Explosion en champ libre de type UVCE

Etudiants :

Thibaud AUPOIX Maxime BERNARD

Florent BOCHENT Clément MONLAURD

Charles MOUSSA Anastassia PETROV

Projet de Physique P6

STPI/P6/2013 – 49

Enseignant-responsable du projet :

Jean-Christophe BUVAT

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN

Département Sciences et Techniques Pour l’Ingénieur

BP 8 – avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +33(0) 2 32 95 66 21 - fax : +33(0) 2 32 95 66 31

Date de remise du rapport : 17/06/2013

Référence du projet : STPI/P6/2013 – 49

Intitulé du projet : Explosions en champs libre de type UVCE

Type de projet : Bibliographie + Modélisation

Objectifs du projet:

Notre premier objectif a été de comprendre le phénomène d’UVCE, d’en discerner les caractéristiques.

Dans un second temps, nous avons dû choisir une méthode de modélisation pour un scénario de type UVCE.

Enfin, notre dernier objectif fut de concevoir un programme permettant de modéliser un scénario de type UVCE dans l’enceinte de l’INSA de Rouen.

Mots-clefs du projet: UVCE – Explosion - Modélisation

TABLE DES MATIERES

1. Introduction .................................................................................................................... 1

2. Méthodologie / Organisation du travail ........................................................................... 2

3. Travail réalisé et résultats .............................................................................................. 3

3.1. Historique des catastrophes provoquées par des UVCE ......................................... 3

3.1.1. Catastrophe de Feyzin ..................................................................................... 3

3.1.2. Catastrophe de Flixborough ............................................................................. 4

3.1.3. Catastrophe de San Juan Ixhuatepec .............................................................. 4

3.1.4. Catastrophe de la Mède ................................................................................... 5

3.1.5. Catastrophe de Buncefield ............................................................................... 6

3.2. Généralités sur les UVCE........................................................................................ 7

3.2.1. Régimes de combustion ................................................................................... 7

3.2.2. Facteurs influant la déflagration ....................................................................... 9

3.3. Conséquences .......................................................................................................10

3.3.1. Conséquences sur l’Homme ...........................................................................10

3.3.2. Conséquences sur les bâtiments ....................................................................15

3.4. Modélisation ...........................................................................................................18

3.4.1. Principe de fonctionnement .............................................................................18

3.4.2. Les Méthodes de Modélisation ........................................................................18

3.4.3. Détail du Programme ......................................................................................20

3.4.4. Résultats .........................................................................................................20

4. Conclusions et perspectives ........................................................................................ 222

5. Bibliographie ............................................................................................................... 233

6. Crédits d’illustrations ................................................................................................... 244

7. Annexes ...................................................................................................................... 255

7.1. Phénomènes liées aux UVCE .............................................................................. 255

7.2. Plans de l'INSA .................................................................................................... 299

7.3. Articles de la presse scientifique ............................................................................30

NOTATIONS, ACRONYMES

UVCE : Unconfined Vapour Cloud Explosion

BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion

VCF : Vapour Cloud Fire

CAM : Congestion Assessment Method

1

1. INTRODUCTION

Dans le cadre de nos études d'ingénieurs à l'INSA de Rouen, nous devons mener à bien divers projets, dont le projet physique (P6). Ce projet fut le premier en nombre conséquent de personnes, et également celui où nous avons eu le plus de liberté d’actions. En effet, nous avons pu choisir nos outils de modélisation et nos méthodes de travail.

Ce projet permet d'approfondir les méthodes de travail en équipe, en abordant notamment des sujets non étudiés en STPI, ainsi que de découvrir de nouveaux outils et d’acquérir de nouvelles connaissances.

Le but de notre projet était de découvrir les explosions en champs libre de type UVCE,

qui sont des explosions de vapeur en milieux non confinés. Ce type d’explosion dont nous ne soupçonnions pas l’existence jusqu’ici, est néanmoins très bien connu dans le monde scientifique. Pour pouvoir qualifier une explosion de type UVCE, deux conditions sont nécessaires : la présence d’un nuage inflammable et une source d’inflammation. Ces deux conditions doivent être réalisées simultanément.

Pour ce rapport, nous allons tout d’abord nous intéresser dans un premier temps à

quelques catastrophes historiques survenues à cause du phénomène d’UVCE. Puis, nous allons définir clairement les explosions de type UVCE. Ensuite, nous étudierons leurs conséquences sur l’Homme et les bâtiments. Pour finir, nous détaillerons le choix de la méthode de modélisation et le fonctionnement de notre programme informatique.

2

2. METHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL

La première tâche que nous avons eu à effectuer fut le choix d’un chef de groupe. Cette responsabilité fut assurée par Florent Bochent.

Notre projet étant découpé en deux parties, une partie écrite portant sur la description du phénomène d’UVCE et une autre concernant la modélisation, nous nous sommes répartis en deux groupes de trois personnes. Le travail du premier groupe consista à détailler l’ensemble des notions liées aux UVCE. Quant au second groupe, il eut dans un premier temps à découvrir les différentes méthodes de modélisation d’explosions. La totalité des étudiants a ensuite choisi la méthode la plus appropriée pour notre projet, c’est-à-dire la méthode Multi-Energie. Le second groupe s’attacha ensuite à la programmation de cette méthode, appliquée à l’enceinte de l’INSA. Bien évidemment, les deux groupes ont eu à travailler conjointement, comme par exemple lorsque que le second groupe a eu besoin des résultats du premier pour le travail de modélisation.

Figure 1 : Diagramme présentant l’organisation du projet

Partie écrite

Maxime Bernard :

Historique

Vérificateur documentaire

Clément Monlaurd :

Généralités

Conséquences

Anastassia Petrov :

Généralités

Annexes

Chef de projet

Florent Bochent :

Organisation

Partie écrite modélisation

Partie programmation

Thibaut Aupoix :

Modèle 2D INSA

Charles Moussa :

Méthode Multi-Energie

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3. TRAVAIL REALISE ET RESULTATS

3.1. Historique des catastrophes provoquées par des UVCE

Nous allons commencer en présentant un historique de quelques incidents dus à une UVCE. Comme nous allons pouvoir le remarquer, ces incidents, tous industriels, ne se résument pas seulement à une explosion de type UVCE. Effectivement, les UVCE engendrent très souvent des effets dominos. Rappelons qu’un effet domino n’est autre que le terme utilisé pour définir une réaction en chaîne dans le cas d’un incident industriel. Nous remarquerons également que ces effets dominos sont souvent composés de plusieurs explosions causant de graves dégâts humains et matériels.

3.1.1. Catastrophe de Feyzin

La catastrophe de Feyzin a eu lieu le 4 juin 1966 dans une raffinerie de pétrole qui appartenait au groupe pétrolier Elf, devenu aujourd’hui partie intégrante de Total-Fina-Elf. Rappelons que Feyzin est une ville située au sud de Lyon, troisième commune de France par sa population. La raffinerie avait été ouverte deux ans plus tôt et traitait environ 1,7 Mt de pétrole par an (source : site internet de l’institut pour l’histoire et la mémoire des catastrophes). Ajoutons un fait important : la raffinerie était située et est toujours située à quelques dizaines de mètres de l’autoroute A7.

Les événements ont commencé à 6h40 du matin, alors que des opérateurs étaient chargés d’effectuer des échantillonnages dans une des cuves sphériques contenant 1200 m3 de propane chacune. D’une mauvaise manipulation des vannes par un opérateur a résulté une fuite de propane créant alors un nuage de gaz. Ce nuage a dérivé lentement jusqu’aux abords de l’autoroute qui fut par ailleurs fermée à la circulation à cause la fuite. Mais le fait est que la départementale qui longe l’autoroute n’a quant à elle pas été fermée et c’est un véhicule en stationnement qui déclencha la combustion du nuage inflammable vers 7h15 du matin. Une minute après le début de l’UVCE, un chalumeau apparaît sous la sphère fuyante : c’est le premier effet domino dû à l’UVCE. Malgré les efforts des secours pour minimiser l’incendie, c’est environ

une heure après le déclenchement du chalumeau qu’a lieu la BLEVE de la sphère. Rappelons qu’une BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) est une explosion de liquide stocké dans une enceinte confinée et soumis à une forte température et une forte pression. Nous étudierons le phénomène de BLEVE plus en détail dans la partie annexe de ce dossier. On attribue à l’explosion de la première sphère la mort de 13 personnes. A ce moment-là de la catastrophe, une boule de feu dont la taille fut estimée à plus 400 mètres de hauteur et à 250 mètres de diamètre recouvrait la raffinerie. Vint ensuite une deuxième BLEVE sur une sphère voisine, ne causant pas de mort cette fois-ci.

Le bilan de la catastrophe est important pour l’époque : « 18 morts dont 11 sapeurs-pompiers et 84 blessés sur 158 personnes présentes » (source : site internet de l’institut pour l’histoire et la mémoire des catastrophes) et « environ 1500 maisons et bâtiments ont

Figure 2 : Première sphère avant son éclatement

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été affectés par les ondes de choc ». (Source : Espace YH, http://espace.yh.free.fr/vecu2/index.html).

3.1.2. Catastrophe de Flixborough

La catastrophe de Flixborough, ville anglaise située à 300 kilomètres de Londres, a eu lieu le samedi 1er juin 1974 dans l’usine chimique de Nypro Ltd.

Les événements commencèrent un samedi lorsqu’un tuyau céda et laissa s’échapper du cyclohexane sous une pression de 8,8 bar et à une température de 155 °C. C’est alors qu’en l’espace de 30 secondes seulement, il s’est formé un nuage de gaz de 100 mètres de hauteur et 200 mètres de diamètre. La fuite a été estimée entre 40 et 50 tonnes de cyclohexane. Le nuage fut poussé par le vent et s’enflamma à environ 100 mètres de sa source, donnant lieu à une UVCE dont la détonation a été entendue jusqu’à 50 km de l’usine. Cette explosion ravagea les 24 hectares de

l’usine et laissa place à un gigantesque incendie dont la hauteur des flammes fut estimée entre 70 et 100 mètres.

Bilan de la catastrophe : sur les 72 personnes présentes au moment de l’explosion sur le site, 28 moururent et 36 furent blessés auxquelles il faut rajouter 53 blessés à l’extérieur de l’usine. (Source : http://www.patricklagadec.net/fr/pdf/flixborough.pdf).

3.1.3. Catastrophe de San Juan Ixhuatepec

La catastrophe de San Juan Ixhuatepec, quartier pauvre de Mexico, capitale du Mexique, a eu lieu le 19 novembre 1984 dans un dépôt de gaz de ville appartenant à la société Pemex. Pour comprendre l’ampleur de la catastrophe, qui est considérée comme l’une des pires de l’industrie moderne, il est nécessaire de se placer dans le contexte social de San Ixhuatepec. Rappelons que ce quartier de la ville de Mexico était à l’époque un quartier très pauvre où les différentes habitations autour de l’usine de dépôt de gaz étaient surtout faites de planches de bois et de plaques de tôles.

En ce 19 novembre de l’année 1984, la catastrophe commença par une fuite de gaz conséquente sur le site de Pemex suite à la rupture d’une conduite lors d’un transfert, tout d’abord au niveau du sol, puis formant un nuage de gaz emporté par le vent. (Source : http://en.wikipedia.org/wiki/San_Juanico_disaster) Le fait est que les responsables du dépôt de gaz de Pemex n’ont pas prévenu les autorités de cette fuite de gaz de ville qu’ils n’arrivaient absolument pas à contrôler. Dès lors, le nuage s’enflamma, causant une UVCE considérée comme le déclenchement d’effets dominos estimés à une dizaine d’explosions. La population locale ne fut avertie qu’au moment de cette première explosion et tenta de fuir, formant des regroupements dans les rues de la ville. Mais c’est malheureusement à ce moment-là qu’eu lieu une deuxième explosion, provoquée par l’UVCE, qui fut la plus

Figure 3 : Usine chimique de Flixborough après l’explosion de1974

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dévastatrice et dont la déflagration carbonisa plusieurs centaines de personnes dans les rues. Des flammes de « plusieurs centaines de mètres de hauteur » ont caractérisé cette catastrophe, « provoquant un rayonnement thermique considérable ». (Source : http://www.patricklagadec.net/fr/pdf/catastropheSanJuan.pdf).

Après la dizaine d’explosions, le bilan est catastrophique : le nombre de mort a été estimé entre 500 et plus de 1200, respectivement selon les autorités et selon les associations de défense des victimes de cette catastrophe, qui se battent encore aujourd’hui pour la reconnaissance de la négligence de Pemex et des autorités. Plusieurs milliers de blessés ont aussi été à dénombrer, dont des grands brulés. Des personnes ont été retrouvées mortes carbonisées dans les rues et des vitres de voitures et camions ont même été retrouvées fondues.

3.1.4. Catastrophe de la Mède

Retour en France, où le 9 novembre 1992 à la Mède, ville proche de Marseille, eu lieu une explosion à la raffinerie de Provence. Lors de cette catastrophe, toujours due à une UVCE, nous allons voir que les dégâts humains et matériels ont été moindres que lors des trois précédentes catastrophes présentées. A propos de la raffinerie, celle-ci était déjà détenue à l’époque par Total. De plus, pour information, la raffinerie avait alors une capacité de 6,6 Mt de pétrole par an et comptait 430 employés. (Source : http://www.aria.developpement-durable.gouv.fr)

La catastrophe a débuté le 9 novembre au petit matin, plus précisément vers 5h20. L’enquête judiciaire a conclu que tout était parti d’une fuite de gaz sur un tuyau transportant un mélange de propane et de butane, sous une pression de 10 bars. Le nuage alors formé, évalué à plus de 5 tonnes du précédent mélange, a donné lieu à une UVCE. S’en est suivie l’explosion d’un dépropaniseur par effet domino, formant une deuxième boule de feu. On dénombra au total 6 foyers d’incendie dont un à plus de 200 mètres de la première explosion.

Au bilan de la catastrophe on dénombra 6 morts et 37 blessés dont un très grave sur les lieux de la raffinerie.

Voici un extrait d’un article du journal Le Monde daté du 23 novembre 1993, un an après l’explosion illustrant la catastrophe : « Le réveil fut aussi précoce que brutal en cette aube du 9 novembre 1992. La déflagration fut entendue à plus de 30 kilomètres à la ronde, depuis les rives de l'étang de Berre jusqu'à Marseille et au-delà. Le craqueur catalytique de la Raffinerie de Provence à La Mède (Bouches-du-Rhône), appartenant au groupe Total, venait d'exploser, incendiant les installations proches et soufflant la salle de contrôle. Des décombres, on retirait six morts et un blessé grave. Tous appartenaient à l'équipe de jour qui avait pris son service à 4 heures. La ville de La Mède, toute proche, portait d'innombrables traces de la violence de l'explosion, de nombreuses maisons ayant été endommagées."

Figure 4 : Photographie du dépôt de gaz de San Juan Ixhuatepec après la catastrophe

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3.1.5. Catastrophe de Buncefield

La catastrophe de Buncefield, située à quelques 40 km au nord de Londres en Angleterre, a eu lieu le 11 décembre 2005 dans un dépôt de carburant. Rappelons qu’à l’époque ce stock de carburant représentait le cinquième stock le plus important du Royaume-Uni, s’élevant à plus 270 millions de litres.

La catastrophe a bien entendu commencé par une explosion de type UVCE d’une envergure importante, qui fut entendue à plus de 200 km de Buncefield. Le nuage formé résulte cette fois-ci de l’évaporation d’une nappe de grande taille de pétrole, due au débordement d’une des cuvettes du site. De ce nuage, mélange d’air et d’hydrocarbures, a résulté l’UVCE. Le souffle de l’explosion a même donné lieu à des mesures de 2.4 sur l’échelle de Richter. Il a fallu 2 jours à 180 pompiers appartenant à 16 brigades différentes pour maitriser l’incendie.

Au final, aussi incroyable que cela puisse paraître, cette catastrophe ne fit aucun mort. Cependant, on dénombra 43 personnes blessées dont deux très grièvement. L’entreprise était possédée en majorité par Total, le pétrolier français, avec 60 % de l’entreprise contre 40 % pour Chevron. Et c’est en 2009 que le Pétrolier français devait être condamné à payer 800 millions de dédommagements, comme nous le rapporte cet extrait de l’article de l’AFP daté du 20 mars 2009 :

« Le juge n'a pas encore évalué le montant des indemnités que Total devra verser, renvoyant à une nouvelle audience en avril. Mais la Haute Cour a évalué à plus de 750 millions de livres (800 millions d'euros) le montant des demandes de dédommagement. L'explosion et l'incendie fin 2005 du dépôt de carburant de Buncefield avait fait 43 blessés. Elle était due au débordement de 300 tonnes de pétrole d'une citerne du dépôt. Les émanations qui s'étaient formées s'étaient enflammées, provoquant une explosion gigantesque d'une magnitude de 2,4 sur l'échelle de Richter. »

Au cours de ce rappel historique comprenant cinq événements, nous avons pu voir que les catastrophe dues à des explosions de type UVCE ont eu lieu il y a déjà plus de quarante ans et ont encore lieu au XXIème siècle. Nous avons pu observer que celles-ci sont souvent dues à des fuites de gaz provoquées par un manque d’entretien des usines ou bien la négligence de l’entreprise via ses employés sur les mesures de sécurité. Heureusement, le nombre de morts et de blessés diminue tout de même avec le temps et l’industrie, notamment pétrolière, a su tirer des enseignements de ces événements passés.

Figure 5 : Nuage de fumée résultant de l’incendie du stock de carburant de Buncefield

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3.2. Généralités sur les UVCE

Le phénomène d'UVCE se découpe en cinq phases principales, la dernière étant hypothétique :

- fuite ou rejet accidentel d'un gaz ou d'un liquide dans l'atmosphère. - mélange de ce rejet avec l'oxygène, formant ainsi un gaz inflammable. - déplacement du nuage qui reste hautement inflammable. - inflammation du nuage à cause de la rencontre avec une source de chaleur. - propagation d'un front de flamme. À noter que si la vitesse de propagation est

suffisamment élevée, une onde de pression se forme et donne naissance à un phénomène de déflagration.

- inflammation du reste du nuage qui était à l'origine trop riche en combustible pour être inflammable.

3.2.1. Régimes de combustion

Une UVCE présente deux régimes principaux de propagation possibles du front de flamme : la déflagration et la détonation.

La déflagration est le régime de combustion le plus courant observé lors d’une UVCE. Plus rarement, il se produit le phénomène de détonation qui est défini par une source d’inflammation forte, une vitesse de l’onde de combustion supersonique (supérieure à la vitesse du son, de l’ordre de 1800 m/s) et par la propagation d’une onde de choc. Les ondes de choc correspondent à un changement brutal des caractéristiques. En effet, la pression et la masse volumique sont violemment augmentées.

La vitesse du front de flamme est donc bien plus importante dans le cas d'une détonation : le front de flamme est alors le front de l'onde, il progresse plus vite que le son dans le milieu, alors que dans le cas de la déflagration, la vitesse est limitée par la conduction thermique et la diffusion. Une détonation se propage typiquement à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde, à comparer à une vitesse pour les déflagrations de l'ordre du mètre par seconde et à la vitesse du son dans l'air à température ambiante de l'ordre de 300 mètres par seconde. Le pic de pression dans une détonation est de l'ordre de 30 à 60 fois la pression initiale.

Lorsqu'une UVCE produit une déflagration, on observe successivement différents régimes de combustion au cours du temps. Pour expliquer ces différents régimes, nous allons modéliser les régimes de combustion en considérant un mélange gazeux initialement au repos contenu dans un cylindre possédant une extrémité ouverte. L'inflammation se déroule au centre de la section fermée.

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L'inflammation de la source se produit. On observe dès lors un front de flamme possédant une forme sphérique. On parle de combustion laminaire. Ce front de flamme est une interface réactive qui transforme les gaz frais en gaz brûlés.

Le front de flamme prend ensuite une apparence dite cellulaire. En effet, le front de flamme laminaire vu précédemment, est très sensible aux perturbations ce qui engendre cette nouvelle forme.

On atteint alors le régime de déflagration turbulent. Ce sont principalement les obstacles qui sont à l'origine de ce nouveau régime de combustion.

Il est possible de calculer les différentes vitesses du front de flamme entre deux conditions notées 0 et 1. En appelant Su la vitesse relative du front de flamme exprimée en m/s, on s'aperçoit que cette vitesse est reliée à la réactivité du mélange inflammable, à la pression(en Pa) et la température(en K) conformément à la relation suivante :

Eq 1 Su1= Su0

Avec m et n deux constantes telles que -0,5 <m< 0 et n ~ 1,5 dans le cas des mélanges

Hydrocarbures-air.

On peut également exprimer la vitesse absolue (repère fixe) du front de flamme notée vf, qui est alors égale à Su, la vitesse relative, multipliée par le rapport d'expansion des gaz. Enfin, si la vitesse de déflagration est suffisamment importante, une onde de choc peut se former en avant du front de flamme. Plus la vitesse absolue du front de flamme vf est élevée et accélérée, plus l'amplitude de l'onde sera grande. Lorsque la vitesse a atteint environ 500 m/s, l'onde de choc a la capacité de compresser les gaz frais jusqu’à leur température d’auto-inflammation : on peut alors atteindre le régime de détonation. Malheureusement, le phénomène de transition entre déflagration et détonation est encore mal connu. Seules quelques expériences ont montré qu'une détonation apparaît soit à partir d'un point chaud, soit près d'une paroi, soit à proximité du front de flamme.

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3.2.2. Facteurs influant la déflagration

3.2.2.1 Réactivité du gaz combustible et composition du nuage

En partant du constat que les combustibles n'ont pas tous la même réactivité et que

leur réactivité dépend de leur concentration, il est normal de penser que la composition du

nuage va avoir un rôle important concernant la déflagration.

On classe le plus souvent les gaz en trois classes : réactivité faible, moyenne et forte. Pour

augmenter la précision des études, il est courant d'utiliser les vitesses fondamentales de

combustion.

Comme indiqués dans ce tableau, la vitesse de combustion et le rapport d'expansion des

gaz sont maximaux pour une concentration en combustible proche de la composition stœchiométrique. Il faut noter que la composition du nuage n'est jamais uniforme, les valeurs de la vitesse de combustion sont donc des variables d'espace.

3.2.2.2 Importance de la source

La première notion qui est liée à la source est celle de l'énergie de la source d'inflammation. La vitesse de propagation est d'autant plus grande que l'énergie d'inflammation est importante. De plus, une forte énergie d'inflammation peut conduire directement à une vitesse de propagation très élevée. À noter que les sources industrielles d'inflammation délivrent une énergie de l'ordre du Joule.

Mélange combustible-air en proportion un peu tœch om t

Vitesse laminaire Su (m/s)

Acétylène 1,58

Ammoniac 0,07

Benzène 0,62

Butane 0,5

Butylène 0,57

Cyclohexane 0,52

Ethane 0,53

Ethylène 0,83

Heptane 0,52

Hexane 0,52

Hydrogène 3,5

Méthane 0,45

Pentane 0,52

Propane 0,52

Propylène 0,66

Figure 6 : Tableau des vitesses de combustion laminaire des principaux gaz

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L'autre notion est reliée à la position de l'allumage du nuage gazeux. Deux cas sont alors possibles : soit l'inflammation se fait par le cœur, soit par la périphérie. Même s'il n'existe pas de règle absolue, les expériences en laboratoires tendent à prouver que l'allumage au centre du nuage donne une vitesse plus importante qu'un allumage à la périphérie.

3.2.2.3 Nature de l'obstruction

En fonction de l'endroit où se déroule la fuite de gaz, le fluide va subir ce qu'on appelle un semi-confinement dû à l'encombrement et aux obstacles. Ainsi, pour simplifier la modélisation, on distingue trois principaux modes de propagation qui permettent de désigner la forme géométrique et la direction prise par le front de flamme :

- le mode axial, qui est observable lorsqu’une explosion se déroule dans un volume (réservoir, réacteur) dont le rapport longueur sur diamètre est important. La section offerte à l'écoulement des gaz est donc constante. Ainsi, la vitesse ne va pas varier mais ce mode conduit aux plus fortes vitesses de propagation.

- le mode radial, qui est quant à lui observable quand le volume est fermé par deux plans verticaux et dont la section d'écoulement augmente avec la distance. Cela correspond par exemple à une pièce composée d'un sol et d'un plafond, avec le début de l'inflammation se situant dans un coin.

- le mode sphérique qui est observable en environnement totalement libre. Les vitesses de propagations sont les plus faibles. Il est possible de modéliser ces trois modes par des fonctions mathématiques simples. En effet, le mode axial est modélisable par une fonction constante, le mode radial par une fonction du type 1/x et le mode sphérique par une fonction 1/x2.

3.3. Conséquences

3.3.1. Conséquences sur l’Homme

3.2.3.1 Approche simple

Les principales conséquences d'une explosion de gaz sur l'homme sont dues aux effets de l'onde de surpression aérienne, de la pénétration des fragments, de l'impact des missiles, de la projection des corps et des effets thermiques. Dès lors, il est possible de simplifier l'approche des conséquences d'une UVCE en s'intéressant aux deux principaux effets lors d'une explosion c'est à dire la surpression et les effets thermiques. Pour cela, on peut utiliser des valeurs seuils. Par exemple, prenons les valeurs réglementaires pour l'évaluation des effets de surpression sur l'Homme (valeurs extraites du code de l'environnement article L.515-16) :

- 20 hPa (mbar) : effets de bris de verre.

- 50 hPa (mbar) : effets irréversibles délimitant la "zone des dangers significatifs pour la vie humaine".

- 140 hPa (mbar) : effets létaux délimitant la "zone des dangers graves pour la vie humaine".

- 200 hPa (mbar) : effets létaux significatifs délimitant la "zone des dangers très graves pour la vie humaine".

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Les valeurs données par les exemples historiques nous informent que pour les UVCE, la surpression est généralement de quelques dizaines de millibars. Ainsi, seuls les deux premiers seuils sont à prendre en compte dans la plupart des cas. Malheureusement certaines catastrophes affichent des valeurs de surpression beaucoup plus importantes. Même si ce type de catastrophe est très rare, il est important de ne pas négliger ces valeurs.

Concernant les effets thermiques, il est courant de dire que ceux-ci sont négligeables lors d'une UVCE. De fait, l'exposition se déroule durant un temps très court. Les effets thermiques sont donc dus au passage du front de flamme ce qui implique que toute personne se trouvant sur le passage de la flamme risque de subir l'effet létal. Le problème réside dans le fait qu'une UVCE peut être le point de départ d'un incendie et peut mettre en marche les effets dominos déjà abordés auparavant.

Cependant, cette approche ne permet pas d'évaluer les effets avec précision, nous allons donc regarder plus attentivement les dégâts possibles sur le corps humain.

3.2.3.2 Etude complexe

Le premier point important de cette étude concerne les différences entre les effets. Effectivement, on les classe en trois catégories principales : les effets directs primaires, les effets indirects secondaires, et les effets indirects tertiaires. Outre le type d'effet, la principale différence vient du fait que les effets directs primaires sont une certitude alors que les effets secondaires et tertiaires ne sont qu'une probabilité, c'est à dire que ces effets ne sont pas obligatoirement identifiables lors d'une explosion. Alors, pour modéliser la probabilité de survie, il est nécessaire d'utiliser une fonction statistique, appelée fonction de probit qui est de la forme suivante :

Eq 2 Y=K1 +K2*ln(X)

Dans cette formule, K1 et K2 sont deux constantes et X un facteur causal. De plus, il est possible de passer de cette fonction à une probabilité en pourcentage en utilisant le tableau suivant :

Enfin, tous les résultats ci-dessous sont issus du TNO Green Book qui fait office de référence dans le domaine de l'évaluation des effets d'une explosion sur l'homme. Ces résultats sont valables pour une personne de corpulence moyenne (soit 1m70 et 70kg), et ils peuvent être légèrement différents en cas de grande différence de taille ou de poids. L'ordre de grandeur reste cependant toujours le même. A noter que les résultats sont souvent surestimés.

Figure 7 : Tableau de conversion des probits en pourcentage

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Effets directs primaires

Cette partie concerne les deux principaux organes sensibles à l'onde de surpression aérienne c'est à dire les poumons et les oreilles. Commençons par les dommages à ces derniers. Grâce à différentes études, nous sommes capables d'évaluer le risque de rupture des tympans qui sont la principale cause de dommages aux oreilles. Il est important de savoir que l'oreille réagit à une bande de fréquence de 20 à 20000 Hz et qu'elle est très sensible à la pression même à un seuil inférieur à 2*10-5 Pa. Pour connaître la gravité des lésions de l'oreille, on utilise la rupture du tympan comme référence. Le problème des études sur les tympans réside dans le fait qu'aucune influence de la durée du pic de surpression n'a pu être démontrée. Néanmoins le graphique ci-dessous nous permet d'en apprendre suffisamment sur les risques.

La fonction de probit de rupture des tympans est alors la suivante :

Eq 3 Y=-12,6 + 1,524 ln Ps

Avec Ps la pression incidente (en Pa).

Concernant les poumons, la présence d'alvéoles dont la densité apparente est différente des tissus voisins explique la fragilité de ces organes en cas de surpression. Le graphique suivant nous permet de comprendre les effets possibles sur ces organes.

Figure 8 : Graphique représentant la probabilité de rupture des tympans en fonction des pics de surpressions en Pascals

Figure 9 : Graphique représentant la valeur des pics de surpression en Pascals en fonction de leur durée en secondes

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La fonction de probit de létalité est alors :

Eq 4 Y = 5 - 5,74 ln X

Avec X =

+

avec Ps=

et is =

Où

Ps est la surpression incidente (en Pa)

P0 est la pression atmosphérique (en Pa)

m la masse de la personne soumise aux effets (en Kg)

is est l'impulsion dont la formule est is = 0,5 * Ps * tp avec tp le temps (en secondes) durant lequel la pression augmente.

Effets indirects secondaires

Les deux objets pouvant provoquer les effets indirects secondaires sur l'homme sont les fragments et les missiles. Les fragments sont des petits objets tranchants pouvant provoquer des lacérations et pénétrer dans le corps humain. Enfin, les missiles sont des objets de taille importante qui blessent ou tuent simplement par l'impact, sans couper. Ceux-ci provoquent alors des traumatismes, des hémorragies internes ou encore des fractures. L'estimation des effets des missiles et des fragments est très délicate et peu précise à cause du nombre important de paramètres.

Pour évaluer les dangers des fragments, la meilleure solution est d'utiliser le modèle créé par Gilbert, Lees et Scilly. Effectivement, ce modèle est très complet pour évaluer les effets sur toutes les zones du corps. Nous pouvons simplifier ces résultats en affirmant qu'il suffit d'utiliser le rapport entre l'énergie cinétique du fragment et l'aire projetée du fragment suivant sa trajectoire. Ainsi pour une pénétration dans la peau la valeur seuil est de 3*105

J/m2 et pour une perforation de la peau 3,6*105 J/m2.

Concernant les missiles, l'impact sur le corps humain va dépendre de la vitesse et de la masse des projectiles. Les informations sur ce sujet sont encore une fois très réduites, néanmoins le TNO Green Book nous permet d'avoir un ordre de grandeur grâce au tableau suivant.

Dans ce tableau, on utilise un missile d'une masse de 4,5 kilogrammes et on regarde les résultats sur un crâne humain, zone la plus fragile du corps. La masse n'est pas choisie au hasard, en effet, 4,5 kilogrammes représente environ la masse d'un crâne humain. Ce qu'il faut comprendre, c'est qu'à partir de 4,5 m/s et jusqu'à 7 m/s, un objet peut littéralement détruire le crâne et tuer la personne.

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Le TNO Green Book propose un diagramme unique qui regroupe toutes les estimations des effets des missiles et fragments. Le critère principal permettant ce graphique est l'énergie cinétique minimale d'un fragment que l'on peut qualifier de dangereux c'est à dire entre 40 et 79 J.

Dès lors, il apparait clairement trois zones qui vont déterminer la fonction de probit létalité après impact avec m la masse et vo la vitesse d'impact :

- si l'objet possède une masse supérieure à 4,5 kilogrammes :

Eq 5 Y=-13,19+ 10,54 ln vo

- si l'objet a une masse comprise entre 0,1 et 4,5 kilogrammes :

Eq 6 Y=-17,56+ 5,30 ln S

Avec S=0,5*m*vo2.

- si l'objet a une masse entre 0,001 et 0,1 kilogrammes :

Eq 7 Y=-29,15+ 2,10 ln S

Avec S=m*vo5,115.

Effets indirects tertiaires Cette section concerne les projections des personnes par l'onde de pression contre des surfaces considérées comme indéformables par le corps humain. Les dommages peuvent également se produire lors de la phase d'accélération du corps mais les dégâts importants se produisent lors de la phase de décélération sur l'impact. Dès lors, il convient d'évaluer les possibles dégâts sur la tête et le corps séparément. En effet, comme rappelé précédemment le crâne est la partie la plus fragile lors d'un impact. Les effets peuvent être grandement appréhendés grâce aux deux tableaux suivants issus du TNO Green Book.

Pour le crâne :

Figure 10 : Graphique représentant la vélocité d’un fragment en fonction de sa masse

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Pour le corps :

Ainsi nous pouvons tirer les conclusions suivantes. Pour une vitesse comprise entre 4 et 7 m/s, le crâne risque d'être endommagé allant jusqu'à causer la mort de la personne. La résistance du corps est quant à elle plus grande. Effectivement, le seuil limite de blessure commence à 6,5 m/s et la projection d'un corps à 42 m/s représente une mort quasiment certaine bien loin des 7m/s suffisant pour la tête.

Pour le crâne, la fonction de probit d'estimation de létalité par fracture du crâne après impact est la suivante :

Eq 8 Y= 5 - 8,49 ln X

avec X=

+

où Ps est la surpression incidente et is l'impulsion.

Pour le corps, la fonction de probit d'estimation de létalité par collision de tout le corps après impact est la suivante :

Eq 9 Y= 5 - 2,44 ln X

avec X=

+

où Ps est la surpression incidente et is l'impulsion.

Autres effets

Il est possible de pousser l'étude des effets d'une UVCE encore plus loin mais cette étude est amplement suffisante dans notre cas. On peut également étudier d'autres effets comme la destruction d'un bâtiment sur l'homme. L'étude est cependant tellement complexe que l'obtention de résultats réalistes est quasiment impossible à notre niveau. Cependant, on peut largement utiliser les résultats trouvés pour les tremblements de terre et disponibles dans de nombreux ouvrages sur ce domaine. On apprend par exemple que les blessures les plus dangereuses sont observées dans des bâtiments de grandes tailles.

On peut aussi s'intéresser aux débris de verre et ainsi les distinguer des fragments que nous avons étudiés. Il faudrait alors prendre en compte la distance de la personne à la fenêtre, la position de la personne, la résistance du verre... Notre étude sur les fragments reste néanmoins proche de la réalité concernant le verre.

3.3.2. Conséquences sur les bâtiments

Il est assez difficile d'estimer les possibles effets de destruction engendrés par une explosion. Cependant, il est possible de simplifier le problème en utilisant des valeurs seuils de surpression statique. Par exemple, le TNO Green Book nous donne le tableau suivant, ce qui nous permet de trouver un ordre de grandeur concernant les destructions possibles.

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Ce tableau classe les effets possibles en quatre zones allant de A à D en fonction de la gravité des dégâts et en fonction de la pression aérienne incidente. Néanmoins, il est possible d'aller plus loin dans le classement en quittant les résultats du TNO Green Book. En effet, on peut alors utiliser les conclusions d'une étude appelée Modélisation et approche opérationnel du BLEVE, du boilover, du flashover et du backdraft, publiée en 1995 par Baily, Legougec, Lefevre et Roure. Cette étude nous donne ainsi le tableau suivant qui est d'une précision redoutable concernant les faits, et qui s'avère de plus, très proche de la réalité.

Pression (mbar) Dégâts matériels

2 Fentes occasionnelles de la vitre de grandes fenêtres

7 Bris des vitres de petites fenêtres

10 Pression "typique" de bris de vitres

20 10% des vitres brisées en éclats, quelques dommages aux plafonds

des maisons

27 - 48 Déplacement des tuiles

30 Dégâts mineurs et limités aux structures

35 - 70 Petites et grandes fenêtres brisées en éclats

Dégâts occasionnels aux cadres des fenêtres

50 Dégâts mineurs aux structures des maisons

55 Bris des petites fenêtres des maisons

70 90% des vitres brisées

Démolition partielle des maisons

70 - 140 Eclatement des panneaux fibrociment

Implosion des panneaux en tôles ondulées ou aluminium

Déformation des attaches des panneaux en bois en construction traditionnelle

Zone Dégâts Pression (kPa)

A destruction totale > 83

B important > 35

C moyen > 17

D faible > 3,5

Figure 11 : Tableau des ordres de grandeurs des zones de dégâts

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90 - 100 Torsion légère des encadrements en acier des revêtements des bâtiments

140 Dégâts possibles aux réservoirs d'hydrocarbures de grandes dimensions

140 - 200 Effondrement partiel des murs et des toits de maison

160 Les murs en moellons non renforcés volent en éclats

175 Limite inférieure des dégâts sérieux aux structures

200 50 % de destruction des maçonneries en briques des maisons

Déplacement et légers dégâts aux machines dans les bâtiments industriels

Démolition des cadres en fer sans encadrement autoportant

200 - 300 Déformation des bâtiments à charpente en acier et sortie de leurs fondations

300 Rupture des réservoirs de pétrole

350 Rupture des revêtements des bâtiments industriels légers

Rupture des poteaux en bois des lignes téléphoniques

350 - 500 Endommagement des presses hydrauliques de 20 tonnes dans les bâtiments

500 Destruction complète des maisons

650 Renversement des wagons chargés

700 - 3000 Démolition des containers ferroviaires chargés

Destruction totale probable des bâtiments

Figure 12 : Tableau des dégâts matériels en fonction des pressions aériennes

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3.4. Modélisation

3.4.1. Principe de fonctionnement

Le principal objectif de notre projet était de réaliser un programme permettant de modéliser une UVCE ayant lieu dans les installations de l'INSA, et plus précisément dans le bâtiment Darwin, qui possède un important stock de produits dangereux. Pour cela, le programme utilise un plan en deux dimensions représentant les bâtiments et les zones de stockage de gaz inflammables. Puis, l'utilisateur place un nuage, dont il aura choisi le volume, sur l'un des stocks. Après quoi l'ordinateur calcule, grâce à une procédure basée sur une méthode de modélisation, les surpressions aériennes engendrées par l'explosion de ce nuage et trace les isobares sur le plan. Enfin, il est important de préciser que nous avons principalement utilisé le logiciel MAPLE pour la programmation, car deux membres du groupe l'avaient déjà utilisé en cours de mathématiques appliquées (M10).

3.4.2. Les Méthodes de Modélisation

Au fil des années, de nombreuses méthodes de modélisation d'UVCE ont été conçues, dans un but de prévention et de maîtrise des incidents. Il nous a fallu comparer les avantages et inconvénients de chacune de ces méthodes afin de choisir la plus adaptée à notre étude.

3.4.2.1 Description rapide des différentes méthodes

- Méthode TNT : cette méthode part du principe que toute UVCE peut être assimilée à l'explosion d'une certaine masse de TNT. Ainsi, l’équivalent TNT d’un mélange gazeux explosible correspond à la masse de TNT qui en explosant engendrerait le même champ de surpressions que celui engendré par l’explosion d’un kilogramme du mélange explosible considéré.

- Méthode Multi-énergie : rappelons tout d'abord que l'explosion d'un nuage de gaz n'est susceptible d'engendrer de fortes surpressions que si les flammes atteignent une vitesse importante, or le front de flammes accélère s'il rencontre des obstacles ou s'il est confiné. Une forte concentration d'obstacles sera donc synonyme de fortes surpressions. La méthode Multi-énergie assimile donc une explosion à un ensemble "d'explosions élémentaires" ayant lieu dans les différentes zones du nuage, afin de pouvoir étudier précisément la contribution du passage des flammes dans les zones encombrées à la création des surpressions. Ainsi, il faut d'abord déterminer le nombre d'explosions élémentaires, après quoi il est nécessaire de caractériser chacune d'elles grâce à un indice de "violence" compris entre 1 et 10 (plus l'indice est élevé, plus la vitesse des flammes est grande). Enfin, les différents niveaux de surpressions sont donnés par des abaques, obtenus après résolution des équations d'Euler (en faisant l'hypothèse que la vitesse des flammes est constante).

- Méthode CAM (Congestion Assessment Method) : elle a été inventée et est utilisée par le pétrolier SHELL. Elle présente de nombreux points communs avec la méthode Multi-énergie. La première étape consiste à déterminer le niveau de surpressions maximum, pour cela on utilise un "arbre de décision" (série de questions auxquelles on répond par oui ou par non) basé sur la réactivité du propane. Ensuite, il faut corriger la valeur obtenue en fonction de la nature du combustible, ces facteurs correctifs sont donnés pour une quinzaine d'hydrocarbures courants. Enfin, on calcule l'atténuation des ondes de pression au moyen d'abaques, ceux-ci ont la particularité d'avoir été déduits de mesures réelles et non pas de calculs basés sur l'hypothèse des flammes à vitesse constante.

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- Méthode Baker-Strelow : cette méthode présente aussi des similitudes avec la méthode Multi-énergie dans le sens où il faut tout d'abord définir la violence de l'explosion en fonction de la vitesse des flammes. Après quoi, on choisit la courbe de décroissance de surpression correspondante, parmi celles établies par Strelow et Al. Ces dernières ont été définies en supposant un nuage sphérique placé dans un espace infini, une source d'inflammation au centre du nuage et des vitesses de flammes constantes.

3.4.2.2 Avantages et inconvénients

- Méthode TNT : bien que relativement simple à utiliser, cette méthode est n’est pas la plus précise. En effet, la TNT étant un explosif solide (donc très dense), son explosion entraine des surpressions, à proximité du foyer de l'explosion, bien plus importantes que celles générées par l'explosion d'un nuage gazeux. Cependant, cette méthode présente l'avantage de donner des valeurs de surpression, à longue distance (5 à 10 fois le rayon du nuage), plus proches de la réalité que d'autres méthodes plus complexes à appliquer.

- Méthode Multi-énergie : l'avantage de cette méthode est qu'elle donne de bons résultats à proximité du foyer de l'explosion. De plus, il est important de noter qu'il existe différents moyens de déterminer l'indice de violence. Nous avons choisi d'utiliser le tableau suivant, proposé en 1993 par Kinsella :

Dans ce tableau, l’énergie d’inflammation est considérée forte lorsqu’une explosion confinée peut être à l’origine de l’inflammation du nuage, et faible lorsque l'inflammation est due aux sources courantes (étincelles, plaques chauffantes, ...).

Le degré d’encombrement est fort lorsque le volume des obstacles correspond à plus de 30% du volume total de la zone encombrée, et que l’espace entre les obstacles est inférieur ou égal à 3 mètres. Il est faible lorsque les conditions précédentes ne sont pas remplies simultanément et est inexistant lorsqu’il n’y a pas d’obstacle dans le nuage inflammable.

Le confinement est considéré comme existant lorsque le nuage inflammable est confiné par des surfaces solides sur 2 à 3 faces, et inexistant si la seule surface solide à prendre en compte est le sol.

- Méthode CAM : le principal défaut de cette méthode est son "arbre de décision" cité précédemment. En effet, tout comme pour la méthode Multi-énergie, les résultats peuvent ne pas être quantitatifs, au point de nécessiter l'interprétation d'un spécialiste en explosion.

- Méthode Baker-Strelow : nous avons trouvé peu d'information sur cette méthode. Cependant, il semblerait qu'elle ait tendance à sous-estimer la valeur des surpressions maximales réellement observées, ce qui, dans le cadre de la prévention des explosions, est un défaut non négligeable.

Figure 13 : Tableau de détermination de l’indice de violence

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3.4.2.3 Choix de la méthode

C'est la méthode Multi-énergie qui nous a paru la plus adaptée à notre projet. Effectivement, elle donne des résultats précis en champ proche et elle est de plus, réalisable sur un logiciel comme MAPLE.

3.4.3. Détail du Programme

Notre programme est basé sur un plan schématique en deux dimensions du bâtiment Darwin et des installations voisines (vue du ciel). Les bâtiments sont simplement définis par leurs contours, les murs intérieurs n'étant pas pris en compte, et les différents stocks de gaz sont représentés de manière ponctuelle.

Ensuite l'étude des surpressions peut se faire de deux manières différentes. Tout d'abord grâce à une procédure de calcul basé sur la méthode Multi-énergie. Ce calcul nécessite les valeurs du volume du nuage, de la distance entre le point d'observation et le foyer de l'explosion (ces deux points sont choisis par l'utilisateur), et de l'indice de violence de l'explosion, qui est obtenu grâce au tableau décrit précédemment. Le résultat obtenu correspond à la surpression maximale observée au point choisi. Après quoi, il est possible d'utiliser une autre procédure, faisant appel à la précédente, qui, lorsqu'on lui donne des valeurs de surpressions, permet de tracer les isobares correspondantes sur le plan de Darwin.

3.4.4. Résultats

Nous avons utilisé le programme pour modéliser deux explosions : celle d'un nuage de 10m3, correspondant à la fuite d'une bouteille de 50L d'hydrogène dans l'atmosphère, et celle d'un nuage de 50m3, car il y a rarement plus de cinq de ces bouteilles réunies dans les zones de stockage.

La première explosion nous a donné les surpressions suivantes (en millibar) :

- 20mB à 62,5m du foyer (effets de bris de verre).

- 35mB à 56,8m (dégâts mineurs aux bâtiments).

- 50mB à 48,5m (dangers importants pour la vie humaine).

- 140mB à 4,3m (effets létaux).

On remarque donc que l'explosion d’un nuage de 10m3 ne pourrait pas causer la destruction des bâtiments mais pourrait tout de même détruire les vitres dans un rayon de 60m ce qui représenterait un risque pour les personnes à proximité.

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Les surpressions engendrées par la seconde explosion sont :

- 20mB à 111,4m du foyer (effets de bris de verre).

- 35mB à 97,2m (dégâts mineurs aux bâtiments).

- 50mB à 82,9m (dangers importants pour la vie humaine).

- 140mB à 7,2m (effets létaux).

Dans le cas d'un nuage de 50m3 les bris de verre et les effets sur les bâtiments pourraient atteindre le bâtiment Dumont d'Urville et les logements étudiants voisins. De plus, l'onde de choc engendrée blesserait des personnes dans un rayon de plus 80m. On voit donc que les effets d'une telle explosion dépasseraient les installations de l'INSA et affecteraient des passants ou des automobilistes.

Figure 14 : Capture d'écran du programme

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4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

En conclusion, nous avons atteint les objectifs que nous nous étions fixés au début du projet de P6. Premièrement, nous avons acquis de nombreuses connaissances sur les explosions de type UVCE. Grâce à de nombreux exemples historiques, nous avons pu comprendre le principe de fonctionnement des UVCE. Puis, après une étude approfondie, nous avons compris les causes et étudié les conséquences sur l'Homme et sur les bâtiments. Concernant la modélisation nous pouvons affirmer que les ordres de grandeur de surpressions observés lors de la simulation sont corrects. De plus, l'affichage permet à l'utilisateur de visualiser efficacement les isobares.

A propos de la modélisation, il serait possible d'améliorer le programme. Dans un premier temps, nous pourrions améliorer la précision du plan ou simplement rajouter des bâtiments. En outre, les effets dominos pourraient être pris en compte ainsi que les effets climatiques comme le vent ou la pluie. Nous pourrions également utiliser les valeurs de la partie Conséquences sur l'Homme pour donner avec plus de précision les dégâts possibles sur l'être humain.

En ce qui concerne l'apport personnel de ce projet de physique, nous avons appris à établir des objectifs réalisables, puis à respecter un planning et un cahier des charges. Il fut notamment difficile de répartir les tâches de façon équitable et en fonction des spécialités de chacun et de ses préférences. Nonobstant ces difficultés, nous avons pu mener à bien notre projet dans les meilleures conditions.

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5. BIBLIOGRAPHIE

Livres :

André L.J. Laurent, “Sécurité des procédés chimiques : Connaissances de base et

méthodes d'analyse des risques ”, Lavoisier, 2011.

"TNO Green Book", 1992.

Rapport Scientifique :

Y. MOUILLEAU, J.F. LECHAUDEL, D. GASTON, B. FAUCHER, “ Guide des méthodes d’évaluation des effets d’une explosion de gaz àl’air libre”, INERIS, 166 pages, 1999.

Sites internet informatifs

Espace YH : http://espace.yh.free.fr/vecu2/index.html(valide à la date du 30/05/2013).

Patric Lagadec :

http://www.patricklagadec.net/fr/pdf/flixborough.pdf(valide à la date du 30/05/2013)

http://www.patricklagadec.net/fr/pdf/catastropheSanJuan.pdf(valide à la date du 30/05/2013).

Wikipédia :

http://en.wikipedia.org/wiki/San_Juanico_disaster (valide à la date du 30/05/2013).

http://old.previnfo.net/modules.php?ModPath=sujet&ModStart=wiki&op=histoaff&version=2&page=Uvce (valide à la date du 30/05/2013).

Sites internet institutionnels

Institut pour l’histoire et la mémoire des catastrophes :

http://memoiredescatastrophes.org/catastrophe(valide à la date du 30/05/2013).

ARIA :

http://www.aria.developpement-durable.gouv.fr (valide à la date du 30/05/2013)

http://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/Argus-des-accidents-Juillet-Aout-2002--880.html (valide à la date du 30/05/2013).

INERIS :

http://www.ineris.fr/centredoc/benchmark-gpl-web.pdf (valide à la date du 30/05/2013)

http://www.ineris.fr/centredoc/4.pdf (valide à la date du 30/05/2013).

FKG :http://www.fkgmaroc.com/donnee/uvce.pdf(valide à la date du 30/05/2013).

http://www.ggm.drire.gouv.fr/environnement/projetHC/ReglementationICPE/EDD/fiche3Uvce.pdf(valide à la date du 30/05/2013).

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6. CREDITS D’ILLUSTRATIONS

Photographie de couverture :

Figure 1 : Diagramme de répartition des tâches du projet.

Figure 2 : Photographie http://www.leblogducommunicant2-0.com/2010/08/20/risque-progres-la-confiance-sebreche-au-cours-du-20eme-siecle-812/explosion-feyzin-1/

Figure 3 : Photographie http://www.erris.org/accidents/majaccidents/flixborough.html

Figure 4 : Photographie http://cyrnoticias.com/vernota.php?/38216/Edo.-Mex./A-28-anos-de-la-explosion-en-San-Juanico

Figure 5 : Photographie http://www.virginmedia.com/digital/features/iconic-images-manmade-disasters.php?ssid=5

Figure 6 : Tableau issu du livre “ Sécurité des procédés chimiques : Connaissances de base et méthodes d'analyse des risques ”, Lavoisier, 2011.

Figure7 : Tableau http://blogperso.univrennes1.fr/arthur.charpentier/index.php/post/2009/10/ 20/...-et-d-où-sort-le-modèle-probit

Figure 8 : Graphique issu du livre "TNO Green Book", 1992.

Figure 9 : Graphiqueissu du livre "TNO Green Book", 1992.

Figure 10 : Graphiqueissu du livre "TNO Green Book", 1992.

Figure 11 : Tableauissu du livre "TNO Green Book", 1992.

Figure 12 : Tableau issu du livre “ Sécurité des procédés chimiques : Connaissances de base et méthodes d'analyse des risques ”, Lavoisier, 2011.

Figure 13 : Tableau

Figure 14 : Capture d’écran du logiciel Mapple

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7. ANNEXES

7.1. Phénomènes liées aux UVCE

7.1.1. BLEVE

En français, le terme de BLEVE (BoilingLiquidExpandingVapor Explosion) peut se traduire comme explosion due aux vapeurs en expansion d’un liquide en ébullition.

On se place initialement dans le cas d’un gaz liquéfié ou un liquide contenu dans un réservoir sous pression.

Le réchauffement (voire surchauffe) d'un liquide ou d'un gaz liquéfié en un réservoir clos (confiné) entraîne une diminution de la phase liquide et par conséquent une augmentation de la phase gazeuse.Cela engendre une élévation importante de la pression de la phase gazeuse dans le réservoir.Il se crée alors une brèche dans le réservoir. Les causes peuvent être diverses comme la fragilisation accidentelle ou le dépassement de résistance mécanique.

(Illustration : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bleve_reservoir.svg)

La pression de quelques dizaines de bar à l’origine revient très rapidement à la pression atmosphérique, ce qui ne

laisse pas le temps au liquide/gaz de refroidir. Le liquide surchauffé se retrouve donc dans les conditions normales de température et de pression de son ébullition qui se produit immédiatement avec une grande violence (elle représente toute l'énergie thermique accumulée) pour retrouver un équilibre thermodynamique. L’ébullition provoque un dégagement de très grandes quantités de vapeurs en quelques dixièmes de secondes rendant le réservoir inadapté à son nouveau contenu gazeux. Son volume occupé dépasse donc rapidement celui du réservoir et n’a pas le temps de sortir par la brèche.

Cela engendre une explosion dite « pneumatique » provoquant une onde de choc et une projection de missiles.

Remarque :

Si le gaz est inflammable, il peut former « une boule de feu ». Mais l’explosion ne s’accompagne pas nécessairement de flammes. Une boule de feu peut aussi provoquer un fort rayonnement thermique.

7.1.2. BOILOVER

Boilover est un mot anglais qui pourrait être traduit par "débordement par ébullition". Ce type d'accident survient pour certains liquides inflammables présentant une viscosité élevée.

Ce phénomène se produit lors d’un incendie d'un réservoir d'hydrocarbures liquides à forte viscosité en présence d'eau au fond du bac qui peut provenir de la pluie, d’extinction, ou d’une fuite de réchauffeur.

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Après plusieurs heures de combustion s'exerçant sur le liquide inflammable, il se crée une accumulation de fractions lourdes sous la surface enflammée. Ce qui peut être imagé par une "croûte" flottant sous la surface en feu, qui va s'épaissir au fil des heures.

Avec la consommation de combustible, le niveau s'abaisse dans le réservoir. Ce phénomène, conjugué au précédent, crée une onde de chaleur progressant vers le fond. Lorsque cette onde de chaleur atteint l'eau résiduaire, celle-ci se transforme quasi-instantanément en vapeur, multipliant ainsi son volume par 1 500 à 2000. La vapeur va agir tel un piston car elle ne peut traverser l’hydrocarbure trop visqueux. Il s'en suit un débordement très violent du liquide inflammable, avec un phénomène de boule de feu, pouvant durer plusieurs dizaines de secondes.

(1) eau au fond du bac

(2) vapeur crée suite au réchauffement provoqué par l’incendie

(3) hydrocarbure à forte viscosité

(4) feu provenant de l’incendie

(Illustration : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boilover03.svg)

Remarque : ce phénomène peut être représenté lorsqu’on verse de l’eau dans l’huile bouillante.

7.1.3. ROLLOVER

(Illustration :

http://www.airport-int.com/upload/image_files /articles/images/companies/800/ters13.jpg)

Le Rollover, également connu sous le nom de Flameover, est l’étape d'un feu où les gaz de combustion dans une chambre ou un autre espace clos s'enflamment.

Les gaz chauffés au feu, les gaz de pyrolyse (la chaleur de l'incendie décompose la matière organique : bois, papier, tissu, plastique en gaz inflammables; certains viennent alimenter la flamme, mais d'autres restent imbrûlés et s'accumulent dans la fumée), montent

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vers le plafond, c'est là qu’un phénomène de renversement est le plus souvent observé. Visuellement, cela peut être considéré comme des flammes qui "roulent" sur le plafond.

Le Rollover n'est pas le même phénomène que l'embrasement général, même si cela peut le précéder. Dans le cas de retournement, seuls les gaz présents dans la salle s’enflamment mais pas le contenu des chambres.

Dans le cas où le local est alimenté en air (par exemple par une porte ou une fenêtre ouverte), la couche de fumées, qui s'accumule au plafond, rentre en contact avec celui-ci. Il peut donc se produire une inflammation au contact fumées/air qui va très vite dégénérer en un embrasement éclair généralisé appelé Flashover.

7.1.4. FEU TORCHE

Dans l’environnement industriel, les feux torches appelés également « feux chalumeau » peuvent survenir suite à des fuites accidentelles de fluides inflammables mais aussi à des évacuations intentionnelles de sous-produits par l’intermédiaire de torchères. Le système de torchère est très couramment utilisé dans l’industrie pétrolière pour évacuer sans danger d’importantes quantités de vapeurs inflammables superflues.

Les torchères sont en général des feux torche bien contrôlés et qui représentent que peu de dangers pour l’environnement. En revanche, les feux torche qui sont le résultat de l’inflammation de fuites accidentelles de gaz ou de liquide peuvent être très dévastateurs en milieu industriel.

Le phénomène de feu torche a pour origine un rejet de fluides combustibles, généralement à l’état gazeux, qui peut s’enflammer spontanément si sa température est suffisamment élevée, en raison de points chauds, par démarrage d’un véhicule situé à proximité (étincelles) ou encore par action de la foudre.Les feux torche se produisent généralement sur des canalisations, mais une fissure ou une perforation sur un stockage ou encore une vanne de purge restée ouverte peuvent également être à l’origine d’un tel phénomène.

Les accidents répertoriés permettent d’identifier plusieurs causes d’occurrence d’un feu torche:

- la défaillance matérielle (corrosion de la conduite), contraintes mécaniques trop fortes et fissure de soudure

- par accident : travaux de maintenance et d’exploitation inhérents à la structure visée, ou travaux totalement indépendants comme la perforation d’une canalisation par des engins de terrassement

- les agressions naturelles comme la foudre frappant une canalisation enterrée.

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7.1.5. FEUX DE FLAQUE OU DE CUVETTE

La condition d’apparition d’un feu de nappe est la présence simultanée d'une nappe de liquide inflammable portée à une température supérieure à son point éclair et d'un point chaud (étincelle, flamme nue, métal incandescent,...).

La nappe de liquide inflammable résulte fréquemment d'une fuite, plus ou moins importante. Il est à noter que le point chaud en lui-même, s'il est maintenu suffisamment longtemps, peut initier l'incendie d'un liquide dont la température est inférieure au point éclair : le point chaud en lui-même peut porter localement le liquide à une température supérieure à son point éclair, démarrer l'incendie qui se généralise ensuite à toute la nappe.

(Illustration : http://pompiersdemehun.free.fr/photos%20de%20manoeuvre%20juin%202004.htm)

L'impact d'un feu de nappe dépend de la taille de la surface en feu, du produit qui se consume et de la durée de l'incendie. Le feu de nappe est un accident relativement fréquent mais présentant, s'il est correctement maîtrisé, des conséquences faibles sur l'homme. Par contre, si l'incendie se développe à proximité de stockages de matières combustibles, des effets dominos peuvent être observés et les conséquences peuvent être dramatiques (incendie plus violent, explosion...).

Les feux de flaque libre ou de cuvettes sont deux sortes de feu de nappe.

- les feux de cuvette de rétention : l’extension de la nappe est limitée par une cuvette de rétention dont le dimensionnement est imposé, notamment, par les exigences réglementaires applicables au stockage.

- les feux dits de flaque libre où l’absence de moyens physiques ne limite pas la propagation de la nappe. L’extension de la nappe est alors principalement fonction des caractéristiques du terrain, des conditions météorologiques et, bien entendu, des conditions de rejet du combustible.

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7.2. Plans de l'INSA

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7.3. Articles de presses scientifiques

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