Le calcul du diamètre d'une canalisation de bitume n'est que la première étape de la conception d'un système de transfert. Il convient ensuite de vérifier si la pompe choisie est capable d'assurer le débit requis dans cette canalisation.
Chaque mètre de tuyau, chaque coude, vanne et filtre, et chaque mètre de dénivelé vertical engendre une résistance. Le bitume étant très sensible à la température et beaucoup plus visqueux que l'eau ou les produits pétroliers légers, les pertes de charge peuvent constituer une contrainte majeure lors de la conception.
Ce guide explique le cadre d'ingénierie utilisé pour évaluer la perte de pression dans un pipeline de bitume chaud et comment le résultat est utilisé pour définir la pression différentielle de la pompe.
Qu'est-ce qu'une perte de pression dans un pipeline ?
Lorsqu'une pompe déplace du bitume dans un tuyau, une partie de la pression de la pompe est consommée pour vaincre la résistance.
La pression différentielle totale requise peut être considérée comme :
Pression différentielle totale de la pompe = frottement dans la conduite droite + pertes dues aux raccords et à l'équipement + différence de pression statique
Selon le système, des pertes supplémentaires peuvent provenir des filtres, des échangeurs de chaleur, des vannes de régulation, des compteurs et des buses d'équipement.
Étape 1 : Définir le débit requis
Il est impossible de calculer la perte de charge sans définir au préalable le débit.
Le flux de conception peut être contrôlé par :
- Consommation d'asphalte
- Temps de transfert de réservoir à réservoir
- Temps de déchargement du camion-citerne
- Sortie de fusion en fût ou en sac
- Demande de circulation
Pour la méthodologie de calcul du débit de la pompe, voir :
Comment calculer le débit d'une pompe à bitume pour une centrale d'enrobage ?
Étape 2 : Utiliser le diamètre intérieur réel du tuyau
Le diamètre nominal d'un tuyau ne correspond pas toujours à son diamètre intérieur réel. L'épaisseur de paroi et le diamètre du tuyau influent sur la section de passage.
Pour un débit donné, un diamètre interne plus petit augmente la vitesse et, normalement, les pertes par frottement.
La relation de vitesse de base est :
V = Q ÷ A
où:
- V = vitesse moyenne
- Q = débit volumétrique
- A = surface interne du tuyau
Pour le calcul préliminaire du diamètre, voir :
Calcul du diamètre des canalisations de bitume pour les centrales d'enrobage
Étape 3 : Déterminer la viscosité du bitume à la température de fonctionnement
Il s'agit là d'un des intrants les plus importants.
La viscosité du bitume varie considérablement avec la température. Un calcul de perte de charge basé sur la viscosité à 160 °C ne peut être appliqué automatiquement lorsque le même matériau est transféré à une température nettement inférieure.
Utiliser les données de viscosité pour :
- Le grade réel du liant
- La température de transfert prévue
- La condition de cisaillement pertinente, le cas échéant
Pour les liants modifiés au SBS ou au caoutchouc, le comportement rhéologique peut différer de celui des bitumes de pénétration classiques. Une simple approximation de fluide newtonien ne doit pas être systématiquement utilisée pour tous les liants modifiés.
Étape 4 : Déterminer le régime d'écoulement
Pour les calculs de fluides classiques, le nombre de Reynolds est couramment utilisé pour évaluer si l'écoulement est laminaire, transitoire ou turbulent :
Re = ρVD ÷ μ
où:
- ρ = densité du fluide
- V = vitesse moyenne
- D = diamètre intérieur du tuyau
- μ = viscosité dynamique
Comme le bitume chaud peut rester relativement visqueux, son comportement d'écoulement peut différer considérablement de celui des systèmes de canalisations à base d'eau.
Le modèle de frottement sélectionné doit donc correspondre au comportement du matériau et au régime d'écoulement.
Étape 5 : Calculer le frottement dans un tuyau droit
Pour les fluides et les conditions où l'approche de Darcy-Weisbach est applicable, la perte de charge dans une conduite droite peut être représentée par :
ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)
où:
- ΔP = perte de pression
- f = Facteur de frottement de Darcy
- L = longueur du tuyau
- D = diamètre intérieur du tuyau
- ρ = densité du fluide
- V = vitesse moyenne
Le coefficient de frottement dépend du régime d'écoulement, de l'état de la conduite et, dans certains régimes, de la rugosité relative.
Pour les liants modifiés très visqueux ou non newtoniens, l'ingénieur doit utiliser un modèle adapté à la rhéologie réelle au lieu d'appliquer mécaniquement une hypothèse de canalisation d'eau.
Étape 6 : Ajouter les pertes d'ajustement
Une véritable ligne de transfert contient plus qu'un simple tuyau droit.
Une résistance supplémentaire peut provenir de :
- coudes à 90° et 45°
- T-shirts
- Réducteurs
- vannes d'isolement
- clapets anti-retour
- vannes de régulation
- Filtres et passoires
- débitmètres
- Connexions flexibles
Ces pertes peuvent être évaluées à l'aide d'un coefficient de perte approprié ou d'une méthode de longueur équivalente.
Une conduite comportant de nombreuses vannes et coudes peut nécessiter une pression sensiblement plus élevée qu'une conduite droite de même longueur.
Étape 7 : Ajouter la pression d’élévation statique
Si la pompe transporte le bitume à une altitude plus élevée, elle doit également surmonter la hauteur de chute statique.
Une relation simplifiée est :
ΔPstatique = ρgΔH
où ΔH est la différence d'altitude.
Si la destination est plus basse que la source, la gravité peut faciliter l'écoulement, bien que toutes les autres exigences hydrauliques et opérationnelles doivent encore être évaluées.
Étape 8 : Inclure les pertes liées aux filtres et à l'équipement
Les filtres peuvent s'avérer particulièrement importants dans les systèmes bitumineux.
Un filtre propre peut créer une résistance acceptable, tandis qu'un filtre partiellement obstrué peut augmenter considérablement la pression de refoulement de la pompe.
Le budget des pertes de charge doit donc prendre en compte :
- État propre
- État de saleté attendu lorsque les données sont disponibles
- chutes de pression de l'équipement spécifiées par le fabricant
Étape 9 : Déterminer le point de fonctionnement de la pompe
Après prise en compte de toutes les pertes, le résultat définit le débit approximatif de la pompe :
Débit requis à la pression différentielle requise
Ne choisissez pas la pompe uniquement en fonction du débit maximal.
Le fabricant de la pompe doit vérifier :
- Écoulement à pression différentielle
- Viscosité réelle du liant
- vitesse de fonctionnement
- Couple requis
- Puissance du moteur
- Agencement du joint
- Dispositif de chauffage
- Conditions d'aspiration
Exemple de cadre de calcul
Envisagez un projet avec :
- Débit de bitume requis : 20 m³/h
- Longueur du pipeline : 60 m
- Diamètre intérieur réel connu du tuyau
- Huit coudes
- Plusieurs vannes d'isolement
- Un filtre
- Élévation verticale de 4 m
La méthode correcte ne consiste pas à deviner la pression de la pompe à partir de la longueur du tuyau de 60 m.
Plutôt:
- Déterminer la densité et la viscosité du bitume à la température de transfert.
- Calculer la vitesse à partir de la surface interne réelle du tuyau.
- Déterminer le régime d'écoulement et la méthode de frottement applicables.
- Calculer les pertes de charge dans une conduite droite.
- Ajoutez les pertes dues aux coudes et aux vannes.
- Ajouter les pertes du filtre ou de l'équipement.
- Ajouter la pression d'altitude statique.
- Ajouter une marge d'ingénierie adaptée aux données de conception.
- Vérifiez le point de fonctionnement requis par rapport à la courbe de la pompe.
Pourquoi la température peut modifier les exigences de la pompe
Un pipeline conçu en fonction de la viscosité du bitume chaud peut se comporter très différemment après un arrêt prolongé ou lors d'un démarrage à froid.
Une température de matériau plus basse peut augmenter :
- Viscosité
- Pertes par frottement
- Couple de la pompe
- Courant moteur
- Pression différentielle du filtre
C’est pourquoi le chauffage et l’isolation des canalisations font partie intégrante de la fiabilité hydraulique.
Pourquoi l'augmentation du diamètre des tuyaux peut réduire les pertes de pression
Pour un même débit volumique, un diamètre interne plus grand réduit la vitesse moyenne. Cela peut réduire considérablement les pertes par frottement.
Cependant, un tuyau excessivement grand augmente également :
- Coût des matériaux
- Zone d'isolation
- Volume de bitume retenu
- surface chauffante
- Volume de drainage après arrêt
Le diamètre du pipeline doit donc être optimisé plutôt que simplement maximisé.
Signes courants d'une perte de pression excessive
- Pression de refoulement de la pompe plus élevée que prévu
- Débit réel inférieur au débit nominal de la pompe
- L'intensité du courant moteur augmente lors du fonctionnement par temps froid.
- Obstruction fréquente du filtre
- Transfert lent de réservoir à réservoir
- Grande différence de température le long de la ligne
- surcharge de la pompe ou de l'accouplement
Erreurs de calcul courantes
Utilisation des propriétés de l'eau pour le bitume
Les hypothèses de perte de charge basées sur l'eau ne conviennent pas aux liants chauds visqueux sans ajustement approprié.
Négliger la température
La viscosité doit correspondre aux caractéristiques du matériau et à la température de fonctionnement.
Utilisation du diamètre intérieur nominal au lieu du diamètre intérieur réel
L'épaisseur de la paroi du tuyau modifie la section de passage réelle.
Ignorer les raccords et les filtres
Un système est rarement constitué uniquement de tuyaux droits.
En négligeant l'altitude statique
La hauteur de levage verticale contribue directement à la pression requise par la pompe.
Vérification du débit maximal de la pompe, mais pas du point de fonctionnement
La pompe doit fournir le débit requis à la pression différentielle calculée.
Informations nécessaires à un calcul d'ingénierie
- Débit requis
- Qualité du bitume
- Densité à la température de fonctionnement
- Données de viscosité ou rhéologiques à la température de fonctionnement
- diamètre intérieur réel du tuyau
- Matériau et état des tuyaux
- Longueur totale en ligne droite
- Profil d'élévation
- Coudes, tés et réducteurs
- Types et quantités de vannes
- données de filtre ou de tamis
- Autres équipements en ligne
- Données de la pompe
Questions fréquemment posées
Peut-on calculer la perte de pression à partir de la seule longueur du tuyau ?
Non. Le débit, le diamètre intérieur, la viscosité, la densité, les raccords, l'altitude et les pertes liées à l'équipement influent tous sur le résultat.
Pourquoi la pression dans les pipelines de bitume augmente-t-elle lorsque la température baisse ?
Une température plus basse augmente généralement la viscosité du bitume, ce qui accroît sa résistance à l'écoulement.
Un tuyau de plus grand diamètre résout-il toujours les problèmes de perte de pression ?
L'augmentation du diamètre peut réduire les pertes par frottement, mais le système complet doit tout de même être vérifié en ce qui concerne le chauffage, le coût, la vitesse d'écoulement et le comportement à l'arrêt.
Le bitume modifié doit-il être calculé de la même manière que le bitume conventionnel ?
Pas automatiquement. Le bitume modifié par polymères (PMB) et le bitume caoutchouté peuvent présenter des viscosités et des comportements rhéologiques différents.
Conclusion
Un calcul fiable pour un pipeline en bitume chaud doit établir un lien entre la résistance hydraulique, les propriétés réelles du matériau et la température de fonctionnement.
La séquence d'ingénierie est la suivante :
Débit → Viscosité → Diamètre du tuyau → Frottement → Raccords → Hauteur statique → Charge de la pompe
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