Ingénieur, Directeur à la Société EUROPLAST
I. — INTRODUCTION
Les tuyaux d’égouts et les raccords en polyéthylène (PE-HD) sont utilisés depuis environ quinze ans dans la construction de stations d’épuration industrielles et communales ; ils ont subi cette épreuve avec succès. Ils sont standardisés dans la DIN 19537 et peuvent être livrés comme tuyaux extrudés à parois pleines dans les classes de pression PN 3, 2/4/6 dans des diamètres extérieurs de 1 600, 1 200 et 900 mm. Des dérivations et coudes ainsi que des regards de visite et des regards autoportants dans la même matière complètent le programme (le raccordement des tuyaux, pièces de raccords et regards est effectué bout à bout à l’aide de la méthode de soudure par élément chauffant). Des dérivations complémentaires sur des canalisations existantes en PE-HD peuvent à tout moment être ajoutées à l’aide de la méthode de soudure par extrusion.
II. — EXIGENCES ET PROPRIÉTÉS
La construction et l’exploitation des tuyauteries enterrées pour la construction des stations d’épuration exigent du matériel les qualités suivantes (1) :
- — stabilité suffisante au regard de la surcharge de terre,
- — résistance à la corrosion intérieure et extérieure,
- — raccordements stables dans le temps,
- — résistance aux chocs mécaniques pendant le transport et l’installation, à l’usure par frottement pendant le service et aux efforts pendant le nettoyage des égouts,
- — longueurs de pose les plus grandes possibles pour un poids le plus faible, transport, pose et raccordement faciles des tuyaux,
- — résistance aux tassements par une flexibilité suffisante,
- — surface intérieure lisse,
- — forme des pièces de raccordement adaptée à leur fonction.
Les propriétés les plus importantes des tuyaux d’égouts en PE-HD comme le faible poids, la flexibilité, la résilience, la résistance à la corrosion, l’étanchéité parfaite et la résistance à la traction des soudures permettent une pose économique sans précautions spéciales dans les régions comportant des risques de glissement de terrain, dans des zones marécageuses, dans des fouilles noyées par des nappes d’eau ou comportant des eaux agressives.
Ces tuyaux peuvent être soudés aussi bien au fond de la tranchée qu’à l’extérieur. Ils peuvent aussi, suivant leur diamètre, être descendus à partir du bord en longueur complète ou en sections, comme ils peuvent être tirés dans la tranchée. L’égout en PE-HD forme ainsi, grâce aux soudures bout à bout des tubes par élément chauffant, un tronçon sans manchons et résistant à la traction ; l’ensemble avec les dérivations et les systèmes de canalisations fermées permet d’obtenir un maximum de sécurité de fonctionnement, les eaux usées n’étant en contact qu’avec une seule matière.
III. — FABRICATION DES TUYAUX
Le PE-HD est une matière synthétique thermoplastique qui a été développée il y a plus de vingt ans spécialement pour la fabrication des tuyaux (2). Les tuyaux en PE-HD sont fabriqués en continu suivant le procédé d’extrusion. Le dispositif principal d’une telle chaîne de fabrication est la boudineuse à vis (extrudeuse), qui plastifie la matière synthétique thermoplastique et qui la comprime avec une pression aussi régulière
… que possible par la filière sous haute pression et la sort sous forme de tuyau avec l’épaisseur de paroi exigée. En aval, le tuyau est calibré dans le calibreur par pression intérieure et est refroidi régulièrement jusqu’à ce que le diamètre extérieur reste constant. Le refroidissement complet du tuyau est assuré ensuite dans un bassin de refroidissement d’une longueur adéquate et placé en aval.
Pour que le tuyau formé par la filière puisse traverser sans encombre tous les autres dispositifs de la chaîne de fabrication, il doit être tiré en continu par la machine de traction synchronisée avec l’extrudeuse. Pour la mise en longueur, on dispose sur la chaîne de fabrication, derrière la machine de traction, d’une scie à tube à fonctionnement automatique. Un appareil marqueur, placé en général entre le bassin d’eau et la machine de traction, complète l’installation.
Les propriétés les plus importantes nécessaires pour l’emploi des tuyaux en PE-HD sont indiquées dans le tableau ci-contre. Les autres propriétés peuvent être recherchées dans la bibliographie (3).
IV. — CALCUL DES TUYAUX
4.1. — Calcul hydraulique
Le calcul hydraulique des tuyaux d’égouts est effectué aujourd’hui généralement suivant la formule Prandtl-Colebrook. Suivant cette formule, la capacité hydraulique d’une telle conduite, en dehors de la différence de niveau et de diamètre, est principalement fonction de la rugosité naturelle de la matière constituant le tuyau. Pour des tuyaux en PE-HD les valeurs k sont dans un ordre de grandeur proche de celles du verre ou du métal poli, c’est-à-dire égale à 0,007 mm (voir DVGW feuillet de travail W 327). La rugosité augmente pendant la durée d’utilisation soit lorsque les tuyaux sont faits d’une matière entraînant des dépôts sur les parois soit lorsque la surface des parois tend à se corroder. Ceci n’est pas le cas pour les tuyaux en PE-HD, ainsi que des résultats pratiques l’ont montré. En effet, grâce à la qualité hydrophobe du polyéthylène et à la résistance à la corrosion sur les eaux usées, on ne constate ni formation de dépôts ni corrosion (les résidus en suspension se déposant sur le fond du tuyau sous forme de boues peuvent être facilement enlevés par les moyens classiques tels que brosses ou dispositifs à jet d’eau).
Toutefois, dans la pratique on se sert pour le calcul des tuyaux d’égouts non pas de la rugosité naturelle k mais d’une rugosité de fonctionnement kₚ qui intègre l’influence du raccordement des tuyaux, les écarts par rapport à la section théorique calculée et l’influence des coudes et des dérivations.
Suivant les directives de l’Association pour les techniques des eaux usées (ATV), on distingue pour les tuyaux d’égouts selon le mode de construction les groupes suivants : le groupe I comprend les canalisations de construction usuelle qui sont posées suivant les normes générales des techniques de construction, et le groupe II qui comprend les canalisations de rugosité particulièrement faible et dont on peut assurer, en prenant des soins particuliers, une pose et une réalisation des joints impeccables.
[Encart : Tableau des propriétés importantes du PE-HD (Hostalen GM 5010 T2) pour tuyaux d’égouts. PROPRIÉTÉ — UNITÉ — PE-HD (Hostalen GM 5010 T2) Structure — — Cristallin partiel, homéopolaire Plage de fusion — °C — 127 jusqu’à 131 Plage de congélation — °C — 110 jusqu’à 120 Densité — g/cm³ — 0,954 Module de fluage à la flexion, valeur 1 min — N/mm² — 800 valeur 50 ans — N/mm² — 200 Résistance au fluage des tubes (v. admis.) valeur 50 ans — N/mm² — 5 Allongement des tuyaux soumis à une pression intérieure, valeur 50 ans — % — 2 Résilience à 20 °C — mJ/mm² — 18 Résilience à 0 °C — mJ/mm² — 13 Dissolution seulement à des températures supérieures à 90 °C dans des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques et leurs produits halogénés. Non résistant aux agents très oxydants (par ex. acide nitrique et sulfurique concentrés). Pour des tubes soumis à des sollicitations mécaniques, il faut procéder à des essais de fluage (détermination du facteur de résistance [4]). Résistance aux agents chimiques — — Résistance aux intempéries — — Après un stockage de 10 ans à nos latitudes, pas de tendance de diminution de durée de vie perceptible. Rugosité de fonctionnement kₚ des tubes — — 0,25 pour conduites d’égouts sous pression, 0,40 pour conduites à air libre ; ATV note technique A 110]tuyaux d'égouts en PE-HD sont à classer dans ce groupe II pour lequel on adopte une valeur k₀ = 0,4 mm pour des canalisations normales avec raccordements latéraux, et 0,25 mm pour des tronçons de canalisations droites, sans influences perturbatrices. Les tuyaux lisses en PE-HD présentent donc une supériorité technique considérable, car les valeurs k indiquées ci-dessus sont nettement plus faibles que celles prises en compte pour les tuyaux d'égouts usuels.
En ce qui concerne le calcul hydraulique des conduites d’eaux usées en tuyaux de PE-HD, il faut se reporter à (5) de la bibliographie.
4.2. — Calcul statique
En principe, on distingue dans les tuyaux d'égouts enterrés non soumis à pression, les tuyaux rigides (béton, tuyaux en fonte) et les tuyaux flexibles, par exemple les tuyaux en PE-HD. Comme les tuyaux flexibles sont déformables, l'indication d'une résistance à la compression verticale, comme c'est la coutume pour les tuyaux rigides, n'est pas une grandeur utilisable pour le dimensionnement. Le critère pour les tuyaux en PE-HD (moins rigides) est uniquement le rapport en pourcentage de la déformation du diamètre extérieur.
Le calcul statique des tuyaux d’égouts souterrains en PE-HD se faisait jusqu’à présent à partir du procédé développé par Watkins pour les tuyaux d’acier à paroi mince, procédé repris et étendu par Gaube aux tuyaux en matière plastique (6). L'ATV travaille actuellement à une directive pour le calcul statique des tuyaux d'égouts et d’évacuation d'eau (7). On cherche à adopter un modèle de calcul unitaire valable pour tous les matériaux. Les résultats calculés selon ce modèle concordent avec ceux obtenus par le modèle Watkins/Gaube et aussi avec ceux obtenus par des essais pratiques.
[Figure : Fig. 1 — Dimensionnement des tuyaux d'égouts en PE-HD pour différentes charges et variétés de terrain (déformation de longue durée admissible : 6 %).]En retenant une déformation admissible de longue durée de 6 %, des tuyaux en PE-HD sous des surcharges de terre et en cours d’exploitation peuvent être calculés à l'aide des courbes décrites dans la figure 1. Les valeurs pour les variétés de terrain sont à prendre dans les tableaux des directives de l’ATV.
Lorsque la conduite d’égout est posée sous le niveau de la nappe phréatique, il faut procéder, en plus du calcul de déformation, à un calcul de l'écrasement.
V. — LIVRAISON, TRANSPORT ET STOCKAGE DES TUYAUX
Les longueurs livrées pour les égouts en PE-HD (les longueurs standard commerciales sont de 12 m) dépendent exclusivement des possibilités de transport.
Ces tuyaux en PE-HD doivent être chargés, déchargés et transportés avec des dispositifs et véhicules adéquats sous surveillance d’un personnel compétent. Après déchargement, les tuyaux en PE-HD doivent être stockés sur des surfaces planes et les différentes couches sont à disposer d'une façon décalée et sans poutres intermédiaires ; à partir d’un diamètre extérieur de 500 mm, on doit se limiter à deux couches. En cas de stockage pour une période assez longue — en général moins de deux ans — les tuyaux et les raccords doivent être protégés contre le rayonnement solaire direct. Les supports placés dans les tubes à gros diamètre, particulièrement pendant les saisons chaudes pour éviter de trop grandes déformations, doivent être enlevés juste avant la soudure des tuyaux.
VI. — RACCORDEMENT DES TUYAUX
6.1. - Raccordement par emboîtement
Les raccordements par emboîtement ne sont utilisables que pour les égouts en PE-HD de petites dimensions. Ils sont réalisés sous forme de manchons doubles avec joints à lèvres ou sous forme de manchons emboîtables soudés aux tubes, avec joints O-ring. Des raccordements de ce type ne résistent pas à la traction.
6.2. - Raccordement par brides et collets
Les raccordements par brides et collets (brides folles et collets à souder qui seront ensuite soudés sur chantier) sont souvent utilisés dans la construction des stations d’épuration ; ils sont toutefois indispensables pour le raccordement à la robinetterie.
6.3. - Raccordement par soudure
Lors de la pose de tuyaux d’égouts en PE-HD, on utilise principalement la méthode de soudure bout à bout par élément chauffant. Grâce à elle, on peut fabriquer des raccordements homogènes, résistants à la traction et étanches ayant la même résistance à la corrosion que le tube lui-même. La base de la formation des soudeurs de tuyaux est la Note Technique DVS 2207 (DVS Association allemande pour la technique de soudure) : « Soudure de matière thermoplastique, PE-HD (polyéthylène haute densité) ». Les dispositifs de soudure nécessaires doivent répondre aux conditions de la Note Technique DVS 2208 « Soudure de matières thermoplastiques, machines et appareils pour soudure bout à bout par élément chauffant ».
Pour que les liaisons répondent aux conditions demandées, les travaux de soudure doivent être constamment surveillés. En pratique, ceci se fait à partir d'une check-list très précise et très détaillée (8).
VII. — PIÈCES DE RACCORDEMENT ET REGARDS DE VISITE
7.1. - Raccords
Suivant les méthodes de raccordement citées précédemment, on dispose de toute une série de raccords en PE-HD correspondants (dérivations, coudes, dérivations hors tubes) (figure 2).
Il n'y a pas de problème pour placer en tous temps des dérivations supplémentaires aux tuyauteries d’égouts en PE-HD à l'aide de la méthode de soudure par extrusion.
Pour le passage entre tuyaux de différents diamètres, on dispose de pièces de réduction qui doivent être soudées bout à bout sur les tuyaux.
7.2. - Regards de visite
Ces pièces en PE-HD sont en règle générale fabriquées à partir de tuyaux (figure 3) ; elles peuvent être amenées complètes avec fond de regard présoudain suivant DIN 4034 ou plaque de béton.
d'é et piquages d'entrée et de sortie fixés par soudure, sur le chantier.
Pour des regards en béton où l'on exige une résistance à la corrosion, on dispose d'un revêtement complet en PE-HD.
VIII. — POSE ENTERRÉE
Pour la pose enterrée d’égouts en PE-HD, il faut respecter, comme d’ailleurs pour les égouts en matériaux autres, les prescriptions de pose de la DIN 4033 et de la DIN 18300. La mise en fouille des tuyaux a une importance particulière, car leur résistance à l'écrasement est obtenue par l'effet de soutien du sol environnant.
Les hauteurs de recouvrement minimum au-dessus de la crête du tuyau sont de :
hmin > d > 1,0 m pour une circulation routière hmin > d > 1,5 m pour une circulation ferroviaire
Après exécution du remblai, les dilatations dues aux variations de température sont évitées par les forces de frottement existant entre tube et lit qui sont en général plus grandes que les forces exercées dans le tuyau et en empêchent la dilatation.
IX. — CONTRÔLE DE LA QUALITÉ DES TRAVAUX DE POSE ET DE SOUDURE
Pour le contrôle des travaux de soudure, les conseils indiqués dans la Note Technique DVS 2207 de la « Deutscher Verband für Schweissstechnik » sont applicables. Pour le contrôle non destructif des soudures, le contrôle par ultrasons suivant DVS 2206 est approprié.
Après la pose, il faut procéder à l'essai sous pression d'eau. Pour le contrôle d’étanchéité pour conduites semi-remplies, la norme DIN 4033, paragraphe 7, est à utiliser avec une pression d'épreuve de 0,5 bar.
BIBLIOGRAPHIE
(1) Hofer H. : « Betrachtungen zum wirtschaftlichen Einsatz von Rohren aus PE hart im Kanalbau », PV (18) 1967/10.
(2) Gaube E.; Diedrich G.; Müller W. : « Rohre aus thermoplastischen Kunststoffen – Erfahrungen aus 20 Jahren Zeitstandprüfung », Kunststoffe 66 (1976) 2, pages 2-8.
(3) Kunststoffe Hoechst, Hostalen GM 5010 – Rohre, Hoechst AG, Frankfurt, édition 1976.
(4) Gaube E.; Diedrich G. : « Kunststoffe im Rohrleitungs- und Apparatebau », Chemische-Ingenieur-Technik 46 (1974), pages 273-280.
(5) Unger P. : Tabellen zur hydraulischen Bemessung von Abwasserkanälen aus PE hart (Hostalen GM 5010), Hoechst AG Frankfurt, édition 1971.
(6) Gaube E. : « Bemessung von Kanalrohren aus PE hart und PVC hart », Kunststoffe 67 (1977).
(7) Richtlinie für die statische Berechnung von Entwässerungskanälen und ‑leitungen. Abwassertechnische Vereinigung e.V. (ATV), Arbeitsblatt A 127, 2ᵉ plan, édition juin 1978.
(8) Kunststoffrohrverein e.V. Bonn : Verlegeanleitung für PE-Kanalrohre, 1ʳᵉ édition 1979.
