iii explosion modelisation

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III. Explosion


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Organisation de la journée• Les différents types d’explosion• VCE

Phénoménologie Modélisation

• Eclatement pneumatique Phénoménologie Modélisation

• Explosion interne Phénoménologie Modélisation

• BLEVE Phénoménologie Modélisation

• Explosion de poussières Phénoménologie Modélisation


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Les différents types d’explosions… (1)

• Explosion chimique Combustion Inflammation et propagation d’une flamme⇨

• UVCE (ou VCE),• Explosion de poussières …

Réactions de décomposition• Explosifs, • Substances instables …• Réactions chimiques complexes non étudiés dans cette formation⇨

A + B + energy CVolume de C >> volume de A + volume de B


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Explosion chimique, explosion physique :

A physique différente … modèles différents !

• Explosion physique Détente pneumatique

• Eclatement d’un réservoir suite à une montée de pression interne…

Changement d’état physique

• Explosion de chaudière,

• BLEVE…

Les différents types d’explosions… (2)


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Schéma de principe du VCE

Fuite de gaz ou évaporation naturelle

de nappe

Formation d’un nuage inflammable

Inflammation du nuage

Rayonnements thermiques

Onde de surpression

Rappel:

L’épandage au sol de liquides tels que:- Éthanol

- Gazole

- FOD

- Jet A1

ne s’évapore pas suffisamment pour former un nuage inflammable

étincelle (moteur de voiture)

corps chaud

gaz d’échappement

…

Source d’inflammation


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Obstacles

Source d'inflammation ponctuelle tube Section ouverte

Mélange gazeux inflammable

Front de flamme laminaire

Phénoménologie (1)

Gaz brulés

Gaz frais

Front de flamme


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Phénoménologie (2)Flamme plissée

Accélération de la flamme

Gaz brulés

Gaz frais

Front de flamme

Plissement de la flamme

Déflagration Augmentation de la Turbulence Accélération de la combustion Accélération de la flamme jusqu’à 10 à 100 m/s

Détonation Les gaz frais en aval de la flamme atteignent leur Température d’auto-inflammation (TAI)


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Conditions d’occurrence

Combustion : triangle du feu

Mélange intime du comburant et du combustible

Accélération de la combustion : turbulence (jet, obstacle, confinement…)

COMBUSTION

ENERGIE

COMBUSTIBLE COMBURANT

Concentration de gaz dans l’air0 1LIE LSE

Mélange inflammable


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Délai d’inflammation d’une dizaine de minutes

• Concentration de gaz doit être compris entre LIE et LSE Source d’inflammation généralement d’énergie limitée

• Allumage moteur (étincelle)• Surface chaude …• Quelques mJ suffisent

Vitesse de flamme très variable ⇨ Les effets de pression sont parfois anisotropes• L’encombrement d’une zone (présence d’obstacles) augmente les effets de pression du VCE• Accident 1991 à Saint-Herblain Les camions disposés en épis ont accéléré la flamme⇨

Retour d’expérience


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Déflagration Détonation

Origine Source d’inflammation

Allumage par explosifTransition déflagration /détonation(Rare en industrie)

Vitesse de flamme qques mètres à qquesdizaines de m/s

> 1000 m/s

Pressions maximales qques bars qques dizaines de bars

Mode de propagation de laflamme

Conduction Compression puis auto-inflammation

Paramètres influençants lavitesse de propagation de laflamme

Turbulence du jetObstaclesConfinement

Régime de propagationstable

Comparaison entre la déflagration et la détonation


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Effets physiques et effets sur l’homme

Ondes mécaniques de surpression

Rayonnement thermique (70% des cas)

Projectiles

Effets physiques

Effets directs sur l’homme (de l’onde de surpression)

Lésion des tympans : 300/3000 mbars

Lésion des poumons : 700/2000 mbars

Effets indirects sur l’homme (de l’onde de surpression)

Effondrement de bâtiments, projection d’objets

Projection de l’individu (chute, fracture du crâne)


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Surpression(mbar)

Dégâts

10 Début de destruction des vitres

20 Destruction de plus de 10% des vitres

70 Destruction totale des vitres, détérioration partielle des maisons

100 Détérioration et destruction des cadres de fenêtres selon leur nature

140 Effondrement partiel des murs et tuiles des maisons

160 Destruction à 50% des maisons en briques

200 Dommages aux machines dans les bâtiments industriels (déplacement)

400-500 Retournement des wagons de chemin de fer, destruction totale desmaisons

700 Destruction des murs en béton armé, destruction totale probable desbâtiments, dommages graves aux machines

Effets sur les structures


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Seuils réglementaires français

• Sur l’homme 20 mbar: seuil des effets indirects par bris de vitres 50 mbar: seuil des effets irréversibles 140 mbar: seuil des premiers effets létaux 200 mbar: seuil des effets létaux significatifs

• Sur les structures 20 mbar: seuil de destruction significative des vitres 50 mbar: seuil des dégâts légers 140 mbar: seuil des dégâts graves 200 mbar: seuil des effets dominos 300 mbar: seuil des dégâts très graves


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Principe de modélisation du VCE

Détermination du terme source :

- Fuite de gaz

- Evaporation d’une nappe de liquide

Calcul de dispersion du nuage

inflammable

Calcul de l’explosion

Effets thermiques :

Flashfire

Ondes de surpression :

- Méthode TNT

- Méthode multi-énergie

EFFETS

Logiciel de calcul de dispersion (ex: PHAST, EFFECTS, 3D …)


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Approche N°1: Equivalent TNT (1)

ΔP (bar)

0,01

0,1

1

10

: Distance réduite (m)

1 10 100

3

1

TNTM

R

R = Distance d’effets au niveau du sol (m)

MTNT = Masse équivalent de TNT (kg)

Mhc = Masse hydrocarbure (kg)

= PCI du produit hydrocarbure (≈47 000 kj/kg)

= PCI du TNT (= 4600 kj/kg)

= Rendement de l’explosion (compris entre 10 et 50%)

TNTc

hcc

hcTNTH

HMM

hccH

TNTcH

Abaque TM5-1300

≈10


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Points forts Facilité d’utilisation Ordre de grandeur correcte

Limites du modèle

Surpression due à un explosif solide différente de celle produite par un nuage inflammable

Surpression majorée en champ proche Décroissance de l'onde plus rapide en champ lointain

Ne prend pas en compte: Le type de rejet La réactivité du produit Les effets du confinement et de l'encombrement

Approche N°1: Equivalent TNT (2)


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• Principe Calcul de la masse inflammable Minf

• Donnée par le logiciel de dispersion• Volume inflammable :

Calcul de l’énergie d’explosion

• E = Hc x Minf

Evaluation de l’indice de sévérité n

⇨Lecture de la distance d’effet sur l’abaque

LSE LIE

Masse inflammable : Minf

Zone du siège de l’explosion Indice de sévérité

Sans obstacle - nuage homogène Jusqu’à 3

Intérieur cuvette 4 à 5

Pomperie 4 à 5

Poste de chargement/ Déchargement - Stationnement véhicule 4 à 6 selon le nombre d’éléments

Intérieur bâtiment de conception légère (ex: bardage …) 4 à 6 selon aménagement intérieur

ρgaz = Masse volumique du gaz (kg/m3)

C = Concentration du gaz à la stœchiométrie (-)

ΔHc = Chaleur de combustion (J/kg)

Approche N°2: La méthode multi-énergie (1)

v.d.Berg (1984)

Kinsella (1993)

TNO (1997)

Plus d’information


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Ps

P

Ps

0

R

R

E P

01 3

140 mbar

50 mbar

Abaque

PS = Surpression (Pa)

P0 = Pression atmosphérique (Pa)

= Energie d’explosion (J)

R = Distance d’effets (m)



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Distance d’effet


½ dLIE

Centre du nuage inflammable

LIE

R

• dSEI = ½ dLIE + RSEI

• dSEL = ½ dLIE + RSEL

• dSELS = ½ dLIE + RSELS Lues sur l’abaque

dLIE ⇨ distance à la LIE (m)


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1/ Calculer la forme du nuage au moyen d’un logiciel

2/ Faire l’inventaire des zones pouvant contenir une atmosphère explosive Dans quelles directions peuvent se produire le rejet ?

3/ Leur associer un indice de violence d ’explosion Choix difficile dans l ’absolu ! (limites du modèle)

4/ Evaluer l ’énergie de l ’explosion Combien d ’explosions dans le même nuage ?

5/ Se reporter à l ’abaque pour obtenir les distances d ’effets Ne pas oublier les effets thermiques !

Cas particulier : présence de bâtiment(s) dans le nuage inflammable



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Illustration



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Effets thermiques

• Flash-fire

• Distances d’effets aux seuil d’effets thermiques :

dLIE

Centre du nuage inflammable

LIE

• dSEI = 1,1.dLIE

• dSEL = dLIE

• dSELS = dLIE

dLIE ⇨ distance à la LIE (m)


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Exercice (suite)

Question 1: A partir des résultats des modélisations qui vous sont donnés, déterminer le volume inflammable et l’énergie de l’explosion pour les deux conditions météorologiques.

Résultats de modélisation obtenus avec phast v6.51:

Données:

Limites d’inflammabilité du propylène (% vol) = 2.0 – 11.0

Concentration du propylène à la stœchiométrie (% vol) = 4.4

Chaleur de combustion volumique (MJ/m3) = 3.6

Chaleur de combustion massique (MJ/kg) = 46

Masse volumique du propylène gazeux (kg/m3) = 1,75

Météo - D5 F3Distance à la LIE [m] 120 160Hauteur du nuage [m] 4.5 4.5

Masse inflammable [kg] 280 840Temps d’établissement du nuage inflammable [s] 15 45

Suite à la rupture guillotine du bras de déchargement du wagon, un nuage inflammable se forme.


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Exercice (suite)Question 2 : A partir de l’abaque TM5-1300, déterminer les distances d’effets de surpression en champ libre aux seuils de 50, 140, 200 mbar.

Donnée:

Efficacité d’explosion: 10%

Question 3: A partir de de l’Abaque Multi-Energy, déterminer les distances d’effets de surpression en champ libre aux seuils de 50, 140, 200 mbar.

Données: Indice de violence de 4

Question 4: Donner les distances d’effets thermiques aux SEI, SEL, SELS.

Question 5: En utilisant le logiciel de calcul ALOHA, calculer les distances d”effets thermiques au SEI, SEL, SELS (conditions météorologiques : D5)Données:

Débit de propylène: 34.2 kg/s

Hauteur de rejet: 1 m

Durée de fuite: 30 min

Conditions météorologiques: D5, cloud complete cover, temperature de l’air: 15 °C, Humidité relative: 70%, direction du vent: Ouest

Rugosité du sol: 3 cm


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• Définition Rupture mécanique brutale d’un stockage de gaz sous

pression Libération d’une grande quantité d’énergie à l’origine :

d’une sphère « de choc » en champ proche d’une onde de pression se propageant en champ lointain

• Exemples Incendie sous un réservoir Mise sous pression accidentelle Affaiblissement mécanique

• Conséquences Projection de fragment du réservoir (jusqu’à 1 200 m) Déplacement d’une onde de surpression dans

l’environnement

Définition/Phénoménologie

Onde de choc

Onde de pression


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Etape n°1 : détermination de la limite champ proche / champ lointain

Rayon de la sphère « de choc »

R0 : rayon de la sphère mr : masse de gaz subissant la détente : Masse volumique de l’air

3/1

00 7,1

rmR

Modélisation (1)

Near-field Far-field

R0


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Etape n°2 : détermination de la surpression de contact (= P dans sphère)

Formule des tubes à choc :

12

2/1

0000

01

01

00

1

1

1

122

111

s

s

sP

Paa

Pp

p

p1 est la pression de rupture de l’enceinte (Pa),

p0 est la pression ambiante (Pa),

0sP est la surpression aérienne adimensionnelle après l’éclatement : 0

000 p

ppP s

s

,

0 est le rapport des chaleurs spécifiques de l’air ambiant (0=1,4),

1 est le rapport des chaleurs spécifiques du gaz comprimé,

a0 est la célérité du son dans l’air ambiant (340 m/s),

a1 est la célérité du son dans le gaz comprimé (m/s).

Modélisation (2)

Rs=287 J/kg/K

a1


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Formule de Brode :

E = P.V / ( -1)

Etape n°3 : détermination de l’énergie d’éclatement

Modélisation (3)

Eav : Energie de Brode (J)

P=P1 – P0

P1 : Pression d’éclatement (Pa)

P0: Pression atmosphérique (Pa)

V: Volume de gas(m3)

: Rapport des chaleurs spécifiques(-)


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Modélisation (4)

Méthode Multi-Energy

200, 140, 50 et 20 mbar (P/P0)

Énergie calculée par la formule de Brode (E)

P

Pat

(E/Pat)1/3

R

Courbe d’indice 10

Abaques TM5-1300

Surpressions de 200, 140, 50 et 20 mbar

Conversion de l’énergie de Brode en équivalent TNT

Etape n°4: Effets de surpression en champ lointain: 2 approches


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Exercice

On considère l’éclatement d’un réservoir de 1 m3 d’air à la pression de 40 bars.

Question : Donner les distances d’effets aux surpressions de 50, 140 et 200 mbar en utilisant:

1/ la méthode multi-énergie

2/ l’abaque TM5-1300

Données:

Masse volumique de l’air : 1,2 kg/m3

γAir = 1.4


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• Définition Rupture mécanique brutale d’un réservoir suite à une combustion de gaz

interne

• Description du phénomène pas-à-pas Inflammation du ciel gazeux dans le réservoir Montée en pression puis rupture du réservoir Détente brutale des gaz brûlés produits dans le réservoir Libération d’une grande quantité d’énergie à l’origine :

d’une sphère « de choc » en champ proche d’une onde de surpression se propageant en champ lointain

• Conséquences Projection de fragment du réservoir Déplacement d’une onde de surpression dans l’environnement

Définition/Phénoménologie


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• Energie de l’explosion Formule de Brode

• Surpression de contact Formule des tubes à choc

• Effets de surpression en champ lointain Méthode multi-énergie Méthode équivalent TNT (Abaques TM5-1300)

Modélisation


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Définition

Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion Changement d’état à caractère explosif d’un produit stocké

Retour d’expérience concernant notamment les gaz liquéfiés, qu’ils soient inflammables ou non

Feyzin, 1966 : 18 morts, 84 blessés (Erreur de procédure, incendie)

Los Alfaques, 1978 : 216 morts, 200 blessés (Accident routier)

Mexico, 1984 : 500 morts, 7000 blessés (Rupture canalisation, incendie)

Bucheon (Corée), 1998: 8 morts, 138 blessés (rupture de joint d’étanchéité sur un réservoir de GPL)


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Pression

Température

Pcrit

TLS

Liquide

Vapeur

TcritTébul

P2

P1

Patm

Notion de température limite de surchauffe (TLS)

Origine du phénomène

Psto


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Etape 0: Une sphère est chauffée par un incendie

Liquide

Gaz


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Etape 1 : rupture du réservoir et détente de la

phase gazeuse

B.A.M germany

Experimental test of BLEVE made on tank wagon


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Etape 2 : Détente de la phase liquide et expansion explosive


B.A.M germany



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Etape 3 : Inflammation et formation de la boulede feu


B.A.M germany



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Etape 4 : élévation et grossissement de la boule de feu


Fireball SEP: ranging from 300 to 450 kW/m²


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Etape 5 : extinction



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Les effets physiques

Effets de surpression Pic de détente du gaz: éclatement pneumatique du réservoir Pic de détente du liquide: vaporisation instantanée de la phase liquide Pic lié à l’explosion du nuage de gaz

Effets thermiques (souvent majorant) Rayonnement de la boule de feu Rayonnement du feu de flaque

Projectiles issus du réservoir 80% des fragments projetés à – de 250 m 90% des fragments projetés à – de 400 m Distance de projection maximale observée à 1 200 m


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Seuils réglementaires (1)

Effets thermiques

Sur l ’homme

• 600 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets irréversibles

• 1000 [(kW/m²)4/³].s : seuil des premiers effets létaux

• 1800 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets létaux significatifs

Sur les structures

• 5 kW/m² : seuil des destructions de vitres significatives

• 8 kW/m² : seuil des effets dominos et de dégâts graves sur les structures

• 16 kW/m² : seuil des dégâts très graves sur les structures (hors béton)

• 20 kW/m² : seuil de tenue du béton pendant plusieurs heures

• 200 kW/m² : seuil de ruine du béton en quelques dizaines de minutes

Notion de dose


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Effets de surpression Sur l’homme

• 20 mbar : seuil des effets indirects par bris de vitres • 50 mbar : seuil des effets irréversibles• 140 mbar : seuil des premiers effets létaux • 200 mbar : seuil des effets létaux significatifs

Sur les structures• 20 mbar : seuil de destruction significative des vitres• 50 mbar ; seuil des dégâts légers• 140 mbar : seuil des dégâts graves• 200 mbar : seuil des effets domino• 300 mbar : seuil des dégâts très graves

Seuils réglementaires (2)


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Modélisation

Tx: Taux de remplissage

Tx > 30%

Volume de gaz important

Détente élevée

⇨ Effets de surpression prédominants

Quantité de liquide importante

Formation d’une boule de feu

⇨Effets thermiques prédominants

oui Non


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Modélisation des effets thermiques (1)

Si 30% < Txremplissage < 85%

Principe

Modèle du TRC Shield (SHELL)

Volume du réservoir

Paramètres d’entrées :

Taux de remplissage

Pression d’éclatement

Propriétés du produit (densité, chaleur de combustion

Modèle « dynamique » :

Inflammation du nuage et développement de la boule de feu

Ascension et combustion de la boule de feu

Extinction de la boule de feu

Expansion

Combustion

Extinction


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Application direct du modèle du TRC Shield Sur les réservoirs fixes

Attention: ces formules ne sont pas valables pour des réservoirs mobiles

Butane, butènes, butadiènes, chlorure de méthyle, chlorure d’éthyle

Propane, propylène

Distances d’effets au …

SEI 2,44M0.427 2,97M0.425

SEL 1,72M0.437 1,92M0.442

SELS 0,81M0.471 1,28M0.448


M: Masse maximale de gaz liquéfié contenu dans le réservoir (kg)


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Application direct du modèle du TRC Shield Ordre de grandeur pour les réservoirs mobiles



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Principe

Modélisation des effets de surpression

Si Txremplissage < 30% Modèle d’éclatement pneumatique

Effet dimensionné par la détente du gaz

Énergie d’éclatement (formule de Brode):

E = Pres.V / ( -1)

P

Pat

(E/Pat)1/3

R

Courbe indice 10

Pres = P1 – P0

P0 = Pression atmosphérique (Pa)

P1 = Pression de rupture du réservoir (Pa)

V = Volume de la phase gazeuse (m3)

= Ratio des chaleurs massiques

=1,13 (propane) et =1,1 (butane)

Méthode multi-énergie


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Exercice

On considère une sphère contenant du propane. Son diamètre est de 12,4 m. En utilisant les formules du cours, calculer les effets aux SEI, SEL, SELS liés au BLEVE de la sphère :

Question 1: pour un volume de propane liquide contenu dans la sphère de 800 m3

Question 2: pour un volume de propane liquide contenu dans la sphère de 200 m3

Données:

Température du liquide: 15°C

Masse volumique du propane liquide: 522 kg/m3

Pression de rupture du réservoir: 25 bar

γPropane = 1.13

Question 3: Mêmes questions en utilisant le logiciel ALOHA

Data:

Conditions météorologiques: D5, cloud complete cover, Air temperature: 15 °C, Humidity: 70%, Direction du vent: Ouest

Rugosité du sol: 3 cm


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6 conditions

Transfert de chaleur par conduction (idem UVCE)

Définition et phénoménologie

Mise en suspension des poussièresDépend: - de la vitesse du courant d’air- du diamètres des particules

Exprimé en g de poussière par m3

Notion de concentration minimale d’explosivité (CME)

Par exemple Silo

Source d’inflammationFrottement, auto-échauffement, étincelle, électricité statique

Notion d’Energie minimale d’Inflammation (EMI)

Domaine d’explosivité

Confinement

Combustible: poussièresComburant: Air (oxygène)

EXPLOSION


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Caractéristiques de sécurité desproduits agro-alimentaires

Paramètres Définition Ordre de grandeur Utilité

Coefficient maximal d’explosivité (Kst) en bar.m.s-1

Valeur maximale de la montée en pression par unité de temps obtenue dans des conditions d’essais spécifiées lors d’une explosion de poussières

20 < Kst <200 bar.m.s-1

Elle caractérise la violence de l’explosion de poussières et permet de dimensionner les mesures de protection contre l’explosion (évent, suppresseur d’explosion)

Température d’auto-inflammation (TAI) en °C

Température minimale à partir de laquelle le nuage de poussières peut exploser

Quelques centaines de °CChoix des températures minimales de fonctionnement des procédés

Energie minimale d’inflammation (EMI) en Joules

Energie minimale capable d’enflammer un nuage de poussière

EMI de l’ordre de quelques dizaines de MJ

Lutte contre les dangers de l’électricité statique


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Effets physiques (1)

Effets de surpression Onde mécanique de surpression

Effondrement de structures

Projectiles

A noter que les effets sont plus sévères lorsque l’explosion a lieu en milieu confiné

Exemple d’évolution de la pression d’une explosion de particules d’aluminium dans une cuve de 1m3


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Retour d’expérience

Retour d’expérience Accidents fréquents (1 par jour en france)

Projection de fragments jusqu’à 150 m

Exemples

Metz, 1982: 12 morts, 1 blessé

Florrifoux, 1993, 5 morts

Blaye, 1997, 11 morts, 1 blessé

Blaye: Vue de l’installation avant l’accident

Blaye: Vue de l’installation après l’accident


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Modélisation

Différentes approches Equivalent TNT

Trop de choix arbitraires (masse de poussière impliquée …)

De moins en moins utilisé

Méthode issues des normes de dimensionnement d’évent

3 normes utilisables pour des domaines d’application différents VDI 3673

NFPA 68

EN 14491

Méthode classique

Formule de Brode pour calculer l’énergie disponible

Méthode multi-énergie pour les effets de surpression


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Synthèse sur l’explosion

Effets principaux étudiés Surpression

Seuils d’effets issus de la réglementation française SEI: 50 mbar

SEL: 140 mbar

SELS: 200 mbar

Phénomènes susceptibles de générer une onde de surpression (U)VCE

Eclatement de réservoir

BLEVE

Explosion de poussière


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Schéma récapitulatif des

3 journées


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Tank or pipe leakComplete tank

rupture

Gaseousleak

Two-phaseleak

Liquidleak

Formationof a pool

Dispersion of a toxic orexplosive cloud

Toxic effects

Overpressure effects Thermal effects

MAINSCENARII

SOURCETERMS

SECONDARYSCENARII

EFFECTS

BLEVEU.V.C.E

Jet fire Poolfire

Missile effects

Jet(aerosol)

Formation of a cloud

Warehouse

fire

Boil-over

iii explosion modelisation

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