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Article

1 - CARACTÉRISTIQUES DES MÉLANGES GAZEUX INFLAMMABLES

2 - EFFETS DE PRESSION DES DÉFLAGRATIONS

3 - DÉTONATIONS EN PHASE GAZEUSE

4 - MOYENS D’ÉTUDE

5 - PRÉVENTION ET PROTECTION CONTRE LES EXPLOSIONS DE GAZ DANS UNE ENCEINTE

| Réf : SE5020 v1

Effets de pression des déflagrations
Risque d’explosion de gaz

Auteur(s) : Jean-Louis GUSTIN

Date de publication : 10 avr. 2002

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RÉSUMÉ

Les explosions de gaz en milieu confiné sont des accidents domestiques ou industriels fréquents. Cet article présente les caractéristiques techniques des mélanges gazeux inflammables permettant l’évaluation du risque d’explosion de gaz en milieu industriel et la vérification de la conformité des installations aux normes réglementaires. L’accent est mis sur la recherche des données d’inflammabilité des gaz dans la littérature et sur les méthodes de calcul permettant l’obtention des informations spécifiques nécessaires pour atteindre un haut niveau de sécurité dans les industries de procédé.

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ABSTRACT

Gas-phase Explosion Hazards - Flammability of Gas and Vapors

Gas-phase explosions in vessels and enclosures are common household and industrial accidents. This article describes the flammability data necessary for gas-phase explosion hazard assessment and facility compliance with the regulations. The utility of gas-phase flammability data collection in the literature is emphasized, as well as calculation methods to obtain the process-specific data necessary to achieve a high level of safety in process industries.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Les explosions de gaz en milieu confiné sont des accidents domestiques ou industriels fréquents. La prévention de ces accidents et la réduction de leurs conséquences reposent sur des notions qui peuvent revêtir une certaine complexité pour le non-spécialiste. Dans cet article, nous avons essayé d’exposer, de la manière la plus simple possible, les notions qui permettent d’identifier et de caractériser le risque d’explosion de gaz, avant d’aborder les moyens de prévention et de protection qui peuvent être mis en place.

La première étape, dans une telle démarche, consiste à déterminer si une phase gazeuse se trouvant dans une enceinte, un appareil, un bâtiment est inflammable ou non.

Effets de pression d’une explosion de gaz

Lorsqu’il s’avère qu’une phase gazeuse est inflammable, il se pose alors la question des effets de l’explosion dans une enceinte. L’ouverture d’un évent, destiné à la protection des enceintes en cas d’explosion permet de limiter la surpression de l’explosion à une valeur compatible avec la résistance mécanique de l’enceinte. Le dimensionnement des évents se fait en utilisant des abaques établis par Bartknecht pour quatre gaz carburants caractéristiques : le méthane, le propane, le gaz de cokerie et l’hydrogène. Ces techniques de calcul d’évents s’appliquent à la déflagration. Elles ne s’appliquent pas en cas de détonation.

Nous avons cru utile de présenter de manière plus détaillée qu’à l’habitude les caractéristiques de la détonation dans les gaz et les théories affairantes. En cas de détonation, la pression dans l’onde de détonation est très supérieure à la pression générée par les déflagrations dans des enceintes de géométrie sphérique. Cette pression est déterminée par la théorie de Chapman-Jouguet. Les grandeurs caractéristiques de la détonation sont : la célérité, la pression dans l’onde de choc, le diamètre critique d’extinction, le diamètre critique de transmission de la détonation d’un tube dans une enceinte sphérique, la taille des cellules de détonation.

Moyens d’étude

Beaucoup d’informations relatives à l’inflammabilité des mélanges gazeux se trouvent dans la littérature. Mais, si les données relatives à une situation industrielle n’y sont pas disponibles, il est nécessaire de les obtenir par des moyens expérimentaux. On dispose pour cela d’appareils pour la mesure des points d’éclair et d’explosimètres, enceintes destinées à l’étude des limites d’inflammabilité et des caractéristiques des explosions avec les conditions initiales de pression et de température souhaitées.

Moyens de prévention et de protection

La prévention des explosions de gaz consiste à rendre les mélanges gazeux non inflammables par différentes techniques : inertage, contrôle de la température des liquides inflammables ou contrôle de la concentration en carburant dans la phase gazeuse pour la placer en dehors du domaine de composition inflammable, flegmatisation d’un gaz ou d’une vapeur instables. La protection des enceintes contenant un mélange gazeux inflammable par des évents d’explosion est un moyen de protection, de même que la construction d’enceintes ou d’appareils résistant à la surpression de l’explosion. Les pare-flammes permettent d’empêcher la propagation de flammes dans les conduites. Des vannes pyrotechniques permettent d’isoler des conduites sur détection d’une surpression, afin d’éviter la propagation de l’explosion. L’élimination des sources d’amorçage possibles d’une explosion contribue à la prévention des accidents au même titre que les dispositions constructives des ateliers et la limitation des stocks de matières inflammables dans les ateliers et les usines.

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KEYWORDS

explosion   |   Gas phase   |   Flammability

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-se5020


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2. Effets de pression des déflagrations

2.1 Explosion de gaz dans une enceinte. Notion de KG

Lorsque l’explosion d’un mélange gazeux inflammable dans l’air est initiée dans une enceinte fermée, l’enregistrement de la pression en fonction du temps montre une élévation très rapide de la pression (figure 4). On peut ainsi relever la surpression d’explosion pex ou augmentation de la pression au-dessus de la pression initiale du gaz, qui peut être choisie égale à la pression atmosphérique :

pex = pmaxpinit

On peut aussi noter la vitesse d’augmentation de la pression dans l’enceinte qui est liée à la vitesse de flamme et caractérise la violence de l’explosion. On s’intéresse en particulier à la vitesse maximale d’augmentation de la pression relevée au point d’inflexion de la courbe de pression en fonction du temps (dp /dt)ex.

Dans une enceinte de géométrie sphérique, cette vitesse est plus élevée si l’inflammation a été réalisée au centre de l’enceinte.

Par ailleurs, la surpression d’explosion et la vitesse maximale de montée en pression augmentent lorsque la composition du mélange gazeux s’éloigne des limites inflammables et se rapproche de la composition optimale, voisine de la composition stœchiométrique. Pour cette composition optimale, on observe la surpression maximale d’explosion pmax et la vitesse maximale d’augmentation de la pression (dp /dt)max (figures 5 et 6).

Ces grandeurs dépendent plus ou moins des caractéristiques de l’enceinte et, en particulier, de son volume.

La surpression d’explosion pmax est sensiblement constante quel que soit le volume de l’enceinte de géométrie sphérique mais elle dépend de la forme de l’enceinte.

La vitesse maximale d’augmentation de la pression (dp /dt)max dépend du volume de l’enceinte. Cette dépendance obéit à la loi cubique :

(dp /dt)maxV1/3 = KG

La constante KG...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Bulletin INRS -   Les mélanges explosifs  -  (1994).

  • (2) - MEDARD (L.) -   Les explosifs occasionnels  -  . Technique et Documentation, Éd. Lavoisier (1987).

  • (3) - COWARD (H.F.), JONES (G.W.) -   Limits of flammability of gases and vapors  -  . Bulletin 503, Bureau of Mines, Washington (1952).

  • (4) - ZABETAKIS (M.G.) -   Flammability characteristics of combustible gases and vapors  -  . Bulletin 627, Bureau of Mines, US Department of the Interior (1965).

  • (5) - MASHUGA (C.O.), CROWL (D.A.) -   Application of the flammability diagrams for evaluation of fire and explosion hazards of flammable vapors  -  . AIChE 32nd Loss Prevention Symposium, New Orleans, LA, (mars 1998).

  • (6) - GUSTIN (J.L.) -   Safety of chlorination reactions  -  . Eurochlor 4th technical seminar, Leipzig (1997) GEST 97/242.

  • ...

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