Evaluation des conséquences en cas d explosions survenant dans l atelier d impression (Four de séchage et oxydateur thermique) Révision 0 1 2 Référence 639 47 66 Date 07 avril 2017 Auteur Xavier LEFEVRE
1. DESCRIPTION DU SCENARIO DONNEES DE BASE 1.1. EXPLOSION FOUR SECHAGE ET OXYDATEUR THERMIQUE Deux conditions essentielles doivent être réunies pour qu une explosion de gaz se produise : la concentration en vapeur inflammable dans l air doit être suffisante, le volume de gaz doit se trouver en contact d une source d inflammation adéquate ou portée audessus de sa TAI (Température d Auto-Inflammation). Nous supposons que la totalité du volume du four et de l oxydateur thermique est remplie d un mélange inflammable de vapeurs/gaz inflammables et d air, à la stoechiométrie. Les effets de surpression résultant de l explosion du nuage explosible formé sont estimés. Le développement du scénario suppose le non-fonctionnement des sécurités et mesures de protection qui seront mises en place. Caractéristiques dimensionnelles : Four de séchage : Le four d une longueur de 31 m four est ouvert sur les 2 faces (en entrée et en sortie). Largeur interne : 1,5 m Hauteur interne : 2,3 m Volume interne du four = 107 m 3 Unité d oxydation (Eco TNV) : La chambre de combustion est cylindrique. Diamètre : 0,8 m Longueur : 3 m Volume interne de la chambre de combustion = 1,5 m 3
1.2. EXPLOSION OXYDATEUR (TRAITEMENT STG) La séquence accidentelle est l accumulation accidentelle de gaz suite à l extinction de flamme ou à un défaut d allumage. Il peut se produire une accumulation de gaz en cas de perte de la flamme (interruption accidentelle de la combustion). Une explosion pourrait survenir si une flamme ou une source de chaleur intense se manifestait une fois le mélange air/gaz accumulé dans le corps de chauffe. Les brûleurs sont équipés d un dispositif de détection de défaut de flamme couplant l arrêt automatique de l alimentation en gaz de naturel. L allumage est assuré par une séquence automatique comportant une phase de balayage contrôlée du foyer à l air avant allumage. Les effets de surpression résultant de l explosion de la chambre de combustion (foyer) sont estimés. Le développement du scénario suppose le non-fonctionnement des sécurités et mesures de protection qui seront mises en place. Le volume de confinement de gaz est pris égal à celui du corps de chauffe. 2. PROPRIETES DES GAZ Composition du gaz COV Nous assimilons les vapeurs à de l acétate d éthyle Caractéristiques d explosivité - Masse molaire : 76 g/mol - Température d auto-inflammation : 427 C - LIE = 2,2 % volume dans l air - LSE =11,5 % volume dans l air - Masse volumique (à 15 C et pression atmo) : 3 kg/m 3 - Chaleur de combustion : 2,9.10 7 J/kg 3. MÉTHODES EMPLOYÉES Enceinte équipée d évent : Pour les enceintes munies d un évent et dont la pression résiduelle est supérieure à 0,1 b, nous évaluons la surface d évent à partir de la norme NF EN 14994 (2007).
L onde de surpression est déterminée à l aide de la norme NF EN 14994 (cf. extrait ci-dessous). Pour les enceintes non dotées d évents : Nous utilisons la méthode multi-énergie développée par TNO, est décrite au chapitre 5.5. du Yellow Book Methods for the calculation of physical effects 3rd Edition 1997 de TNO. Elle est utilisée pour déterminer les effets de surpression en cas d explosion d un nuage de gaz à l aire libre (UVCE) ou en milieu confiné et encombré (VCE), sauf dans le cas des enceintes fermées résistant à la pression (c est-àdire où la pression initiale peut être élevée) pour lesquelles la méthode de Baker est appliquée. La méthode multi-énergie tient compte de la nature (réactivité) et de la quantité de gaz mise en jeu (masse explosible) ainsi que de la violence de l explosion, caractérisée par un indice de sévérité d explosion qui permet de rendre compte de la densité des obstacles, du degré de confinement et de l énergie et position de la source d inflammation. Pour estimer l indice de sévérité d une explosion, TNO propose le tableau suivant.
Indice de sévérité d explosion en fonction du degré d encombrement, du degré de confinement et du type d inflammation Energie d inflammation Degré d encombrement Degré de confinement Classe / Faible Forte Fort Faible Inexistant Oui Non Sévérité X X X 7-10 X X X 7-10 X X X 5-7 X X X 5-7 X X X 4-6 X X X 4-6 X X X 4-5 X X X 4-5 X X X 3-5 X X X 2-3 X X X 1-2 X X X 1 Le paramètre de sévérité d'explosion dépend de trois autres paramètres : - Encombrement : Haut volume d'obstacles présents dans le nuage de gaz, volume occupé par les obstacles > 30% du volume total et moins de 3 m d'espacement entre les obstacles Bas Volume d'obstacles < 30% du volume total du nuage de gaz et/ou espacement entre obstacles > 3m Aucun Pas d'obstacles dans nuage de gaz - Confinement Oui Le nuage de gaz est bloqué/confiné sur deux ou trois cotés Non Le nuage de gaz n'est pas bloqué hormis par le sol. - Inflammation Haute La source d'inflammation est une explosion confinée. L'inflammation du nuage de gaz intervient dans un bâtiment. Basse La source d'inflammation est une étincelle, flamme, point chaud. L indice 10 correspond à une détonation, les indices intermédiaires correspondent à des déflagrations à vitesses de flamme d autant plus rapides que l indice est élevé. Pour un VCE, la violence de l explosion est à estimer au cas par cas. Dans le cas du four de séchage : V : volume du four = 107 m 3 En raison de la structure du four (calorifuge avec tôles) et de l ouverture à chaque extrêmité, nous prenons une pression de rupture égale à 0,1 bar (pression relative). Pour les explosions de gaz confiné et à l intérieur d une enceinte ouverte à 2 extrêmités, on prendra un indice de sévérité d'explosion de 4 (cf. tableau ci-dessus).
Dans le cas de l oxydateur thermique ECO TNV : V : volume interne de l oxydateur = 1,5 m 3 Les pressions de rupture des foyers ne sont pas très élevées (calorifuge avec tôles) mais jamais calculées. Nous prenons une pression de rupture égale à 1 bar (pression relative). Pour les explosions de gaz confiné à l intérieur d enceintes non dotées d évent, et de manière conservative, on prendra un indice de sévérité d'explosion 10. Une fois les caractéristiques de l onde de surpression déterminées, les distances d effets des surpressions sont déterminées par lecture des abaques multi-énergie (cf. abaque page suivante).
Ces abaques ont été établis sur la base de résultats de simulations numériques d explosions de charges hémisphériques de gaz (typiques d un mélange hydrocarbure air) à vitesse de flamme constante. Ils donnent la distance réduite R, en fonction de la surpression, à partir de laquelle on déduit la distance d effet R mesurée à partir du centre du nuage, du pic de pression considéré : avec : - Ex R R Pa 1 3 R : distance d effet, observée à partir du centre du nuage, en fonction de la surpression (m) R : distance réduite (m) Pa : pression atmosphérique (Pa) Ex : énergie d explosion (J) calculée à partir de la formule de Brode : L énergie disponible avant l éclatement de l enceinte peut être estimée à partir de la formule de Brode : E ex p 1 p 1 1 0 V 1 avec : V 1 : le volume gazeux 1 : rapport des chaleurs spécifiques des produits de combustion (=1,25 pour l acétylène et 1,13 pour le propane) p 0 : Pression ambiante = 0 bar relatif (pression atmosphérique) p 1 : pression d explosion des enceintes prise égale à 2 fois la pression maxi de rupture statique de cellules en béton ou métallique (2 x 1 b soit 200 000 Pa). On fournit dans le tableau suivant des ordres de grandeurs de la résistance des matériaux en fonction de leur constitution (issues du «Guide de l art des silos» édité par l INERIS en avril 2005). Nature de la paroi Surpression de ruine (statique) Tour de manutention en béton 100 à 300 mbar Tour de manutention en bardage métallique ou en 15 à 100 mbar fibrociment Cellules en béton : parois Cellules en béton : toit 150 à 1000 mbar 100 à 400 mbar Cellule métallique : parois Cellules métallique : toit 300 à 1000 mbar 100 à 200 mbar Briques 100 à 300 mbar Tuiles 5 mbar Verre simple/armé 3 à 25 mbar Plaque polyester transparente ou polycarbonate 10 mbar (fixations crochets) Plaque amiante-ciment (fixations crochets) 10 mbar Ordre de grandeurs de la résistance des matériaux Application numérique : Four de séchage Oxydateur thermique Volume gaz pris en compte 107 m 3 1,2 m 3 Indice de sévérité d explosion 5 10 Pression d explosion 20 000 Pa 200 000 Pa Energie d'explosion (J) 2,1.10 7 3.10 6
4. RESULTATS Distance des effets de surpression Explosion four séchage Indice multi énergie = 5 300 mbar 200 mbar 140 mbar 50 mbar 20 mbar Surpressi on non atteinte 3 m 5 m 13 m 26 m (Distances maximales atteintes, comptées à partir des extrêmités du four (zone d échappement de la surpression) Distance des effets de surpression (Distances maximales atteintes, comptées à partir de l oxydateur) Explosion oxydateur thermique (VCE) Indice multi énergie = 10 300 mbar 200 mbar 140 mbar 50 mbar 20 mbar 1 m 2 m 3 m 15 m 30 m
N L onde de surpression s échappe à chaque extrêmité ouverte du four Limite de propriété 200 mbars 140 mbars 50 mbars 20 mbars Explosion four séchage Localisation des ondes de surpression Echelle : 1/1000 ème
N Future limite de propriété 200 mbars 140 mbars 50 mbars 20 mbars Explosion four séchage Localisation des ondes de surpression Echelle : 1/1000 ème