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Qu'est-ce que la rugosité d'une conduite ?
La rugosité absolue ε (ou k) d'une conduite est la hauteur moyenne des aspérités de sa paroi intérieure, exprimée en millimètres. Rapportée au diamètre, elle donne la rugosité relative ε/D qui entre dans la formule de Colebrook pour déterminer le coefficient de perte de charge λ en régime turbulent. Un tube neuf en acier a une rugosité d'environ 0,05 mm, un tube en PVC ou en cuivre de 0,002 à 0,01 mm, une fonte ancienne ou un béton brut de 1 à 3 mm. La rugosité augmente avec l'âge, la corrosion et les dépôts, et avec elle la perte de charge.
Rugosité relative et perte de charge
- ε : rugosité absolue de la paroi, en mm (ou en m dans la formule, même unité que D)
- D : diamètre intérieur de la conduite
- λ : coefficient de perte de charge régulière donné par la formule de Colebrook-White ; Re : nombre de Reynolds
Exemple : dans une conduite DN 50 parcourue par de l'eau à 1,4 m/s (Re ≈ 70 000), passer d'un acier neuf (ε = 0,05 mm) à un acier corrodé (ε = 1 mm) fait passer λ de 0,023 à 0,049 : la perte de charge double.
Tableau des rugosités absolues des conduites
| Matière et état de la conduite | Rugosité ε (mm) |
|---|---|
| PVC, PE, verre, tube étiré neuf | 0,0015 à 0,007 |
| Cuivre, laiton, inox étiré | 0,0015 à 0,01 |
| Acier neuf, soudé ou étiré | 0,03 à 0,05 |
| Acier galvanisé neuf | 0,10 à 0,15 |
| Acier légèrement rouillé | 0,15 à 0,4 |
| Acier fortement corrodé ou incrusté | 1 à 3 |
| Fonte neuve | 0,25 |
| Fonte rouillée | 1 à 1,5 |
| Fonte incrustée | 1,5 à 3 |
| Béton lisse (coffrage métallique) | 0,3 à 0,8 |
| Béton brut | 1 à 3 |
| Gaine de ventilation en tôle galvanisée | 0,10 à 0,15 |
| Gaine flexible aluminium | 1 à 3 |
Rugosité des tuyaux en acier soudé selon leur état
| État du tuyau en acier soudé | Rugosité ε (mm) |
|---|---|
| Neufs | 0,04 |
| Neufs, revêtus de bitume | 0,05 |
| Depuis longtemps en service, bitume partiellement disparu, corrodés | 0,1 |
| Depuis longtemps en service, corrosion uniforme | 0,15 |
| Sans inégalités notables aux joints ; enduits intérieurement (couche de 10 mm environ) ; mauvais état | 0,3 à 0,4 |
| Conduites principales de gaz, après de nombreuses années d'exploitation | 0,5 |
| Avec rivure transversale simple ou double ; enduits intérieurement ou sans revêtement, non corrodés | 0,6 à 0,7 |
| Enduits intérieurement mais oxydés ; encrassés par l'eau en service, non corrodés | 0,95 à 1 |
| Conduites principales de gaz, après 20 ans de service, dépôts stratifiés | 1,1 |
| Avec double rivure transversale, non corrodés ; encrassés par l'eau en service | 1,2 à 1,5 |
| Dépôts faibles | 1,5 |
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
- La rugosité est un paramètre essentiel dans le calcul des pertes de charges régulieres dans les conduites.
- La rugosité donne un renseignement sur l'état des parois en contact avec le fluide et agit sur les frottements de surface.
- La rugosité des conduits est un facteur déterminant dans le choix des matières de tuyaux lors de l'étude d'un réseau hydraulique ou aéraulique
pour des raisons pratiques de calcul son unité varie suivant les applications:
- pour l'étude des pertes de charges dans les conduites et des plaques planes nous utiliserons la profondeur moyenne de rugosité en millimètres (R). C'est la moyenne des distances saillies-creux des défaut de surfaces constitués par des stries, sillons, arrachement ou fentes:
- Les formules d'évaluation du régime d'écoulement (voir Colebrook) utilisent un rapport de la rugosité moyenne(R) sur le diamètre(D) des conduits appelé rugosité relative(D et R dans la même unité):R/D
- On utilise parfois un rapport de rugosité constitué de grains de sables dont le diamètre est comparé à l'épaisseur de la couche laminaire d'écoulement sur une plaque plane. Il est constaté que lorsque ce rapport dépasse 0.5 la rugosité commence à jouer un rôle déterminant dans la résistance de frottement sur une surface
- En hydrodynamique navale on utilise aussi une rugosité moyenne de carène, utilisant la rugosité de grains de sables équivalents(K), divisé par la longueur de carène(L):K/L(K et L dans la même unité)
-
La rugosité des conduits d'une matière donnée évolue dans le temps suivant le fluide transporté (agressif, oxydant, acide, chargé de matière abrasives..) et les conditions d'exploitation(constamment en eau ou avec des temps d'exposition a l'air oxydant..)Une conduite peut devenir ainsi d'une rugosité couteuse en énergie d'exploitation et voir son prix réel décupler au cours du temps. La durée d'exploitation, est donc à appliquer à l'évolution de la rugosité, lors de l'étude du prix d'achat de conduites. Voir dimensionner conduits aerauliques et hydrauliques.
l'éditeur de rugosité Mecaflux:
Choix des rugosités suivant la matière et l'état des conduits aéraulique ou hydrauliques dans le logiciel MECAFLUX
(+ de 140 données de rugosité permettent de couvrir l'ensemble des cas rencontrés en étude de réseau d'air ou eau)
exemples de rugosités de tuyau ou conduites de réseaux hydrauliques:
Table de rugosités de quelques conduits en fonction de leur état ou nombres d'années de service
Questions fréquentes
Quelle est la rugosité de l'acier ?
Environ 0,03 à 0,05 mm pour un tube en acier neuf soudé ou étiré, 0,10 à 0,15 mm pour l'acier galvanisé, 0,15 à 0,4 mm pour un acier légèrement rouillé, et 1 à 3 mm pour un acier fortement corrodé ou incrusté. Pour l'inox étiré, 0,0015 à 0,01 mm.
Quelle est la différence entre rugosité absolue et rugosité relative ?
La rugosité absolue ε est la hauteur moyenne des aspérités, en mm. La rugosité relative est le rapport ε/D, sans unité : c'est elle qui compte pour la perte de charge, car la même aspérité gêne beaucoup plus l'écoulement dans un petit tuyau que dans une grosse conduite.
Quelle est l'influence de la rugosité sur la perte de charge ?
En régime turbulent, plus la rugosité relative est grande, plus le coefficient λ est élevé, donc plus la perte de charge est forte à débit égal. En régime laminaire (Re < 2 000), la rugosité n'a aucune influence : λ = 64/Re.
Quelle rugosité choisir pour les conduites de mon installation ?
Dans l'outil pertes de charge régulières de Mecaflux Standard, vous choisissez le matériau et l'état de la conduite dans une table de rugosités (acier neuf ou corrodé, fonte, PVC, béton, cuivre, flexibles) et le logiciel l'applique à chaque tronçon de l'inventaire ; vous pouvez aussi saisir votre propre valeur pour une conduite vieillie. Pour un réseau ancien à diagnostiquer ou un réseau neuf à dimensionner avec la rugosité de fin de vie, Mecaflux réalise l'étude de votre projet, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à vos propres conduites.