De quoi s'agit-il

Les poudres, lorsqu'elles sont mises en suspension (nuage), peuvent présenter un risque d'explosion. C'est pourquoi les poudres sont couvertes par la directive ATEX et les risques analysés de manière similaire aux vapeurs explosives.

Les explosions de poudre peuvent être très destructrices. De nombreux exemples ont été enregistrés dans les industries de process. Les explosions de silos à farine, par exemple, peuvent être particulièrement puissantes. En principe, toute poudre qui peut être oxydée (= brûlée) peut présenter un risque ATEX dans certaines conditions. En raison de leur fréquence, des dommages qu'elles peuvent causer et du manque de sensibilisation au sein de l'industrie, l'Union européenne a mis en place la directive ATEX qui rend obligatoire pour les industries de définir les zones où une atmosphère explosive de poussière peut être présente et mettre en place les mesures nécessaires pour prévenir ou atténuer le risque.

Cette page est principalement basée sur le règlement ATEX européen, mais la plupart des principes expliqués peuvent être utilisés pour une Analyse des risques de poussière (DHA).

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1. Conditions d'explosivité

Triangle d'explosivité

Les conditions pouvant conduire à une explosion sont souvent représentées sous la forme d'un triangle. Chaque coin représente une des conditions. Pour qu'une explosion se produise, il est nécessaire d'avoir un combustible (la poudre), de l'oxygène et une source d'ignition.

Figure 1 : Triangle d'explosion

Pentagone d'explosion de poussière

Dans le cas de l'explosion de poudres, deux autres conditions doivent être remplies : la dispersion (pour avoir un nuage de poussière) et la confinement. C'est pourquoi les conditions d'explosion ATEX sont parfois représentées sous la forme d'un pentagone.

Figure 2 : Pentagone d'explosion de poussière

Si ces représentations graphiques aident à comprendre comment une explosion peut être créée, elles donnent également les clés pour éviter les accidents : si l'une des conditions ci-dessus n'est pas présente, l'explosion ne peut pas se produire. Tout le but de l'analyse ATEX sera alors de déterminer si ces cinq conditions peuvent être réunies en même temps et, si oui, de trouver des solutions pour en éliminer une (prévention). Dans certains cas, cela ne sera pas possible, l'explosion, si elle se produit, devra alors être gérée (atténuation) et la manière de le faire devra être détaillée dans l'analyse ATEX.

Sources de nuages de poussière

Les nuages de poudre peuvent avoir différentes origines. Ils peuvent être dus au processus (réception d'un transport pneumatique) dans l'équipement. Ils peuvent être dus à des fuites à l'extérieur de l'équipement. Ou ils peuvent être dus à des dépôts de poussière en suspension en raison d'une mauvaise tenue de l'installation.

Étant donné que les sources sont variées mais souvent liées à la maintenance de l'installation, des procédures strictes devront être mises en œuvre pour contrôler le risque ATEX.

2. Propriétés des explosions de poussière

Propriétés physiques utilisées pour décrire les explosions de poudre

Les sources d'ignition peuvent être de multiples natures. Ce qui est important, c'est l'énergie libérée. Si cette énergie est suffisante et qu'elle se produit en présence d'un nuage de poussière, une explosion peut se produire. L'énergie minimale qui doit être appliquée à un nuage de poudre est appelée Énergie d'ignition minimale (EIM) et est exprimée en mJ. Il est important de noter que l'EIM variera d'une poudre à l'autre.

Ce paramètre, ainsi que d'autres, est généralement déterminé par des instituts spécialisés qui effectueront des explosions contrôlées et mesureront le seuil d'énergie à partir duquel la poudre s'enflamme et explose.

Parmi les paramètres déterminés figurent le Kst et le Pmax des explosions, également dépendants de la poudre. Pmax sera la pression maximale à attendre de l'explosion et Kst représentera sa vitesse

La distribution granulométrique de la poudre est également un facteur important à connaître, en particulier pour les explosions dans les silos

Un résumé des propriétés de la poudre à connaître pour une étude ATEX est donné ci-dessous

Tableau 1 : Propriétés ATEX de la poudre

Propriété	Unité	Méthode de détermination	Utilisation dans l'étude ATEX
Pmax - Pression maximale d'explosion	bar	Tests d'explosion dans des cellules d'explosion instrumentées	Permettra de calculer les conséquences d'une explosion
dP/dt max - Taux maximal d'augmentation de la pression	bar/s	Tests d'explosion dans des cellules d'explosion instrumentées	Permettra de calculer les conséquences d'une explosion
Kst - Constante d'explosion	bar.m/s	(dP/dt)max.V0,33=Kst La valeur dP/dt dépend du volume de l'explosion, mais il a été constaté que Kst est indépendant du volume et ne dépend que de la poudre utilisée. Il est donc habituel d'utiliser Kst plutôt que dP/dt pour exprimer les propriétés d'explosion des poudres.	Kst est utilisé pour calculer la ventilation de sécurité - par exemple un panneau d'explosion - afin de limiter une explosion.

Propriétés physiques de la poudre liées à leur sensibilité à l'explosion de la poudre

Afin de réaliser une analyse ATEX correcte, et en particulier d'évaluer correctement les risques d'explosion, la détermination de certaines propriétés physiques de la poudre est nécessaire. Ces propriétés sont décrites dans le tableau suivant.

Tableau 2 : Propriétés de la poudre influençant les risques d'explosion

Propriété	Unité	Méthode de détermination	Utilisation dans l'étude ATEX
MIT (Température minimale d'inflammation)	degré c	Four Godbert-Greenwald	Deux températures d'inflammation sont déterminées : dans un nuage de poussière et dans une couche de 5 mm. La température de MIT dans le nuage de poussière sera liée à l'explosion de la poudre, tandis que la température de la couche sera liée au risque d'incendie. En substance, elle indique quelle est la température maximale qui peut être autorisée dans la zone où la poudre est présente - par exemple, elle aide à déterminer la classe de température des moteurs électriques.
MIE (Énergie minimale d'inflammation)	mJ	Tests d'inflammation du nuage de poussière à différentes énergies	Permet d'identifier le danger réel des sources d'inflammation. Elle montrera la sensibilité de la poudre à une source d'énergie ponctuelle telle qu'une étincelle d'origine électrique ou mécanique. La MIE est généralement considérée comme donnant une bonne représentativité de la sensibilité de la poudre au risque d'explosion. Les poudres ayant une MIE inférieure à 3 mJ sont considérées comme très dangereuses.
PSD (Répartition granulométrique)	Microns	Diffractomètres	Permet d'identifier les risques de stockage en silo (diamètre maximal autorisé)
Concentration maximale d'oxygène	Pourcentage	Tube vertical ou sphère de 20 l	Cette information est particulièrement intéressante pour concevoir un processus empêchant les risques d'explosion par inactivation. L'azote, par exemple, peut être introduit dans le système pour remplacer l'air. Pour les poudres organiques, la limite sera généralement d'environ 11 % d'oxygène restant. Pour les poudres métalliques, la limite est beaucoup plus basse. Des tests spécifiques doivent être effectués pour déterminer la valeur et une marge de sécurité d'au moins 2 % doit être prise en compte.

Outre ces paramètres clés utilisés directement dans l'analyse ATEX, l'ingénieur doit également être conscient de l'influence des propriétés suivantes sur la probabilité d'explosion.

Tableau 3 : Autres propriétés de la poudre d'intérêt dans les études ATEX

Propriété	Influence sur l'explosion
Granulométrie	En général, l'explosivité d'un nuage de poussière augmentera si les particules deviennent plus petites. En effet, la surface disponible pour la combustion augmentera si le solide est plus divisé. Au contraire, à partir de 200-500 microns, l'explosion ne sera plus possible. Il convient toutefois de noter que cette limite n'est généralement pas utilisée dans l'étude ATEX, car les fines présentes dans un produit ayant une PSD d'environ 500 microns peuvent être suffisantes pour déclencher une explosion dans certains cas.
Concentration d'explosion	Il existe une limite de concentration en dessous de laquelle l'explosion ne se produira pas. En regardant la littérature, cette valeur varie de 0,010 à 0,100 kg/m3. Elle dépend fortement du produit. D'un autre côté, il existe une limite de concentration maximale au-dessus de laquelle l'explosion ne peut pas se produire non plus. Elle varie de 1 à 10 kg/m3.
Humidité	L'humidité de la poudre est en général bonne pour réduire le risque d'explosion. Plus elle est humide, moins l'explosion est probable. Il pourrait être intéressant, lors de l'analyse ATEX, de connaître le niveau d'humidité de la poudre traitée. Une limite de 30 % peut être trouvée dans la littérature comme étant la limite au-dessus de laquelle l'explosion n'est pas probable.

3. Prévention et protection contre les explosions de poussière

La prévention des explosions consistera à ÉVITER l'explosion en prenant certaines mesures pour agir sur certains des paramètres permettant une explosion - voir le pentagone de l'explosion

Tableau 4 : Prévention des explosions

Mesure	Action
Maintien de la propreté	C'est la mesure la plus élémentaire, mais aussi la plus efficace : la poussière ne doit pas s'accumuler là où elle n'est pas censée être ! La poussière dans l'environnement de travail peut être remise en suspension et déclencher une explosion, par exemple. Très souvent, la première explosion n'est pas responsable ou des dommages les plus importants, mais c'est l'explosion secondaire causée par la poussière qui se trouvait dans le bâtiment, qui a été mise en suspension, et qui a ensuite explosé à une échelle beaucoup plus importante [PBE]. Toute fuite de poussière doit être nettoyée et la cause racine identifiée et corrigée.
Inertage	L'utilisation d'azote ou de dioxyde de carbone dans le processus permet de descendre en dessous de la concentration maximale d'oxygène pour déclencher une explosion. Pour ce faire, le gaz d'inertage doit être disponible, le processus doit être conçu pour contrôler la concentration d'oxygène et réguler l'inertage en conséquence, afin de rester toujours dans la zone sûre. L'opérateur de l'usine devra également évaluer les risques induits par l'inertage lui-même.
Suppression des sources d'inflammation	Le processus et son fonctionnement doivent être conçus pour éliminer les sources d'inflammation : Thermique : la mesure MIT doit être utilisée pour concevoir le processus de telle sorte que les sources de chaleur soient toujours inférieures à cette valeur. L'exploitation de l'usine ne doit pas autoriser d'intervention sur le processus si le processus n'a pas été correctement nettoyé et libéré par une procédure d'autorisation de travail. Mécanique : des étincelles peuvent être créées par un impact mécanique, la sensibilité de la poudre est directement liée à sa MIE. Afin de prévenir de telles étincelles, un plan de contrôle et d'entretien rigoureux doit être mis en place pour chaque équipement rotatif susceptible de créer de telles étincelles. Le processus doit être conçu de telle sorte que, si possible, la vitesse de pointe de la partie rotative soit inférieure à 1 m/s, une limite généralement admise pour l'acier inoxydable comme étant le seuil en dessous duquel les étincelles ne sont plus créées. Pour les équipements tournant plus rapidement, des moyens de détection que des pièces se touchent - vibration par exemple - doivent être mis en place. Enfin, les corps étrangers doivent être évités grâce à un tamisage approprié et à un contrôle métallique de chaque matériau entrant dans le processus. Électrique : également lié à la MIE de la poudre, même de petites étincelles d'électricité statique se déchargeant soudainement peuvent être dangereuses. En règle générale, le processus doit être mis à la terre, les parties isolées qui peuvent accumuler de l'électricité statique doivent être évitées, les personnes doivent porter des équipements de protection antistatiques, les silos doivent être conçus de telle sorte que leur diamètre soit suffisamment petit pour éviter les risques de décharge en cône. Tout équipement électrique doit également être certifié ATEX.

La protection contre les explosions consistera à GÉRER les CONSÉQUENCES d'une explosion

Tableau 5 : Atténuation des explosions

Mesure	Action
Résistance à l'explosion	S'il est considéré que, malgré les mesures de prévention, le risque d'explosion est encore trop élevé, l'installation peut être rendue résistante à l'explosion - 10 bar g est une valeur habituelle pour la plupart des poudres. L'équipement doit être certifié.
Ventilation d'explosion	L'utilisation de disques de rupture ou de panneaux d'explosion peut être utilisée pour libérer la pression de l'explosion. Leur conception est très importante et doit être laissée à une entreprise professionnelle, bien que certaines méthodes de raccourci existent. Le point de ventilation doit également être particulièrement étudié pour éviter tout risque dû à l'explosion ou aux flammes. Certains arresters de flammes existent sur le marché si la libération doit se faire dans un bâtiment.
Suppression d'explosion	Il est possible de détecter l'augmentation soudaine de pression caractéristique d'une explosion et de déclencher l'injection d'un extincteur. Un tel système, efficace, présente toutefois les inconvénients de demander un soin particulier du système de suppression pour s'assurer qu'il fonctionne lorsqu'il est nécessaire, il injectera également un produit dans le processus, qui devra être soigneusement nettoyé par la suite. Il devrait également être installé par une entreprise spécialisée.
Isolement du processus	Ces mesures doivent être couplées avec les points précédents. Certains équipements peuvent fondamentalement isoler la partie du processus soumise à une explosion. Les équipements typiques sont les suivants : Soupape à action rapide : souvent couplée à un système de suppression. C'est une soupape active qui est déclenchée par le PLC de sécurité lorsqu'une augmentation de pression est détectée Soupape Ventex : c'est une soupape passive qui se ferme essentiellement si la pression augmente Soupape en étoile : soupape en étoile avec un minimum de 8 alvéoles

4. Zonage ATEX

Un résultat d'une étude ATEX est de définir le zonage de l'installationLe zonage aidera à identifier les zones de l'installation soumises à un risque ATEX, et à citer le niveau de ce risque. Les différentes zones de risque ATEX sont définies ci-dessous

Tableau 6 : Définition du zonage ATEX

Zone ATEX	Définition
Zone 20	Emplacement où une atmosphère explosive est présente en permanence ou pendant de longues périodes ou fréquemment La poussière est présente en concentration explosive 1000 h ou plus / y (= conditions de processus normales)
Zone 21	Emplacement où une atmosphère explosive est susceptible d'être présente occasionnellement dans les conditions de travail normales La poussière est présente en concentration explosive de 10 h à 1000 h / y (= dans certaines conditions de processus)
Zone 22	Emplacement où une atmosphère explosive n'est pas susceptible d'être présente dans les conditions de travail normales ou, si elle est présente, elle ne l'est que pour une courte durée La poussière est présente en concentration explosive de 1 h à 10 h / y (= conditions de processus très rares ou conditions anormales - fuites)

La possibilité d'avoir un environnement ATEX doit être analysée au cas par cas, tout au long du processus. L'expérience du personnel effectuant l'étude ATEX est essentielle pour déterminer quand une atmosphère explosive peut se produire, et à quelle fréquence. La connaissance du processus est essentielle pour pouvoir identifier les endroits où les poudres sont traitées, quelle est leur nature... C'est pourquoi l'étude ATEX devrait être réalisée par une équipe multidisciplinaire rassemblant généralement des ingénieurs en procédés, des techniciens de production et des gestionnaires, un responsable de la sécurité, ainsi qu'un modérateur qui aidera à réaliser l'étude dans les temps et de manière structurée.

Le processus doit être étudié en examinant deux types d'événements : la poudre est traitée à l'intérieur des équipements, comme elle devrait l'être, ou une perte de confinement se produit. Lorsque la poudre est à l'intérieur du processus, le périmètre de la zone ATEX est généralement bien défini, mais il peut être difficile de déterminer à quelle fréquence la zone ATEX se produit. Il est plus difficile d'évaluer où, à l'extérieur de l'équipement, une zone ATEX peut se produire, et à quelle fréquence. Le processus doit alors être étudié en détail, en sélectionnant les endroits où des fuites pourraient se produire. L'étendue du nuage de poussière formé doit ensuite être évaluée.

Quelles sont les conséquences du zonage sur le processus ?

Une fois l'étude ATEX terminée, l'usine doit s'assurer que tous les équipements qui peuvent se trouver dans la zone ATEX sont compatibles avec la cote définie. Cela concerne les équipements de processus en contact avec le produit dans les opérations normales (mélangeurs...) mais également tout l'équipement à l'extérieur qui peut se trouver dans une zone ATEX (moteurs, commutateurs électriques...)

Si certains équipements ne sont pas compatibles, des procédures spécifiques et/ou une mise à niveau de l'équipement doivent être mises en place. Si le risque est élevé, cela peut conduire à la mise en place de mesures d'atténuation (disques d'explosion, systèmes de suppression d'explosion...)

5. Étude ATEX : Éléments clés pour une évaluation des risques ATEX

ÉTAPE 1 - Collecter des données physiques sur les poudres traitées

Les paramètres suivants doivent être connus pour réaliser une bonne analyse ATEX :
- MIE
- PSD (d50 ou d90)
- Caractéristiques d'explosion (Kst et Pmax)

ÉTAPE 2 - Définir le zonage de la zone de production

Selon la fréquence à laquelle un nuage de poussière peut se former, définir la classification de la zone. Pour les zones à l'extérieur du processus, définir quelle taille prendre en compte

ÉTAPE 3 - Évaluer le risque de présence d'une source d'inflammation

Avoir une zone 20 ne signifie pas nécessairement que le risque est élevé. Pour déterminer s'il existe un risque élevé de présence d'une source d'inflammation, des calculs supplémentaires peuvent être nécessaires. Certains des risques d'inflammation typiques et les calculs associés sont présentés dans l'outil ci-dessous.

OUTIL

Risque d'étincelle mécanique

Il est généralement admis que l'énergie dissipée par un contact métal / métal à une vitesse inférieure à 1 m/s n'est pas suffisante pour créer une étincelle pouvant provoquer une explosion. Il est important de noter que cette affirmation peut être révisée si les métaux en contact ne sont pas des matériaux courants tels que l'acier au carbone ou l'acier inoxydable. Pour vérifier si un élément en rotation présente un risque, il est donc nécessaire de calculer la vitesse de pointe de la pièce en mouvement. Cette vitesse de pointe peut être calculée de la manière suivante :

Équation 1 : vitesse de pointe

Avec D le diamètre de l'équipement en rotation en m
n la vitesse de rotation en tr/min

Risque de décharge en cône

Une décharge en cône peut se produire dans des récipients contenant des poudres, en particulier dans les silos. Il s'agit d'une décharge entre un tas chargé de poudre non conductrice et la paroi d'un récipient. Une situation dangereuse peut se produire si :

La résistivité de la poudre (en vrac) est > 10¹⁰ ohm

d > 0,612*MIE^0,297*M^-0,435
Avec d=diamètre du récipient en m
MIE l'Énergie Minimale d'Inflammation en mJ
M la valeur médiane de la granulométrie du solide en mm

Risque de décharge par brossage

Il arrive que, dans le processus, un matériau non conducteur soit soumis à une action susceptible de lui faire accumuler des charges électriques (par exemple le transport pneumatique de particules). Si cet élément est suffisamment chargé, une décharge électrique peut se produire.

Il est nécessaire pour de tels éléments de vérifier leur taille et de s'assurer qu'elle ne dépasse pas 500 cm2. Le risque est toutefois présent pour des poudres très sensibles ayant une Énergie Minimale d'Inflammation très faible < 1 mJ

ÉTAPE 4 - Évaluer le risque, définir des mesures

La dernière étape consiste à évaluer le risque. Le risque est défini comme une combinaison de la présence d'un nuage de poussière (= zonage) et de la présence d'une source d'inflammation.

Si le risque est élevé (par exemple, il y a une zone 20 dans laquelle un équipement tourne très rapidement avec un risque de contact métal / métal), des mesures devront être prises pour réduire la fréquence d'apparition de la source d'inflammation (ou du nuage de poussière), ou pour atténuer les conséquences d'une explosion (disque de rupture, système de suppression...)

Pour faciliter l'analyse et la classification des risques, les scénarios sont généralement présentés dans un tableau indiquant la zone et la probabilité de présence d'une source d'inflammation. Cette probabilité dépend de la réglementation et / ou de l'entreprise et est généralement exprimée en probabilité d'occurrence de l'événement sur 1 an, 2 ans, 10 ans... Ensuite, une matrice est créée et les scénarios dans les zones "orange" et "rouge" nécessitent une attention et des actions immédiates pour réduire le risque.

Figure 2 : exemple de matrice d'évaluation des risques ATEX

ÉTAPE 5 - Rapport

Toutes les conclusions doivent être documentées, puis mises en œuvre par la production (remplacement d'équipements, installation de mesures d'atténuation, procédures spécifiques pour les opérateurs...)

Sources

Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al., John Wiley and Sons, 1990
Sécurité des Procédés Chimiques, André Laurent, Lavoisier Tec et Doc, 2003
[PBE] Dust Collection system explosion hazards and protection, Brian Matthews, PBE, octobre 2017