Dimensionnement et tuyauterie

Chapitre 5 — Dimensionnement et tuyauterie

5.1 Introduction

Le dimensionnement correct des canalisations de gaz est fondamental pour assurer un fonctionnement adéquat des appareils. Un diamètre insuffisant entraîne une chute de pression excessive qui peut causer un mauvais fonctionnement des brûleurs, une combustion incomplète et une production dangereuse de monoxyde de carbone. À l'inverse, un diamètre trop grand augmente inutilement les coûts de matériaux. Ce chapitre couvre les principes de la chute de pression, les méthodes de dimensionnement selon le CSA B149.1, les différents types de tuyauterie, les techniques d'assemblage, et les procédures de test et d'inspection.

5.2 Principes de la chute de pression

Cette section situe Principes de la chute de pression dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur les débits, les longueurs équivalentes, les pertes de charge, les raccords et la capacité réelle des appareils alimentés. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

5.2.1 Pression de gaz

La pression du gaz dans une canalisation varie le long du parcours en raison des frottements contre la paroi intérieure du tuyau et des pertes locales (coudes, raccords, vannes).

Pression initiale (pression d'entrée) :

Pression finale (pression à l'appareil) :

5.2.2 Facteurs influençant la chute de pression

La chute de pression (ΔP) dans une canalisation dépend de plusieurs facteurs :

5.2.3 Longueur équivalente

Pour simplifier les calculs, les pertes de charge des coudes, tés et vannes sont converties en une longueur équivalente de tuyau droit :

5.3 Méthodes de dimensionnement selon le CSA B149.1

Le code CSA B149.1 fournit plusieurs méthodes pour dimensionner les canalisations de gaz. La méthode la plus courante est l'utilisation des tableaux de capacité.

5.3.1 Méthode du tableau de capacité

Le tableau 3 du CSA B149.1 donne la capacité (débit maximal en pieds cubes par heure — pi³/h) pour chaque diamètre de tuyau en acier Schedule 40, en fonction de la longueur équivalente totale.

Tableau de capacité typique (gaz naturel, 7 po CE d'entrée, 0,5 po CE de chute) :

Diamètre (po) | 10 m | 20 m | 30 m | 60 m | 100 m

1/2 | 145 | 100 | 80 | 55 | 40

3/4 | 265 | 185 | 150 | 105 | 75

1 | 450 | 315 | 255 | 180 | 130

1-1/4 | 880 | 615 | 500 | 350 | 250

1-1/2 | 1 250 | 875 | 710 | 500 | 360

2 | 2 300 | 1 610 | 1 310 | 920 | 660

Pour le propane (11 pouces CE) :

Les capacités sont réduites d'environ 30 % par rapport au gaz naturel pour la même pression de chute, car le propane a un pouvoir calorifique plus élevé (2 500 BTU/pi³ contre 1 000 BTU/pi³ pour GN).

5.3.2 Méthode du diamètre nominal

Pour les petites installations résidentielles simples (un seul appareil), on peut utiliser la règle approximative suivante :

Cette méthode est simple mais ne remplace pas un calcul complet pour les installations complexes.

5.3.3 Méthode de calcul de la charge totale

La première étape du dimensionnement consiste à calculer la charge totale (débit) que doit acheminer la canalisation. La charge se calcule à partir de la puissance des appareils :

Calcul :

Débit (pi³/h) = Puissance totale (BTU/h) ÷ Pouvoir calorifique (BTU/pi³)

Exemple :

Une fournaise de 100 000 BTU/h + un chauffe-eau de 40 000 BTU/h + une cuisinière de 65 000 BTU/h + une sécheuse de 22 000 BTU/h

Puissance totale : 100 000 + 40 000 + 65 000 + 22 000 = 227 000 BTU/h

Débit GN : 227 000 ÷ 1 000 = 227 pi³/h

5.3.4 Méthode de la longueur équivalente totale

La longueur équivalente totale (LET) est la somme de la longueur réelle de la canalisation et des longueurs équivalentes des coudes, tés et vannes. Cette LET est utilisée pour consulter le tableau.

Exemple de calcul de LET :

Une canalisation de 15 m de long avec 4 coudes 90°, 1 té (débit à angle droit) et 1 vanne d'arrêt.

LET = 15 m (réel) + 4 × 1,0 m (coudes) + 1 × 1,5 m (té) + 1 × 0,3 m (vanne)

LET = 15 + 4,0 + 1,5 + 0,3 = 20,8 m (arrondi à 21 m)

5.3.5 Procédure de dimensionnement complète

Étape 1 : Relevé du plan

Étape 2 : Calcul des débits par tronçon

Pour chaque tronçon, additionner la puissance des appareils situés en aval.

Exemple : tronçon A-B = fournaise + chauffe-eau + cuisinière + sécheuse

Étape 3 : Calcul de la LET par tronçon

Pour chaque tronçon, mesurer la longueur réelle et ajouter les équivalences des coudes et raccords.

Étape 4 : Détermination du diamètre

Pour chaque tronçon, consulter le tableau de capacité avec la LET et le débit, et choisir le diamètre correspondant.

Étape 5 : Vérification

S'assurer que chaque tronçon a un diamètre suffisant pour le débit requis.

5.4 Types de tuyauterie

Cette section situe Types de tuyauterie dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur les débits, les longueurs équivalentes, les pertes de charge, les raccords et la capacité réelle des appareils alimentés. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

5.4.1 Acier (Black iron / Schedule 40)

L'acier Schedule 40 est le matériau le plus utilisé pour les canalisations de gaz à l'intérieur des bâtiments. Il est robuste, durable et résistant aux chocs mécaniques.

Caractéristiques :

Assemblage :

Avantages : robustesse, résistance au feu, durabilité, compatibilité avec tous les gaz.

Inconvénients : poids élevé, nécessite un filetage sur place, corrosion possible.

5.4.2 Cuivre

Le cuivre de type L (épais) ou K (très épais) est utilisé pour les canalisations de gaz dans certaines applications. Le type M (mince) n'est pas autorisé pour le gaz.

Caractéristiques :

Restrictions d'utilisation :

Assemblage par brasure :

5.4.3 Polyéthylène (PE)

Le polyéthylène est utilisé exclusivement pour les canalisations de gaz enterrées, en extérieur. Il est souple, résistant à la corrosion et économique.

Caractéristiques :

Assemblage par électrofusion :

Assemblage par fusion bout à bout :

Installation :

5.4.4 CSST (Corrugated Stainless Steel Tubing)

Le CSST est un tube flexible en acier inoxydable ondulé, recouvert d'une gaine en polyéthylène jaune ou noire. Il est de plus en plus utilisé pour les installations intérieures.

Caractéristiques :

Avantages :

Inconvénients :

Installation :

Bonding électrique :

Le CSST doit être relié électriquement au panneau électrique principal avec un conducteur de cuivre de calibre 6 AWG minimum. Cette exigence vise à prévenir la perforation du tube par la foudre ou les surtensions électriques. Le bonding se fait avec un collier ou une bride de mise à la terre certifiée.

5.4.5 Tuyauterie en acier inoxydable rigide

Utilisé pour les applications où la résistance à la corrosion est primordiale (environnements humides, corrosifs, extérieur).

Caractéristiques :

5.5 Raccords et accessoires

Cette section situe Raccords et accessoires dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur les débits, les longueurs équivalentes, les pertes de charge, les raccords et la capacité réelle des appareils alimentés. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

5.5.1 Raccords filetés (NPT)

Le filetage NPT (National Pipe Thread) est le standard nord-américain pour les canalisations de gaz. Les filets sont coniques (1 degré 47 minutes par côté), ce qui assure l'étanchéité par serrage.

Types de raccords :

Matériaux des raccords :

5.5.2 Raccords à flare

Les raccords à flare (évasement) sont utilisés pour les tubes en cuivre et en CSST. L'extrémité du tube est évasée en forme de cône, puis serrée contre un siège conique par un écrou.

Évasement :

5.5.3 Raccords à compression

Les raccords à compression utilisent une bague (ferrule) qui se déforme contre le tube lors du serrage de l'écrou. Ils sont utilisés pour les instruments, les manomètres et les petites dimensions.

Limitations :

5.5.4 Robinets d'arrêt

Un robinet d'arrêt (vanne d'arrêt) doit être installé :

Types de robinets :

5.6 Supports de canalisation

Les canalisations doivent être soutenues par des supports espacés selon le diamètre et le matériau :

Les supports doivent être :

5.7 Marquage et identification

Les canalisations de gaz doivent être identifiées clairement :

5.8 Protection contre la corrosion

Cette section situe Protection contre la corrosion dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur la compatibilité des matériaux, les supports, la protection contre la corrosion et les contraintes de chantier. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

5.8.1 Corrosion galvanique

La corrosion galvanique se produit lorsque deux métaux dissemblables sont en contact en présence d'un électrolyte (humidité). Les unions diélectriques sont obligatoires entre :

5.8.2 Protection des canalisations enterrées

Les canalisations en acier enterrées nécessitent une protection anticorrosion :

5.8.3 Protection des canalisations aériennes

Les canalisations aériennes en acier doivent être protégées par :

5.9 Test de pression et d'étanchéité

Avant la mise en service et après chaque modification, la tuyauterie doit être testée.

5.9.1 Test de pression (strength test)

5.9.2 Test d'étanchéité (leak test)

Après le test de pression, un test d'étanchéité est effectué :

5.9.3 Précautions de sécurité pendant le test

5.10 Cas pratiques

Cette section situe Cas pratiques dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur les contrôles de conformité, les limites d’application et les décisions techniques que le technicien doit justifier sur le terrain. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

Cas pratique n° 1 : Dimensionnement d'une installation résidentielle

Une maison de deux étages nécessite l'alimentation des appareils suivants, tous au gaz naturel :

La distance du régulateur principal à l'appareil le plus éloigné (le foyer au deuxième étage) est de 25 mètres réels avec 6 coudes 90° et 2 tés à angle droit.

Calcul :

Charge totale à l'entrée : 80 000 + 40 000 + 65 000 + 22 000 + 30 000 = 237 000 BTU/h

Débit GN : 237 000 ÷ 1 000 = 237 pi³/h

LET pour le tronçon principal : 25 m + 6 × 1,0 m + 2 × 1,5 m = 25 + 6 + 3 = 34 m

D'après le tableau, pour 237 pi³/h sur une LET de 34 m, un tuyau de 1-1/4 po est nécessaire (capacité de 350 à 500 pi³/h sur 30 m).

Vérification : On peut aussi utiliser 1 po jusqu'au premier embranchement, puis réduire le diamètre pour les branches secondaires.

Cas pratique n° 2 : Remplacement d'une canalisation en acier par du CSST

Un client veut remplacer un tronçon de canalisation en acier de 15 mètres de long (4 coudes 90°) qui alimente une cuisinière de 65 000 BTU/h. Le diamètre actuel est 1/2 po. La pression d'entrée est de 7 po CE.

Débit : 65 000 ÷ 1 000 = 65 pi³/h

LET : 15 m + 4 × 1,0 m = 19 m

Avec du CSST de 1/2 po, la capacité typique pour 20 m est d'environ 100 pi³/h. C'est suffisant pour 65 pi³/h. Le CSST de 1/2 po convient.

5.11 Dimensionnement pour les réseaux moyenne pression

Pour les installations commerciales et industrielles, la pression de distribution peut être plus élevée (2 à 5 psi). Dans ce cas, le dimensionnement est différent.

5.11.1 Tableaux moyenne pression

Les tableaux de capacité pour les pressions élevées sont fournis dans le CSA B149.1 (Annexe A). Les capacités sont beaucoup plus élevées qu'à basse pression. Par exemple, un tuyau de 1 po alimenté à 2 psi peut acheminer plus de 1 000 pi³/h sur 100 mètres, contre 130 pi³/h à 7 po CE.

5.11.2 Régulateurs de pression

Chaque appareil doit avoir son propre régulateur de pression qui réduit la pression élevée à la pression de service de l'appareil (7 po CE pour GN, 11 po CE pour propane). Les régulateurs doivent être dimensionnés pour le débit maximal de l'appareil.

5.11.3 Sécurité

Les canalisations moyenne pression nécessitent :

5.12 Compensation d'altitude

L'altitude affecte la densité de l'air et, par conséquent, la combustion. À haute altitude (> 2 000 pieds / 610 mètres), la capacité des canalisations peut être réduite en raison de la diminution de la densité des gaz et de l'apport d'oxygène réduit.

Facteurs de correction pour la capacité des canalisations selon l'altitude :

Au Québec, seules les régions de l'Estrie et des Laurentides atteignent des altitudes significatives, mais la plupart des installations résidentielles sont sous les 600 mètres.

5.13 Raccordement des appareils

Cette section situe Raccordement des appareils dans le dimensionnement hydraulique, la sélection de tuyauterie et la protection mécanique des réseaux de gaz. L’accent est mis sur les débits, les longueurs équivalentes, les pertes de charge, les raccords et la capacité réelle des appareils alimentés. Elle sert d’introduction technique aux sous-sections qui suivent afin que le technicien en gaz relie les exigences du code aux vérifications concrètes à réaliser avant, pendant et après les travaux.

5.13.1 Flexibles de raccordement

Chaque appareil doit être raccordé à la canalisation par un flexible ou un raccord démontable pour faciliter l'entretien et le remplacement.

Exigences :

5.13.2 Raccordement fixe

Le raccordement fixe est utilisé pour les installations permanentes :

5.14 Règles de bonnes pratiques

5.15 Récapitulatif des exigences clés

Points essentiels à retenir :

5.12 Questions d'auto-évaluation

Le dimensionnement des canalisations de gaz est une étape cruciale dans la conception de toute installation de gaz. Il détermine la capacité du réseau à fournir un débit suffisant à tous les appareils dans des conditions de pression acceptables. La méthode de dimensionnement énoncée dans la norme CSA B149.1 est basée sur la longueur équivalente totale du parcours le plus long, la charge totale de l'installation, et la perte de charge admissible entre la source et l'appareil le plus éloigné.

La longueur équivalente tient compte non seulement de la longueur physique des tuyaux, mais aussi des pertes de charge causées par les raccords, les coudes et les vannes. Chaque raccord possède une longueur équivalente qui s'ajoute à la longueur du tuyau. Par exemple, un coude standard à 90 degrés ajoute l'équivalent d'environ 20 à 30 diamètres de conduite, tandis qu'un té ajoute environ 40 à 60 diamètres selon l'orientation du flux. Les tableaux de dimensionnement de la norme CSA B149.1 sont construits pour différentes pressions de service et matériaux de tuyauterie.

Le calcul de la charge totale est effectué en additionnant les débits de tous les appareils susceptibles de fonctionner simultanément. Il est généralement acceptable de dimensionner pour la totalité de la charge installée dans les applications résidentielles, tandis que les installations commerciales peuvent bénéficier d'un facteur de simultanéité. La perte de charge maximale admissible entre le métreur et l'appareil le plus éloigné est limitée à 0,5 pouce de colonne d'eau pour les installations à basse pression (7 pouces de colonne d'eau). Pour les installations à pression élevée, la perte de charge admissible est proportionnellement plus grande.

Les valeurs de débit dans les tableaux de dimensionnement sont exprimées en pieds cubes par heure (pce/h) et dépendent du diamètre nominal de la conduite, du matériau, de la pression de service et de la longueur équivalente. L'utilisation d'un logiciel de dimensionnement est permise si le logiciel a été validé par un organisme reconnu. Quelle que soit la méthode utilisée, le résultat doit être documenté et faire partie des documents remis au propriétaire et au fournisseur de gaz.

Lors du dimensionnement des canalisations de gaz, il est important de prendre en compte les pertes de charge dans les accessoires tels que les compteurs, les régulateurs de pression et les vannes de sectionnement. Ces composants ajoutent une perte de charge supplémentaire qui doit être incluse dans le calcul de la longueur équivalente totale. Les fabricants de ces composants fournissent généralement des courbes de perte de charge ou des valeurs équivalentes en longueur de tuyau. Pour les installations complexes, l'utilisation d'un logiciel de simulation hydraulique permet de modéliser précisément le comportement du réseau.

La sélection du diamètre des canalisations doit également tenir compte des exigences futures d'expansion. Il est recommandé de prévoir une capacité supplémentaire d'au moins 20% pour permettre l'ajout éventuel d'appareils supplémentaires. Cette marge de sécurité évite de devoir remplacer les canalisations lors d'agrandissements futurs. Le diamètre minimum d'une conduite de gaz dans une installation résidentielle est de 1/2 pouce nominal pour les branchements individuels et de 3/4 pouce pour la colonne montante principale. Les conduites enterrées doivent être protégées contre la corrosion par un revêtement approprié et une protection cathodique si nécessaire.