Anticiper le vieillissement des conduites d'eau potable est un défi technique et économique majeur pour les collectivités. En particulier, les défaillances d'une canalisation d'un réseau de transport apparaissent à une faible fréquence, mais peuvent avoir de graves conséquences, tant sur la sécurité des personnes et des biens que sur l'environnement et la qualité du service de l'eau. Le diagnostic de l'état de dégradation de ces canalisations d'adduction est indispensable pour orienter les actions de rénovation et de renouvellement et ainsi limiter les risques associés à leur défaillance. Cet article propose une méthodologie de hiérarchisation des tronçons composant les canalisations d'adduction en fonte selon un indicateur de « fragilité ». Cet indicateur permet de caractériser l'influence des facteurs environnementaux sur la perte d'épaisseur des canalisations. La méthodologie est appliquée à une conduite d'adduction du XIXème siècle alimentant la Communauté d'Agglomération du Boulonnais, dont la principale cause de vieillissement est liée à la corrosivité du sol. Le potentiel corrosif du sol est évalué par une mesure géophysique électromagnétique. Les données acquises sont corrélées avec des valeurs de perte d'épaisseur mesurées sur des prélèvements de canalisations. Une relation entre les pertes d'épaisseur et la résistivité du sol est calibrée et validée. Un indicateur de « fragilité » est alors associé à chaque tronçon de la conduite, sur la base des mesures non intrusives de résistivité du sol. Ainsi, la collectivité dispose d'éléments pour optimiser les actions de renouvellement.
Mots Clés :
Gestion patrimoniale, réseaux d'eau potable, conduite d’adduction, méthode géophysique.
Key Words:
Asset management, drinking water network, feeder, geophysical measurement method.
Le vieillissement d'un réseau de distribution et notamment de ses canalisations, qui représentent plus de 80 % de la valeur patrimoniale à neuf des installations d’un service d’alimentation en eau potable [1], est un défi économique et technique pour les collectivités. Les principaux enjeux de la gestion patrimoniale des réseaux d’eau potable sont d’améliorer et maintenir les performances des réseaux en optimisant la programmation de leur renouvellement, ainsi que les actions d’exploitation.
La démarche de gestion patrimoniale des
Le diagnostic des réseaux de distribution est de plus en plus précis et de mieux en mieux maîtrisé grâce à des méthodes qui croisent informations structurelles sur le patrimoine et données d’exploitation. On peut citer l’utilisation d’approches statistiques pour calculer les probabilités de défaillance futures par canalisation à partir de l’historique de casses observées comme dans les outils CASSES (IRSTEA) ou encore MOSARE (Veolia Eau). Par contre, pour ce qui est des conduites d’adduction, la problématique est un peu différente dans la mesure où nous sommes confrontés à des tracés de grandes longueurs et qui sont constitués bien souvent de tronçons ayant les mêmes caractéristiques (diamètre, matériau, période de pose). De plus, les épisodes de casse sont fort heureusement rares et leur nombre ne permet pas d’envisager une analyse statistique pertinente. Néanmoins, une défaillance de ces ouvrages présente de graves conséquences, tant sur la sécurité des personnes et des biens que sur l’environnement et la qualité du service de l'eau. Le diagnostic de l’état de dégradation de ces canalisations d’adduction est indispensable pour orienter leurs actions de rénovation et de renouvellement afin de limiter les risques associés à leurs défaillances.
Nous proposons donc ici une méthode de diagnostic adaptée aux conduites d’adduction. Cette méthode permet d’appréhender l’action du milieu environnant et principalement du sol sur les conduites métalliques.
Dans un premier temps, nous mettrons en évidence les principales causes de dégradation des matériaux métalliques dans le sol. Nous aborderons ensuite les moyens d’investigation disponibles pour caractériser cette dégradation. Nous détaillerons enfin la méthodologie mise en œuvre et présenterons les résultats dans le cas de la conduite d’adduction de la Communauté d'agglomération du Boulonnais.
Quelques éléments relatifs à la dégradation des matériaux métalliques dans le sol (Figure 1)
Contraintes mécaniques portant sur les conduites
Les conduites de distribution d’eau sont soumises à un ensemble de contraintes mécaniques qui s’appliquent sur la totalité de la structure de manière plus ou moins homogène. On peut différencier les contraintes externes liées à la pression du sol sur les tronçons, et les contraintes internes liées à la pression de l'eau à l’intérieur de la conduite.
Ce sont principalement les variations de ces contraintes, à la fois dans le temps et dans l’espace, qui peuvent engendrer des phénomènes de « vieillissement », de « fatigue du matériau » et de rupture. On peut citer par exemple les mouvements de sols en ce qui concerne les contraintes externes ou encore les coups de bélier pour ce qui est des contraintes internes.
Paramètres chimiques et biologiques influant sur l’évolution de la conduite
Là encore, on peut distinguer des paramètres influençant les états respectivement interne et externe de la conduite. L’action chimique sur la paroi interne est liée à la qualité de l'eau (agressive ou entartrante), aux variations de sa température, à sa qualité bactériologique, …
L’action chimique sur la paroi externe est elle liée à l'environnement dans lequel la conduite a été posée et donc à la nature du sol.
Pour déterminer l’action chimique d’un sol sur une conduite métallique, on cherche à caractériser la corrosivité de ce sol. Les premiers éléments à considérer sont d’ordre géologique et topographique.
En ce qui concerne l'aspect pédologique, suivant sa composition, le sol aura une action plus ou moins corrosive. À titre d’exemple, les sables et graviers sont des sols où généralement le risque de corrosion est faible, alors que les tourbes et charbons présentent un risque très élevé. Les paramètres hydrogéologiques sont aussi très importants à prendre en compte. En effet, le taux d’humidité, et son incidence sur l'aération du sol peuvent accentuer notablement le caractère corrosif d’un sol.
Pour ce qui est du relief, en partant du postulat que les points hauts ont plutôt tendance à être secs et aérés, et les points bas humides et désaérés, le risque de corrosion est en principe plus fort au niveau de ces points bas. L’ensoleillement peut aussi jouer un rôle sur le vieillissement des conduites dans la mesure où il influe sur la teneur en humidité du sol.
Enfin, la connaissance de certains paramètres mesurables du sol permet d’évaluer son caractère corrosif. Ces paramètres sont détaillés dans la norme NF EN 12501-2 « Protection des matériaux métalliques contre la corrosion - Risque de corrosion dans les sols ».
Mesures indépendantes des conditions météorologiques :
- La mesure de résistivité donne des informations sur la capacité du sol à transférer les électrons. Plus la résistivité est forte, plus le risque de corrosion est faible.
- La connaissance du pH est aussi un élément important (un sol acide sera plus agressif).
- La connaissance de la nature et de la texture d’un sol apporte des éléments intéressants (un sol lourd est plus agressif qu’un sol présentant une texture sableuse).
- Enfin, la connaissance de la teneur en sels (ions chlorure, ions sulfate, …) donne elle aussi des éléments supplémentaires pour caractériser la corrosivité.
Mesure liée aux conditions météorolo-
Expertise sur matériau métallique- La mesure du potentiel Redox nous renseigne sur le degré d’aération du sol. Un potentiel faible, et la présence de sulfates, favorisera la corrosion bactérienne anaérobie.
- La détermination de la teneur en eau du sol. Un sol humide favorisera les phénomènes de corrosion.
Il apparaît donc que le caractère corrosif d'un sol est dépendant de nombreux facteurs, la norme NF EN 12501-2 propose une méthode d’évaluation du potentiel corrosif d’un sol.
Les moyens d’investigation
Lorsqu'il s'agit de corrosion de matériaux métalliques dans le sol, l'investigation peut porter sur la conduite en elle-même en évaluant son état de corrosion, ou sur l’environnement par le biais de l’évaluation de son potentiel corrosif.
L’analyse de prélèvements de conduites
La première partie de l'analyse consiste à déterminer un état général de la canalisation en réalisant quatre étapes successives sur les faces interne et externe de la canalisation (Figure 2).
La première étape passe par la description de l’aspect de la canalisation brute. Les paramètres déterminants sont : l’indice d’obstruction et la présence de perforations et/ou de fissures. Les deux étapes suivantes consistent à découper puis à sabler ou grenailler la canalisation afin de pouvoir observer et mesurer les phénomènes de corrosion. Enfin, la dernière étape consiste en une étude profilométrique (Figure 3). À partir d'une mesure laser, on reconstruit en 3D l’échantillon de canalisation étudié. On obtient l’épaisseur réelle en tout point de cette canalisation, et de facto la profondeur des piqûres et leur localisation.
La synthèse de cette analyse macrographique permet d’estimer une vitesse de corrosion ainsi qu'une idée du comportement mécanique et de la capacité de l’échantillon à supporter des conditions normales de service.
De cet état général, il est possible d’extrapoler une prévision de vieillissement de la canalisation.
La mesure de corrosivité du sol selon la norme NF EN 12501-2
La norme NF EN 12501-2 (« Protection des matériaux métalliques contre la corrosion — Risque de corrosion dans les sols – partie 2 : Matériaux ferreux faiblement alliés ou non alliés ») traite de l’évaluation de la force corrosive dans les sols des matériaux ferreux faiblement ou non alliés qui sont en contact direct avec les sols. Elle définit une méthode de caractérisation de la corrosivité macrographique de terrain.
Limites de ces deux techniques d'investigation et solution envisagée
Si les deux points évoqués ci-dessus renvoient des résultats précis, ils ont l’inconvénient d’être spécifiques de l’échantillon prélevé. Se pose alors comme dans tout échantillonnage, la question de la représentativité des résultats et de la possibilité de les extrapoler à l’ensemble de la conduite. Pouvons-nous statuer sur l'état d'une conduite d’adduction de 12 km à partir des résultats d'un ou deux prélèvements de portion de conduite et/ou de sol ? La solution qui consisterait à multiplier les prélèvements pourrait convenir mais elle nécessite des interventions souvent lourdes et coûteuses notamment pour ce qui est de l’analyse métallographique de prélèvements de conduite.
Face à ces difficultés, la méthode envisagée consiste à déterminer un paramètre qui serait facilement mesurable avec une définition spatiale fine et qui permettrait de caractériser de manière satisfaisante le niveau de corrosivité du sol. La bibliographie [2], [3], [4] permet de supposer que la résistivité est un bon indicateur du caractère corrosif du sol.
Techniques de mesure de la résistivité
La technique mise en œuvre dans le cas qui nous intéresse se base sur une mesure géophysique électromagnétique en champ proche (appareil EM38 développé par la société GEONICS). Cette technique permet l’acquisition de données de conductivité électrique du sol. Un de ces principaux avantages est qu’elle ne nécessite pas de contact entre l'appareil et le sol. L'appareil est constitué de deux dipôles magné-
tiques qui envoient un champ magnétique dans le sol. Ce champ magnétique primaire génère en réponse un champ magnétique secondaire proportionnel à la conductivité apparente du milieu (Figure 4). L'appareil est couplé à un logger et à un GPS qui permettent l’acquisition de données géolocalisées à un pas de temps très fin (1 seconde dans le cas présent).
Méthode appliquée à la conduite d’adduction de la Communauté d’agglomération du Boulonnais
Le site et sa problématique
La première ressource en quantité de l'alimentation en Eau Potable de la Communauté d’Agglomération du Boulonnais a été créée à partir de la galerie captante de Tingry creusée en 1880 et située à environ 15 kilomètres au sud-est de Boulogne-sur-Mer. Le transport de l'eau se fait gravitairement par une conduite d’adduction construite à l’aide de tuyaux en fonte grise de DN 500 mm à joints coulés plomb de longueur unitaire 4 mètres, depuis Tingry jusqu’à Boulogne-sur-Mer. Cette adduction, largement dimensionnée pour l’époque, est aujourd'hui l’artère principale de la distribution d’eau de la Communauté d’agglomération.
Des épisodes de casses qui se sont produits au cours des années 2010 et 2011 (Figure 5) ont conduit à s'interroger sur l'état général de la conduite et à lancer des investigations dans un premier temps sous la forme de prélèvements et d’analyses métallographiques.
Les analyses matériaux ont porté sur 14 prélèvements réalisés de manière opportuniste lors des réparations ou lors de travaux réalisés sur la conduite. Les camemberts (Figure 6) présentent pour chaque prélèvement de conduite analysé la répartition de la surface suivant la perte d’épaisseur mesurée.
Les résultats mettent en évidence des pertes d’épaisseur variables suivant les échantillons et laissent supposer que l'état de corrosion n’est pas homogène sur tout le tracé. Le problème consistait donc à déterminer les secteurs sur lesquels le risque de corrosion était le plus important afin d’orienter de manière optimale les actions de renouvellement.
Mise en œuvre de la méthode
Le diagnostic s’est déroulé en quatre phases :
- * Acquisition de mesures de résistivité le long de la conduite ;
- * Recherche d'une relation entre résistivité et perte d’épaisseur moyenne constatée sur les échantillons de conduite analysés ;
- * Réalisation d'un prélèvement de conduite sur un site déterminé grâce aux résultats des deux premières phases, pour valider la relation ;
- * Classification des différents tronçons de la conduite suivant le risque de corrosion.
L'acquisition des données a été réalisée lors d'une campagne d'une journée. L'ensemble des mesures devait être acquis dans des conditions stables (température, humidité,...) de manière à garantir la cohérence relative des mesures les unes par rapport aux autres. Une fois acquises, les données ont été nettoyées et filtrées de
manière à éliminer les perturbations et obtenir un rendu exploitable sur la totalité du tracé (Figure 7). Le filtrage des données a consisté à éliminer les valeurs aberrantes ainsi que celles mesurées à proximité d’un élément perturbateur (ligne électrique, plaque d’égout, rail de sécurité routier, portail, ...). Pour ce faire, les mesures ont été traitées dans un SIG en s’appuyant sur les observations relevées sur le terrain. Enfin, le signal a été lissé par une moyenne mobile.
La phase 2 qui consistait à mettre en relation la perte d’épaisseur moyenne de chaque échantillon et la résistivité du sol est illustrée ci-après (Figure 8). La corrélation est de qualité moyenne mais laisse envisager l’existence d’une relation entre résistivité et corrosion et donc valide l’hypothèse comme quoi la résistivité est un bon indicateur de cette corrosion externe. Cependant, cette hypothèse méritait d’être assise de manière plus précise. Pour cela, un prélèvement complémentaire a été programmé sur un tronçon que la mesure de résistivité nous indiquait comme étant dans un environnement peu corrosif. Suivant la valeur de résistivité mesurée au voisinage du prélèvement, l'équation de régression mentionnée en Figure 8 nous a permis de prédire une perte d’épaisseur moyenne de 7,5 % sur l’échantillon.
Après analyse, le prélèvement de conduite affichait une perte d’épaisseur moyenne de 7,2 % (Figure 9), valeur très voisine de celle attendue. Bien entendu, le très faible écart entre la valeur prédite et celle réellement mesurée ne nous autorise pas à conclure que la régression utilisée permet une estimation très fine des pertes d’épaisseur. Ce qui est important est que l’observation soit du même ordre de grandeur que la prédiction, ce qui est le cas ici.
Intérêt de la démarche
La réhabilitation ou le renouvellement d’une conduite de transport est un sujet sensible pour les collectivités, en raison
de l’aspect stratégique de l’ouvrage et des montants financiers en jeu. La Communauté d’Agglomération du Boulonnais a choisi d’inclure ce point dans le cahier des charges du marché de délégation de service public lancé en 2012 en imposant le renouvellement d’un kilomètre de conduite sur la durée du contrat. L’enjeu principal était de cibler le ou les tronçons les plus critiques sur lesquels les efforts devaient porter en priorité.
La méthode mise en œuvre a permis d’aller plus loin en produisant une cartographie d’un indicateur de fragilité de la conduite sur l’ensemble de son tracé. Il devient donc possible de hiérarchiser son renouvellement sur la totalité de sa longueur et de l’échelonner dans le temps (Figure 10).
Un des atouts majeurs de cette méthode réside dans son caractère non intrusif qui permet de travailler en exploitation sans arrêt d’eau (hormis lors des phases de prélèvement d’échantillons pour les analyses métallographiques). Ce point est particulièrement important lorsque l’on parle de conduites de transport qui sont la seule alimentation de secteurs composés de plusieurs communes comme dans le cas de la Communauté d’Agglomération du Boulonnais. Les mesures géophysiques permettent de plus de caractériser l’environnement de la conduite à un pas d’espace très fin et avec une facilité de mise en œuvre sur de grands linéaires. Au bilan, on obtient des informations sur la totalité du tracé (il n’est donc pas nécessaire de réaliser des interpolations voire des extrapolations), sans perturber l’exploitation et à un coût marginal au regard des enjeux.
Conclusions et perspectives
La méthode proposée ici et appliquée au cas de Boulogne-sur-Mer a permis de dresser une cartographie de fragilité de la conduite. La mise en œuvre de techniques non intrusives et le système de mesure utilisé permettent d’avoir une définition spatiale fine du paramètre mesuré et ainsi d’éviter des interpolations hasardeuses lorsque le jeu de données disponible est réduit.
Néanmoins, cette méthode ne s’applique qu’à des conduites métalliques pour lesquelles la cause principale de dégradation a été identifiée comme étant l’environnement de pose. La mise en œuvre de cette méthode nécessite donc un pré-diagnostic. Enfin, cette méthode permet de mettre en évidence des zones de fragilité et de hiérarchiser les tronçons en fonction d’une estimation du caractère corrosif de l’environnement. Elle ne présage par contre pas des casses induites par des conditions de pose inadéquates ou des sollicitations localisées particulières.
Pour compléter la démarche et évaluer le risque de casse, plusieurs perspectives sont envisagées. Il s’agit de :
• Enrichir l’analyse notamment en la complétant en cas de nouvelle intervention et prélèvement pour analyse matériau.
• Évaluer la sensibilité de la conduite vis-à-vis de contraintes liées à son fonctionnement hydraulique. Une modélisation hydraulique fine, notamment en régimes transitoires, permettrait de caractériser les variations de pressions possibles à l’échelle du tronçon. Le risque de casse pourrait alors être envisagé en tenant compte de la fragilité du tronçon et des contraintes qu’il est susceptible de connaître.
• Apprécier la validité de la méthode en la mettant en œuvre sur d’autres sites avec des problématiques similaires.
Références bibliographiques
[1] Renaud E. et Werey C., 2008, Les outils de la gestion patrimoniale des réseaux d’alimentation en eau potable, Sinfotech. Les fiches savoir-faire Cemagref, 4 p.
[2] NRC, 2009, Corrosion prevention standards for ductile iron pipe. Committee on the Review of Bureau of Reclamation’s, National Research Council of the National Academies, 186 p.
[3] Khare M., Nahar S. N., 1997, Soil Aggressiveness Towards Buried Water Pipelines. Environmental Technology, Volume 18, Number 2, 1 February 1997, pp. 187-194.
[4] Osella A., Favetto A., 2000, Effects of soil resistivity on currents induced on pipelines. Journal of Applied Geophysics, Volume 44, Number 4, July 2000, pp. 303-312.
