LA LETTRE DES DEFIS    N ° 3 - Décembre 2008

« sujet du mois »

RISQUE EXPLOSION / IDENTIFIER POUR ANTICIPER

1- Définitions

Une explosion est la libération instantanée et incontrôlable d'une grande quantité d'énergie qui se dissipe sous forme de chaleur, d'une onde de pression, de bruit et de lumière. L'explosion est une inflammation aggravée. (Guide ICPE) Selon la Norme NF EN 1127-1, une explosion est une « réaction brusque d’oxydation ou de décomposition entraînant une élévation de température, de pression ou les deux simultanément ».

Une atmosphère explosible est la situation provoquée par un mélange constitué d'air et de substances inflammables, lorsque les proportions de gaz, de vapeurs, de brouillards ou de poussières y sont telles qu’une flamme, une étincelle, une température excessive produisent, après inflammation et propagation à l'ensemble du mélange non brûlé, une explosion.

Limite inférieure d’explosivité (LIE): Concentration minimale, pour un corps dans un mélange, en dessous de laquelle celui-ci ne peut être enflammé (gaz, vapeurs ou poussières dans l’air, ...);

Limite supérieure d’explosivité (LSE) : Concentration maximale, pour un corps dans un mélange au-dessus de laquelle celui-ci ne peut être enflammé ( gaz, vapeurs ou poussières dans l’air, ...)

Domaine d’explosivité : Concentrations de combustible comprises entre les limites inférieure et supérieure d’explosivité (de la LIE à la LSE).

Auto inflammation : Température minimale d'inflammation d'un produit

Déflagration : on emploie ce terme lorsque le front de décomposition se déplace à une vitesse inférieure à la vitesse du son dans le milieu local,

Détonation : lorsque le front de flamme dépasse la vitesse du son des gaz brûlés, ce qui engendre une onde de choc . (voir tableau 2)

2- Problématique

Une explosion ne peut avoir lieu que dans des cas bien définis; En règle générale 6 conditions sont à réunir simultanément pour qu' une explosion ait lieu, elles se réduisent à 3 pour une explosion de gaz (Sources Medd et INRS) :

   - présence d’un comburant (en général l’oxygène de l’air)

   - présence d’un combustible (mélange avec l'air de substances inflammables dans certaines proportions)

   - présence d’une source d’inflammation d'énergie suffisante

   - état particulier du combustible, qui doit être sous forme gazeuse, d’aérosol ou de poussières en suspension

   - obtention d’un domaine d’explosivité (domaine de concentration du combustible dans l’air à l’intérieur duquel les explosions sont possibles)

   - confinement suffisant

Ces 6 conditions réunies constituent le polygone de l'explosion reproduit ci-après:

(Source INRS)

De nombreuses substances sont susceptibles, dans certaines conditions, de provoquer des explosions. Ce sont des gaz, des vapeurs, des brouillards et des poussières ininflammables en suspension dans l’air (telles que la farine, le sucre, le lait, le charbon, le soufre, l’amidon, les céréales, le bois, les matières plastiques, les métaux,.…).

Les caractéristiques d'une atmosphère explosible sont déterminées par:

    - le domaine (limites) d'explosivité (LIE - LSE),

    - le point inférieur et supérieur d'explosion (°C) et le point d'éclair (°C): données spécifiques aux vapeurs émises par les liquides inflammables

    - la température minimale d'inflammation (auto inflammation),

    - l'énergie minimale d'inflammation exprimée en micro Joules (µJ).

A titre d'exemple les caractéristiques de certains gaz

Gaz	Point d'éclair ºC	Température auto inflammation ºC	Limites d'explosivité LIE-LSE (% vol)	Energie minimal d'inflammation µ J (dans l'air)
Acétylène	Gaz	300	2,5 - 8,1	17
Butane	Gaz	425	2 - 11	250
Acétone	- 42	535	2,6 - 12,8	1150

Le domaine d'explosivité s'élargit quand la température augmente. Quand la pression diminue en dessous de la pression atmosphérique, la LIE augmente et la LSE diminue; elles se confondent à une pression dite pression critique d'inflammation et en dessous, les mélanges ne permettent plus la propagation d'une flamme

Les caractéristiques d'une atmosphère explosible sont déterminées par:

    - le domaine (limites) d'explosivité (LIE - LSE),

    - le point inférieur et supérieur d'explosion (°C) et le point d'éclair (°C): données spécifiques aux vapeurs émises par les liquides inflammables

    - la température minimale d'inflammation (auto inflammation),

    - l'énergie minimale d'inflammation exprimée en micro Joules (µJ).

Les principaux phénomènes d'explosion sont:

    - physiques, exemple: éclatement, par surpression, d’un réservoir lorsque la limite de résistance mécanique de la paroi est dépassée

    - par réaction chimique brutale suite à la décomposition d'une substance explosive ou à la suite de la réaction entre deux ou plusieurs substances non explosives.

Les différents types d’explosion :

    - le BLEVE*(acronyme de Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion), Type d'explosion survenant sur des réservoirs contenant des liquides pressurisés qui, soumis à un fort rayonnement thermique produit par un incendie, se trouvent alors soumis à une température très supérieure à leur température normale d’ébullition à la pression atmosphérique. La dépressurisation brutale provoque une ébullition violente, dite explosive, entraînant la vaporisation immédiate du liquide. L'énergie fournie provoque la ruine du réservoir, la propulsion de fragments, une onde de surpression et l'inflammation instantanée du mélange avec l'air générant une boule de feu.

    - l'UVCE* (Acronyme de Unconfined Vapour Cloud Explosion) qui génère des effets thermiques et des effets de surpression, suit les étapes suivantes: dégagement à l'air libre d'un produit inflammable sous forme de gaz, formation d'un mélange avec l'air ambiant dont une partie se situe dans le domaine d'explosivité, inflammation du nuage, propagation à travers les parties du nuage ou la concentration se situe à l'intérieur du domaine d'explosivité et expansion apparente du nuage. La VCE concerne les milieux confinés.

L'identification des sources potentielles d'explosion est primordiale et s'effectue à partir des:

    . produits mis en oeuvre: inflammables, explosibles, instables ou incompatibles, effets de masse, ...,

    . procédés de fabrication: dérives réactionnelles, régimes transitoires, conditions de formation d'une atmosphère explosible, quantité et conditions des produits mis en oeuvre,

    . pertes de confinement de gaz et de vapeurs explosibles,

    . poussières mises en suspension dans l'air,

    . équipements sous pression,

    . surfaces chaudes et flammes nues,

    . étincelles d'origine mécanique,

    . appareils électriques,

    . courants vagabonds, électricité statique,

    . foudre,

    . ...,

Il est nécessaire de connaître les caractéristiques d'inflammabilité et d'explosivité pour identifier les zones à risques, imaginer les scénarii d'accidents, définir les barrières de prévention et de protection

    Les régimes d'explosion:

Dés l'inflammation, une flamme se propage à travers le mélange, L'énergie chimique est alors transformée en énergie thermique et en énergie mécanique. En fonction de la vitesse de cette transformation, deux régimes d'explosion sont possibles: la déflagration et la détonation.

Régime d'explosion	Source d'inflammation	Front de flamme	Onde de pression	Explosion en milieu confiné	Explosion en milieu libre
Déflagration	Faible : de l'ordre du mJ	Vitesse < vitesse du son	Vitesse du son	Supression de 4 a 10 bars sous certaines conditions	Supression de quelques mbars
Détonation	Important équivalent à une charge d'explosif	Onde de combustion et onde de choc : 1000 à 3500m/s. En un point la pression croît brutalement au passage de l'onde		20 à 30 bars maxi	Supression équivalente observée dans la zone où se produit la détonation
De la déflagration à la détonation	La transition est favorisée par la présence d'obstacles sur le parcours du front de flamme qui est accéléré et comprime l'atmosphére explosive située en aval (plusieurs centaines de m/s). Si l'explosion se produit dans ce milieu pré-comprimé, il peut conduire vers le régime de la détonation

    Les effets d'une explosion :

Les effets d’un d’éclatement de réservoir sont d’une part des effets de surpression, dus à l’expansion brutale des gaz comprimés et à la vaporisation instantanée d’une partie de la phase liquide, et d’autre part des projections de fragments du réservoir. Les effets de surpression engendrés par une explosion due à la production de gaz de combustion, sont relativement restreints en champ libre. En fonction du degré de confinement et d’encombrement du lieu où se produit l’explosion, les effets de surpression peuvent devenir importants. Dans les cas de fort confinement, elle peut atteindre une dizaine de bars. La quasi-totalité des explosions de gaz ou de poussières présentent des vitesses de flamme inférieures à 100 mètres par seconde et des surpressions inférieures à 10 bar : ce sont des déflagrations. Dans certaines conditions (notamment dans des conditions de confinement de produits), des transitions de déflagration à détonation sont possibles.

Les valeurs seuils réglementaires pour l’évaluation des effets de surpression sur l’homme ou les structures, sont les suivantes :

    - 20 mbar correspondant aux effets de bris de vitres

    - 50 mbar correspondant aux effets irréversibles et aux dégâts légers sur les structures

    - 140 mbar correspondant aux premiers effets létaux et aux dégâts sérieux sur les structures

    - 200 mbar correspondant aux effets létaux significatifs et aux dégâts graves sur les structures

    - 300 mbar correspondant à des dégâts très graves sur les structures

3- Cadre réglementaire

Pour la protection des travailleurs, la réglementation concernant les ATmosphères EXplosibles, communément appelée « ATEX », qui repose sur deux directives européennes, s’applique :

• directive 1999/92/CE du 16 décembre 1999, « concernant les prescriptions minimales visant à améliorer la protection en matière de sécurité et de santé des travailleurs susceptibles d’être exposés au risque d’atmosphère explosive »,
• directive 94/9/CE du 23 mars 1994, concernant les appareils et les systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphère explosible.

La transposition des deux directives ATEX, en droit français, textes ci après, est d’application obligatoire pour tous les secteurs industriels depuis le 1er juillet 2003 :

• décret n° 2002-1553 du 24 décembre 2002, concernant la prévention des explosions applicables aux lieux de travail (articles R 232-12-23 à R 232-12-29 du Code du travail),
• décret n° 2002-1554 du 24 décembre 2002, concernant la prévention des explosions que doivent observer les maîtres d ’ouvrage lors de la construction des lieux de travail (article R 235-4-17du Code du travail),
• arrêté du 8 juillet 2003, portant sur la signalisation des emplacements où une atmosphère explosive peut se présenter. Les obligations concernent aussi bien les mesures à prendre par les chefs d’établissement, que les matériels et équipements susceptibles d’être utilisés dans des atmosphères explosives.

La nouvelle réglementation couvre les explosions de gaz ou de vapeurs, mais également celles de poussières. Sont pris en compte les matériels électriques, mais également désormais tous les matériels (mécaniques, hydrauliques, pneumatiques, électroniques…).

C’est le chef d’établissement - directive 1999/92/CE - qui est responsable de la mise en place de la prévention du risque explosion dans son entreprise. Il doit:

• évaluer les risques d'explosion dans son établissement,
• diviser en zones les emplacements où des atmosphères explosibles sont susceptibles de se présenter,
• prendre des mesures techniques et organisationnelles (consignes, formation, maintenance, inspection et signalisation notamment),
• sélectionner les nouveaux appareils et les systèmes de protection utilisés dans les zones dangereuses selon la directive 94/9 CE,
• coordonner les différents intervenants travaillant sur son site afin de diminuer les risques,
• rédiger un document relatif à la protection contre les explosions (DRPCE) mis en place sur son site.

Concernant les matériels - directive 94/9/CE -, les exigences essentielles de la réglementation concernent:

• l'utilisation de la sécurité intégrée contre les explosions dès la conception,
• l'apposition d'un marquage CE sur le produit,
• l'établissement d'une déclaration écrite de conformité CE,
• la réalisation d'une notice d'instruction détaillant l'utilisation sans risque du matériel durant les différentes étapes de son cycle de vie.

En application du code de l’environnement et de la législation sur les installations classées pour la protection de l’environnement, le risque explosion de tous les industriels doit être analysé dans l’étude des dangers.

4- Les mesures de prévention pour réduire le risque

La prévention des explosions vise d’abord à éviter leur formation, et, si elles se produisent, à en limiter les effets par des mesures de réduction des risques se référant à l'état de l'art.
L'analyse des risques est le préalable indispensable à la mise en oeuvre de la prévention. Pour les risques technologiques elle constitue le cœur de l'étude des dangers, il est nécessaire d'utiliser des outils systématiques d'analyse adaptés aux accidents majeurs: APR*, AMDE/AMDEC, HAZOP, Arbre des défaillances, Arbre d'événements, Nœud papillon.
Pour la protection des travailleurs la démarche première est, après identification, la délimitation des zones à risques d’explosion qui doivent être signalées par le panneau d’avertissement prévu par la réglementation.

Il faut veiller à ce que le combustible (gaz ou poussières), le comburant (l’air) et la source d’inflammation ne forment jamais des conditions favorables à une explosion, par exemple :

• en supprimant le comburant : suppression de l’air par des toits flottants dans les bacs d’hydrocarbures, ou substitution par un ciel de gaz neutre pour les liquides hautement inflammables ou les liquides inflammables chauffés,
• en supprimant le combustible : ventilation suffisante des locaux susceptibles de contenir des gaz inflammables (maintien du mélange gaz-air en dessous de la LIE), détection de fuites de gaz ou de liquides inflammables, aspiration des poussières combustibles à leur point de production, nettoyages réguliers des dépôts de poussières (dans les silos de stockage de céréales),
• en supprimant la source d’inflammation : éloignement ou suppression de toute source de chaleur, utilisation de matériels électriques isolés, adaptés aux atmosphères explosibles (ATEX), consignes de permis de feu et de permis de travaux. (Source MEDD)

Dans tous les cas il convient de s'assurer:

• de la suppression de l’atmosphère explosive
• de la suppression de la source d’inflammation
• de la mise en place de barrières à la propagation de l’inflammation, La LIE est une donnée importante pour supprimer tout risque d’inflammation et d’explosion ; la concentration de gaz ou de vapeurs d’une atmosphère sera en général maintenue en dessous de cette limite (exemple 20 % de la LIE). Une détection appropriée associée à une alarme et une mise en sécurité des installations constituent les moyens pour réduire les risques. L’inertage (appauvrissement en oxygène d’un mélange) peut empêcher la formation d’une atmosphère explosive.

Plusieurs moyens peuvent être mis en oeuvre, pour limiter les risques d’explosions :

• Consignes, limitation de la température, permis feu…
• Température de surface et choix des protections des matériels en fonction des poussières
• Protections mécanique et thermique des installations de stockage
• Rideaux d’eau et/ou injection d’eau

Un exemple particulier :

Les explosions de poussières

On distingue :

• les produits pouvant détoner,
• les produits dégageant des gaz quand ils sont chauffés,
• les produits pouvant s’oxyder
  Les risques d’inflammation dépendent de la formation:
  - d’un nuage conduisant à une explosion ou un flash,
  - d’un dépôt ( incandescence, flamme, explosion)
  - d’un stockage de poussières.
• Deux types d’explosion sont possibles :
- primaire : explosion initiale d’un nuage de poussières
- secondaire : explosion déclenchée par l’explosion primaire
Les paramètres influents sont les granulométries, l’humidité, la stabilité et la concentration du nuage, de turbulence, la présence de solvant, source d’inflammation, taux d’oxygène, pression et température.
L’explosibilité d’une poussière dépend de la concentration minimale explosible :
- énergie minimale d’inflammation par étincelles
- résistivité volumique
- température d’auto-inflammation et pression d’explosion
- Kst* = (dp/dt) x V 1/3 [St : staub mot allemand signifie poussière ] - Kg pour les gaz * dp/dt : vitesse maximale de montée en pression ; V le volume de l’enceinte. [source NFU 540]. Le Kst caractérise la violence d’une explosion d’une poussière, il permet de dimensionner les moyens de protection (évents et trappes d’explosion notamment).
    - Classe St 1 : 0 < Kst < 200 bar.m/s (explosion peu violente)
    - Classe St 2 : 201 < Kst < 300 bar.m/s
    - Classe St 3 : Kst > 300 bar.m/s (explosion de poussières d’aluminium)

5- Bibliographie et sites internet

* INRS « Guide méthodologique pour la mise en œuvre de la réglementation relative aux atmosphères explosibles » (ED 945).

*guide UIC

*INERIS

- INRS www.inrs.fr

- Assurances www.ffsa.fr

- CNPP www.cnpp.com

- Guide ICPE edité SNIIM

6- Bibliographie et sites internet

• INERIS (site BADORIS)
• UIC

*APR Analyse Préliminaire des Risques
AMDE/AMDEC Analyse des Modes de Défaillances et de leurs Effets, de leurs Effets et de leur Criticité
HAZOP Hazard Operability et "What-if"