Explication des coefficients des tuyaux d'incendie : valeurs de perte par frottement et pression réelle de la pompe

Deux opérateurs de pompe arrivent dans le même bâtiment de trois étages et font circuler la même buse au même réglage. On détient environ 50 psi de plus sur la jauge de décharge, et aucun des deux ne peut expliquer pourquoi. La plupart du temps, la réponse n’est ni la pompe ni le moteur. Il s'agit du tuyau, et plus précisément du coefficient qui lui est attribué.

Voici d’abord la conclusion. Un coefficient de tuyau d'incendie est un nombre unique qui décrit la pression consommée par une section de tuyau de 100 pieds lorsque l'eau le traverse à 100 gallons par minute. Multipliez ce nombre par le carré du débit et par la longueur en centaines de pieds, et vous obtenez la perte par friction. Chaque graphique, raccourci de champ et argument concernant les lignes d'attaque de 1,75 pouce contre 2 pouces découle de cette seule relation.

La conséquence pratique est simple. Si vous ne connaissez pas le coefficient du tuyau que vous transportez réellement, vous devinez la pression de la pompe. Cette supposition reste valable jusqu'à ce que la conduite s'allonge, que le débit augmente ou que le tuyau vieillisse.

Ce que vous dit réellement un coefficient de tuyau

La formule de perte de friction utilisée par les services d’incendie d’Amérique du Nord est suffisamment courte pour être mémorisée. FL est égal à C multiplié par Q au carré multiplié par L. FL est la perte de friction en psi. Q est le débit en centaines de gallons par minute, donc 250 gpm devient 2,5. L est la longueur en centaines de pieds, donc 200 pieds deviennent 2. C est le coefficient, et c'est le seul terme de l'équation qui décrit le tuyau lui-même plutôt que la façon dont vous l'utilisez.

Cela est important car le débit et la longueur sont décidés au niveau du panneau de la pompe, tandis que le coefficient est une propriété du tuyau placé dans le lit. Il porte le diamètre intérieur, l'état du revêtement, la rugosité de la chemise pressée contre l'eau et les turbulences créées à chaque virage et accouplement le long de la ligne.

Deux lignes étiquetées toutes deux 2,5 pouces peuvent porter des coefficients différents. Un tuyau neuf à revêtement en caoutchouc et un tuyau vieux de quinze ans de même taille nominale ne se comportent pas de la même manière, même lorsque l'impression sur la gaine est identique.

Valeurs de coefficient standard par taille de tuyau

Aux États-Unis, la plupart des supports de formation utilisent les valeurs publiées par l'IFSTA et la National Fire Academy. Ils constituent un point de départ raisonnable et sont suffisamment largement cités pour que tout le monde sur le terrain travaille à partir des mêmes chiffres.

Les deux dernières colonnes montrent ce que fait le coefficient en pratique. Doubler le débit ne double pas la perte, il la multiplie par quatre, car Q est au carré. Une ligne de 2 pouces à 200 gpm perd 32 psi par cent pieds, tandis que la même ligne à 100 gpm ne perd que 8 psi.

Un exemple concret que vous pouvez répéter sur le terrain de feu

Prenez 200 pieds de tuyau de 2 pouces débitant 250 gpm. Q vaut 2,5, L vaut 2 et C vaut 8.

FL est égal à 8 x 2,5 x 2,5 x 2, ce qui équivaut à 100 psi.

Ajoutez maintenant le reste du système. Une buse de brouillard évaluée à 100 psi a besoin de 100 psi à la pointe. Dix pieds d'élévation coûtent environ 4,3 psi, donc une buse au troisième étage ajoute environ 13 psi. Un étoile ou un distributeur ajoute 10 à 25 psi supplémentaires en fonction de l'appareil et du débit.

La pression de refoulement de la pompe est égale à 100 plus 100 plus 13 plus 10, ou 223 psi.

Passez à un tuyau de 2,5 pouces et l'arithmétique change complètement. Les mêmes 250 gpm sur les mêmes 200 pieds perdent 2 x 6,25 x 2, ou 25 psi. Cela représente une économie de 75 psi sur une ligne, et c'est tout le cas pour un tuyau de grand diamètre en un seul calcul.

Où le coefficient commence à dériver

Les tableaux publiés supposent un tuyau neuf, propre et entièrement doublé. Les tuyaux de terrain sont différents et plusieurs facteurs poussent les pertes réelles au-dessus de la valeur du tableau.

• Âge du tuyau et état de la doublure. La séparation du revêtement, la moisissure et l’abrasion augmentent la rugosité effective. Une pénalité de vingt pour cent sur une ancienne ligne de 1,75 pouce n’est pas inhabituelle.
• Diamètre interne réel. Les tailles nominales sont approximatives et la perte de pression s'échelonne à peu près avec l'inverse de la cinquième puissance du diamètre, de sorte qu'un tuyau légèrement sous-dimensionné coûte plus cher que ce à quoi la plupart des opérateurs s'attendent.
• Température de l'eau. L'eau froide est plus visqueuse et prend quelques psi supplémentaires sur une longue ligne.
• Mise en page. Les plis, les virages serrés dans les coins et les tuyaux coincés sous une porte se comportent comme une longueur supplémentaire qui n'apparaît jamais dans vos mesures.

Les points de connexion méritent leur propre note. Un accouplement correctement adapté ajoute une petite perte locale, et un joint assemblé avec un joint torsadé ou une tête partiellement assise en ajoute considérablement plus. Un joint plié apparaît sur la jauge comme un problème de coefficient, même lorsque le tuyau lui-même est en bon état. L'assemblage correct est couvert dans ce guide pour comment un joint de tuyau d'incendie doit être connecté .

Comment les couplages, les adaptateurs et les appareils ajoutent des pertes cachées

Chaque dispositif entre la pompe et la buse a sa propre perte et la méthode des coefficients ne l'inclut pas. Le tableau décrit le tuyau. Cela ne dit rien sur le matériel vissé aux extrémités.

Les adaptateurs provoquent le plus de surprises. Passer d'une norme nationale à une autre, par exemple faire passer une ligne Storz dans une entrée Machino, nécessite un adaptateur avec sa propre géométrie interne. Un bon adaptateur est court, lisse et à passage complet. Un mauvais tuyau descend la section transversale, et cette marche se comporte comme une longueur de tuyau plus petit. Sur une conduite d'alimentation de 500 gpm, un adaptateur qui rétrécit l'alésage d'un quart de pouce peut coûter plus de pression que 50 pieds du tuyau auquel il est attaché.

La règle pratique est de choisir un adaptateur dont l'alésage correspond au plus petit des deux tuyaux, et d'éviter d'empiler deux adaptateurs là où un seul suffirait.

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Des règles de terrain qui garantissent l'honnêteté des mathématiques

Une fois l’idée du coefficient claire, quelques règles couvrent la plupart des situations réelles.

1. Écrivez la somme. La pression de refoulement de la pompe est égale à la pression de la buse plus la perte par frottement plus l'élévation plus la perte de l'appareil. Un terme manquant est la cause la plus courante d’un flux faible.
2. Respectez la place. Tout changement de débit déplace la perte de friction du carré du rapport. Augmenter une ligne de 150 à 200 gpm augmente la perte d'environ 78 pour cent.
3. Divisez les lignes parallèles avant de calculer. Deux conduites identiques et égales transportent chacune la moitié du débit total et perdent chacune un quart de la pression qu'une seule conduite transportant le débit total perdrait.
4. Conservez un coefficient de travail pour chaque type de tuyau dans votre inventaire, pas seulement pour chaque taille.
5. Recalculez après tout changement de matériel. Un nouvel appareil, une nouvelle buse ou un nouvel adaptateur modifie le système, pas seulement le tuyau.

Le choix de la buse fait partie de cette arithmétique car la buse détermine le débit. Une buse facile à sur-pomper, ou une buse qui permet à un opérateur de modifier le débit sans en avertir personne au panneau, déplace le terme de perte par friction plus que toute autre décision. Les modèles réglables avec des paramètres de débit clairement marqués suppriment la plupart de cette ambiguïté.

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Matériel qui maintient les mathématiques des coefficients prévisibles

Il y a une limite à la quantité de problèmes que vous pouvez réparer à partir du panneau de pompe. Le reste doit être intégré au matériel, et c'est là que le contrôle de l'alésage et la tolérance de fabrication gagnent leur place.

Un accouplement qui détient un véritable passage intégral, a une transition interne douce et prend un joint qui s'assoit sans se plier donne une perte proche de la valeur théorique pour son diamètre. Un accouplement sous-dimensionné, déformé ou équipé d'un moulage grossier ajoute une chute de pression qu'aucun graphique ne peut prédire.

C'est également pourquoi les familles de couplage standardisées sont importantes. Une tête Storz, un accouplement Machino, un filetage NH ou un accouplement John Morris ont chacun un alésage et un profil définis, afin qu'un ingénieur puisse calculer le système et s'attendre à ce que le matériel corresponde au calcul. Le mélange des normes est parfois inévitable, mais il convient de le faire avec un adaptateur spécialement conçu plutôt qu'avec une pile de raccords improvisés.

Sur les conduites d'alimentation et de relais de grand diamètre, le terme de coefficient domine tout le calcul de la pression de la pompe, de sorte que la différence entre un accouplement bien usiné et un accouplement marginal apparaît directement sur la jauge. Si la chute de pression sur ce type de conduite est un problème, cela vaut la peine discuter de l'aménagement avec le fournisseur avant la commande plutôt qu'après le premier exercice.

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Les coefficients des tuyaux d'incendie ne sont pas compliqués. Il s'agit d'un numéro par type de tuyau, appliqué via une formule à trois termes. Ce qui demande de l'expérience, c'est de savoir quand ce chiffre cesse d'être vrai, ce qui se produit généralement lorsque le tuyau est vieux, que le diamètre n'est pas celui indiqué sur la gaine ou que le matériel entre la pompe et la buse restreint silencieusement le débit.

Obtenez le bon coefficient pour le tuyau que vous transportez réellement, ajoutez honnêtement les termes de la buse, de l'élévation et de l'appareil, et la pression de la pompe cesse d'être une supposition. La jauge vous surprendra encore de temps en temps, mais elle vous surprendra pour une raison que vous pourrez trouver.