Les nuages inflammables

Quelques accidents spectaculaires et dévastateurs impliquent des nuages de vapeurs ou de gaz inflammables.

Scénario d'incident

Le scénario commun à ces accidents est typiquement le suivant:

• une rupture de canalisation transportant un liquide ou un gaz inflammable laisse échapper des quantités importantes de matière
• en se mélangeant à l'air ambiant, un nuage se développe dans le temps, et peut se déplacer loin de la source d'émission sous l'effet des vents
• le nuage rencontre une source d'inflammation qui peut être loin de la source d'émission et s'enflamme
• si la combustion est rapide, elle crée quasiment instantanément une augmentation du volume gazeux et de la pression locale qui se propage loin de la source d'inflammation
• c'est cette surpression qui est responsable de destructions matérielles et potentiellement de décès
• les effets thermiques sont généralement de trop courte durée pour être destructeurs

Ce scénario prend le nom de VCE (pour Vapor Cloud Explosion), ou UVCE (pour Unconfined Vapor Cloud Explosion) lorsque l'explosion à lieu en extérieur en champs libre.

Si la combustion est trop lente pour générer un effet de surpression, on utilisera le terme de "Flash Fire" ou "Feu de nuage".

Pour qu'une explosion de nuage de gaz ou vapeur se produise, il faut que:

• la substance dispersée soit inflammable dans les conditions de température et pression où elle se trouve
• un nuage se forme avant ignition; si l'inflammation a lieu immédiatement à la sortie de la brèche, un jet enflammé sera produit pouvant provoquer des dégâts thermiques, mais probablement pas une explosion de nuage.
• le nuage ait, en partie, une composition correspondant à la zone d'inflammabilité de la substance; près de la brèche, le mélange sera trop pauvre en oxygène et se situera au dessus de la LSI (Limite Supérieure d'Inflammabilité); à l'avant du nuage, le mélange sera trop pauvre en substance combustible, et se situera en dessous de la LII (Limite Inférieure d'Inflammabilité)

Evaluation des conséquences

L'évaluation des conséquences d'un tel scénario est nécessaire à l'analyse des risques des procédés et installations.

Effets thermiques

Au cours d'un UVCE le rayonnement thermique généré par le nuage enflammé est très court, et provoque peu de dégâts. Les dégâts par effet thermique sont uniquement dus au passage du front de flamme.

Ainsi, toute personne se trouvant sur le parcours de la flamme est susceptible de subir l’effet létal, mais celui-ci n’excède pas la limite extrême atteinte par le front de flamme.

Ainsi, l’effet thermique de l’UVCE ou du Flash Fire (rappelons qu’il s’agit du même phénomène physique) sur l’homme est évalué à partir de la distance à la Limite Inférieure d’Inflammabilité, LII.

De manière générale, l’effet thermique d’un UVCE sur les structures se limite à des dégâts superficiels (déformation des plastiques, décollement des peintures,…), et, éventuellement, à une fragilisation possible de certaines structures métalliques légères.

Effets de surpression

L'effet de souffle produit dépend principalement de la vitesse de propagation du front de flamme. Plus elle est grande, plus la surpression générée au sein du nuage est importante. Les turbulences au sein du nuage inflammable augmentent significativement la vitesse de propagation de la flamme.

Généralement le mode de propagation est une déflagration, mais dans certaines conditions exceptionnelles elle peut évoluer en détonation.

L'analyse des accidents recensés montre que:

• les conséquences observées ne sont pas seulement liées au potentiel d'énergie de la matière libérée
• les obstacles, le niveau d'encombrement que rencontre le front de flamme sur son parcours augmente significativement la violence de l'explosion et le niveau de surpression observé

Les conséquences observées à une certaine distance du centre de l'explosion sont fonction de:

• l'énergie libérée
  
• la violence de l'explosion
• l'éloignement depuis le centre de l'explosion

Partant de la position du centre de l'explosion, et d'une évaluation de sa violence, on peut définir des cercles concentriques représentant des valeurs de surpression attendues.

Seuils des effets pour l’homme :

• 20 mbar : effets indirects par bris de vitres sur l’homme,
  
• 50 mbar : effets irréversibles délimitant la « zone des dangers significatifs pour la vie humaine »,
  
• 140 mbar : effets létaux, délimitant la « zone des dangers graves pour la vie humaine »,
  
• 200 mbar : effets létaux significatifs délimitant la « zone des dangers très graves pour la vie humaine ».

Seuils des effets pour les structures :

• 20 mbar : seuil des destructions significatives de vitres
• 50 mbar : seuil des dégâts légers sur les structures,
• 140 mbar : seuil des dégâts graves sur les structures,
• 200 mbar : seuil des effets domino
• 300 mbar : seuil des dégâts très graves sur les structures.

Modélisation d'un  VCE ou d'un UVCE

La modélisation d’un phénomène d’explosion ou de feu d'un nuage de vapeurs ou de gaz, nécessite de caractériser:

• La source
• la brèche sur l'équipement
• les substances libérées à l’atmosphère
• les conditions opératoires (température, pression)
• y a t-il une nappe liquide formée en rétention?
•  Les conditions de formation d’un nuage inflammable par mélange avec l’oxygène de l’air selon les caractéristiques physico-chimique du produit et les conditions ambiantes,
• avec génération éventuelle d’aérosol,
• vaporisation de la nappe liquide formée,
  
• Les conditions de dispersion atmosphérique
• en fonction des conditions météorologiques
  
• détermination des contours physiques du nuage
• détermination du volume inflammable
• L'inflammation du nuage et la propagation d’une flamme
• à travers les parties du nuage où la concentration se situe à l’intérieur du domaine d’inflammabilité
• son accélération possible sous l’effet de la turbulence (turbulence atmosphérique, turbulence du jet, turbulence engendré par le sillage des obstacles),
• des gradients de concentration et des instabilités naturelles de la flamme
• du mélange et la combustion des zones plus riches en combustible

La réalisation d'un UVCE n'est pas réservé aux gaz. Tout liquide inflammable suffisamment volatil peut conduire à un UVCE.

Dispersion du nuage

La modélisation de la dispersion du nuage permet de déterminer:

• la distance maximale atteinte par le nuage à la concentration correspondant à la LII
• le volume et la masse de substance inflammable contribuant à 'explosion
• la largeur et la hauteur du nuage

On fait couramment appel à des logiciels de simulation spécialisés (PHAST par exemple).

Pour effectuer les calculs, il est nécessaire de définir:

• les conditions météorologiques (stabilité atmosphérique, vitesse et direction du vent, ...)
  
• l'environnement du rejet (topographie des lieux, présence d'obstacles, ...)
  

Évaluation des surpressions

Différentes méthodes ont été proposées pour quantifier les niveaux de surpression pouvant être atteints en fonction des scénarios d'incident envisagés.

Méthode TNT

Elle suppose que les effets de pression générés par l'explosion d'une substance quelconque seront les mêmes que ceux générés par une masse équivalente de TNT (Tri Nitro Toluène). L'équivalence est basée sur les énergies de combustion des substances.
Le retour d'expérience montre qu'il faut tenir compte d'un facteur correctif désigné comme "rendement d'explosion". Celui-ci est très variable. Une valeur de 10% est jugée conservatrice.
Les effets à distance du lieu de l'explosion sont déduites d'une courbe standard dite "courbe d'atténuation des effets".

La méthode TNT est critiquée car:

• elle représente mal les explosions de faible intensité
• les effets à faible distance d'une explosion de TNT sont très différents de ceux provoqués par un VCE

Bien que très utilisée dans le passé, elle est aujourd'hui jugée inadaptée au calcul des effets d'un UVCE (Circulaire du 10 Mai 2010 récapitulant les règles méthodologiques applicables aux études de dangers).

Méthode CAM

La méthode CAM (pour Congestion Assessment Method) a été développée par la société Shell et est basée sur des expérimentations d'explosion et une estimation du degré d'encombrement de l'espace.
Bien que plus réaliste et mieux adaptée aux cas de VCE que la méthode TNT, sa fiabilité est limitée par l'imprécision de l'estimation de l'encombrement.

Méthode Baker-Strelhow

La méthode de Baker-Strelhow suppose que les conséquences de l'explosion dépendent de l'énergie potentielle contenue dans le nuage et de la vitesse de propagation de la flamme.
L'énergie potentielle est l'énergie de la combustion pondérée en fonction de l'encombrement de la zone où elle se produit et de la turbulence de la source d'émission du combustible.
La vitesse de propagation de la flamme est fonction de la réactivité du combustible et du degré d'encombrement de la zone.
Des courbes de décroissance de la surpression sont ensuite appliquées pour tenir compte de la distance.

Méthode multi-énergie

Cette méthode, développée pat le TNO (organisme Néerlandais de recherche appliquée), considère que la vitesse de propagation de la flamme n'est pas homogène mais que des zones d'accélération sont créées par la présence d'obstacles. Ainsi les effets de pression ne sont pas dus à l'explosion d'une masse homogène, mais plutôt à une multitude d'explosions se produisant dans les zones d'accélération.

Les facteurs à prendre en compte sont:

• la densité d'obstacles,
• le degré de confinement,
• la forme et les dimensions du nuage inflammable,
• la réactivité du combustible,
• l'énergie et la position de la source d'inflammation,
• et la turbulence du mélange réactif avant allumage.

Ces considérations conduisent à choisir un indice entre 1 et 10 caractérisant la violence de l'explosion.
Une abaque permet ensuite, pour chaque indice de violence, de déterminer la surpression observée en fonction de la distance.
Différentes méthodes qualitatives sont proposées pour choisir l’indice de violence de l'explosion:

• Yellow Book TNO 2005
  
• indice 10 pour tous les volumes correspondant à des zones encombrées d’obstacles
• indice 1 pour tous les volumes ne correspondant pas à des zones encombrées et lorsque les conditions d’accident sont telles que le nuage inflammable susceptible d’envahir ces zones peut être considéré au repos sur le plan dynamique (nuage formé suite à l’évaporation d’un liquide combustible par exemple),
  
• indice 3 pour tous les volumes ne correspondant pas à des zones encombrées et lorsque les conditions d’accident sont telles que le nuage inflammable susceptible d’envahir ces zones est caractérisé par une agitation turbulente importante (nuage formé consécutivement à un rejet de gaz combustible initialement sous plusieurs bar de pression par exemple).
• Kinsella 1993: grille de sélection selon trois critères:
  
• énergie d'inflammation: faible ou forte
  
• degré d'encombrement: fort, faible ou inexistant
  
• degré de confinement: existant ou inexistant
  

Sources

Rapport d'étude de l'INERIS - Les explosions non confinées de gaz et de vapeurs - Ω UVCE
Circulaire du 10 Mai 2010 récapitulant les règles méthodologiques applicables aux études de dangers
KINSELLA K.G. (1993), A rapid Assessment methodology for the prediction of vapour cloud explosions. Research report N° 357, Technical Research Centre of Finland.