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MODÉLISATION DE LA CORROSION DES CONDUITES D'EAU POTABLE EN FONTE DE LA VILLE D

MODÉLISATION DE LA CORROSION DES CONDUITES D'EAU POTABLE EN FONTE DE LA VILLE DE QUÉBEC Rapport de recherche No R-1314 Février 2012 ISBN : 978-2-89146-723-0 MODÉLISATION DE LA CORROSION DES CONDUITES D’EAU POTABLE EN FONTE DE LA VILLE DE QUÉBEC Centre Eau Terre et Environnement Institut National de la Recherche Scientifique (INRS-ETE) 490, rue de la Couronne Québec (QC) G1K 9A9 Sophie Duchesne Nabila Bouzida Naoufel Chahid Jean-Pierre Villeneuve Février 2012 iii REMERCIEMENTS Les auteurs de ce rapport remercient les gouvernements du Québec et du Canada pour leur appui financier à ce projet dans le cadre du Fonds sur l’infrastructure municipale rurale (FIMR), volet 2, qui est géré par le ministère des Affaires municipales, des Régions et de l’Occupation du territoire (MAMROT). Ils remercient également la Ville de Québec pour son appui financier. Ce rapport a été réalisé dans le but de développer un modèle de prédiction de la corrosion des conduites d’eau potable en fonte à partir de résultats d’auscultations par la méthode du champ lointain. La réalisation du rapport a été pilotée par l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS, équipe de la professeure Sophie Duchesne), pour la municipalité de Québec. v TABLE DES MATIÈRES SOMMAIRE XI 1. INTRODUCTION 1 2. PROBLÉMATIQUE 3 2.1 Corrosion : principes et définitions 3 2.2 Corrosion des conduites d’aqueduc en fonte 5 2.2.1 Différents types de corrosion des conduites en fonte 7 2.2.2 Effet des caractéristiques du sol sur la détérioration des conduites 10 2.2.3 Le TAS, un indice pour caractériser l’agressivité du sol 12 2.3 Modélisation mathématique de la profondeur de corrosion 14 2.3.1 Modèles généraux 14 2.3.2 Modèles appliqués aux conduites enfouies 14 2.3.3 Conclusion 17 3. OUTILS ET DONNÉES 19 3.1 Données disponibles en début de projet 19 3.1.1 Réseau d’aqueduc de la Ville de Québec 19 3.1.2 Caractéristiques du sol 20 3.1.3 Mesures de corrosion sur certaines conduites 21 3.2 Validation de la technique Aqua Diag 23 3.3 Campagnes d’échantillonnage 24 3.3.1 Planification des campagnes 24 3.3.2 Analyse préliminaire des données 26 4. DÉVELOPPEMENT D’UN MODÈLE MATHÉMATIQUE DE CORROSION DES CONDUITES D’EAU POTABLE EN FONTE POUR LA VILLE DE QUÉBEC 31 4.1 Identification des caractéristiques du sol au voisinage des conduites auscultées 31 4.2 Corrélations entre la profondeur de corrosion et divers facteurs potentiellement explicatifs33 4.3 Principes généraux du modèle 39 4.4 Résultats 40 4.4.1 Modèle calculant la probabilité d’avoir une perte maximale de 100 % en fonction de l’âge 40 4.4.2 Modèle pour les conduites n’ayant pas de bris observé lors de l’auscultation 42 4.4.3 Mise en commun des deux modèles 46 vi 5. CONCLUSION 49 6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 51 ANNEXE 1 – VALIDATION DE LA TECHNIQUE AQUA DIAG 55 vii LISTE DES FIGURES Figure 1. Processus de corrosion du fer (tiré de Le, 2008). ......................................................... 4 Figure 2. Paramètres qui contribuent à l'affaiblissement des conduites d'eau (tiré de Blindu, 2004; adapté de O’Day et al., 1989). ........................................................................... 6 Figure 3. Quelques formes de corrosion les plus répandues sur les conduites métalliques (adapté de Roberge, 1999). ......................................................................................... 9 Figure 4. Distribution des conduites par classes d'âge et de matériau, selon les données fournies par la Ville de Québec. ................................................................................. 20 Figure 5. Localisation des échantillons de sol analysés. ............................................................ 21 Figure 6. Exemple de résultat d'inspection. ................................................................................ 22 Figure 7. Localisation des conduites auscultées de 2003 à 2006. ............................................. 22 Figure 8. Répartition des matériaux selon la longueur totale des conduites. ............................. 25 Figure 9. Distribution des conduites auscultées par groupe d'âge. ............................................ 27 Figure 10. Carte des taux de corrosion (mm/an). ....................................................................... 29 Figure 11. Profondeur maximale de corrosion en fonction de l’âge des conduites à l’auscultation. ............................................................................................................. 30 Figure 12. Taux de corrosion en fonction du pH du sol. ............................................................. 34 Figure 13. Taux de corrosion en fonction du potentiel redox du sol. .......................................... 34 Figure 14. Taux de corrosion en fonction de la résistivité du sol. ............................................... 35 Figure 15. Taux de corrosion en fonction du taux d’agressivité du sol (TAS). ........................... 35 Figure 16. Profondeur de corrosion observée en fonction de l’âge de la conduite auscultée pour les conduites installées depuis 1960. ................................................................ 38 Figure 17. Probabilité pour une conduite en fonte de 150 mm de la ville de Québec d’avoir connu une perte maximale de paroi de 100 % en fonction de son âge. .................... 42 Figure 18. Fonctions de distribution de la perte de paroi pour des conduites de 20 ans et de 50 ans, selon le modèle GEV tenant compte de l’âge des conduites, pour les conduites sur lesquelles aucune réparation n’a été détectée. ................................... 45 Figure 19. Probabilité pour une conduite en fonte de 150 mm de la ville de Québec d’avoir une perte de paroi par corrosion supérieure à z %, pour des conduites de 20, 30, 40 et 50 ans. .............................................................................................................. 47 ix LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Les causes et facteurs physiques et environnementaux qui peuvent être à l'origine de la dégradation de la structure des conduites d’eau potable (tiré de Fédération canadienne des municipalités et Conseil national de recherches du Canada, 2002). .......................................................................................................... 7 Tableau 2. Classification de la corrosivité des sols selon la résistivité (tiré de O’Day, 1989). ... 11 Tableau 3. Grille d'évaluation du taux d'agressivité du sol selon le standard ANSI/AWWA C-105/A21.5-99 (adapté de Doyle, 2000). ......................................... 13 Tableau 4. Bilan des activités d'auscultation de conduites d'aqueduc. ...................................... 26 Tableau 5. Nombre de conduites de 150 mm pour lesquelles les caractéristiques du sol ont pu être estimées. ..................................................................................................... 33 Tableau 6. Coefficient de corrélation linéaire entre la perte de paroi observée lors de l’auscultation et divers facteurs potentiellement explicatifs. ..................................... 37 Tableau 7. Probabilité pour une conduite en fonte de 150 mm à Québec de présenter une perte de paroi par corrosion supérieure à 80 %. ...................................................... 47 Tableau 8. Bornes inférieure et supérieure de l'intervalle de confiance à 50 % de la perte de paroi en fonction de l’âge d’une conduite en fonte de 150 mm à Québec. .............. 48 xi SOMMAIRE L’objectif principal du projet faisant l’objet de ce rapport était de développer un modèle mathématique pour prédire l’évolution de l'épaisseur résiduelle des conduites d'aqueduc en fonte, à partir d’informations recueillies à l’aide de la sonde Aqua Diag. Ce projet s’est divisé en quatre volets qui sont : 1) la validation en laboratoire des résultats fournis par la sonde Aqua Diag; 2) la récolte et la mise en forme des données disponibles à la Ville de Québec pour le développement du modèle; 3) la planification de campagnes d’inspection supplémentaires afin d’accroître le volume de données disponibles; et 4) la mise en place du modèle mathématique. Les résultats du premier volet ont fait l’objet d’un premier rapport, reproduit en annexe, tandis que les volets 2 à 4 sont détaillés dans le présent rapport. La principale conclusion du premier volet est que l’inspection de conduites d’aqueduc en fonte, par la sonde Aqua Diag, donne une bonne représentation de l’état général de dégradation par corrosion de ces conduites. Ce résultat permet de s’appuyer sur les estimations de profondeur de corrosion fournies par la sonde Aqua Diag pour développer un modèle de prédiction de l’évolution de la corrosion sur les conduites en fonte. Le second volet a conduit à la construction d’une base de données qui regroupe toutes les informations existantes afin de mieux comprendre le processus de corrosion sur les conduites d’eau potable de la Ville de Québec, soit les informations concernant les caractéristiques des conduites d’aqueduc (localisation, âge, etc.), les résultats d’auscultations Aqua Diag (nombre de défauts observés, perte maximale de paroi par corrosion, etc.) et les caractéristiques du sol (pH, résistivité, etc.). Quant au troisième volet, il a permis de réaliser des inspections par la sonde Aqua Diag de 36 conduites sur le territoire de la ville de Québec, dont les résultats se sont ajoutés aux 276 résultats d’inspection disponibles en début de projet, afin de construire le modèle de prédiction de l’évolution de la corrosion. Ainsi, ces données ont servi de base pour le développement, dans le cadre du quatrième volet, d’un modèle probabiliste qui donne, pour une conduite en fonte d’un diamètre de 150 mm et en fonction de son âge, la probabilité que la profondeur de corrosion sur cette conduite soit supérieure à une valeur donnée. En raison de la nature des données disponibles, les caractéristiques du sol n’ont pas pu être intégrées à ce modèle; ceci le rend d’ailleurs plus facile à adapter pour les réseaux d’autres municipalités, car la connaissance xii détaillée de la distribution spatiale des caractéristiques du sol est une information rarement disponible en milieu urbain. 1 1. Introduction La corrosion est un des principaux processus qui contribuent à la rupture des conduites d’eau potable en fonte (Agbenowosi, 2000; Rajani et al., 2000). Or, bien que le PVC (polychlorure de vinyle) soit actuellement le matériau le plus utilisé pour les nouvelles conduites d’eau potable installées en Amérique du Nord, la majorité des conduites de petits diamètres qui ont été installées jusque dans les années 1990 est constituée de fonte (grise ou ductile). À titre uploads/Geographie/ bs-2241904.pdf