Laboratoire de caractérisation des risques d'explosion
Dans l'industrie moderne, la sécurité des procédés revêt une importance capitale, en particulier lorsqu'il s'agit de substances et de mélanges potentiellement dangereux.
Pour réduire les risques au minimum et garantir une sécurité maximale, il est essentiel de connaître précisément les paramètres liés à la sécurité de ces substances.
Réduction des risques
Les paramètres indiqués dans la littérature sont généralement basés sur des conditions standard, qui peuvent différer considérablement des conditions réelles de fonctionnement et doivent donc être examinés d'un œil critique sous l'angle de la sécurité.
Notre laboratoire d'essais PROTEGO® offre la possibilité de déterminer de nombreuses caractéristiques de sécurité, afin d'évaluer précisément l'influence de vos conditions de procédé (pression, température, nature du comburant, gaz inertes, etc.).
La détermination de paramètres tels que la pression maximale d'explosion (Pmax), les limites d'inflammabilité (LIE/LSE), le taux maximal de montée en pression ((dP/dt)max), la concentration limite en oxygène (CLO/LOC) ou encore l'Interstice Expérimental Maximal de Sécurité (IEMS/MESG), dans des conditions représentatives de votre exploitation, permet d'obtenir des données fiables et spécifiques à votre procédé.
Ces résultats contribuent à optimiser le dimensionnement des équipements de protection contre les explosions, à réduire les risques industriels et à éviter les surcoûts liés à un dimensionnement excessivement conservatif.
Interstice Expérimental Maximal de Sécurité (MESG) (groupe d'explosion)
L'évaluation de la capacité de propagation d'une flamme à travers un interstice est réalisée conformément à la norme EN ISO/IEC 80079-20-1, au moyen d'un appareil de détermination de l'Interstice Expérimental Maximal de Sécurité (IEMS / MESG).
À partir des résultats expérimentaux obtenus, la substance est classée dans l'un des groupes d'explosivité IIA1, IIA, IIB1, IIB2, IIB3, IIB ou IIC, fournissant ainsi les données essentielles au choix et au dimensionnement des équipements destinés à être utilisés en atmosphères explosibles.
Quantification des conditions qui modifient les groupes d'explosion
La classification d'explosivité d'une substance permet de vérifier son adéquation avec les arrête-flammes ainsi qu'avec les équipements protégés par une enveloppe antidéflagrante (Ex d).
Au-delà de la détermination de l'Interstice Expérimental Maximal de Sécurité (IEMS / MESG) des substances pures, le laboratoire d'essais PROTEGO® est en mesure d'évaluer l'influence des conditions de procédé, telles que la température, la pression, la présence de gaz inertes ou la nature de l'agent oxydant, sur le comportement explosif d'un mélange.
Ces essais permettent notamment de déterminer la teneur minimale en gaz inerte nécessaire pour faire évoluer le groupe d'explosivité d'un mélange donné, par exemple de IIC vers IIA. Cette approche permet d'optimiser le choix des équipements de protection contre les explosions et de concevoir des installations à la fois sûres et plus économiques.
Limites inférieure et supérieure d'inflammabilité
Diverses mesures de protection contre les explosions peuvent être mises en œuvre afin d'empêcher la formation d'atmosphères explosibles au sein d'une installation. L'une des plus importantes consiste à maintenir en permanence la concentration des substances inflammables en dehors de leur domaine d'inflammabilité, c'est-à-dire en dessous de la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) ou au-dessus de la Limite Supérieure d'Explosivité (LSE).
Les limites d'inflammabilité peuvent être déterminées à pression atmosphérique conformément à la norme EN 1839:2017, en utilisant la méthode du tube ou la méthode de la bombe. En revanche, pour les essais réalisés à des pressions supérieures à la pression atmosphérique, seule la méthode de la bombe, conforme à la norme EN 17624:2022, est applicable.
Dans cette méthode, le mélange combustible-comburant est introduit dans un autoclave d'essais résistant à la pression d'explosion, puis enflammé au moyen d'une décharge haute tension, d'un fil fusible explosif ou d'un système d'allumage par étincelle glissante. Les essais permettent de déterminer avec précision les limites d'inflammabilité dans des conditions représentatives du procédé étudié.
Mesure de la pression dynamique pour la sécurité de l'allumage
mesure de l'évolution de la pression dans l'autoclave permet de déterminer si le critère d'inflammation du mélange est atteint, c'est-à-dire si l'augmentation de pression dépasse le seuil défini par la norme (généralement 5 % ou 2 % de la pression initiale, selon la méthode d'essai), ou si elle reste inférieure à cette valeur.
Le mélange d'essai peut être préparé soit par la méthode des pressions partielles, soit par évaporation complète des composants liquides, suivie de leur homogénéisation avec le gaz comburant ou l'air, afin d'obtenir un mélange représentatif des conditions d'essai.
Lors de l'utilisation des limites d'explosivité pour la conception et la sécurisation des procédés, il convient de garder à l'esprit que les valeurs déterminées en laboratoire ne sont pas toujours directement transposables aux conditions réelles d'exploitation.
En effet, les paramètres tels que les limites d'inflammabilité peuvent être fortement influencés par les conditions opératoires, notamment la température, la pression, la composition de l'atmosphère (gaz inertes ou enrichissement en oxygène) ou encore la nature du mélange. La prise en compte de ces facteurs est essentielle pour garantir une évaluation fiable des risques et un dimensionnement optimal des dispositifs de protection.
Point d'éclair
Le point d'éclair permet de déterminer la température la plus basse à laquelle un liquide émet suffisamment de vapeurs pour former, avec l'air, une atmosphère inflammable susceptible de s'enflammer en présence d'une source d'ignition.
Il s'agit de l'un des paramètres de sécurité les plus fondamentaux et les plus anciens. Utilisé depuis le XIXᵉ siècle pour l'évaluation des risques d'incendie et d'explosion, le point d'éclair constitue aujourd'hui encore une donnée essentielle pour la classification des liquides inflammables, l'analyse des risques et la conception des installations industrielles.
Pour déterminer le point d'éclair, un volume défini de liquide est chauffé selon une rampe de température contrôlée. À intervalles réguliers, une source d'inflammation normalisée est appliquée afin de vérifier si les vapeurs émises peuvent s'enflammer.
Le type de source d'inflammation, le volume de l'échantillon, la vitesse de chauffage ainsi que les conditions d'essai sont définis par la norme utilisée. En conséquence, le point d'éclair mesuré peut varier légèrement selon la méthode d'essai retenue.
Il est donc essentiel de s'assurer que la norme appliquée est adaptée à la substance ou au mélange étudié afin d'obtenir des résultats représentatifs et d'adopter une approche de sécurité appropriée. L'exemple des mélanges d'acétone et d'éthylène glycol présenté dans la figure illustre que, pour les mélanges contenant de faibles proportions de composés à bas point d'ébullition ou d'impuretés volatiles, la norme ISO 13736 peut conduire à des valeurs sensiblement différentes de celles obtenues selon la norme ISO 1523. Le choix de la méthode d'essai est donc déterminant pour une évaluation fiable des risques d'incendie et d'explosion..
Concentration limite en oxygène
Outre les limites d'inflammabilité, la concentration limite en oxygène constitue un paramètre essentiel pour la protection contre les explosions. Elle correspond à la concentration maximale en oxygène dans un mélange composé d'un combustible, d'un gaz inerte et d'un comburant, en dessous de laquelle une explosion ne peut plus se produire, quelles que soient les proportions du mélange combustible.
La concentration limite en oxygène peut être déterminée conformément à la norme EN 1839:2017, en utilisant la méthode du tube ou la méthode de la bombe. Cette norme est toutefois limitée aux essais réalisés à une pression initiale atmosphérique et à des températures pouvant atteindre 200 °C.
Lorsque la détermination de la CLO est requise dans des conditions de pression initiale élevées, seule la méthode de la bombe est applicable. Les essais sont alors réalisés conformément à la norme EN 17624:2022, qui permet de déterminer les limites d'inflammabilité et la concentration limite en oxygène à des pressions pouvant atteindre 100 bar, dans des conditions représentatives des procédés industriels.
Contrairement à la détermination des limites d'inflammabilité, la détermination de la concentration limite en oxygène (CLO/LOC) consiste non seulement à faire varier la concentration en combustible, mais également la teneur en gaz inerte du mélange.
Les essais sont réalisés sur différentes compositions du système ternaire combustible – comburant – gaz inerte. Les résultats sont ensuite représentés sous forme de diagrammes ternaires, qui délimitent les domaines d'inflammabilité et permettent d'identifier la concentration limite en oxygène dans les conditions d'essai, comme illustré dans la figure ci-contre.
Température d'ignition
Afin de déterminer si l'échauffement de la surface d'un équipement, tel qu'une pompe, un ventilateur ou un moteur électrique, est susceptible de constituer une source d'inflammation dans une atmosphère explosible, il est nécessaire de connaître à la fois la température maximale de surface de l'équipement et la température d'auto-inflammation du gaz, de la vapeur ou du mélange considéré.
La comparaison de ces deux paramètres permet de vérifier que la température de surface de l'équipement reste suffisamment inférieure à la température d'auto-inflammation du milieu, garantissant ainsi un niveau de sécurité conforme aux exigences de la protection contre les explosions.
La température d'auto-inflammation est la température minimale à laquelle une substance s'enflamme spontanément au contact d'une surface chaude, en présence d'air et sans source d'inflammation externe, telle qu'une étincelle ou une flamme.
Sa détermination peut être réalisée conformément à différentes normes, notamment EN ISO/IEC 80079-20-1. Selon cette méthode, l'essai est effectué dans un ballon Erlenmeyer en verre borosilicaté d'un volume de 200 mL, placé dans un four dont la température est précisément régulée.
L'essai débute à une température prédéfinie, puis la température du four est ajustée progressivement. Des volumes définis de l'échantillon sont introduits dans le ballon selon les prescriptions de la norme. Lorsque l'échantillon s'enflamme spontanément, de nouveaux essais sont réalisés à des températures progressivement plus faibles afin de déterminer la température minimale d'auto-inflammation avec la précision requise.
La température ainsi déterminée constitue une donnée essentielle pour le choix des équipements destinés à être utilisés en atmosphères explosibles. Elle permet notamment de classer la substance dans l'une des classes de température T1 à T6, conformément aux exigences des normes ATEX et IEC 60079.
Pression maximale d'explosion et élévation de pression des gaz et des vapeurs
Lorsque les mesures primaires (prévention de la formation d'atmosphères explosibles) et secondaires (élimination des sources d'inflammation efficaces) ne permettent pas, à elles seules, d'atteindre le niveau de sécurité requis, il est nécessaire de mettre en œuvre des mesures tertiaires de protection contre les explosions.
Ces mesures ont pour objectif de limiter les effets d'une explosion à un niveau acceptable grâce à des dispositifs techniques adaptés. Elles reposent notamment sur des équipements capables de résister à la pression d'explosion, des dispositifs de décharge d'explosion (évents ou panneaux d'explosion), des systèmes de suppression d'explosion ainsi que des dispositifs d'isolement (ou découplage) destinés à empêcher la propagation de l'explosion vers les installations voisines.
La pression maximale d'explosion (Pmax) et la vitesse maximale de montée en pression ((dP/dt)max), ou indice KG pour les gaz et vapeurs, figurent parmi les paramètres les plus importants pour le dimensionnement des dispositifs de protection contre les explosions, tels que les évents d'explosion, les enceintes résistantes à l'explosion ou les systèmes de suppression.
Ces paramètres, ainsi que les limites d'inflammabilité et la concentration limite en oxygène (CLO/LOC), peuvent être déterminés dans un autoclave sphérique d'essai résistant à la pression d'explosion. La substance, introduite sous forme de gaz ou de vapeur dans des conditions contrôlées, est enflammée afin de mesurer l'évolution de la pression au cours de l'explosion.
La figure ci-contre présente des exemples de courbes de pression d'explosion et de leurs dérivées premières pour l'hydrogène, l'éthylène et le méthane dans l'air. Si les valeurs de Pmax sont relativement proches pour ces trois gaz, les vitesses maximales de montée en pression diffèrent fortement. L'hydrogène présente ainsi un indice KG nettement supérieur à celui de l'éthylène et du méthane, sa valeur étant plus de douze fois supérieure à celle du méthane. Cette différence illustre l'importance de caractériser précisément les propriétés d'explosion de chaque substance afin de dimensionner correctement les équipements de protection.
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