Sécurité fonctionnelle des installations de mélange de gaz contenant des mélanges d’hydrogène et d’azote
1. introduction
Le gaz de formation, un mélange d’hydrogène (H₂) et d’azote (N₂), est utilisé dans de nombreux processus industriels – entre autres pour le brasage, le recuit, le traitement thermique ou le traitement des métaux. En raison de la présence d’hydrogène, un gaz hautement inflammable, il existe souvent des exigences accrues en matière de sécurité des processus. C’est surtout dans les applications critiques pour la sécurité que le concept de sécurité fonctionnelle gagne en importance.
Le niveau d’intégrité de sécurité (SIL), tel que défini par les normes de sécurité IEC 61508 et IEC 61511 , peut servir de référence. Cet article examine la pertinence du SIL pour les installations de mélange de gaz de formation, les défis techniques et les solutions possibles.
2. principes de base : qu’est-ce que le SIL ?
SIL (Safety Integrity Level, niveau d’exigence de sécurité ou niveau d’intégrité de sécurité) est une mesure de la fiabilité des systèmes. https://de.wikipedia.org/wiki/Sicherheitsanforderungsstufe
L’exploitant détermine le niveau d’intégrité de sécurité du composant ou de l’installation dans le cadre d’une évaluation des risques (HAZOP). Dans le cadre de cette étude, les dangers potentiels sont identifiés et éliminés avant qu’ils ne puissent conduire à un accident. L’étude donne lieu à des exigences de sécurité de niveau adapté. Il existe une échelle de niveaux allant de 1 (le plus bas) à 4 (le plus élevé), qui constitue une mesure de la fiabilité du système en fonction du danger potentiel (santé, environnement, installations).
Défini dans les normes CEI 61508 (générique) et CEI 61511 (applications industrielles de process). La probabilité de défaillance d’une fonction de sécurité en cas de demande est évaluée dans le but de réduire systématiquement les risques pour l’homme, l’environnement et la technique.
Les mélangeurs de gaz pour le gaz de formation (le gaz de formation est un mélange gazeux d’hydrogène et d’azote) sont exploités sans SIL depuis plus de cinq décennies. Cependant, la tendance à une sécurité accrue et à une gestion des risques plus complète avec un concept de sécurité s’étend désormais également à ce type de mélangeurs de gaz et d’installations de mélange de gaz (également appelés mélangeurs d’hydrogène). La sécurité des installations (sécurité des installations) pour la production de gaz de formage peut donc être renforcée, par exemple avec un analyseur de gaz hydrogène SIL 1, une surveillance de la pression différentielle SIL et une coupure SIL 1. Cela permet de surveiller et d’empêcher de manière sûre l’accumulation non autorisée d’hydrogène dans le gaz de traitement.
3. gaz de formation : propriétés et risques
Typiquement, le gaz de formation est composé de 3 à 10 % d’hydrogène dans de l’azote. Dans de rares cas, des mélanges gazeux contenant des pourcentages d’hydrogène nettement plus élevés sont également produits. La limite inférieure d’explosivité (LIE) de l’hydrogène dans l’air est d’environ 4 % en volume, la limite supérieure d’explosivité (LSE) est de 77 % en volume. Cela signifie que l’hydrogène ne peut exploser dans l’air que dans une certaine plage de concentration.
L’hydrogène présente les caractéristiques suivantes :
- Extrêmement léger et diffus: risque accru de fuites.
- Faible énergie d’allumage (~0,02 mJ) : même de petites étincelles peuvent déclencher des explosions.
- Large spectre d’explosion (4-75% en volume dans l’air) : Nécessite un contrôle précis du processus.
sources de risque :
- Enrichissement en hydrogène dû à des proportions de mélange incontrôlées.
- les fuites dans les techniques de mélange de gaz ou les canalisations.
- Dysfonctionnement de la régulation de la pression ou du rapport de mélange.
Si la teneur en hydrogène du mélange gazeux dépasse la valeur limite définie, une atmosphère explosive peut se former dans le processus lorsqu’il est mélangé à l’air. Pour détecter cet enrichissement à un stade précoce et l’éviter par la suite, les mélangeurs de gaz de formation sont équipés en standard d’analyseurs de gaz avec coupure de la ligne d’hydrogène.
Ces risques sont maîtrisés par des solutions de sécurité telles que les analyseurs de gaz, la surveillance de la pression différentielle et l ‘arrêt d’urgence avec un niveau SIL validé.
4. exigences SIL pour les mélangeurs de gaz de formation
La conception de sécurité d’un mélangeur de gaz de formation avec SIL comprend différents sous-systèmes. Les composants de sécurité suivants sont utilisés :
4.1 Analyse des gaz
- Analyseur de gaz hydrogène SIL 1: mesure en continu la concentration d’hydrogène.
- Fonction: analyse précise pour le contrôle du ratio de mélange. Documentation sur le sujet. Surveillance des limites
- Avantage: empêche l’enrichissement en hydrogène non autorisé
4.2 Contrôle de la pression différentielle
- SIL 1 Capteur de pression différentielle: surveille la pression des flux de gaz (H₂ et N₂).
- Fonction: Détecte les changements incontrôlés d’un flux de gaz
- Avantage: contrôle stable du processus et minimisation des risques d’explosion.
4.3 Soupapes de sécurité et actionneurs
- Composants certifiés SIL: Vannes d’arrêt testées selon la norme ISO 13849 ou IEC 61508.
- Fonction: séparation sûre des alimentations en gaz, réarmement automatique ou commutation en dérivation.
- Avantage: sécurité accrue de l’installation grâce à la fiabilité des actionneurs.
5. spécificités de l’intégration du SIL dans les centrales de mélange de gaz
L’intégration d’un circuit SIL dans les centrales de mélange de gaz nécessite une approche globale qui englobe les capteurs, la logique et les actionneurs.
5.1 Circuit global du SIL
- Composants: Analyseur de gaz (capteurs), relais de sécurité (logique), vannes de coupure (actionneurs).
- Évaluation: la fonction de sécurité est validée dans son contexte global, et pas seulement sur la base des composants.
- Normes en vigueur : Conformité aux normes de sécurité IEC 61508 et IEC 61511.
5.2 Calcul et vérification
- Calcul PFDavg: détermination de la probabilité moyenne de défaillance (Probability of Failure on Demand).
- Redondances: Prise en compte des systèmes redondants et des intervalles de contrôle pour minimiser les risques.
- Documentation: documentation de sécurité avec validation SIL, preuves de fonctionnement et check-lists de mise en service.
5.3 Défis à relever
- Comportement de l’hydrogène: Une forte diffusivité nécessite des systèmes étanches et une détection précise de l’hydrogène.
- Étalonnage: les capteurs doivent rester faciles à entretenir dans les conditions du processus.
- Réactivité: les fonctions de protection doivent réagir rapidement aux anomalies.
6. exemple pratique : mélangeur de gaz de formation avec SIL 1
Application: Processus de traitement thermique avec 5 % de H₂ dans N₂
Exigences:
- Stabilité du processus
- Protection contre les explosions
- Documentation des fonctions de sécurité
Solution proposée par LT GASETECHNIK:
- Analyseur de gaz H₂ (SIL 1) avec signal 4-20 mA
- Surveillance de la pression différentielle entre les flux de gaz
- Arrêt d’urgence via un relais de sécurité
- Soupapes de sécurité selon ISO 13849-1 / IEC 61508
résultat:
- Réception réussie par l’opérateur et l’expert
- Fonctionnement fluide sur plusieurs années
- Conception facile à entretenir avec des protocoles de test
7. conclusion
L’application du Safety Integrity Level (SIL) aux mélangeurs de gaz de formage représente une possibilité d’améliorer la sécurité du processus. En raison des propriétés inflammables de l’hydrogène, une approche systématique de la sécurité est indispensable. Malgré des coûts d’acquisition et d’exploitation plus élevés (contrôle annuel du circuit SIL), il en résulte certains avantages :
- Sécurité opérationnelle accrue grâce à la minimisation des risques d’explosion
- Protection du personnel et des équipements
- Transparence: traçabilité complète grâce à la documentation
LT GASETECHNIK est l’un des rares fournisseurs à pouvoir livrer des mélangeurs de gaz complets avec circuit SIL et composants validés pour le gaz de formation. Avec plus de 40 installations réalisées, l’entreprise offre une compétence avérée dans la planification, le calcul et la mise en œuvre de systèmes de mélange de gaz conformes à la norme SIL. Pour toute question concernant la mise en œuvre des exigences SIL dans les installations de mélange de gaz, LT GASETECHNIK se tient à votre disposition en tant que partenaire expérimenté.
Contact: mail@lt-gasetechnik.com