Dimensionnement UVCE

D2 UVCEBernard FRANOZ
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Scénario d’UVCE retenu sur sites industriels :

Le scénario d’UVCE retenu sur sites industriels est celui de l’explosion d’un nuage ou d’une nappe de gaz ou de vapeur à la suite de la rupture guillotine (encore appelée baïonnette) de la canalisation la plus pénalisante, c'est-à-dire celle entrainant le plus gros débit massique.

Dans le cas d’une fuite sur un stockage de gaz liquéfié sous pression, dans la plupart des cas, il s’agit de la conduite de départ de distribution en phase liquide implantée en pied de bac.

Comme vu dans la fiche de présentation du phénomène, ce scénario doit être envisagé pour les stockages et les installations de gaz combustibles (liquéfiés ou non).

 

L’explosion sera supposée se produire lorsque la masse de gaz explosible est maximale. Habituellement le temps pris en compte est de l’ordre d’une minute, ce qui couvre la majorité des cas d’accidents industriels étudiés en retour d’expérience (dans 69 % des cas étudiés, l’explosion est intervenue en effet en moins d’une minute).

Effets majeurs :

Les effets majeurs sont ceux liés aux effets de pression.


Les zones étudiées seront celles qui correspondent aux valeurs suivantes :

  • Effets « domino » et à la SEL 5 % (200 mbar)

  • Ruine partielle des bâtiments en construction traditionnelle et à la SEL 1 % (140 mbar)

  • Arrachement des encadrements de fenêtres et SEI (50 mbar)

  • Bris des vitres et blessures indirectes (20 mbar)

Méthode de calcul :

Le calcul aboutissant à la définition des distances d’effets se réalise en plusieurs étapes. Il convient en premier lieu de procéder à l’évaluation du débit de fuite à la brèche, puis d’estimer la quantité maximale de vapeur explosible présente dans le nuage et enfin, de dimensionner les distances auxquelles seront potentiellement matérialisés les effets de l’explosion aux valeurs seuils indiquées ci-dessus.

​​

  • ​Calcul du débit de rejet à la brèche en phase gaz

avec : 

C : coefficient d’orifice (pouvant être compris entre 0,6 et 1) pris majoritairement à 0,6
Q : débit massique en kg/s

ρ : masse volumique du produit en phase gazeuse en kg/m3

S : surface de la brèche en m2
P-Patmo : différence entre la pression interne du stockage et la pression atmosphérique en Pa​

  • Calcul du débit de rejet à la brèche en phase liquide (cas des gaz liquéfiés)

Avec :

 

Q : débit massique en kg/s
C : coefficient d’orifice (pouvant être compris entre 0,6 et 1) pris majoritairement à 0,6
ρ : masse volumique du produit en phase liquide en kg/m3

S : surface de la brèche en m2
P-Patmo : différence entre la pression interne du stockage et la pression atmosphérique en Pa

g : gravité = 9,81 m/s2
h : hauteur de liquide au-dessus de la brèche en m

Attention : les pièges à éviter sont les suivants, utiliser le diamètre de la brèche au lieu de sa section ; exprimer la pression en bar et non en Pascal, utiliser la densité au lieu de la masse volumique dans la formule ci-dessus.

  • Estimation de la masse explosible 

En l’absence de vannes de coupure automatique, la masse explosible à prendre en compte correspond à celle produite par le débit de fuite jusqu’à l’allumage de la nappe de gaz ou de vapeur formée. Comme indiqué plus haut, ce temps est estimé à 60 secondes. On estime que l’expansion des gaz de combustion va faire réagir tout le produit en présence (sous forme liquide et vapeur).

Avec :

M : masse explosible en kg

Q : débit massique en kg/s

N.B. : Lorsque l’installation est équipée de vannes de coupure automatique, la masse explosible à prendre en compte correspond à la masse de produit correspondant au débit de rejet à la brèche pendant le temps nécessaire à la fermeture des dispositifs de sécurité à laquelle il convient d’ajouter la masse de produit contenue entre les deux dispositifs de sécurité qui encadrent le point de fuite.

Le principe 

  • Évaluation des effets de l’explosion par la méthode de l’équivalent TNT

On s’accorde sur le fait qu’en première estimation, on peut considérer que l’onde de pression la plupart du temps déflagrante produite lors de l’UVCE génèrera des dégâts qui peuvent être corrélés avec ceux que produirait la détonation d’une certaine masse de TNT.

 

La formule de l’équivalent TNT est la suivante :

La formule de l’équivalent TNT est la suivante :

Avec :

MeqTNT : masse explosible en kg

a : coefficient de rendement de l’explosion (la valeur 0,1 pour a englobe 97 % des accidents analysés dans le cadre du retour d’expérience)

Mprod : masse de produit en kg

Qprod : pouvoir calorifique du produit en MJ/kg

QTNT : pouvoir calorifique du TNT en MJ/kg (4,7 MJ/kg)

Attention : le piège à éviter est d’exprimer la masse de produit en tonne en non en Kg ou d’utiliser le volume du réservoir en m3 au lieu de le convertir en kg en utilisant la masse volumique du produit.

N.B. : Lorsque les produits étudiés sont des hydrocarbures, il est admis de considérer, par simplification, que la masse de produit est directement équivalente à la même masse de TNT (1kg d’hydrocarbure = 1 kg de TNT).

  • Calcul des distances d’effets

 

Les rayons des zones circulaires correspondant aux effets de l’explosion de la masse équivalente de TNT sont calculés pour les seuils de référence selon les formules suivantes :

N.B.1 : Le rayon de la zone correspondant à une onde de pression de 20 mbar est considéré comme étant le double de celui trouvé pour 50 mbar.

N.B.2 : Si vous ne disposez pas d’une calculatrice scientifique, le calcul les racines cubiques de M peut se faire en en téléchargeant une sur Internet. Il convient d’utiliser les touches inv xy ou yx selon les modèles utilisés puis de taper le chiffre 3.

​Ordre de grandeur :

L’UVCE consécutif à la rupture guillotine d’une canalisation de butane en phase liquide de 100 mm de diamètre génère sur une minute la fuite de plus de 8200 kg de produit et des zones de danger de rayons respectifs suivants (Voir détail en Fiches D.3.7 et D.3.8) :

  • Évaluation des effets de l’explosion sur une structure implantée à proximité

Lorsque l’on souhaite connaitre les effets potentiels de l’onde de pression sur une structure bâtimentaire implantée à proximité, il convient d’appliquer dans un premier temps la formule suivante :

Puis d’utiliser la valeur de      trouvée comme point de référence sur l’axe des x de la courbe TM5-1300 présentée sur la Fiche D.3.6

 

En remontant verticalement à partir de ce point, l’intersection avec la courbe indique les effets redoutés, le report sur l’axe des y précise la valeur de pression subie en ce point.

Illustration : Envisageons d’évaluer les effets générés par l’UVCE d’un nuage d’une tonne de butane sur un bâtiment implanté à 100 m

Avec donc R = 100 ;

D'où: 

En se reportant sur la courbe TM5-1300 à partir de la valeur de      = 10 (flèches bleues en pointillés), on trouve une onde de pression subie par le bâtiment égale à 140 mbar. Le bâtiment risque donc sa destruction partielle.

UVCE (Explosion d’un nuage de gaz non confiné)

Modélisation des Effets : Equivalent TNT

Insérer enregistrement audio de Dominique 

Calcul des effets de l’onde de pression consécutive à un UVCE

Données entrantes :

Etape n°1 : Conversion des données pour pouvoir calculer le débit de fuite en utilisant la formule de Bernoulli

Etape n°2 : Calcul du débit de fuite monophasique en phase liquide.

Avec: 

Q : débit massique en kg/s
C : coefficient d’orifice (pouvant être compris entre 0,6 et 1) pris majoritairement à 0,6
ρ : masse volumique du produit en phase liquide en kg/m3

S : surface de la brèche en m2
P-Patmo : différence entre la pression interne du stockage et la pression atmosphérique en Pa g : gravité = 9,81 m/s2
h : hauteur de liquide au-dessus de la brèche en m

D'où:

Etape n°3 : Calcul de la masse totale de propane rejetée en 60 secondes, temps de fuite au bout duquel on considère que la fuite aura rencontré un point d’allumage.

M = Q x 60 = 138 x 60 = 8280 kg

Etape n°4 : Calcul de la masse équivalente TNT du produit rejeté.

MeqTNT : masse explosible en kg

a : coefficient de rendement de l’explosion (la valeur 0,1 pour a englobe 97 % des accidents analysés dans le cadre du retour d’expérience)

Mprod : masse de produit en kg

Qprod : pouvoir calorifique du produit en MJ/kg = 47 MJ/kg pour le butane (environ)

QTNT : pouvoir calorifique du TNT en MJ/kg (4,7 MJ/kg)

Etape n°5 : Calcul des distances correspondant aux seuils réglementaires.

Les blessures indirectes par bris de vitres pourront donc être redoutées jusqu’à 900 m de distance du point d’allumage de la fuite.

Réduction des effets de l’UVCE par la pose de vannes de coupure automatique

Envisageons que compte tenu des distances d’effets mesurées ci-dessus, il soit décidé d’équiper la conduite de 100 mm de diamètre par des vannes de coupure automatique ayant un temps de fermeture de 4 secondes et disposées tous les 200 m.

Etudions les effets d’une telle prescription sur le scénario précédent.

Etape n°1 :

Il convient d’estimer dans un premier temps la masse explosible qui s’écoulera par la fuite pendant le temps nécessaire à la fermeture des vannes automatiques implantées de part et d’autre de la fuite.

M1 = Q x 4 avec Q = 138 kg/s tel que calculé dans la fiche précédente

D’où : M1 = 138 x 4 = 552 kg

Etape n°2 :

Il faut maintenant estimer la masse de propane M2 qui s’écoulera du tronçon de la conduite  compris entre les deux vannes, une fois celles-ci fermées. M2 se calcule en multipliant le volume de la conduite compris entre les deux vannes par la masse volumique du produit, soit : 

D'où : Mfinal = M1 + M2 = 552 + 783 = 1335kg

Etape n°3 :  

Calcul de la masse totale de butane rejetée en 60 secondes, temps de fuite au bout duquel on considère que la fuite aura rencontré un point d’allumage.

M = Q x 60 = 138 x 60 = 8280 kg
 

Etape n°4 :

Calcul des distances correspondant aux seuils réglementaires si cette fuite rencontre un point d’allumage.

L’ensemble des effets redoutés sont donc largement réduits par ce type de mesure. Les blessures indirectes par bris de vitres sont par exemple ramenées de 900 m à 500 m du point d’allumage de la fuite.

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