La selection du pare-flammes de pipeline approprie pour une application specifique necessite de comprendre et de prendre en compte plusieurs facteurs. Comprendre les differents comportements des flammes de gaz dans les pipelines expliques ci-dessus constitue la base pour prendre en compte ces facteurs.
Lorsqu'un melange combustible s'ecoule dans un pipeline, une condition particulierement importante est la vitesse du gaz de combustion ; c'est-a-dire la vitesse du gaz qui stabilise la flamme lorsque la flamme se propage a contre-courant dans des conditions de deflagration a basse pression ; il s'agit de la vitesse moyenne « apparente » du gaz de l'ensemble du pipeline – le rapport entre le debit volumique et la section transversale du debit. Si le debit de gaz est inferieur au taux de combustion des gaz, la flamme peut se propager a contre-courant. La vitesse du gaz anti-inflammation depend du type de gaz et de son rapport de melange air-gaz ainsi que de la temperature et de la pression. Dans un melange stoechiometrique et dans des conditions interieures standard, la vitesse de combustion du propane est d'environ 32 m/s et celle de l'hydrogene d'environ 20 m/s.
Si la vitesse du gaz envoye a la torche ou au bruleur d'echappement est inferieure a la vitesse de retour de flamme de la buse de torche ou de l'incinerateur, alors la flamme se deplacera dans la direction opposee, vers la source du procede. Si la vitesse du gaz est legerement inferieure a la vitesse de combustion, la flamme se deplacera lentement a contre-courant. Cependant, dans un long tuyau, si la vitesse du gaz est nulle, la flamme accelerera et se retournera a grande vitesse. Un debit nul peut rendre la propagation des flammes extremement violente. Tous les produits pare-flammes doivent etre inspectes par le fabricant dans des conditions de debit statique (zero) pour garantir que le pare-flammes peut fonctionner dans les conditions de propagation de flamme les plus difficiles (flashback).
Pression de service initiale
La pression de fonctionnement initiale (PIO) fait reference a la pression du melange gazeux combustible lorsque la vitesse du melange gazeux combustible chute en dessous de la vitesse de retour de flamme dans un systeme de canalisations specifique.
Pression absolue. La PIO est generalement inferieure a la pression normale de fonctionnement du systeme ; par exemple, lorsqu'un systeme de controle des vapeurs fonctionne normalement et que la vitesse du flux qui s'ecoule doit etre superieure a la vitesse de combustion du gaz de procede, la pression du systeme doit etre comprise dans la plage de pression de fonctionnement normale, au-dessus de la pression atmospherique. Cependant, si dans des conditions normales ou des conditions d'urgence, le systeme est arrete, le flux du processus est ralenti et la pression est reduite. Un flashback peut egalement se produire a un moment donne avant que la vitesse n’atteigne zero. Dans le cas d'un tel arret du systeme ou d'un debit statique, la pression du systeme est la pression IOP du systeme.
N'oubliez pas que la pression affecte la flamme : plus la pression est elevee, plus la flamme libere d'energie par unite de volume. Cela signifie que plus l'intensite de la flamme est elevee, plus l'echange d'energie par unite de volume est eleve et plus la flamme s'accelere rapidement. La pression d'explosion d'un certain gaz est a peu pres proportionnelle a la pression absolue initiale. Par exemple, doubler la pression absolue equivaut a doubler la pression d’explosion. Par consequent, l'IOP determine deux problemes lies a la selection des produits coupe-flammes dans un systeme particulier. Le premier est la vitesse et la pression de la flamme par rapport a la distance parcourue par la flamme dans le tuyau. Par exemple, la flamme d'un certain melange propane-air stoechiometrique s'est propagee sur 10 metres sous pression atmospherique (pression absolue 101,3 KPa), la vitesse de la flamme est d'environ 200 m/s et la pression est d'environ 800 KPa (pression absolue). Si la PIO est augmentee a 150,0 KPa, la vitesse et la pression de la flamme a 10 metres seront respectivement de 300 m/s et 1 200 KPa. Dans cet exemple, une augmentation de 50 % de la pression statique entraine une augmentation de 50 % de la vitesse et de la pression de la tete de flamme. Ce facteur peut affecter la distance entre la source d'inflammation et le pare-flammes, ce qui signifie que le pare-flammes doit etre place plus pres de la source d'inflammation. Cela peut egalement necessiter l'utilisation d'installations pare-flammes au lieu d'autres.
Le deuxieme facteur affecte par l'IOP est l'energie, qui est l'energie par unite de volume de gaz qu'un parafoudre doit absorber pour eteindre la flamme. A mesure que la pression dans un systeme de traitement augmente, l’energie liberee par la flamme par unite de volume augmente egalement. Cela signifie alors que le coupe-flamme doit absorber plus de chaleur pour reduire completement la temperature de la flamme. Cependant, etant donne que la capacite de transfert de chaleur du pare-flammes est certaine, il est difficile pour le pare-flammes d'accomplir cette tache. Si la PIO est quelque part superieure a la conception ou a la pression d'essai du pare-flammes, le pare-flammes ne pourra pas eteindre la flamme. Par consequent, afin de garantir que le pare-flammes est correctement selectionne et repond aux exigences de conception du systeme, le fabricant doit indiquer la pression initiale de fonctionnement (PIO) maximale des differents melanges de gaz inflammables que le pare-flammes peut gerer. Chaque produit pare-flammes doit etre teste a differentes pressions croissantes pour determiner ses limites de performance IOP pour les melanges gazeux courants. Par exemple, la PIO maximale autorisee d'un pare-flammes anti-deflagration a basse pression standard est generalement superieure a 5 % de la pression atmospherique, ou 106,0 KPa (15,4 psig) ; tandis que le pare-flammes antideflagrant est de 160 KPa (23 psig).
pression de moment instantanee
Le pipeline est capable de resister aux pulsations de pression generees par une flamme se propageant, qui peuvent representer des milliers de fois la pression de reglage maximale du pipeline. Cette pression generee par la propagation de la flamme n'est pas une pression statique, l'onde de choc se deplace tres rapidement et la force qu'elle exerce sur la paroi du tuyau ne dure qu'une fraction de seconde. La pression de la flamme, quant a elle, est une pression d'impact dynamique connue sous le nom de pression de moment transitoire, ou TMP. Le mouvement instantane vers l'avant du gaz est tres rapide au passage de l'onde de choc, transportant une enorme quantite de quantite de mouvement (masse multipliee par la vitesse) et d'energie cinetique (la moitie de la masse multipliee par la vitesse au carre). Tout ce qui change la direction de l'impulsion, comme un coude de tuyau, une vanne d'arret, un boitier de ventilateur ou un coupe-feu, transfere de l'energie par l'impulsion. Cette energie impulsionnelle peut avoir des effets catastrophiques sur les equipements.
Les pare-flammes standard sont uniquement concus pour de faibles pressions de moment transitoires (TMP). Si des pressions de moment transitoires (TMP) elevees sont rencontrees, cela entrainera une defaillance mecanique du pare-flammes. Les pare-flammes antideflagrants BasCo peuvent gerer des pressions de moment transitoires (TMP) de n'importe quelle ampleur.
stable aux flammes
Il existe deux types de stabilisation de flamme : decouverte et confinee. Lorsqu'un certain melange combustible est decharge d'un espace scelle a une certaine vitesse, la flamme decouverte generee par le gaz est stationnaire, ce qui est une flamme stable decouverte. Par exemple, la flamme stationnaire au sommet de la flamme lorsque la flamme brule correspond a la stabilite de la flamme decouverte. Si, pour une raison quelconque, la vitesse du flux de traitement est plus lente que la vitesse de combustion du gaz, la flamme commence a se deplacer vers la torche et peut alors se stabiliser au niveau du pare-flammes ou quelque part dans la conduite, une situation connue sous le nom de stabilisation localisee de la flamme (voir Figure 18). Si la vitesse du flux de processus est nulle, la flamme ne se deplacera pas vers la torche, mais accelerera le retour de flamme et eventuellement explosera. Lors d'un retour de flamme, il est peu probable qu'une flamme stable apparaisse dans le systeme, mais cela arrive parfois.
Figure 18 Principe de flamme stabilisee dans pare-flammes, flux de droite a gauche
En ce qui concerne la stabilite de la flamme, chaque type de pare-flammes est utilise differemment en raison du type de materiau et de la qualite de l'element pare-flammes. Les utilisateurs doivent contacter le fabricant du pare-flammes pour savoir comment leur produit gere la stabilite des flammes. Puisque la flamme est stable, un bon moyen de gerer le retour de flamme consiste a installer un dispositif de detection de temperature sur le cote expose du pare-flammes. Stabilise la chaleur de la flamme, declenche les commandes automatiques et eteint la flamme.
rapport du melange air-carburant
Le rapport de melange du gaz combustible a l'air, comme mentionne precedemment, a une grande influence sur la facon dont la flamme brule, affectant non seulement la vitesse de la flamme, mais egalement l'intensite thermique, l'energie d'inflammation, la temperature d'auto-inflammation, l'accumulation de pression, etc.
groupement de gaz
Des centaines de gaz inflammables differents sont produits en tant que produits ou sous-produits de processus industriels. Gaz dont les proprietes liees a la propagation de la flamme different sensiblement de celles des autres gaz. Afin de faciliter la conception des equipements de securite, des instruments, etc., des methodes doivent etre disponibles pour decrire les caracteristiques de ces gaz. De nombreuses agences de test et agences de reglementation, notamment la NEC, la CEI, la NFPA et le NTIS, classent les gaz inflammables en fonction des elements suivants :
·MESG (ecart maximal de securite des tests)
·Temperature de la flamme
·Vitesse de la flamme
·Temperature naturelle
·La plage allant de la limite d'explosivite inferieure a la limite d'explosivite superieure
Chaque agence de test ou agence de gestion dispose de son propre systeme de classification des differents gaz selon les groupes de risque de combustion. La classification est basee sur la gravite de l'explosion, representee par une faible temperature d'auto-inflammation (AIT), une plage allant de la limite inferieure d'explosion a la limite superieure d'explosion, une temperature de flamme plus elevee, une vitesse de flamme plus rapide ou une combinaison de ces caracteristiques. La plupart d'entre eux sont directement lies a l'ecart maximal de securite d'essai (MESG) des gaz combustibles (voir tableau 1)
Ecart maximal de securite des tests (MESG)
L'ecart de securite experimental maximal (MESG) est une mesure standard qui fait reference au plus petit ecart entre les metaux absorbant la chaleur a travers lequel une flamme de gaz peut passer. Le MESG est utilise pour classer les gaz utilises dans les instruments electriques, les coffrets electriques et les installations pare-flammes en fonction de leur conception et de leur selection. Son instrument de mesure est constitue d'une petite boule metallique creuse divisee en deux moities et ayant un certain diametre. La mesure est effectuee dans un tel instrument standard. Chaque hemisphere possede une bride metallique d'une certaine largeur sur son bord circulaire. Dans l'instrument, les deux hemispheres sont rapproches par le parallelisme des rebords, mais en laissant un espace etroit.
Dans des conditions interieures standard, l'instrument est immerge dans un melange stœchiometrique de gaz d'essai et d'air, puis une etincelle electrique est utilisee pour enflammer le melange dans la sphere. Augmentez progressivement l'ecart entre les deux brides et repetez le test jusqu'a ce que le gaz melange a l'exterieur de la sphere s'enflamme. L'ecart de securite experimental maximal (MESG) est la distance maximale sur laquelle une flamme ne peut pas traverser la bride. Plus le risque de gaz est grand, plus l'ecart de securite maximal lors des tests est petit. Les pare-flammes doivent etre concus selon les valeurs MESG des gaz industriels.
Divers melanges de gaz
Certains systemes de collecte de vapeurs ne traitent qu'un seul gaz combustible plus pur, tel que le methane ou l'acetylene, un melange avec de l'air. Cependant, la plupart des processus necessitant des pare-flammes impliquent des melanges de plusieurs gaz inflammables, chacun ayant ses propres caracteristiques dangereuses. Certains gaz contenus dans un melange consomment de l'air plus efficacement que d'autres, ce qui fait que le melange se comporte davantage comme un gaz a composant unique. Composant gazeux qui agit comme catalyseur pour un autre gaz, rendant le melange plus dangereux que l'un ou l'autre gaz pris seul. Il existe peu de donnees d’essai sur les proprietes dangereuses des melanges de gaz inflammables.
Souvent, nous ne connaissons pas l’ecart maximal de securite experimental (MESG) pour un melange gazeux. Pour obtenir la valeur Maximum Test Safety Gap (MESG) pour tous les gaz
Experimenter avec des melanges de gaz n’est pas pratique. Norme industrielle, les pare-flammes ont ete concus sur la base de la composition gazeuse la plus defavorable du melange. Cette approche concerne le pire des cas et est trop conservatrice. NFPA497 propose une nouvelle methode de classification des categories. Basee sur la connaissance de l'ecart maximal de securite d'essai (MESG) de chaque composant de gaz inflammable, la relation de Lechatelier est utilisee pour calculer l'ecart maximal de securite d'essai (MESG) effectif. Si vous pouvez fournir la composition de votre melange gazeux, BasCo peut vous aider dans les calculs.
Temperature d'auto-inflammation (AIT)
La temperature d'auto-inflammation est la temperature a laquelle un melange ideal d'un certain gaz inflammable s'enflamme sous une pression atmospherique standard. La temperature d'auto-inflammation du propane est de 493 °C et celle de l'hydrogene est de
560° C, l'ethylene est 425° C. La fonction du coupe-flamme est de refroidir le gaz en dessous de sa temperature d'auto-inflammation. Par consequent, si la temperature de fonctionnement du procede est proche de la temperature d’auto-inflammation du gaz, la chaleur initiale peut affecter les performances du coupe-flammes. Lors du choix d’un pare-flammes, il est important d’indiquer la temperature de fonctionnement au fabricant.
Rapport hauteur/largeur (L/D)
Ci-dessus, les differents processus de propagation de la flamme sont expliques. Chaque processus se produit a une certaine distance de la source d'inflammation. Ces distances sont specifiees et specifiees dans un tuyau de 12 pouces de diametre. Cela montre que la distance est proportionnelle au diametre ; la cle n'est pas la distance reelle de la source d'allumage, mais la longueur de la distance par rapport au diametre divise par le diametre. Cette distance relative est appelee rapport hauteur/largeur ou rapport L/D. Par exemple, pour un melange air-propane stoechiometrique dans des conditions interieures, une detonation a basse pression se produira a des rapports L/D inferieurs a 10, tandis qu'une detonation stable se produira a des rapports L/D superieurs a 60. Tous les pare-flammes, a l'exception du type a detonation stabilisee, ont des limites de performances L/D.
Structure et limites des tubes
La facon dont la flamme brule et se propage n'est pas seulement affectee par la longueur du tuyau, mais egalement par les coudes, les instruments (conduits du debitmetre, plaques a orifices de restriction, puits thermometriques, etc.), la contraction et l'expansion du tuyau et les vannes. Tout ce qui favorise la turbulence du gaz fournit un melange air-gaz plus uniforme a la flamme, favorisant ainsi la combustion. De plus, comme mentionne precedemment, l’elan instantane peut jouer un role en raison des irregularites du pipeline. L'expansion des gaz due a la combustion peut agir comme une force motrice lorsqu'on dispose d'une surface sur laquelle la force d'expansion peut etre exercee. La flamme ne peut pas exercer de poussee sur un tuyau droit et lisse, mais lorsqu'elle traverse un coude ou un dispositif de restriction de debit, elle peut exercer une force sur la surface du coude ou du dispositif de restriction de debit, lui donnant une vitesse et une pression vers l'avant.
Chaque conception de pare-flammes a ete testee et documentee, mais les tests peuvent ou non inclure des coudes et des restricteurs. Consultez toujours le fabricant avant d'installer un pare-flammes dans un systeme avec des coudes ou des restricteurs.
Sources d'inflammation et energie d'inflammation
L'inflammation involontaire du gaz peut etre causee par un certain nombre de conditions : la turbine du ventilateur heurte le boitier du ventilateur, l'electricite statique ou les etincelles provenant des instruments, la flamme pilote d'un chalumeau ou d'un bruleur, la flamme principale sur la pointe du chalumeau ou la chambre du bruleur, un travail a chaud a l'interieur de l'appareil, des incendies externes et de nombreuses autres sources. Ces sources d'inflammation peuvent declencher des flammes a l'interieur ou a l'exterieur du systeme de traitement.
L'energie d'inflammation fait reference a l'energie necessaire pour enflammer un certain melange de gaz combustible. La quantite d'energie depend du type de gaz et du rapport du melange air-gaz. Plus le rapport air/gaz est proche de la stœchiometrie, plus l'energie d'inflammation est faible. Comme le montre la figure 19. Sur la figure, nous pouvons noter que l'energie necessaire pour enflammer le methane stœchiometrique est de 0,2 Joules.
Figure 19 Plage d'allumage et energie d'allumage
Differents gaz necessitent differentes quantites d’energie pour s’enflammer ; certains necessitent moins, tandis que d'autres sont presque impossibles a enflammer. Plus l’energie d’inflammation est faible, plus le gaz est dangereux pour le systeme et son environnement.
La source d'inflammation, la variable la plus importante dans la selection du pare-flammes, est le point de depart de la mesure de la distance par rapport au pare-flammes. Par consequent, l'utilisateur doit etre conscient de l'emplacement de toutes les sources d'inflammation potentielles associees au coupe-flammes.
source d'inflammation a haute energie
Les sources d'inflammation typiques ont generalement un faible niveau d'energie, suffisant seulement pour enflammer un melange gazeux combustible. Les sources d'inflammation a haute energie peuvent provoquer une propagation des flammes plus violemment sur une longueur ou un rapport d'aspect donne que les sources a faible energie. La flamme peut meme depasser les etats de deflagration a basse, moyenne et haute pression, s'elevant directement jusqu'a la detonation. Ce comportement constitue une exception a la theorie traditionnelle de propagation des flammes decrite ci-dessus ; cependant, il n'existe aucun critere etabli qui la distingue de l'energie d'inflammation normale et de l'inflammation a haute energie. Cependant, les eclairs, les explosions de conteneurs et les explosions de chambres de combustion sont tous consideres comme des inflammations a haute energie.
Etant donne que l’allumage a haute energie modifie la facon dont les flammes se propagent, les regles de selection des produits coupe-flammes changent egalement. Exemple : Un pare-flammes anti-deflagration de type standard, adapte aux cheminees de 20 pieds de haut et aux gaz du groupe « D », avec le pare-flammes installe pres de la base de la torche. Si la vitesse du flux de traitement est inferieure a la vitesse resistant a la combustion du gaz de la pointe de torche, un retour de flamme peut se produire. La longueur du tuyau allant de la tete de torche (source d'allumage) au coupe-flamme est courte et la puissance de la flamme ne sera pas plus forte que celle d'une deflagration a moyenne pression, de sorte que le coupe-flamme anti-deflagration peut eteindre la flamme. Cependant, si le debit du flux de procede est inferieur a la vitesse d'anti-allumage et que la torche est frappee par la foudre (allumage a haute energie), lorsque la flamme atteint le pare-flammes, la flamme sera tres violente, ce qui peut etre une deflagration a haute pression ou une detonation excessive ; dans ce cas, le coupe-flammes peut ne pas fonctionner car il n'est pas concu pour une deflagration ou une detonation a haute pression et n'est pas adapte a cela. Lorsqu'une inflammation a haute energie est possible, un parafoudre instable doit etre utilise a la place d'un parafoudre standard.
gaz riche en oxygene
Dans la plupart des systemes de controle des vapeurs, la source d’oxygene dans le melange combustible est l’air ambiant. Cependant, certains procedes ont une teneur en oxygene plus elevee que dans un melange air-gaz standard.
Poussiere et gaz
Lorsque des solides inflammables brulent, ils se transforment en poussieres en suspension dans l’air ou se propagent dans les pipelines, provoquant une explosion, un peu comme un gaz inflammable.
