Coup de bélier

Comprendre les coups de bélier dans les installations hydrauliques

Les coups de bélier sont des phénomènes transitoires qui surviennent lors de variations brusques du régime d’écoulement dans une canalisation. Ils peuvent engendrer des surpressions dangereuses, susceptibles d’endommager les équipements hydrauliques. Cet article présente les fondements théoriques, les méthodes d’analyse et les dispositifs de protection associés à ces phénomènes.

À la suite d'un coup de bélier hydraulique, un contrôle approfondi des tuyauteries et des réservoirs s'impose, insistant tout particulièrement sur les éléments de support (points fixes et patins de glissement). Cette inspection est indispensable.

J’ai en mémoire dans une distillerie de ma connaissance qu’un réservoir de 2000 m³ d’alcool s’était élevé de son assise de plus de 19 cm avec la rupture en traction des boulons d’ancrage et retombé sur ses appuis après un coup de bélier survenu la nuit. Un très grand bruit puis plus rien et aucune fuite d’alcool. Aucune mention sur le cahier de quart … La vie a continué jusqu’à ce que 3 mois après l’incident un petit curieux remarque que les tresses de mise à la terre étaient rompues et que les boulons d’ancrage s’étaient désolidarisés du massif en béton. C’était sur un site Seveso 2 seuil haut …
Claude PICHOT - Président d'honneur AFIM

Définition et origine du coup de bélier

Un coup de bélier désigne une variation rapide de pression provoquée par une modification soudaine du débit d’un liquide dans une conduite. Ce phénomène se produit fréquemment lors de la fermeture rapide d’une vanne ou de l’arrêt brutal d’une pompe. Il peut entraîner des ruptures de canalisations ou des détériorations d’appareils.

Théorie du coup de bélier de masse

La théorie du coup de bélier de masse repose sur une modélisation simplifiée de l’écoulement instationnaire. Elle suppose une faible compressibilité du liquide et une déformation négligeable des conduites. Dans ce cadre, les équations de continuité et de mouvement permettent d’estimer les variations de pression et les oscillations induites par des fermetures de vanne ou des arrêts de pompe.

Un exemple classique est celui d’une installation avec cheminée d’équilibre. Lors de la fermeture instantanée d’une vanne, le liquide oscille entre la retenue et la cheminée, générant une onde de pression dont la période et l’amplitude peuvent être calculées analytiquement.

Limites de la théorie simplifiée

La théorie du coup de bélier de masse devient inadaptée lorsque la fermeture de la vanne est trop rapide. Dans ce cas, les pressions calculées tendent vers des valeurs irréalistes. Il est alors nécessaire de recourir à une modélisation plus précise, prenant en compte la propagation des ondes de pression dans le fluide.

Propagation des ondes dans les fluides

Lorsqu’un ébranlement se produit dans un fluide, il se propage sous forme d’onde à une célérité finie. Cette célérité dépend des propriétés thermodynamiques du fluide et de la compressibilité du milieu. Dans les liquides, elle est généralement élevée (environ 1414 m/s pour l’eau), tandis que dans les gaz, elle est plus faible.

Formules d’Allievi et réflexion des ondes

Les équations d’Allievi permettent de modéliser les ondes progressives et régressives dans une canalisation. Elles décrivent les variations de pression et de vitesse en fonction du temps et de la position. Lorsqu’une onde atteint une extrémité (vanne fermée ou réservoir), elle est réfléchie, générant un ébranlement inverse. La nature de cette réflexion dépend des conditions aux limites.

Méthode de Bergeron : approche graphique

La méthode de Louis Bergeron propose une construction graphique pour visualiser les effets des coups de bélier. Elle est particulièrement utile pour les installations simples. Elle permet d’illustrer les interactions entre ondes incidentes et réfléchies, ainsi que les variations de pression dans le temps.

Stations de pompage et dispositifs de protection

Les coups de bélier sont fréquents dans les stations de pompage. Leur impact peut être atténué par des dispositifs tels que les cheminées d’équilibre ou les réservoirs antibélier. Ces équipements absorbent les surpressions et limitent les risques de cavitation. Le dimensionnement de ces dispositifs est essentiel pour garantir la sécurité de l’installation.

Méthode des caractéristiques

Pour les installations complexes, la méthode des caractéristiques offre une solution numérique robuste. Elle permet de résoudre les équations instationnaires en tenant compte de la dégradation énergétique et des conditions aux limites. Cette approche est largement utilisée en simulation hydraulique.

Conclusion

Les coups de bélier constituent un enjeu majeur dans la conception et l’exploitation des réseaux hydrauliques. Leur compréhension repose sur des modèles physiques et mathématiques adaptés à chaque situation. Qu’il s’agisse de la théorie de masse, de la propagation d’ondes ou de méthodes numériques, l’ingénieur doit choisir les outils appropriés pour anticiper et maîtriser ces phénomènes. L’intégration de dispositifs de protection et l’analyse fine des régimes transitoires sont indispensables pour assurer la fiabilité des installations.

Source : Article dans Techniques de l’ingénieur "Coups de bélier" par Marcel FRELIN
Marcel FRELIN : Ingénieur CNAM - Docteur de l’Université - Sous-directeur honoraire de Laboratoire au Conservatoire national des arts et métiers