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ATEX - Un exemple d'évaluation des risques d'explosion de poussières

Exemple d'évaluation des risques ATEX d'un procédé industriel de manipulation de poudres

Question ou remarque ? Merci de nous contacter à admin@powderprocess.net

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Résumé de la section
1. Analyse des risques ATEX
2. Un exemple d’évaluation des risques de poussières ATEX
2.1 Identification des dangers : propriétés des matériaux
2.2 Zonage
2.3 Sources d’inflammation
2.4 Classement des dangers
2.5 Gestion des risques

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1. Analyse des risques ATEX

Une évaluation des risques ATEX est obligatoire en Europe, et dans de nombreuses autres régions du monde. Cette page vise à fournir un exemple d’analyse des risques ATEX pouvant être utile aux exploitants d’usines devant réaliser leur propre évaluation. Dans cet exemple, une ligne de transport pneumatique pour des farines est étudiée.

Les directives européennes ATEX 94/9/CE et 1999/92/CE, révisées en 2014, ont introduit la notion de zonage afin d’identifier et de classer les zones au sein d’une usine présentant un risque de présence de nuage de poussière dans des conditions explosives.

L’exploitant de l’usine doit réaliser une analyse des risques d’explosion de poussières, souvent appelée étude ATEX, afin de classer les zones selon la probabilité de présence d’un nuage de poussière (zonage) et de définir la probabilité d’avoir une source d’inflammation dans cette zone. Le produit de la probabilité d’avoir un nuage de poussière et de la probabilité de l’enflammer donne une cotation de risque pouvant conduire à des actions immédiates pour le réduire.

2. Un exemple d’évaluation des risques de poussières ATEX

Pour cet exemple, considérons une boulangerie industrielle disposant d’un petit procédé de production de biscuits. La première étape de ce procédé consiste à décharger des sacs de farine dans le processus et à transporter la farine de blé vers un silo, d’où elle sera dosée vers le reste du procédé. Une analyse complète, au-delà du silo, doit bien sûr être réalisée par l’exploitant de l’usine, mais pour cet exemple, nous nous arrêterons à cette première partie du procédé, que l’on peut également appeler nœud : basculement du matériau, transport et stockage.

Pour rappel, une analyse des risques liés aux poussières est réalisée selon les étapes suivantes. Ces étapes seront suivies pour étudier l’exemple donné.

Des explications générales sur les explosions de poussières et l’analyse des risques ATEX sont fournies sur la page, en complément des éléments liés à l’exemple. Pour une meilleure compréhension, les éléments concrets de l’exemple sont encadrés.

L’analyse des risques de l’exemple est présentée dans des encadrés comme celui-ci

Attention : l’analyse ci-dessous n’est qu’un exemple pour illustrer une méthode ; elle peut ne pas être exhaustive et ne peut être utilisée telle quelle pour un cas donné. Les lecteurs doivent réaliser leur propre étude adaptée aux particularités de leur procédé.

2.1 Identification des dangers : propriétés des matériaux

Quels sont les matériaux combustibles ou explosifs, et où se trouvent-ils ?

La première étape de l’évaluation des risques consiste à déterminer s’il existe des poussières combustibles dans le procédé, et quelles sont leurs propriétés.

Dans ce cas, oui, la farine est combustible ; il faut donc rechercher ses propriétés d’explosivité. La farine de blé étant assez courante, il est possible de trouver dans la littérature les caractéristiques explosives de ce matériau.

Notons cependant que si le matériau est mal connu ou présente des caractéristiques spécifiques (très fin...), il sera nécessaire de réaliser des tests avec des instituts spécialisés afin de déterminer les données d’explosion.

Pour la farine de blé 405 utilisée dans le procédé de l’entreprise, les valeurs suivantes sont trouvées dans la littérature [IFA] Pour un diamètre de particule < 63 microns (valeur médiane = 30 microns) Énergie Minimale d’Inflammation (EMI) = > 30 mJ Température Minimale d’Inflammation (TMI) nuage = 400 °C Température Minimale d’Inflammation (TMI) couche = 450 °C Concentration Minimale Explosive (CME) = 60 g/m³ Pression Maximale d’Explosion (Pmax) = 8 bar Vitesse Maximale de Montée en Pression (Kst) = 125 Classe d’explosion : St1 Résistivité : ~10^10 ohm.m [George]

Ces données constituent l’ensemble minimal requis pour réaliser une évaluation des risques ATEX. Dans certains cas, des données supplémentaires peuvent être nécessaires. Une base de données, financée par l’Union Européenne, est disponible en ligne avec plus de 7000 substances répertoriées sur https://www.dguv.de/ifa/gestis/index-2.jsp. En utilisant cette base, on se rend compte que de nombreuses données peuvent être disponibles pour une seule substance ; l’utilisateur doit donc être très attentif aux conditions dans lesquelles les données ont été obtenues afin de sélectionner celles les plus proches de son application (la granulométrie est très importante, tout comme l’humidité).

Si d’autres matériaux étaient traités sur la même ligne, le même type de données devrait être recherché et tabulé pour l’analyse.

En plus des caractéristiques des matériaux, la documentation technique de l’usine doit être collectée et mise à jour. Les schémas de procédé, les plans d’implantation et les caractéristiques des équipements sont requis. Dans cet exemple, le schéma de procédé ci-dessous est considéré.

La première étape de l’analyse des risques ATEX consiste à cartographier le procédé de production afin d’identifier les zones potentielles de risques liés aux incendies et/ou explosions de poussières, ainsi que la fréquence de présence de poudre en suspension dans l’air, ce qui permettra de déterminer le classement de zonage de la zone. Il est donc conseillé de réaliser l’évaluation des risques avec une équipe pluridisciplinaire connaissant bien l’environnement de travail et pouvant fournir une documentation pertinente (schémas PID, fiches techniques et plans des équipements...) et qui doit inclure une personne experte dans les risques liés aux poussières combustibles.

L’équipe réalisant l’analyse des risques d’explosion de poussières doit commencer par rassembler les données d’explosion (EMI, TMI, Kst, Pmax...) sur les poussières manipulées dans l’usine, puis lister les zones où les poussières combustibles sont présentes.

2.2 Zonage

Où la poussière est-elle présente ?

Une fois les données de combustibilité collectées, ainsi que les données du procédé, il est nécessaire de les combiner pour vérifier s’il existe effectivement un risque, ce qui revient à répondre aux questions suivantes pour chaque équipement :

• Y a-t-il une poussière combustible dans la zone ?
• La poussière peut-elle être présente sous forme de nuage de poussière au-delà de la Concentration Minimale Explosive ? Ou la poussière peut-elle s’accumuler en couches
• Y a-t-il un comburant (typiquement de l’oxygène) ?
• À quelle fréquence la poudre est-elle présente sous forme de nuage en concentration explosive ?

La zone du procédé sera classée selon 3 zones :

• Zone 20
• Une zone ATEX 20 est un emplacement où une atmosphère explosive est présente en permanence, pendant de longues périodes ou fréquemment.
  Ordre de grandeur : une poussière en concentration explosive est présente 1000 h ou plus par an (= conditions normales de procédé).
• Zone 21
• Une zone ATEX 21 est un emplacement où une atmosphère explosive est susceptible d’être présente occasionnellement dans des conditions normales de travail.
  Ordre de grandeur : une poussière en concentration explosive est présente entre 10 h et 1000 h par an (= dans certaines conditions de procédé).
• Zone 22
• Une zone ATEX 22 est un emplacement où une atmosphère explosive n’est pas susceptible d’être présente dans des conditions normales de travail ou, si elle est présente, ce n’est que pour une courte durée.
  Ordre de grandeur : Des poussières en concentration explosive sont présentes de 1 h à 10 h / an (= conditions de procédé très rares ou anormales - fuites)

Pour réaliser cette partie de l'analyse, il est nécessaire de progresser étape par étape dans le procédé, en considérant généralement les différents équipements. Dans cet exemple, nous commençons par la station de basculement, et posons la question de la présence de poussières dans cette zone :

ID	Zone	Remarque	Classement de zone
A1	À l'intérieur de la station de basculement	Nuage de poussière de manière régulière à chaque basculement	21
A2	À l'extérieur de la station de basculement (1 m autour du point de basculement)	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème d'aspiration ou de déversement	22
A3	Dans le filtre de la station, côté produit	Nuage de poussière de manière régulière à chaque basculement	21
A4	Sur le côté propre du filtre	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème sur le filtre (fuite)	22
A5	Dans le ventilateur d'extraction de la station	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème sur le filtre (fuite)	22
A6	À la sortie du ventilateur d'extraction des poussières (1 m autour de la sortie du ventilateur)	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème sur le filtre (fuite)	22
B1	Dans le sas à rotor (vanne rotative)	Nuage de poussière fréquemment lors de la chute de poudre depuis la vanne à étoile	20
B2	À l'extérieur du sas à rotor (1 m autour du sas)	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème au niveau de la bride entre la station et la vanne (fuite)	22
C1	Dans la ligne de transport pneumatique	Nuage de poussière fréquemment	20
C2	Au niveau des raccords de la ligne de transport pneumatique (1 m autour de chaque raccord)	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème sur les raccords (fuite)	22
D1	Dans le récepteur	Nuage de poussière fréquemment lors de la séparation du produit transporté de l'air de convoyage	20
D2	Sur le côté propre du filtre	Nuage de poussière de manière exceptionnelle en cas de problème sur le filtre (fuite)	22

Une fois le zonage déterminé, la probabilité d'avoir une source d'inflammation dans cette zone doit être étudiée.

Notez que la zone à risque potentiel en dehors de l'équipement peut être limitée à la zone (généralement 1-2 m) autour de l'émission potentielle de poussière, et jusqu'au sol.

2.3 Sources d'inflammation

Y a-t-il des sources d'inflammation ?

Maintenant que les zones où les poussières peuvent être présentes ont été identifiées et que le zonage a été déterminé, il est nécessaire de vérifier s'il existe une source d'inflammation dans la zone susceptible de provoquer une explosion. Les sources d'inflammation suivantes doivent être prises en compte :

• Électricité statique
• Accumulation d'électricité statique pouvant se décharger soudainement
• Électrique
• Étincelles provenant d'appareils électriques
• Mécanique
• Typiquement des contacts métal/métal
• Source de chaleur
• Provenant de travaux (activités de soudage, etc.)
• Provenant d'équipements (moteur à haute température, palier chaud, etc.)

Électricité statique

Différentes sources de décharge électrostatique existent dans un procédé de manipulation de poudres : Étincelles : deux matériaux conducteurs sont chargés à deux potentiels différents jusqu'à ce qu'une décharge se produise entre les matériaux et crée une étincelle. Selon la taille des pièces, l'énergie impliquée peut être >50 mJ, suffisante pour déclencher une explosion pour la farine de blé considérée dans cette analyse de risque. Tous les équipements considérés dans l'analyse peuvent être la source de telles décharges Décharge en brosse : les décharges en brosse ont généralement une énergie <5 mJ, elles ne peuvent donc pas être dangereuses pour la farine de blé manipulée Décharge en brosse propagative : ces décharges se produisent lorsqu'une couche de matériau non conducteur est chargée avec des polarités opposées sur ses deux faces. La décharge résultante peut atteindre des énergies >500 mJ, les rendant très dangereuses du point de vue du risque d'explosion de poussière. Elles se produisent lorsqu'un matériau isolant est en contact avec une poudre circulant rapidement, par exemple dans une ligne de transport pneumatique. Décharge couronne : l'énergie est généralement très faible <1 mJ et ne devrait donc pas poser de problème pour la farine de blé manipulée Décharge conique : ces décharges se produisent dans les trémies / silos où des solides en vrac sont stockés tout en étant chargés, par exemple après une étape de transport pneumatique. L'énergie accumulée peut se décharger soudainement. Il est possible de calculer le diamètre critique à partir duquel un risque peut exister.

Zone	Étincelles	Décharge en brosse	Décharge en brosse propagative	Décharge couronne	Décharge conique
À l'intérieur de la station de basculement	Oui	Non	Non	Non	Non
À l'extérieur de la station de basculement (1 m autour du point de basculement)	Oui	Non	Non	Non	Non
Dans le filtre de la station, côté produit	Oui	Non	Non	Non	Non
Du côté propre du filtre	Oui	Non	Non	Non	Non
Dans le ventilateur d'extraction de la station	Oui	Non	Non	Non	Non
À la sortie du ventilateur d'extraction de poussière (1 m autour de la sortie du ventilateur)	Oui	Non	Non	Non	Non
Dans le sas rotatif	Oui	Non	Non	Non	Non
À l'extérieur du sas rotatif (1 m autour du sas)	Oui	Non	Non	Non	Non
Dans la ligne de transport pneumatique	Oui	Non	Oui	Non	Non
Au niveau du raccord de la ligne de transport pneumatique (1 m autour de chaque raccord)	Oui	Non	Non	Non	Non
Dans le récepteur	Oui	Non	Non	Non	Oui
Du côté propre du filtre	Oui	Non	Non	Non	Non

D'après cette première analyse, le risque d'étincelles entre deux matériaux conducteurs isolés est présent pour tous les équipements. Ainsi, toutes les parties métalliques en contact avec un nuage de poussière, ou qui pourraient l'être (dans les zones identifiées à l'extérieur des équipements par exemple), doivent être mises à la terre.Dans cet exemple, où une évaluation des risques est réalisée sur une installation existante, les ingénieurs doivent inspecter le procédé, recenser les parties potentiellement non mises à la terre et établir un plan d'action pour les corriger. Si le procédé était en phase de conception, les ingénieurs responsables de la conception devraient prévoir des points de mise à la terre pour tous les équipements.

Notez que certains équipements nécessitent une attention particulière, comme les filtres de la station de déchargement et de la trémie/silo. Les cages de filtre doivent être connectées électriquement au support de filtre et ce dernier doit être mis à la terre. De nombreux accidents se sont produits en raison d'une mise à la terre défectueuse des éléments d'un filtre.

L'équipe réalisant l'évaluation des risques d'explosion de poussière dans le système de transport pneumatique effectue une visite de la ligne et constate que plusieurs points de mise à la terre manquent au niveau de la station de déchargement et qu'une fuite de poussière semble s'être produite autour de celle-ci, sur le sol et sur le sas rotatif situé en dessous.

Le prochain risque électrostatique mis en évidence par l'analyse est le risque de décharge en brosse propagée dans le tuyau de transport pneumatique. Dans notre exemple, le tuyau est entièrement en acier ; il n'y a pas de partie en matériau isolant, comme un flexible, susceptible de provoquer ce type de décharge. Cependant, pour d'autres systèmes nécessitant des flexibles, ceux-ci doivent être conçus pour éviter l'accumulation de charges, en particulier si le flexible possède une spirale conductrice, qui DOIT être mise à la terre.

Le dernier risque potentiel est la décharge conique dans la trémie de réception. Dans notre exemple, le diamètre du récepteur n'est que de 1 m, ce qui est très faible, rendant ainsi très improbable une telle décharge conique, d'autant plus que l'Énergie Minimale d'Inflammation (EMI) de la farine de blé considérée est assez élevée. Cependant, pour d'autres applications avec des produits ou des tailles de particules différents, une formule est disponible pour calculer l'énergie de décharge conique attendue en fonction du diamètre de la trémie.

Électrique

Les composants électriques pouvant être en contact avec un nuage de poussière, à l'intérieur ou à l'extérieur (dans les zones où un nuage de poussière peut être présent), doivent être conçus pour fonctionner dans cet environnement. Les normes déterminent en effet la classe des équipements électriques.

Dans cet exemple pour une installation existante, l'exploitant de l'usine doit vérifier le marquage réel des composants électriques dans les zones où un nuage de poussière peut être présent. Si ceux-ci ne sont pas conformes, des actions doivent être entreprises. Dans le cas d'un projet de conception, la classe adéquate d'équipements doit être fournie.

L'équipe réalisant l'évaluation des risques d'explosion de poussière dans le système de transport pneumatique effectue une visite de la ligne et vérifie les équipements électriques dans les zones où la poussière est présente. Elle constate que le sas rotatif est un ancien modèle dont le moteur ne présente aucune marque de certification pour les atmosphères explosives de poussière, affichant seulement IP54.

Mécanique

Certains problèmes mécaniques peuvent générer des étincelles ou une chaleur suffisante pour déclencher une explosion. Il est nécessaire de lister et de vérifier, en particulier, les pièces rotatives pouvant entrer en contact avec un nuage de poussière. Dans cet exemple, deux équipements rotatifs sont présents : le sas rotatif situé sous la station de déchargement et évacuant la farine vers la ligne de transport pneumatique, ainsi que le surpresseur Roots fournissant l'air pour le transport.

Un sas rotatif peut tomber en panne, entraînant un contact métal-métal entre le rotor et le stator. Une règle empirique, pour l'acier, indique que des étincelles seront générées si le contact métal-métal se produit à une vitesse > 1 m/s. Dans cet exemple, l'exploitant de l'usine doit donc calculer la vitesse périphérique maximale du rotor du sas rotatif ; si elle est inférieure à 1 m/s, le risque est faible.

Le sas rotatif étudié dans cet exemple a un diamètre de 200 mm et tourne à 40 tr/min, ce qui donne une vitesse périphérique de 0,42 m/s, ce qui est acceptable.

En phase de conception, le diamètre du sas rotatif doit être sélectionné de manière à atteindre la capacité souhaitée tout en maintenant la vitesse périphérique du rotor < 1 m/s.

Les rotors du surpresseur Roots tournent très rapidement, généralement à 3000 tr/min. Ainsi, tout désalignement pourrait provoquer un contact métal-métal et générer des étincelles envoyées dans la ligne de transport. L'expérience montre que ces étincelles s'éteignent souvent dans le tuyau entre le surpresseur et l'entrée du produit, mais pour éliminer ce risque, un pare-flamme (une sorte de grille) peut être ajouté à la sortie du surpresseur.

Dans notre exemple, le surpresseur est équipé d'un tel dispositif.

Source de chaleur

Les exploitants de l'usine doivent évaluer s'il existe des sources de chaleur dans les zones où des nuages de poussière peuvent être présents. Cela peut inclure, par exemple, des ateliers avec des activités de découpe ou de soudage à proximité d'une station de déchargement, ou des travaux de maintenance effectués sur le procédé. Ces travaux peuvent être particulièrement dangereux ; par conséquent, le propriétaire de l'installation DOIT mettre en œuvre un bon entretien des locaux (s'assurer qu'il n'y a aucun dépôt de poussière dans l'installation) et un système de permis de travail incluant un permis de feu, afin de garantir qu'aucun travail de soudage/découpe ne puisse être effectué à proximité ou sur les équipements manipulant des poudres combustibles.

Dans cet exemple, l'exploitant de l'usine n'effectue aucun travail par point chaud à proximité des équipements concernés et a mis en place un système efficace de procédures et de permis de travail pour sécuriser toute intervention sur site. L'usine est également équipée d'aspirateurs permettant de maintenir les zones propres.

D'autres sources de chaleur possibles incluent les moteurs en surchauffe ou les pièces mécaniques en surchauffe, comme les roulements.

Dans cet exemple, le moteur du sas rotatif doit être classé pour avoir une température maximale < 2/3*TIA=2/3*400=266°C ou TSI-75°C=450-75=375°C, ce qui signifie que les moteurs ne doivent pas atteindre une température > 266°C.

Cela s'applique également aux roulements des vannes rotatives, qui doivent être protégés pour éviter que le produit ne pénètre dans les roulements, ne les endommage et ne provoque potentiellement un incendie si les roulements commencent à surchauffer.

Dans notre exemple, le moteur est d'une classe suffisante, car il ne peut pas dépasser 185°C.

2.4 Classement des dangers

Les différents dangers présentés par l'installation ont été examinés ; il est maintenant nécessaire de les classer afin de déterminer si des mesures spécifiques sont requises pour réduire les risques. Plusieurs matrices existent pour classer les risques ; celle présentée ci-dessous n'est qu'un exemple.

Nous poursuivons avec notre exemple de ligne de transport pneumatique pour la farine. Après avoir analysé les risques d'explosion possibles ci-dessus, les risques significatifs suivants restent à classer : Étincelles électrostatiques dues à une mise à la terre incorrecte au niveau de la station de déchargement/sas rotatif (l'équipe a constaté plusieurs points de mise à la terre manquants et des fuites de poudre). Comme des points de mise à la terre manquent, l'équipe considère que le risque d'étincelles est probable. Le moteur du sas rotatif n'est pas classé pour fonctionner en environnement poussiéreux (B), mais sa construction et sa maintenance sont jugées par l'équipe comme offrant un niveau minimal de protection. L'équipe évalue le risque d'étincelle électrique ici comme rare. Les zones identifiées (ID) lors du zonage sont positionnées sur la matrice d'évaluation des risques pour identifier facilement celles qui nécessitent une attention particulière.

	Peu probable	Très rare	Rare	Probable	Très probable
Zone 20				B1
Zone 21				A1 A3
Zone 22			B2	A2 A4 A5 A6 B2

L'évaluation de l'équipe montre que le risque lié aux étincelles électrostatiques au poste de basculement et au sas est élevé ou très élevé. L'activité considérée implique en effet un mouvement important de poudre lors du basculement et dans la ligne de transport pneumatique. Ce mouvement de poudre charge les matériaux en contact ; si certains de ces matériaux sont isolés, une décharge d'étincelle peut se produire, entraînant une explosion avec la farine. Au poste de basculement ou dans la ligne de transport pneumatique, les conséquences de l'explosion peuvent être dangereuses. Pour le moteur du sas à vanne rotative, le risque évalué est plus faible, car le moteur est toujours classé IP54, ce qui offre un niveau de protection de base, et une éventuelle explosion se produirait en dehors des équipements de procédé. Après avoir classé les risques, il est toutefois nécessaire de les réduire, en effet, les deux risques ne sont pas jugés "acceptables" dans la matrice d'évaluation des risques utilisée.

2.5 Gestion du danger

Quelles sont les mesures de protection à mettre en œuvre ?

Le risque d'étincelle électrostatique peut être maîtrisé simplement en reliant à la terre tous les équipements et en s'assurant que la mise à la terre reste en place.

L’usine de notre exemple envoie immédiatement l’équipe de maintenance pour remettre en place la mise à la terre manquante et enregistre comme action la création d’une liste de vérification des mises à la terre, qui sera utilisée régulièrement pour s’assurer que tous les câbles de terre restent en place dans le temps. Cela réduit le risque en abaissant la probabilité d’une explosion à un niveau très rare. Pour le moteur du sas à vanne rotative, celui-ci étant de toute façon ancien et nécessitant davantage de maintenance, l’usine décide de le remplacer. Les actions de gestion des risques sont en attente du remplacement pour s’assurer que la zone reste propre, qu’il n’y ait pas de déversement de poussière lors du basculement et que la boîte de connexion du moteur soit bien étanche. Dans un délai de 2 à 3 mois, l’usine remplacera le moteur.

Dans les deux cas, la stratégie employée consiste à éviter la source d’inflammation. La matrice des risques peut ensuite être mise à jour avec les nouvelles évaluations une fois que les actions ont été réalisées.

	Peu probable	Très rare	Rare	Probable	Très probable
Zone 20		B1
Zone 21		A1 A3
Zone 22			B2	A2 A4 A5 A6 B2

Les actions mises en œuvre permettent d’obtenir une installation sûre. Cependant, même si le risque est réduit, il subsiste toujours, et un entretien parfait de l’installation à long terme est requis.

Notez que dans certains cas, l’ajout de mesures d’atténuation supplémentaires, comme des panneaux d’explosion sur le silo ou des vannes à action rapide dans la ligne de transport pneumatique, peut être nécessaire.

Les conclusions DOIVENT être documentées dans l’évaluation des risques ATEX et l’usine DOIT appliquer ces conclusions. Il est crucial pour la sécurité que les risques soient correctement traités, qu’un plan d’action soit défini et exécuté en temps opportun.

N’oubliez jamais que les analyses des risques d’explosion de poussière sont obligatoires, et les conclusions de l’analyse des risques doivent être mises en œuvre par l’usine.