LES EXPLOSIONS DE POUSSIERES Mamadou TRAORE, MdC Paris 13
Quelques accidents célèbres 14 Décembre 1785 : Explosion de farine dans la boulangerie de M. Giacomelli à Turin Première explosion référencée. Début de l histoire des explosions de poussières
Quelques accidents célèbres La catastrophe de Courrières (62), 10 Mars 1906 (1099 morts)
Quelques accidents célèbres Le 20 Août 1997, L accident de Blaye (Gironde) 11 morts Explosions d installations de stockage de céréales.
Quelques définitions Existence de plusieurs définitions de la «poussière» dans différents standards et normes est considérée comme "poussière" tout ensemble de particules solides dont le diamètre aérodynamique est au plus égal à 100 micromètres ou dont la vitesse limite de chute, dans les conditions normales de température, est au plus égale à 0,25 mètre par seconde [Code du Travail Article R-232-5-1] une poussière comme tout matériau solide finement divisé en deçà d un diamètre de 420 µm [Standard NFPA 654]
Quelques définitions Source d inflammation Suspension Domaine d explosivité Combustible Triangle du feu Comburant Confinement L hexagone d explosion de poussières
Quelques définitions Poussières métalliques : réactions exothermiques d oxydation de surface Poussières organiques : pyrolyse avec émission de gaz combustibles formant autour de la particule un mélange gazeux explosif qui s enflamme Combustible + O oxydes (métalliques) ou (CO2 + H2O) 2 + H Le potentiel explosif d un produit dépendra de H et de la vitesse de libération de cette chaleur = vitesse de la réaction
Domaines d activité à risque Industries chimiques (vidange, broyage, transport, remplissage, filtration, séchage, micronisation ) Industries pharmaceutiques Industries des colorants synthétiques Industries agro-alimentaires Industries minières Industries du bois Industries des plastiques et résines Industries métallurgiques
L occurrence des explosions de poussières Autre Papiers M étaux 1/3 des explosions est dû aux poussières de bois Charbon Plastiques Produits alimentaires 1/4 des explosions est dû aux poussières alimentaires Bois 0 5 10 15 20 25 30 35 %total d'explosion Fréquence des explosions de poussières selon la nature des matériaux pulvérulents - Allemagne (1965-1980).
L occurrence des explosions de poussières Autres M élangeurs Fours 1/5 des explosions a lieu dans les silos et trémies Sécheurs Filtres, Séparateurs Convoyeurs Broyeurs, moulins On retrouve la même probabilité d occurrence dans les broyeurs et moulins que dans les filtres et séparateurs (15 %) Silos et trémis 0 5 10 15 20 25 30 % t o t al d ' exp lo sio n Fréquence des explosions de poussières en fonction du type d installations de poussières - Allemagne (1965-1980).
L occurrence des explosions de poussières Autres Inflammation Feux Surfaces chaudes Les étincelles mécaniques sont les plus répandus parmi les sources d ignition Electricité statique Impact mécanique Particules incandescentes Attention à l électricité statique Etincelles mécaniques 0 5 10 15 20 25 30 35 % t o t al d ' exp lo sio n Fréquence des explosions de poussières en fonction de la source d inflammation - Allemagne (1965-1980).
L occurrence des explosions de poussières (France) BARPI : Bureau d Analyse des Risques et Pollutions Industrielles (1992) http://aria.ecologie.gouv.fr Période Accidents majeurs Morts Dégâts matériels ( ) Commentaires 1980-2005 110 41 37 Millions Plus de la moitié des explosions est dû au bois et aux produits alimentaires Selon l INRS, il se produirait une explosion de poussière par jour
Grandeurs caractéristiques Inflammabilité // explosivité Inflammabilité : Aptitude d une poussière à s enflammer EMI : Energie Minimale d Inflammation TMI : Température Minimale d Inflammation CME : Concentration Minimale Explosible Explosivité : Violence générée par l explosion K = dp/dt st max P max : Pression maximale atteinte dp/dt max : Vitesse maximale de montée en Pression (fonction de V) K st : constante caractéristique (loi cubique) * V 1 3
Grandeurs caractéristiques Classe d'explosion de poussières K st (bar.m/s) Caractéristique de l'explosion Exemples St 0 0 Pas d'explosion Carbonate de calcium St 1 1 à 200 Faible à moyenne Charbon St 2 201 à 300 Forte Cellulose St 3 > 300 Très forte Aluminium Classes d'explosivité des poussières
Energie Minimale d Inflammation EMI : Plus basse énergie capacitive permettant, par décharge, d enflammer un nuage de poussière Le tube de Hartmann modifié Kühner AG Détermination de l énergie d inflammation du stéarate de magnésium (d 50 = 5 µm ; 30 %HR). Norme CEI 1241-2-3, 1994 - LSGC
Energie Minimale d Inflammation Matériau EMI (mj) Aluminium broyé 50 à 120 Amidon (blé) 25 Sucre 30 Charbon de Pittsburgh 60 Cellulose 80 Soufre 15 Farine de bois 40 Polyéthylène 30
Température Minimale d Inflammation TMI : Plus faible température d une surface chaude au contact de laquelle le nuage de poussière s enflamme spontanément 720 non inflammation inflammation 700 680 660 Temperature ( C) 640 620 600 580 560 540 520 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Concentration en poussières (g.m -3 ) Le four Godbert-Greenwald (Crédit photo CNRS-LSGC-Nancy) Détermination de la TMI de la poussière de charbon Norme CEI 1241-2-1, 1994
Température Minimale d Inflammation Matériau d (µm) TMI ( C) nuage TMI ( C) couche Aluminium 27 520 410 Amidon 52 350 345 Céréales 50 520 300 Charbon 28 600 250 Farine bois 65 490 340 Lycopode 31 600 - Poudre époxy 26 510 Fusion Polyéthylène 62 440 Fusion
Température Minimale d Inflammation Matériau d (µm) TMI ( C) nuage TMI ( C) couche Farine de pois chiche 38 590 - Soufre 97 280 280 Soufre 110 290 - Noir de fumée 11 NI - Lait en poudre 350 600 - Lait en poudre 60 610 340 Sucre 30 490 480 Sucre glace 67 540 -
Concentration Minimale Explosible CME : Plus faible concentration en poussières dans l air permettant la propagation d une combustion en son sein 0,8 0,7 0,6 0,5 Pm(bar) 0,4 0,3 0,2 0,1 Le tube de Hartmann modifié (si EMI < 1 Joule) (Kühner AG) La sphère d explosion de 20 litres Norme ISO 6184/1 ou ASTM E1515 (Kühner AG) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Concentration (g/m3) Détermination de la CME du sucre glace (d 50 = 22 µm, séché) LSGC -Nancy
Concentration Minimale Explosive Matériau CME (kg/m 3 ) Acide acétylsalicylique Field,1982 CME (kg/m 3 ) Cleuet, 1994 0,015 0,05 Aluminium 0,03 0,04 à 0,140 Acide benzoïque 0,01 0,03 Caprolactame 0,07 Charbon 0,055 Résine époxy 0,01 Farine 0,05
Concentration Minimale Explosive Acier CME (kg/m 3 ) Field,1982 CME (kg/m 3 ) Cleuet, 1994 Nylon 0,005 0,03 Papier 0,03 Résine phénol formaldéhyde Sucre 0,015 0,015 0,025 Zinc 0,4 0,46 Zirconium 0,01 0,045 Polyéthylène 0,01 0,02
L explosivité des explosions P max et dp/dt max représentent respectivement les maxima des pressions et des vitesses maximales de montée en pressions en fonction de la concentration en poussières P (bars) P m dp 0 dt Temps (ms) La sphère d explosion de 20 litres Norme ISO 6184/1 (Kühner AG) L évolution de la pression en fonction du temps pour une concentration donnée
L explosivité des explosions C 8 max, théorique C max, expérimentale P max 7 6 250 dp/dt max 200 P m (bar) 5 4 3 dp/dt m (bar.s -1 ) 150 100 2 50 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Concentration en noir de carbone (g.m -3 ) 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Concentration en noir de carbone (g.m -3 ) Détermination de l explosivité du noir de carbone (d 50 = 7 µm ; 37 %HR) LSGC nancy
L explosivité des explosions Matériau P max (bar) K max (bar.m.s -1 ) Amidon (Blé) 8 136 St1 Sucre 8 95 St1 Aluminium broyé 6 à 7,5 270 St2 Soufre 5,5 95 St1 Charbon de Pittsburgh 6,5 54 St1 Polyéthylène 6,8 76 St1 Cellulose 9 87 St1 Classe d explosion Bois/pin (farine) 8 109 St1 Source INRS (Institut National de Recherche et de Sécurité)
Les indices d explosion Indice de sensibilité I sens = ( TMI * EMI * CME) ( TMI * EMI * CME) référence produit Indice de sévérité I sev = ( P ( P max max * dp / dt * dp / dt max max ) ) produit référence Indice d explosion I exp = I sens * I sev Référence = Charbon de Pittsburgh
Classer les poudres en foction de leur sensibilité Matériau TMI ( C) EMI (mj) CME (g/m 3 ) Indice de sensibilité Amidon (Blé) 400 25 25 Sucre 370 30 45 Aluminium broyé 550 à 700 50 à 120 45 à 120 Soufre 290 15 35 Charbon de Pittsburgh 610 60 55 Polyéthylène 450 30 20 Cellulose 480 80 55 Bois/pin (farine) 470 40 35
En fonction de leur séverité puis de leur ecplosivité Matériau P max (bar) K max (bar.m.s -1 ) Classe d explosion Indice de sévérité Indice d explosion Amidon (Blé) 8 136 St1 Sucre 8 95 St1 Aluminium broyé 6 à 7,5 270 St2 Soufre 5,5 95 St1 Charbon de Pittsburgh 6,5 54 St1 Polyéthylène 6,8 76 St1 Cellulose 9 87 St1 Bois/pin (farine) 8 109 St1 Source INRS (Institut National de Recherche et de Sécurité)
Paramètres influents Liste non exhaustive 1. La concentration 2. La nature du produit et la composition chimique 3. La granulométrie dispersibilité stabilité 4. Le taux d humidité 5. La rétention de solvant présence de gaz inflammables (mélanges hybrides) 6. La température initiale 7. La pression initiale 8. Le type, la position et l énergie de la source d inflammation 9. La composition de l atmosphère Concentration Limite en Oxygène 10. Turbulence du mélange air/poussière
Nature du produit Soufre séché (d 50 = 10 µm ; C = 250 g/m 3 ; 30 %HR) (CNRS LSGC Nancy) Aluminium (d 50 = 7 µm ; C = 250 g/m 3 ; 30 %HR) (CNRS LSGC Nancy)
Granulométrie Loi de Stokes v = r 2 ( ρ ρ ).. s 9µ f g Surface spécifique d une sphère 6 a g = ρ d 2100 100 1800 1500 80 CME (g.m -3 ) 60 40 dp/dt max (bar/s) 1200 900 600 20 300 0 0 5 10 15 20 25 d 3,2 (µm) 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1/d 3,2 (µm -1 ) Influence de la granulométrie sur la CME de l aluminium LSGC Nancy Influence de la granulométrie sur la dp/dt max de l aluminium - LSGC Nancy
Teneur en eau La présence d humidité est en général bénéfique pour éviter les explosions 540 amidon de maïs poussière de bois 520 L humidité favorise la cohésion des poussières et leur agglomération L eau absorbe une partie de l énergie pour se vaporiser au détriment de la combustion La vapeur d eau sert à inerter le milieu en réduisant la concentration en oxygène TMI ( C) 500 480 460 440 420 400 0 10 20 30 40 50 60 Teneur en eau (%)
Présence de solvant La présence de solvant peut engendrer un effet de synergie tel que l explosivité du mélange est supérieure à celle des composés Cet effet est beaucoup plus marqué sur la vitesse maximale de montée en pression (%) volumique de toluène 8 6 4 2 0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 730,0 1620 dp/dt m (bar.s -1 ) 0 0 200 400 600 800 1000 Concentration en antibiotique (g.m -3 ) CNRS LSGC - Nancy
La prévention des explosions Toute méthode permettant d empêcher l explosion (hexagone d explosion) Action sur les hommes Formation du personnel Management du risque en entreprise Eviter le dépôt et l accumulation des poussières lors de la conception des structures Action sur le combustible Nettoyer les installations Inertage par un solide Action sur la concentration Maintenir la concentration en dehors du domaine d explosivité Coupler à d autres actions pour estimer un risque acceptable
La prévention des explosions Action sur le comburant Inertage par un gaz (Azote, Vapeur d eau, Dioxyde de carbone) Utilisation du vide Limiter la température de la surface chaude à 2/3 de la TMI Action sur la source d inflammation Eviter les étincelles par choc mécanique en captant par électromagnétisme, par filtration ou par gravité les particules dangereuses Mise à la terre et équipotentialité entre les éléments Respecter les directives européennes ATEX 94/9/CE et 1999/92/CE
La prévention des explosions Zone Définition de l emplacement Exemples 20 Emplacement où une atmosphère explosive sous forme de nuage de poussières combustibles est présente dans l air en permanence, pendant de longues périodes ou fréquemment. 21 Emplacement où une atmosphère explosive sous forme de nuage de poussières combustibles est susceptible de se présenter occasionnellement en fonctionnement normal. 22 Emplacement où une atmosphère explosive sous forme de nuage de poussières combustibles n est susceptible pas de se présenter en fonctionnement normal ou, si elle se présente néanmoins, elle n est que de courte durée. Non dangereuse Un emplacement, où il est improbable que des atmosphères explosives se présentent en quantités telles que des précautions spéciales soient nécessaires Intérieur des silos, trémies, sécheurs, filtres, cyclones Environnement immédiat des appareils ci-dessus Fuites occasionnelles dues aux évents de sécurité Intérieur des bureaux
Les effets des explosions Les effets sur l homme Lésions aux tympans (seuil limite de rupture = 3,4 10 4 Pa) Effets directs ou primaires Blessures aux poumons (50 % de survie pour P = 4 bars) Rayonnement thermique (50% de mortalité si exposition pendant 10 s à un flux de 57 kw/m 2 ) Effets secondaires Les fragments tranchants pénétrants Les missiles contondants (commotion et fracture) Masse (kg) Dommage Niveau Vitesse d impact 4,54 Commotion cérébrale Sans effet 3,05 m/s 4,54 Commotion cérébrale Seuil limite 4,57 m/s 4,54 Fracture du crâne Sans effet 3,05 m/s 4,54 Fracture du crâne Seuil limite 4,57 m/s 4,54 Fracture du crâne Proche de 100% 7,01 m/s
Les effets des explosions Les effets sur l homme Effets tertiaires La projection des personnes contre des surfaces dures Traumatismes psychologiques Niveau de dommage Vitesses d impact (m/s) Sans effet 3,05 Seuil limite 3,96 50 % létalité 5,49 99 % létalité 7,01 Projection avec impact de la tête et fracture potentielle du crâne Niveau de dommage Vitesses d impact (m/s) Sans effet 3,05 Seuil limite 6,40 50 % létalité 16,46 99 % létalité 42,06 Projection et impact du corps humain
Les effets des explosions Les effets sur les structures Pression (mbar) Dégâts Matériels 2 Fentes occasionnelles des vitres de grandes fenêtres 20 10 % des vitres brisées en éclats Quelques dommages aux plafonds des maisons 70 90 % des vitres brisées en éclats Démolition partielle des maisons les rendant inhabitables 140-200 Effondrement partiel des murs et des toits des maisons 200-300 Déformation des bâtiments à charpente en acier et sortie de leurs fondations 300 Rupture des réservoirs de pétrole 500 Destruction complète des maisons
La protection contre les explosions Toute mesure permettant de limiter les effets des explosions Construction résistant aux explosions (coûteux, petits volumes, produits très toxiques) Systèmes de séparation et d isolement des installations (vanne à fermeture rapide, vis d Archimède, écluses rotatives cellulaires) Utilisation d extincteurs déclenchés (P res < P des ) Events de décharge d explosion (dimensionner à partir de la connaissance de K max )
La protection contre les explosions
Conclusion Cela n arrive pas qu aux autres!!!!!!!!!!!!!! Les explosions de poussières restent un sujet complexe (paramètres influents) Chaque poussière a un comportement unique à évaluer expérimentalement dans les mêmes conditions qu en industrie Se méfier des valeurs de la littérature sans spécifications La mise en œuvre des méthodes de protection reste encore une affaire de spécialistes
Bibliographie 1. Laurent A., 2003, Sécurité des Procédés Chimiques - connaissances de base et méthodes d analyse de risques. TEC & DOC, Paris. 2. Traoré M., Les explosions de poussières et mélanges hybrides. Etude paramétrique et relation entre la cinétique de combustion et la violence de l explosion. Doctorat INPL-Nancy, Avril 2007. 3. Eckhoff R. K., 2003, Dust Explosions in the process industries (third edition). Gulf Professional Publishing. 4. Bartknecht W., 1989, Dust explosions : Course, Prevention, Protection. Springer -Verlag. 5. Field P., Handbook of powder Technology, volume 4 : Dust explosion, Elsevier Amsterdam-Oxford. 6. Nagy J., Verakis H. C., 1983, Development and Control of Dust Explosions. Marcel Dekker, New York. 7. Medard L., 1987, Les explosifs occasionnels. TEC & DOC, Paris. 8. Siwek R., 1980, Experimental methods for the determination of explosion characteristics of combustible dusts. Loss Prevention Bale, 3 (12) : 839-850. 9. Directive ATEX n 94/9/CE 23 Mars 1994, Journal officiel des communautés européennes, L 100/1. 10. Directive ATEX n 99/92/CE 16 Décembre 1999, Journal officiel des communautés européennes, L 23/57. 11. ISO Method 6184-1 : Explosion protection system. Method for determination of explosion indices of combustible dusts in air. International Organization for Standardization, 1985. 12. Cleuet A., Gros P., 1989, Les mélanges explosifs gaz et vapeurs, poussières liquides, solides. INRS. 13. Lödel R., 1992, Incendies et explosions de métaux en poudre. Rapports scientifiques et techniques de l INERIS 14. Pellmont G., 1980, Minimum Ignition Energy of Combustible Dusts and Explosion Behaviour of Hybrid Mixtures, 3rd Int. symposium on loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, 3, pp 851-862, Bâle. 15. http://aria.ecologie.gouv.fr «BARPI : Bureau d Analyses de Risques et Pollution Industrielle» 16. http://segmg.free.fr «Société d Etudes Géologiques et minières de la Gohelle»
Inflammabilité des poudres Matériau TMI ( C) EMI (mj) CME (g/m 3 ) Amidon (Blé) Indice de sensibilité (TMI*EMI*CME) ref / (TMI*EMI*CME) p 400 25 25 8 Sucre 370 30 45 4 Aluminium broyé 550 à 700 50 à 120 45 à 120 0,2 < I < 1,6 Soufre 290 15 35 13 Charbon de Pittsburgh 610 60 55 1 Polyéthylène 450 30 20 7,5 Cellulose 480 80 55 0,95 Bois/pin (farine) 470 40 35 3,06
L explosivité des explosions Matériau P max (bar) K max (bar.m.s -1 ) Classe d explosion Indice de sévérité Indice d explosion (P max.k max ) p /(P max.k max ) réf I sens *I sev Amidon (Blé) 8 136 St1 3,1 24,8 Sucre 8 95 St1 2,2 8,8 Aluminium broyé 6 à 7,5 270 St2 4,6 < I < 5,8 0,9 < I < 9,3 Soufre 5,5 95 St1 1,5 19,5 Charbon de Pittsburgh 6,5 54 St1 1 1 Polyéthylène 6,8 76 St1 1,5 11,3 Cellulose 9 87 St1 2,2 2,1 Bois/pin (farine) 8 109 St1 2,5 7,7 Source INRS (Institut National de Recherche et de Sécurité)