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Risques électrostatiques des poudres en vrac (explosions de poussières)

Risques électrostatiques à considérer dans l'analyse des dangers de poussières (DHA, ATEX, DSEAR)

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Décharges par étincelles
3. Décharges en brosse, décharges couronnes et décharges en brosse propagées
4. Décharge conique
5. Foudre

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1. Introduction

Les décharges électrostatiques sont responsables d'une grande partie des explosions de nuages de poudre observées dans l'industrie. Selon les sources et les pays, l'électricité statique représente en effet 10 % à 25 % des causes dans certains secteurs industriels (comme les plastiques) [Glor] [Van Laar].

Comprendre les risques liés à l'électricité statique dans les industries de manutention des solides en vrac est donc essentiel pour garantir la sécurité des procédés et des personnes.

Cette page passe en revue les différents mécanismes conduisant à des décharges électrostatiques potentiellement dangereuses, qui doivent être prises en comptedans les analyses de risques (DHA, ATEX, DSEAR).

Le tableau suivant résume ces différents phénomènes et les énergies mises en jeu :

Tableau 1 : Décharges électrostatiques impliquées dans les explosions de poussières [Van Laar] [Glor]

2. Décharges par étincelles

Les étincelles, produites entre deux matériaux conducteurs à des potentiels différents, constituent l'un des risques électrostatiques les plus courants et les plus dangereux pour les industries traitant les poudres.

Dans un environnement industriel, si une pièce d'équipement isolée, par exemple un tube métallique, se charge électriquement, il existe un risque de décharge par étincelle si elle s'approche d'une autre pièce métallique, ou simplement d'un opérateur, chargé différemment. La différence de potentiel provoque alors un courant générant une étincelle.

Pour cette raison, dans les usines manipulant des solides en vrac, il est OBLIGATOIRE que TOUTES les parties du procédé soient mises à la terre.Cela est assuré grâce à des câbles de mise à la terre reliant les pièces entre elles, l'ensemble du système étant finalement connecté à la terre. Un opérateur de procédé doit mesurer la résistivité entre chaque partie du procédé et confirmer qu'elle est faible, typiquement inférieure à 10 ohms.

[Glor] donne différents exemples de situations pouvant conduire à des étincelles électrostatiques :

• Pièce métallique / tuyau isolé par un flexible
• Pièce métallique isolée par des joints
• Partie d'une vanne isolée par le joint
• Fût métallique sur un chariot avec des roues non conductrices
• Instrument tenu par un opérateur portant des gants non conducteurs
• Personnes isolées en raison de chaussures ou d'un sol / plateforme non conducteurs

L'énergie pouvant être générée par une étincelle provenant d'un conducteur isolé peut être calculée grâce à :

W = 0,5 * C * U²

Équation 1 : estimation de l'énergie d'une étincelle provenant d'un élément conducteur isolé

Avec :

W = énergie de l'étincelle en mJ
C = capacitance de l'élément conducteur isolé en pF
U = différence de potentiel en kV

[Laurent] fournit un tableau permettant d'avoir une idée des ordres de grandeur impliqués.

Tableau 2 : Énergie pouvant être stockée dans certains conducteurs isolés [Laurent]

Avec les valeurs pour les wagons-citernes et les camions-silos, le lecteur peut réaliser l'importance de relier à la terre ces équipements lors du remplissage et de la vidange !

3. Décharges en aigrette, décharges en aigrette propagantes et décharges couronnes

3.1 Décharges en aigrette

(Décharge en aigrette)

Les décharges en aigrette se produisent lorsqu’un matériau isolé se charge électriquement, par exemple un tuyau souple de descente. Le mouvement de la poudre charge le matériau, mais comme celui-ci n’est pas conducteur, les charges ne peuvent pas s’évacuer et s’accumulent. Si un matériau conducteur relié à la terre est approché de la partie chargée, une décharge en aigrette peut se produire, le matériau conducteur jouant alors le rôle d’électrode.

L’énergie impliquée est, selon les données de la littérature [Glor], très limitée, de l’ordre de 1 à 3,6 mJ, et dans des conditions normales, elle n’est généralement pas suffisante pour initier une explosion de poussière si le nuage est simplement en suspension dans l’air. Cependant, cette énergie est suffisante pour enflammer un nuage de poussière si un gaz inflammable est présent, ce qui modifie considérablement l’EMI du mélange. Les décharges en aigrette doivent donc être systématiquement prises en compte dans l’analyse des risques d’explosion de poussière.

Quelques exemples d’activités pouvant entraîner des décharges en aigrette sont donnés ci-dessous :

• Approcher un sac en plastique récemment déchargé d’une pièce métallique
• Approcher un doigt près d’une partie isolée chargée, comme un tuyau souple de descente en plastique
• Prélèvement d’un échantillon de poudre en cours de chargement dans un silo avec un outil conducteur et relié à la terre
• Présence d’accessoires internes dans un nuage de poussière chargé, pouvant jouer le rôle d’électrodes

3.2 Décharge en aigrette propagante

(Décharge en aigrette propagante)

Les décharges en aigrette propagantes se produisent lorsqu’une couche de matériau non conducteur est chargée avec des polarités opposées sur ses deux faces. Lorsqu’un court-circuit se produit entre les deux couches fortement chargées, une décharge en aigrette propagante peut être déclenchée, entraînant une libération d’énergie très élevée.

Quelques exemples de matériaux pouvant être chargés différemment sur les deux faces d’une feuille non conductrice sont donnés ci-dessous :

• Tuyau isolé dans les lignes de transport pneumatique
• Tuyau conducteur avec un revêtement interne isolant, typiquement dans les lignes de transport pneumatique
• Voyant en verre dans les lignes de transfert pneumatique
• Mouvement à haute vitesse / impact de poudre, par exemple dans un tuyau de descente, sur une surface isolée (tuyau isolé ou revêtu)
• Remplissage de Big Bags ou de récipients avec des couches isolantes

Afin d’éviter les décharges en aigrette propagantes, seuls des matériaux conducteurs et reliés à la terre doivent être utilisés, ou, lorsqu’un matériau non conducteur doit être utilisé (connexion flexible, Big Bag), la tension de claquage de la couche de matériau doit être inférieure à 4 kV, ce qui empêche les décharges en aigrette propagantes de se produire [Glor].

Ces décharges peuvent également être appelées décharges de Lichtenberg [Laurent].

3.3 Décharges couronnes

Les décharges couronnes présentent certaines similitudes avec les décharges en aigrette, mais génèrent des niveaux d’énergie beaucoup plus faibles, typiquement 0,2 mJ. Elles ne sont normalement pas dangereuses pour un nuage de poussière pure, mais tout opérateur réalisant une analyse de risques doit vérifier qu’il n’existe aucune circonstance dans le procédé, comme la présence d’un gaz hautement inflammable mélangé aux solides en vrac, qui pourrait modifier significativement l’EMI et rendre effectivement les décharges couronnes dangereuses.

4. Décharge conique

(Décharge de Maurer)

Les décharges coniques constituent un risque très important dans la manipulation des solides en vrac, bien qu’elles soient souvent négligées ou mal comprises. Ce type de décharge est initié lorsqu’un solide en vrac peu conducteur est stocké dans une trémie après une opération pouvant le charger, comme un transport pneumatique ou une descente par gravité sur une longue distance.

Comme le matériau présente une résistivité élevée, il peut accumuler des charges lors du remplissage jusqu’à ce que la différence de potentiel avec le récipient soit suffisamment élevée pour déclencher une décharge conique. Le risque est d’autant plus important que le diamètre de la trémie / silo / conteneur souple est plus grand et que le diamètre des particules du solide en vrac est plus grossier.

[Glor] propose une corrélation pour estimer l’énergie libérée lors d’une décharge conique :

W_Ae = 5,22 * D^3,36 * d^1,462

Équation 2 : estimation de l’énergie d’une décharge conique

Cette corrélation est valable pour : 0,5 m < D < 3 m et 0,1 mm < d < 3 mm

Avec :

W_Ae = énergie équivalente de la décharge conique en mJ
D = diamètre du silo conducteur et relié à la terre en m
d = diamètre médian des particules en mm

Selon les rapports de la littérature, les décharges coniques sont susceptibles de se produire pour les poudres présentant une résistivité > 10¹⁰ Ω.m. À noter que le risque est particulièrement significatif avec les granulés de polymères, qui ont une très mauvaise conductivité.

Il est très important de calculer l’énergie attendue d’une décharge conique pour les récipients remplis après une opération pouvant générer des charges élevées dans la poudre (typiquement un transport à haute vitesse, comme le transport pneumatique) et, si elle est supérieure à l’EMI, de revoir la conception en envisageant des mesures de protection contre les explosions.

5. Foudre

Lorsqu’une poudre fortement chargée est en suspension dans l’air, il pourrait en principe être possible qu’un éclair se produise, comme cela arrive dans la nature. Cependant, des tests ont montré que ce risque n’est pas probable pour les silos de moins de 60 m^³ et de moins de 3 m de diamètre. Pour les silos plus grands, le risque doit au moins être mentionné dans l’analyse des risques, bien qu’à ce jour, il semble que ce risque ne soit pas non plus probable pour les récipients de plus grande capacité [Glor].

À noter que la foudre provenant de l’environnement extérieur lors d’un orage est un risque à prendre en compte, en particulier pour les silos extérieurs.

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Sources
# [Glor] Risque d’inflammation dû à l’électricité statique dans les procédés particulaires, Martin Glor, *Powder Technology*, 135-136, 2003
[Van Laar] Ir. Van Laar. *L’électricité statique comme danger dans l’industrie*. *Journal de Physique III*, EDP Sciences, 1991, 1 (8), pp. 1377-1387.
# [Laurent] *Sécurité des procédés chimiques*, André Laurent, Tec & Doc, 2003, page 332