Réduction de la pression et cavitation – Vos questions répondues

L’optimisation de la pression et du débit est une partie intégrante de la conception des systèmes d’irrigation. Avec des fluctuations constantes et souvent importantes du débit demandé et de la pression d’alimentation, les vannes et autres composants doivent garantir un contrôle dynamique de la pression et du débit sur l’ensemble du système.

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Lors du webinaire de BERMAD, « Réduction de la pression et prévention de la cavitation dans les systèmes d’irrigation », notre Responsable mondial de l’unité Irrigation, Yiftah Enav, a présenté les principes, méthodes, systèmes et solutions BERMAD pour la réduction de la pression et la prévention de la cavitation. Yiftah a partagé des conseils utiles pour choisir les vannes de contrôle de réduction de la pression (PRV) les plus efficaces afin d’assurer des performances durables et des économies de coûts.

Au cours du webinaire, des questions concernant la théorie de la cavitation, l’érosion, la vitesse, le ΔP et la pratique du criblage efficace, de la combinaison et de l’allocation des vannes de réduction de la pression de contrôle ont été abordées :

Q : Quelle est la différence entre les vannes de réduction de la pression et les vannes de réduction de la pression proportionnelles ?

R : Les vannes de réduction de pression (PRV) sont réglables et sont conçues pour réduire en continu une pression amont plus élevée à une pression aval constante plus basse, indépendamment des variations de la pression amont et/ou du débit demandé.

Vannes de réduction de la pression proportionnelle (PPRV) ne comprennent pas de pilote et ne sont donc pas réglables. En fonction du rapport entre les surfaces effectives de leur membrane et de leur fermeture, les PPRV réduisent en continu une pression amont plus élevée à une pression aval plus basse selon un rapport constant.

Seules les vannes à double chambre peuvent servir de PPRV.

Q : Pour toutes les tailles, le facteur de réduction PD est-il de 2,5 ?

R : Le facteur de réduction PD est de 2,5 dans la plupart des séries et des tailles ; cependant, le facteur de réduction peut varier et peut être consulté sur notre site web, dans les listes de prix et sur les pages produits concernées. Veuillez vous référer au tableau des rapports de réduction correspondant à chaque taille de vanne et à chaque série de vannes (100, 700).

Q : Peut-on utiliser des vannes de réduction de pression pour réduire la pression statique ? Une vanne de réduction de pression peut-elle fonctionner en l’absence de débit ?

R : Oui. Lorsque le débit demandé tombe à zéro, le débit atteignant la conduite via la vanne de réduction de pression (PRV) est momentanément supérieur au débit sortant de la conduite (qui est nul). En conséquence, la pression s’accumule et augmente légèrement dans la conduite en aval de la PRV. Le pilote de la PRV détecte une pression supérieure au réglage et ferme la PRV, « essayant » de ramener la pression au réglage. Comme le débit est nul (extrémité fermée), même lorsque la vanne est parfaitement étanche, la pression restera légèrement supérieure au réglage (en supposant l’absence de fuites), ce qui garantit que la PRV reste fermée.

Q : Il a été affirmé qu’il n’est pas toujours possible pour le régulateur de pression (PRV) de maintenir la pression P2 lorsque le débit s’arrête brusquement, contrairement à un régulateur de pression à action directe. À cet effet, une soupape de décharge est nécessaire en aval du PRV. Quelle est votre réponse à cette affirmation ?

A : Les régulateurs de pression à action directe peuvent être plus rapides que les régulateurs hydrauliques, mais ils sont nettement inférieurs en termes de perte de charge, de fonctionnalités supplémentaires (même ouverture/fermeture), de sensibilité, de précision, de maintenance et nécessitent tout de même une soupape de décharge pour protéger le système en cas de blocage ou de défaut d’étanchéité des régulateurs à action directe.

Pour accélérer le temps de réponse, un pilote de régulation de pression aval peut être ajouté ou, de préférence, utiliser une vanne de réduction de pression à double chambre.

Q : Nous réglons le réducteur de pression (PRV) à P1 pour maintenir la pression P2 requise. Dans cette condition, P1 est conforme à la conception (théoriquement), mais en réalité P1 varie en raison du fonctionnement partiel de la zone, de la variation de la demande, du fonctionnement de la pompe ou de fuites. Quelle est la pression P2 dans cette condition ? Est-ce qu’elle change (augmente) ? Devons-nous retourner sur site pour régler la pression ou la pression P2 se maintient-elle automatiquement ? De plus, que se passe-t-il avec le débit lors des variations lorsque P1 change ?

R : Les vannes de réduction de la pression sont commandées en continu par un pilote de réduction de la pression qui ne détecte que P2. Les variations de la demande et/ou de P1 qui influencent P2 sont immédiatement détectées par le pilote, ce qui provoque le déplacement de ses dispositifs internes et entraîne la fermeture instantanée de la vanne (lorsque P2 augmente) ou son ouverture (lorsque P2 diminue) afin d’atteindre le réglage du pilote.

Le débit est déterminé par les émetteurs et les sorties du système, et non par le régulateur de pression (PRV). En effet, le PRV ajuste automatiquement son taux d’ouverture en fonction de la demande réelle (& P1), de sorte qu’il n’est jamais « trop ouvert » ou « trop fermé » afin de toujours maintenir la pression P2 réglée.

Q : Quelles sont les différences pratiques entre les régulateurs de pression équipés de circuits de contrôle 2 voies et 3 voies ? Étant donné qu’un circuit 3 voies est mis à l’atmosphère, cela aura-t-il un impact sur la stabilité de régulation d’une vanne à membrane ?

A : Un circuit trois voies se caractérise par le fait que le pilote « sélectionne » le trajet de l’eau : P1 vers le contrôle (fermeture) ou contrôle vers la purge (ouverture). Cela permet d’utiliser un très faible volume d’eau de contrôle et entraîne deux comportements différents :

• Hystérésis (puisqu’un certain changement doit “s’accumuler” avant que les passages dans le pilote “bascule”), ce qui est considéré comme moins sensible, mais qui reste suffisamment faible dans les pilotes de haute qualité. L’hystérésis elle-même est parfois essentielle pour éliminer les oscillations de pression dans la conduite en “rompant” la chaîne de réaction du système.
• Entièrement ouverte lors de la chute de pression (lorsque le pilote évacue, « annulant » toutes les forces de fermeture), ce qui permet des économies d’énergie. La mise à l’atmosphère du reniflard entraîne parfois une ouverture trop rapide, provoquant une instabilité. Cela peut facilement être résolu en appliquant un goutteur ou une autre restriction à l’extrémité du tube de reniflard.

 

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Q : Quelle est la perte de pression +/- à travers un circuit de contrôle 2 voies ?

A : Un circuit deux voies se caractérise par un débit continu de P1 à travers une restriction vers la chambre de contrôle, tandis que le pilote « connecte » la chambre de contrôle à l’aval de la vanne, relâchant la pression de la chambre tant que la vanne est ouverte. Cela entraîne un volume relativement élevé d’eau de contrôle (0,2-0,5 m³/h ; 0,9-2,2 gpm) et une sensibilité à l’eau chargée, avec les comportements hydrauliques suivants :

• Hystérésis quasi nulle, car le déplacement requis du pilote pour augmenter (ouverture) ou diminuer (fermeture) le débit de décharge est insignifiant et donc immédiat. Bien que cela soit un avantage, c’est parfois trop sensible et peut entraîner des oscillations.
• Perte de charge supplémentaire (3-5 m ; 4,4-7 psi) créée en raison de la force du ressort + P2 dans la chambre de contrôle. Cette perte de charge supplémentaire disparaît lorsque la vitesse d’écoulement dans la vanne dépasse ~2 m/s ; 6,6 f/s et que la force d’ouverture de la vanne (due à ΔP) dépasse la force du ressort de la vanne principale.

Q : Quels sont les critères de dimensionnement pour la restriction d’entrée du circuit dans un circuit de contrôle 2 voies ?

A : La restriction de contrôle à deux voies doit être plus petite que le passage d’eau du pilote afin de permettre une régulation stable et précise, tout en minimisant la perte de charge additionnelle et en assurant un temps de réaction suffisant. On peut dire que le critère est la taille du passage d’eau dans le pilote, qui est liée à la taille de la vanne.

Q : Pour quels types d’applications les vannes de réduction de la pression proportionnelle peuvent-elles être utilisées ?

A : Lignes en pente descendante par gravité et/ou lorsque la ΔP requise est élevée et nécessite une réduction de pression en deux étapes afin de protéger les vannes contre l’érosion et la cavitation, et d’assurer une protection de secours au système.

Q : Lors de l’alimentation en aval à partir d’un réservoir de compensation vers plusieurs petits réservoirs d’irrigation (c’est-à-dire un déversement direct à l’atmosphère comme expliqué dans le cas des réservoirs de rupture de pression), quels types de vannes de réduction de la pression peuvent être utilisés ? Pouvez-vous apporter des précisions à ce sujet ?

R : La solution recommandée pour remplacer les réservoirs de rupture de pression (PBT) est d’utiliser des PPRV, qui présentent les avantages suivants :

• Aucune vanne de régulation de niveau
• Infrastructure rentable
• Pas de pression “0” en aval
• Réponse immédiate – double chambre
• Sans entretien – aucun pilote, restriction ou filtre
• Pas de contamination

Cependant, comme le rapport de réduction du PPRV est constant, lorsque la pression amont diminue en raison des pertes de charge par frottement dans la conduite, la pression aval diminue également. Comme le débit demandé pour l’irrigation varie, il est nécessaire de positionner les PPRV en fonction des différences d’altitude (pression amont maximale) et de la hauteur réelle à débit/friction maximal (pression amont minimale). Puisque chaque PPRV détermine la pression pour le PPRV suivant, le calcul de conception est un peu complexe. BERMAD a développé un fichier Excel prenant en compte tous les paramètres comme outil d’aide à la conception.

Q : Quelles restrictions doivent être utilisées pour les PPRV ?
R : Les PPRV ne nécessitent aucune restriction.

Q : Une vanne de réduction de pression peut-elle être conçue en fonction du débit comme variable plutôt qu’en fonction de la pression de sortie comme variable ? Peut-on utiliser une vanne de limitation/de contrôle de débit comme alternative à une vanne de réduction de pression dans certains cas, comme une conduite gravitaire ?

R : Plusieurs points doivent être pris en compte concernant la pression et le débit dans les vannes de réduction de la pression :

• Les vannes de réduction de la pression ne mesurent que la pression en aval (P2). Le débit est déterminé par la consommation d’eau du système en aval de la vanne de réduction de la pression (émetteurs, réservoirs, villages, etc.). Si la demande de débit augmente et que P2 diminue, la vanne de réduction de la pression va « essayer » d’augmenter P2 jusqu’à la consigne en s’ouvrant (en laissant passer plus de débit). Si la demande de débit diminue et que P2 augmente, la vanne de réduction de la pression va se fermer pour réduire P2 jusqu’à la consigne (en laissant passer moins de débit).
• On peut soit convertir le PRV en vanne de contrôle de débit (FCV), soit ajouter une fonction de contrôle de débit à un PRV, le transformant ainsi en vanne de réduction de pression et de contrôle de débit.
• La FCV ressemble beaucoup à la PRV, mais au lieu de détecter P2, le pilote FCV détecte ΔP ou ΔF (qui est l’« expression » hydraulique du débit) à travers une plaque à orifice, un tube de Pitot ou une palette située à l’intérieur du débit. Si la demande dépasse le réglage (même lorsque la pression est basse), l’augmentation de la vitesse d’écoulement augmentera ΔP ou ΔF et la FCV se fermera progressivement pour limiter le débit au réglage.
  

  

• Ajouter une fonction de contrôle de débit à une vanne de réduction de pression (PRV), la transformant ainsi en vanne de réduction de pression et de contrôle de débit, signifie que nous avons deux pilotes différents sur la même vanne. L’un contrôle le débit en se basant sur la détection de ΔP ou ΔF à travers
• une plaque à orifice, un tube de Pitot ou une palette ; l’autre détecte P2 et commande la vanne en conséquence.
  

  Si la demande augmente et que P2 diminue, le pilote de débit prendra le contrôle pour limiter le débit au réglage. Si la demande diminue, le pilote de débit permet à la vanne de s’ouvrir. Si P2 augmente, en raison d’une augmentation de P1 ou d’une baisse de la demande, le pilote de réduction prendra le contrôle et fermera progressivement la vanne.

  
  

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• Lorsque le pilote de contrôle de débit est en commande, la vanne se ferme, ce qui entraîne parfois une chute de P2 en dessous du réglage du pilote de réduction, qui ne domine pas la vanne et ne peut pas augmenter P2 tant que la demande reste supérieure au réglage du pilote de débit. Pour cette raison, il est recommandé de régler le pilote de débit 15 à 20 % au-dessus du débit nominal de la conduite.

Q : Nous avons installé quatre vannes à l’entrée du chak (bloc principal) où la pression d’entrée (P1) est de 60 m et les 4 vannes des sous-chaks (parcelles) ont des exigences de pression (P2) différentes (c’est-à-dire P2 pour la vanne 1 = 35 m, vanne 2 = 25 m, vanne 3 = 45 m, vanne 4 = 50 m). La longueur, le diamètre et l’élévation de la conduite de distribution du sous-chak varient, mais le même débit est requis à l’extrémité de sortie de chaque sous-chak. Donc, peut-on maintenir le même débit à l’extrémité de sortie du sous-chak lorsque P1 est constant, mais que P2 varie ?

R : La réponse dépend du fait que l’irrigation soit sous pression et réalisée par goutte-à-goutte, asperseurs ou jets (tout émetteur avec un débit connu), ou s’il s’agit d’une irrigation par submersion où l’extrémité de la conduite de distribution est ouverte à l’atmosphère.

• Dans l’irrigation MIS sous pression, le débit est déterminé par le débit cumulé de tous les goutteurs du sous-chak et est maintenu tant que P2 reste conforme à la conception et qu’aucune rupture ne s’est produite.
• En irrigation par submersion, la réduction de pression est sans objet puisque l’extrémité de la conduite est ouverte. La solution appropriée est une vanne de contrôle de débit, qui maintiendra une faible pression dans la conduite de distribution (perte de charge par friction à un débit donné + élévation).

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Q : Pouvons-nous modifier à distance le réglage du PRV pour la pression et le débit ?

R : Les vannes de réduction de pression (et toutes les vannes de contrôle hydrauliques) peuvent accepter deux pilotes réglés à des pressions différentes. L’installation d’un solénoïde pour « sélectionner » entre les pilotes permettra de basculer à distance entre les régimes de pression.

D’autres options nécessitent l’ajout de dispositifs sur le pilote pour permettre un réglage dynamique à distance. Cela nécessitera également des contrôleurs spéciaux pour permettre un contrôle analogique.

Q : Quelle est la plage optimale pour la course du piston dans les vannes hydrauliques de réduction de la pression ?

R : Environ entre 15 % et 30 % selon le type de vanne, la pression et les conditions de débit, le temps de fonctionnement annuel et d’autres facteurs. L’utilisation d’un obturateur en V force la vanne de réduction de la pression à s’ouvrir davantage pour mieux gérer les faibles débits. Cela permet à la vanne de réduction de la pression d’être ouverte à environ 15 % même lorsque la vitesse d’écoulement descend à environ 0,5 m/s.

Q : Dans un réseau de distribution à pompage direct, comment le réducteur de pression (PRV) réagira-t-il en cas de coupure de courant et de montée soudaine de la pression amont ? Sera-t-il capable de maintenir la pression P2 en aval ?

R : C’est complexe, car les pannes de courant sont des événements à scénarios multiples. En supposant que la question concerne une vanne de réduction de pression (PRV) sur l’une des sorties d’une conduite principale reliant la pompe à un réservoir, on peut s’attendre à ce que la PRV s’ouvre lorsque la pression chute en raison d’une onde négative. Dans ce cas, elle ne se refermera probablement pas assez rapidement pour maintenir P2 si une onde positive survient.

Q : La vanne de la série 400 (chambre simple, forme globe) peut-elle être utilisée pour des applications de réduction de la pression ? Si oui, sera-t-elle plus sujette à la cavitation par rapport aux vannes en Y (séries 100 et 700) ?

R : La série 400 peut être utilisée pour des applications de réduction de la pression. En fait, la plupart des applications de réduction de pression en métal dans l’irrigation sont réalisées par la série IR-400 ou d’autres vannes à chambre unique. La série IR-400 n’inclut pas de siège surélevé, ce qui les rend moins résistantes aux dommages de cavitation que la série IR-100, car elle est fabriquée en matériau composite, et que la série IR-700 qui intègre un siège surélevé en acier inoxydable. La forme en Y contribue également à une meilleure résistance à la cavitation et à des performances de débit supérieures d’environ 25 % par rapport aux modèles globes standards.