Retour d'expérience issu de la mise en œuvre d'un réservoir d'hydrogène liquide haute pression Journée technique INERIS du 7 octobre 2003

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1 Retour d'expérience issu de la mise en œuvre d'un réservoir d'hydrogène liquide haute pression Journée technique INERIS du 7 octobre 2003 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 1

2 Activités du site d'essais de Vernon Essais de développement et de production des matériels de vol Ariane Banc d'essai = "cellule d'essai" + réservoirs de stockage PF52 : essais séparés de composants du moteur Vulcain HYDROGÈNE LIQUIDE LH2 400 b LOX À HAUTE PRESSION GH2 800 b GG GN2 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 2

3 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 3 Le banc PF52

4 Caractéristiques du réservoir B02 Capacité : 12 m kg de LH2 (hydrogène liquide) Pression maxi : 400 bar Pression d'utilisation : 250 bar Structure à double enveloppe avec vide inter-parois Paroi interne : acier austénitique - structure multicouches épaisseur totale : 157 mm Masse : 80 tonnes Fabricant : Krupp Industrie Technik GmbH V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 4

5 Caractéristiques du réservoir B02 Ligne de pressurisation Ligne de soutirage Enveloppe extérieure Enveloppe intérieure Bras mort LH2 400 b LOX Vide interparois GH2 800 b GG GN2 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 5

6 Caractéristiques du réservoir B02 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 6

7 Événements clés antérieurs à l'incident 1988 : mise en service du réservoir (essais de réception) 1989 : début des essais au PF52 octobre 1990 : suspicion de pollution du réseau GH2 (prise d'air en amont d'un compresseur) juillet 1991 : vidange et "assainissement" du réservoir 4 décembre 1991 : essai TPHP11-06 combustion interne dans le B02 V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 7

8 Description de l'incident du 4 décembre 1991 Avant le H0 de l'essai : mise en pression du B02 par un dispositif de régulation ( bar en 30 s ) à H0-27 s ( P = 160 bar ) bruit + chute de givre en cellule d'essai mesure d'un saut de pression d'environ 10 bar de H0-27 s à H0-17 s forte perturbation de la régulation variations importantes et rapides des paramètres mesurés (températures de paroi, pressions, débit) à H0-17 s : régulation hors gabarit arrêt d'essai V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 8

9 Premières explications de l'incident Combustion d'un glaçon d'oxygène (masse évaluée à 600 g) à l'intérieur du réservoir pic de pression estimé à 80 bar Le glaçon d'oxygène résulte de l'introduction régulière d'air depuis la mise en service du fait des impuretés nominalement présentes dans le LH2 et le GH2 de la pollution accidentelle du réseau en octobre 90 la concentration de l'air (sous formes liquide et gaz) dans le bras mort lors de l'assainissement de juillet 91 la re-solidification de l'air à la remise en LH2 du réservoir bras mort obstrué par un glaçon d'air + mélange air + H2 dans la partie aval du bras mort V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 9

10 Effets de l'assainissement de juillet vidange 2. assainissement 3. remplissage Fusion des cristaux d'oxygène ( LOX ) Accumulation de LOX en fond de réservoir ( ambiance GH2 froid T < 90 K ) Réchauffage à 100 K LOX GOX GOX + dense que GHe assainissement sans effet dans le bras mort Formation d'un bouchon d'oxygène solide au point bas du bras mort Piégeage d'un mélange air + H2 dans la partie aval du bras mort V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 10

11 Scénario probable d'initiation et d'arrêt d'essai Plusieurs foyers de combustion localisés en phase condensée : oxygène solide dans du LH2 en phase peu dense : mélange GH2 + GOX Initiation probable par impact ou friction de glaçons contre les parois ( fond de réservoir, ligne de soutirage, filtres) compression adiabatique du mélange GH2-GOX ( partie aval du bras mort) Obstruction de la ligne de soutirage par des glaçons d'eau arrêt d'essai V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 11

12 Investigations et remise en service du réservoir Analyse de l'incident établissement du scénario Étude des sollicitations mécaniques infligées (réservoir + équipements) pas d'excursion hors du domaine élastique Inspections endoscopiques pas d'endommagement visible (criques, fissures, ) Avis du constructeur pas de réserves Mise en place d'une vanne de purge drainage régulier du bras mort plus d'accumulation de particules d'oxygène Soumission à la DRIRE (le 11/03) accord de remise en service Épreuve à 397 bar en azote liquide Remplissage en LH2 le 6 avril 1992 (4 mois d'arrêt) V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 12

13 Retour d'expérience - Enseignements L'hydrogène fourni contient nominalement des impuretés règles de conception et d'exploitation pour éviter l'accumulation éviter absolument les configurations "à risque" (points bas, ) définir et intégrer dès la conception les contraintes d'assainissement Concevoir des équipements facilement visitables après mise en service instrumentés "a minima" (capteurs de pression rapides,...) Besoin d'amélioration de la connaissance des phénomènes thermophysiques dans l'hydrogène liquide (comportement des impuretés) V/FLSPS du 02/10/03 - Journée Technique INERIS du 7 octobre p. 13