Sécurité fonctionnelle des systèmes de mélange de gaz avec des mélanges d’hydrogène et d’azote
1. Introduction
Le gaz de formage, un mélange d’hydrogène (H₂) et d’azote (N₂), est utilisé dans de nombreux procédés industriels, tels que le soudage, le recuit, le traitement thermique et le traitement des métaux. En raison de la proportion d’hydrogène, un gaz hautement inflammable, les exigences en matière de sécurité des procédés sont souvent accrues. Le concept de sécurité fonctionnelle devient de plus en plus important, en particulier dans les applications critiques pour la sécurité.
Le niveau d’intégrité de la sécurité (SIL) selon les normes de sécurité IEC 61508 et IEC 61511 peut servir de référence à cet égard. Cet article examine la pertinence du SIL dans les systèmes de mélange de gaz pour le formage des gaz, les défis techniques et les solutions possibles.
2 Principes de base : Qu’est-ce que le SIL ?
Le SIL (Safety Integrity Level) est une mesure de la fiabilité du système. https://fr.wikipedia.org/wiki/Safety_Integrity_Level
L’opérateur détermine le niveau d’intégrité de sécurité du composant ou du système 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 provoquent un accident. L’étude débouche sur des exigences de sécurité au niveau approprié. Il existe une classification des niveaux de 1 (le plus bas) à 4 (le plus élevé), qui est une mesure de la fiabilité du système au niveau de la sécurité.
Les mélangeurs de gaz de formation (le gaz de formation est un mélange gazeux d’hydrogène et d’azote) ont également fonctionné sans SIL pendant plus de cinq décennies. Cependant, la tendance à une plus grande sécurité et à une gestion des risques plus complète avec un concept de sécurité s’étend désormais à ce type de mélangeurs de gaz et de systèmes de mélange de gaz (également connus sous le nom de mélangeurs d’hydrogène). Ainsi, la sécurité de l’installation (sécurité du système) pour la production de gaz de formage peut être augmentée, par exemple, avec un analyseur d’hydrogène gazeux SIL 1, une surveillance de la pression différentielle SIL 1 et un arrêt SIL 1. Cela permet de surveiller et d’empêcher de manière fiable l’accumulation non autorisée d’hydrogène dans le gaz de traitement.
3 Gaz de formation : propriétés et risques
Normalement, le gaz de formation est composé de 3 à 10 % d’hydrogène dans l’azote. Dans de rares cas, des mélanges de gaz avec des teneurs en hydrogène nettement plus élevées peuvent également se produire. La limite inférieure d’explosivité (LIE) de l’hydrogène dans l’air est d’environ 4 % en volume et 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 possède les propriétés suivantes
Extrêmement léger et diffusif : risque accru de fuite.
Faible énergie d’inflammation (~0,02 mJ) : même de petites étincelles peuvent déclencher des explosions.
Large spectre d’explosion (4 à 75 % en volume dans l’air) : nécessite un contrôle précis du processus.
Les sources de risque sont les suivantes :
Enrichissement en hydrogène dû à des rapports de mélange incontrôlés.
Fuites dans la technologie de mélange des gaz ou dans la tuyauterie.
Défaillances dans le contrôle de la pression ou du rapport de mélange.
Si la teneur en hydrogène du mélange gazeux dépasse la valeur limite fixée, une atmosphère explosive peut se former dans le processus lorsqu’il est mélangé à l’air. Des analyseurs de gaz avec déconnexion de la conduite d’hydrogène sont utilisés en standard dans les mélangeurs de gaz de formage pour détecter de manière fiable cette accumulation à un stade précoce et la prévenir ultérieurement.
Ces risques sont gérés 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 formage
La conception de la sécurité d’un mélangeur de gaz de formage avec SIL comprend plusieurs sous-systèmes. Les composants de sécurité suivants sont utilisés :
4.1 Analyse des gaz
Analyseur d’hydrogène SIL 1 : mesure en continu la concentration d’hydrogène.
Fonction : analyse précise pour la régulation du rapport de mélange. Documentation. Surveillance des valeurs limites
Advantage : empêche l’enrichissement non autorisé de l’hydrogène.
4.2 Surveillance de la pression différentielle
Capteur de pression différentielle SIL 1 : contrôle la pression des flux de gaz (H₂ et N₂).
Fonction : détecte les changements incontrôlés dans 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 conformément à la norme ISO 13849 ou IEC 61508.
Fonction : séparation sûre de l’alimentation en gaz, réinitialisation automatique ou commutation de dérivation.
Avantage : sécurité accrue du système grâce à des actionneurs fiables.
5 Particularités de l’intégration SIL dans les systèmes de mélange de gaz
L’intégration d’un circuit SIL dans les systèmes de mélange de gaz nécessite une approche globale incluant les capteurs, la logique et les actionneurs.
5.1 Circuit SIL intégral
Composants : Analyseur de gaz (capteurs), relais de sécurité (logique), vannes d’arrêt (actionneurs).
Évaluation : La fonction de sécurité est validée dans le contexte global, et pas seulement par composant.
Normes : Conformité aux normes de sécurité CEI 61508 et CEI 61511.
5.2 Calcul et vérification
Calcul de la PFDavg : détermination de la probabilité moyenne de défaillance (Probability of Failure on Demand).
Redondances : prise en compte des systèmes redondants et des intervalles d’essai pour minimiser les risques.
Documentation : documentation de sécurité avec validation SIL, essais de fonctionnement et listes de contrôle de la mise en service.
5.3 Défis
Comportement de l’hydrogène : la forte diffusivité exige des systèmes denses et une détection précise de l’hydrogène.
Étalonnage : Le système de capteurs doit être facile à entretenir dans les conditions du procédé.
Vitesse de réaction : Les fonctions de protection doivent réagir rapidement aux écarts.
6 Exemple pratique : mélangeur de gaz de moulage avec SIL 1
Application : processus de traitement thermique avec 5 % H₂ dans N₂.
Exigences :
Stabilité du processus
Protection contre les explosions
Documentation des fonctions de sécurité.
Solution 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 par relais de sécurité
Vannes de sécurité selon ISO 13849-1 / IEC 61508
Résultat :
Acceptation satisfaisante par les opérateurs et les experts
Fonctionnement sans problème pendant plusieurs années
Conception facile à entretenir avec dossiers d’essai
7. Conclusion
L’utilisation du niveau d’intégrité de sécurité (SIL) pour les mélangeurs de gaz de formage représente une opportunité d’accroître la sécurité des procédés. En raison des propriétés inflammables de l’hydrogène, une évaluation systématique de la sécurité est essentielle. Malgré les coûts d’acquisition et d’exploitation plus élevés (test annuel du circuit SIL), il y a plusieurs avantages :
Augmentation de la sécurité opérationnelle en minimisant les risques d’explosion
Protection du personnel et de la technologie de l’installation
Transparence : traçabilité complète grâce à la documentation.
LT GASETECHNIK est l’un des rares fournisseurs à pouvoir proposer des mélangeurs de gaz complets avec des circuits SIL et des composants de formation de gaz validés. Avec plus de 40 systèmes réalisés, la société offre une expérience éprouvée dans la planification, le calcul et la mise en œuvre de systèmes de mélange de gaz conformes à la norme SIL. LT GASETECHNIK est à votre disposition en tant que partenaire expérimenté pour toute question concernant la mise en œuvre des exigences SIL dans les systèmes de mélange de gaz.
N’hésitez pas à nous contacter : mail@lt-gasetechnik.com