. ! La progression est due pour une part aux avantages offerts par les tubes en plastiques, et pour une autre à l’apparition récente de produits nouveaux très compétitifs.

Que demande-t-on en effet à une canalisation d’assainissement ?

• – d’être étanche : l’assemblage par joints de caoutchouc portant sur une surface très lisse, calibrée au 1/10 de mm, permet d’assurer l’étanchéité entre pièces en PVC, même si les contraintes du terrain amènent un délinement, une angulation ou un apla-

tissement des tubes. Les eaux usées ne fuient pas dans le terrain au risque de le polluer, les eaux phréatiques ne pénètrent pas dans la conduite au risque de saturer la station d’épuration ;

• - de résister aux effluents transportés : la tenue chimique des plastiques vis-à-vis de l’hydrogène sulfuré (et de l’acide sulfurique venant de son oxydation) garantit une permanence de l’épaisseur de paroi du tube ; en outre, la résistance à l’abrasion des matériaux plastiques est de loin supérieure à celle des matériaux minéraux ;
• - de résister aux terrains encaissants : même dans les tourbières, même dans les argiles bleues bourrées de sulfates, les plastiques restent inattaqués sans diminution de leurs propriétés mécaniques ;
• - d’assurer l’écoulement gravitaire des effluents : la paroi presque idéalement lisse obtenue par extrusion conduit à de très faibles pertes de charge et évite les accrochages de sédiments. Il est prouvé par ailleurs que l’ovalisation normale qui se produit lors des tassements de terrain n’entraîne pas de diminution notable de débit si elle reste inférieure à 8 ou 10 %. Cette limite admissible de 10 % pour l’ovalisation de tubes en service est incluse dans les projets de normes internationales (ISO) et sera sans doute admise par les règlements français, comme elle a déjà été reconnue par les entreprises de pose françaises.

Deux produits nouveaux à base de PVC ont été agréés depuis quatre ans par les services publics. Ils permettent l’un comme l’autre d’obtenir une économie de matière première importante tout en sauvegardant les propriétés chimiques et surtout mécaniques (dont la résistance à l’ovalisation). C’est essentiellement avec ces deux produits que les tubes en matières plastiques profitent de la conjoncture favorable du marché de l’assainissement public et gagnent progressivement des parts de marché, ceci au détriment d’autres matériaux qui sont plus sensibles à la corrosion et à la fissuration sous l’effet des mouvements de terrain. On a ainsi réalisé l’an dernier une conduite de 400 mm destinée à évacuer des boues de phosphogypse en Normandie.

Ajoutons que, dans ce domaine, la légèreté est un atout important qui influe de manière significative sur les prix de pose en diminuant les frais de manutention, particulièrement en zones difficilement accessibles (montagne par exemple).

DE NOMBREUSES AUTRES RÉFÉRENCES

Revenons un instant sur les canalisations de transport de gaz naturel en polyéthylène, déjà citées plus haut. Il s’agit de l’essentiel du marché de la « moyenne pression 4 bars » permettant la liaison entre les grands feeders en acier travaillant sous 60 bars, et les antennes de distribution aux usagers travaillant sous 100 millibars ou moins. Gaz de France, dont le centre de recherche de Saint-Denis est remarquablement équipé et compétent pour l’étude des matériaux, a choisi depuis près de dix ans de réaliser intégralement ces conduites de moyenne pression en « Polyéthylène 5 », dit de haute densité, compte tenu des résultats systématiquement bons relevés en laboratoire et sur chantiers pilotes. La production de tubes pour ce marché est de 5 000 t/an et couvre une gamme de diamètres allant de 20 à 125 mm. Le British Gas a suivi la même politique, avec cependant la mise au point d’une technique d’assemblage différente de celle de l’électrosoudage sélectionnée par Gaz de France.

Les tubes en PVC sont désormais irremplaçables dans le drainage des terrains agricoles (drains annelés) ou des routes, autoroutes et terrains d’aviation. Plus de 75 % du réseau autoroutier français est équipé de drains en PVC.

Dans le domaine de l’irrigation, les tubes en polyéthylène sont utilisés intensivement pour les conduites d’alimentation et pour les antennes de goutte-à-goutte. La production de ces très petits tubes très légers représente pourtant plus de 1 000 t/an.

Nous pouvons encore citer la fabrication de tubes à section alvéolée en PVC, utilisés pour le traitement oxydatif des eaux usées domestiques ou industrielles. Les alvéoles permettent la prolifération de bactéries, la circulation des eaux usées et leur aération. Un tel produit, fabriqué sous une licence française, possède maintenant des références de plus de dix ans en France et à l’exportation.

Enfin, les matières plastiques permettent le développement de la technique d’assainissement individuel par enfouissage. Elle assurera progressivement la salubrité des zones d’habitat dispersé où un égout collectif est trop coûteux pour la communauté. Il fallait pour cet usage des tubes bon marché, robustes et ne craignant pas la corrosion. La réponse des prescripteurs est significative de la parfaite adaptation à ce marché des canalisations plastiques en PVC par exemple.

UN FAISCEAU DE QUALITÉS

Notre époque se reconnaît en ces matériaux modernes que sont les canalisations en matières plastiques.

Sûrs d’eux à la rigueur scientifique qui préside à leur conception et à leur fabrication, flexibles non seulement physiquement mais encore par la diversité de leurs usages, jeunes et dynamiques avec la mise au point permanente de nouveautés technologiques, ils en étonnent encore beaucoup, mais on peut compter sur eux longtemps.

Le parrainage que leur assure la marque de qualité NF et de nombreux avis techniques constitue le gage de la confiance des pouvoirs publics à leur égard. Ils sont fiers de pouvoir être presque les seuls à s’en targuer dans toutes leurs applications et de constituer une famille de qualité et de fiabilité aussi homogène.