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IRC-CNRC - Les experts et le personnel

Méthodes de détection des fuites dans les conduites de distribution d'eau en plastiques

Projet de recherche financé par :

L'AWWA Research Foundation et CNRC Construction

Leak Finder

Une quantité importante de l'eau transportée par les réseaux de distribution, des usines de traitement jusqu'aux points de consommation, n'arrive jamais à destination. Selon une enquête réalisée en 1991 par l'Association internationale des distributions d'eau (AIDE), la quantité d'eau perdue ou « non comptabilisée » se situerait entre 20 et 30 p. 100 de la production totale. L'eau échappe au contrôle à cause des fuites, des erreurs aux compteurs et du piratage - les fuites étant la cause première. Aux problèmes environnementaux et aux pertes économiques liés aux fuites s'ajoutent les risques pour la santé publique qu'engendre la pénétration des contaminants dans les réseaux dès qu'une chute de pression se produit.

Les pressions économiques, la menace pour la santé publique et, tout bonnement, la nécessité d'économiser l'eau ont poussé les exploitants de réseaux d'aqueduc à mettre en place des programmes d'élimination des fuites. Tous ces programmes de contrôle, quelle que soit la formule adoptée, comportent deux volets principaux : la surveillance des débits et la détection des fuites. Les programmes de surveillance des débits supposent de faire le relevé précis de l'écoulement aux points d'entrée et de sortie des réseaux de distribution ou dans des tronçons déterminés. Ces vérifications permettent de déceler les sections où les fuites sont abondantes. Malheureusement, il est impossible d'en connaître l'endroit précis. C'est alors qu'entre en jeu la détection des fuites.

Dans les études de détection, on repère les fuites à l'aide d'appareils acoustiques qui captent les bruits ou les vibrations émis par l'eau s'échappant sous pression des canalisations. Ces appareils sont des tiges d'écoute (photo 1), des aquaphones (ou sonoscopes) et des géophones (ou microphones de sol). Ils permettent d'écouter les sons produits par les fuites aux points de raccordement des canalisations avec des prises d'incendie et des soupapes, par exemple. Il y a aussi les instruments de détection par corrélation, appelés corrélateurs (photo 2). Ce sont des instruments informatiques modernes, faciles à installer sur le terrain (photo 3), qui mesurent les signaux (sons ou vibrations) en deux points situés de part et d'autre de l'endroit suspect. L'emplacement exact de la fuite est automatiquement trouvé grâce au décalage des signaux et par corrélation croisée. Il existe plusieurs marques de détecteurs acoustiques sur le marché - cliquer ici pour afficher la liste des fabricants de ces appareils (tableau 1 à la fin du texte).

Enoncé du problème

La majorité des opérateurs professionnels considèrent que le matériel de détection des fuites est satisfaisant. Cependant, ceci n'est vrai que dans le cas des conduites de métal. Pour les conduites en plastique, l'efficacité des instruments n'est ni bien établie ni documentée. Ces instruments ont été d'abord conçus pour les conduites de métal mais les caractéristiques de transmission acoustique diffèrent grandement selon qu'il s'agit de tuyaux de plastique ou de tuyaux en métal. Les tuyaux de plastique sont plus « silencieux » et conduisent moins bien les sons ou les vibrations que les tuyaux en métal. Les problèmes qui entravent habituellement l'utilisation des instruments acoustiques pour localiser les fuites, par exemple l'interférence causée par les bruits de la circulation et l'affaiblissement des signaux le long des conduites, sont accentués dans le cas des conduites de plastique, ce qui amène la plupart des opérateurs à douter de l'efficacité du matériel acoustique de détection - un problème épineux eu égard à la progression de l'utilisation de canalisations en plastique dans les réseaux d'aqueduc partout dans le monde.

Objectif principal du projet de recherche

L'objectif principal du projet de recherche était de vérifier la capacité du matériel de détection acoustique, en particulier les corrélateurs, à localiser les fuites dans les conduites en PVC. On a avant tout cherché à évaluer les méthodes utilisées, et non à comparer les différentes marques d'équipement entre elles. Le projet comportait aussi les volets suivants :

Étude de l'équipement de détection des fuites
Caractérisation des signaux émis par les fuites dans les conduites en plastique
Détermination des améliorations à apporter à l'équipement et aux méthodes actuels
Évaluation du potentiel des techniques employées par les autres industries.

L'objectif premier du projet de recherche était d'évaluer la précision de repérage des fuites dans les canalisations de distribution d'eau en plastique à l'aide de l'équipement de détection acoustique qu'utilise couramment l'industrie de la distribution de l'eau en Amérique du Nord, ainsi que les nouvelles techniques prometteuses mises au point par d'autres industries, par exemple le géoradar, la thermographie infrarouge et le gaz de dépistage.

Méthodologie

Pour cette recherche, on a effectué des essais intensifs in situ, dans des conditions contrôlées, sur le site de détection des fuites spécialement aménagé sur les terrains du Conseil national de recherches, à Ottawa (Canada). Pour évaluer l'équipement de détection acoustique courant on a fait appel à plusieurs équipes de sociétés de services publics et d'entreprises canadiennes ou américaines de réparation spécialisées dans la détection des fuites. Les équipes ont été invitées à participer à des essais de détection à l'aveugle. Elles ont utilisé des appareils d'écoute et des corrélateurs. Elles devaient localiser des fuites provoquées sans aucune indication de leur emplacement réel.

En plus des essais à l'aveugle, l'équipe de chercheurs a mené des essais paramétriques intensifs dans le but d'évaluer l'effet de plusieurs paramètres sur la précision du repérage des fuites par la méthode de corrélation croisée, et de déterminer les instruments et les paramètres de traitement des signaux optimaux. Pour ces essais, elle a utilisé un système très perfectionné et polyvalent d'analyse et de mesure des vibrations (photo 4). Les paramètres d'étude avaient trait aux conditions du site, aux instruments, ainsi qu'à l'analyse et au traitement des signaux. On a également étudié les caractéristiques acoustiques des signaux émis par les fuites, notamment la fréquence, le taux d'affaiblissement et la variation de la vitesse de propagation selon la fréquence (ou dispersion). On a mesuré les signaux en hiver et en été afin de déterminer l'effet du sol gelé sur les caractéristiques acoustiques.

Enfin, on a évalué le potentiel d'autres méthodes de repérage des fuites n'utilisant pas l'acoustique en demandant à des utilisateurs expérimentés d'en appliquer quelques-unes au site du CNRC, notamment la détection par géoradar (photo 5), par thermographie (photo 6) et par gaz de dépistage (photo 7).

Installation d'essais de détection des fuites

Les essais de détection des fuites ont été réalisés à l'aide d'une conduite expérimentale, sur le site spécialement aménagé pour le projet de recherche, sur les terrains du Conseil national de recherches du Canada (CNRC), à Ottawa (photo 8). La conduite expérimentale en PVC, du type conduite souterraine alimentant les habitations, était raccordée au réseau de distribution du CNRC. Elle mesurait 150 mm (6 po) de diamètre, 200 m (652 pi) de longueur et était enfouie à une profondeur de 2,4 m (7,87 pi). Le type de sol à cet endroit était de l'argile limoneuse molle.

Les détecteurs de fuite ont été fixés près des nombreux points de raccordement ou branchements de la conduite, c'est-à-dire les raccords des deux bouches d'incendie (photo 9) espacées de 103 m (338 pi) et les six raccords de branchement de tuyaux de cuivre de 19 mm (3/4 po) (photo 9). Deux de ces branchements se trouvaient à moins d'un mètre de part et d'autre d'un joint de la conduite en PVC. C'est là qu'on a mesuré l'affaiblissement des signaux sonores franchissant le joint. En plus de constituer des points de contact sur la conduite d'essai, les branchements ont servi à simuler les bruits parasites causés par la circulation de l'eau dans les canalisations desservant les maisons.

On a provoqué des fuites à un branchement et à un joint de la conduite, et pratiqué une fissure le long de celle-ci (photo 10). Chaque point de fuite pouvait être activé et le débit régulé à l'aide de robinets appropriés. La section de conduite dans laquelle des fuites ont été créées a été remblayée à l,aide du sol argileux indigène. On a installé à l'extrémité amont de la conduite d'essai un collecteur sur lequel étaient montés un robinet réducteur de pression, un compteur à débit lent, un manomètre et un dispositif antiretour à double effet. On pouvait régler la pression de l'eau entre 139 et 414 kPa (20-60 lb/po2). Les débits variant entre 0,9 et 27 L/min (0,25-7 g/min) pouvaient être mesurés avec une précision de ± 5 %.

Conclusions

Les corrélateurs commerciaux se sont avérés capables de détecter les fuites dans les conduites en plastique. Selon les conclusions de l'étude, par contre, plusieurs améliorations pourraient être apportées à l'équipement actuel et aux méthodes de détection pour en accroître l'efficacité. On pense par exemple à la révision des algorithmes de fonctionnement en mode automatique, à l'utilisation de détecteurs plus sensibles, surtout dans le cas des accéléromètres, à la vérification des vitesses de propagation dans divers types et diamètres de canalisations, aux méthodes de vérification du fonctionnement des détecteurs, à l'utilisation de systèmes de transmission-réception des très basses fréquences, à des valeurs de réglage plus étendues des filtres passe-haut et passe-bas (p. ex. une graduation plus fine et une limite inférieure plus basse), et à l'affichage facultatif des temps précédents et du spectre des fréquences des signaux sonores émis par les fuites.

De plus, parmi les mesures proposées pour améliorer les méthodes de localisation des fuites par corrélation des signaux sonores, on trouve l'utilisation d'instruments à basse fréquence, la mesure in situ de la vitesse de propagation des signaux, la vérification du fonctionnement des détecteurs, l'utilisation d'hydrophones et le montage de détecteurs de vibration suffisamment sensibles, lorsqu'ils sont disponibles, sur les bouches d'incendie pressurisées plutôt que sur les robinets de sectionnement. Pour la conduite de 150 mm (6 po) en PVC utilisée pour l'étude, la plage optimale des fréquences pour la corrélation des signaux allait de 15 à 100 Hz. Toutefois, il se peut qu'il faille abaisser ou relever davantage la limite inférieure des basses fréquences en fonction du diamètre, du type de conduite et des conditions du site.

Enfin, la recherche initiale des fuites qui s'effectue habituellement à l'aide de dispositifs d'écoute et uniquement aux raccordements des canalisations de distribution risque de s'avérer inutile à cause du fort taux d'affaiblissement des signaux sonores dans les conduites de plastique. Il serait préférable d'utiliser des microphones à grande sensibilité, mais cette méthode exige plus de temps. La thermographie et l'utilisation de géoradars se sont avérées des techniques prometteuses et pourraient être efficaces pour les recherches initiales - on recommande donc d'en approfondir le potentiel. La méthode des gaz de dépistage s'est révélée efficace mais laborieuse, ce qui la rend inadéquate pour la localisation périodique des fuites. En revanche, elle pourrait être une solution de rechange utile si les autres méthodes échouaient.

Rapport Final

Le rapport final concernant ce projet sera disponible au printemps 1999 à la librairie de l'AWWA. Il porte le titre suivant : « Leak detection methods for plastic water distribution pipes ». [Pour en commander un exemplaire, téléphoner au numéro sans frais 800 926-7337]. Le rapport est gratuit pour les membres de la fondation de recherche de l'AWWA [téléphone : (303) 347-6121].

Equipe

Ce projet a été réalisé par le personnel des laboratoires des infrastructures urbaines, des structures et d'acoustique de l'Institut de recherche en construction du Conseil national de recherches du Canada. Les membres de l'équipe étaient Osama.Hunaidi (chef de projet et responsable de l'étude), Wing Chu (coresponsable de l'étude), Alex.Wang, Wei.Guan, Ted.Hoogeveen, Bruce Baldock et Rock Glazer. Michael Caprara était le chargé de projet pour la fondation de recherche de l'AWWA.

Organisations

La fondation de recherche de l'American Water Works Association et le Conseil national de recherches du Canada se sont partagés le coût du projet. La municipalité régionale d'Ottawa-Carleton et la Louisville Water Company ont contribué matériellement au projet.

Pour en savoir plus

Pour obtenir de plus amples renseignements, communiquer avec M. Michael Caprara, AWWARF, 6666 West Quency Avenue, Denver, CO., 80235-3098, É.-U. [téléphone : (303) 347-6112, télécopieur : (303) 730-0851, c. élec. :mcaprara@awwarf.com], ou avec M. Osama Hunaidi, Institut de recherche en Construction, Conseil national de recherches du Canada, Ottawa, Canada K1A 0R6 [Téléphone : (613) 993-9720, télécopieur : (613) 952-8102

Tableaux, photographies et illustrations