I-3 La théorie de BLEVE
La théorie du BLEVE fait appel à la notion de
température limite de surchauffe (TLS).
Lorsqu'on transfère, à pression
donnée, de la chaleur à un liquide, celui-ci subit une
augmentation de température, jusqu'à atteindre son point
d'ébullition et à former des bulles de vapeur qui se
développent sur les sites actifs que sont les impuretés et les
interfaces avec les parois. Lorsqu'il n'y a pas suffisamment de sites de
nucléation dans le liquide, le point d'ébullition peut être
dépassé sans qu'il n'y ait d'ébullition. Dans ce cas, le
liquide est dit surchauffé.
Il existe cependant une limite de température, à
une pression donnée, au-delà de laquelle se développent
des bulles de vapeur dans tout le liquide, même en l'absence de sites de
nucléation. Cette limite est la température limite de
surchauffe.
Considérons, un gaz liquéfié pur à
l'équilibre thermodynamique dont l'état est
présenté par le point A. Si on lui fournit de la chaleur, le
point représentatif de son état se déplace sur la courbe
de vapeur saturante jusqu'à rejoindre le point B. Le gaz peut alors
passer, par dépressurisation brutale, à l'état
représenté par le point E en restant, au moins
momentanément, surchauffé, à l'état liquide avant
de se vaporiser plus ou moins rapidement. En revanche, un gaz dont
l'état est représenté par le point C de la courbe de
tension de vapeur, qui est dépressurisé brutalement à la
pression atmosphérique (c'est à dire supérieure à
la température pour laquelle, à la pression atmosphérique,
le liquide ne peut pas rester en état de surchauffe)(point D)
.subit une vaporisation homogène, rapide et totale à
caractère explosif, car il ne peut subsister à l'état
liquide à une température supérieure à sa
température limite de surchauffe.
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Lorsque l'on transfère de la chaleur à un
liquide, la température de celui-ci augmente sa jusqu'au point
d'ébullition pour former des bulles de vapeurs se développant sur
les impuretés et les interfaces avec les solides.
Lorsqu'il n'y a pas suffisamment de sites de nucléation
dans le liquide, le point d'ébullition peut être
dépassé sans qu'il y ait d'ébullition. C'est ce qu'on
appelle un liquide surchauffé.
Figure n°2: Courbe de tension de vapeur saturante et
de droite limite de surchauffe
La notion de BLEVE se réfère uniquement à la
température limite de surchauffe (TLS) du produit :
- la transformation B-E, qui se produit en dessous de la
température limite de surchauffe à pression atmosphérique,
est généralement appelée « BLEVE froid
»
- la transformation C-D, qui se produit au-dessus de la
température limite de surchauffe à pression
atmosphérique, est généralement
appelée «BLEVE chaud».
Figure n°3 : Courbes de vapeur saturante et de
température limite de surchauffe du propane et du butane (données
issues de la base de données publiques DIPPR).
La zone dite de « fonctionnement normal
» correspond aux conditions de température et de pression
usuellement rencontrées en exploitations. La température de
stockage impose la pression dans le réservoir : par exemple pour le
propane stocke à 20 c° la pression est de 8.4 bars absolus.
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Pour qu'un BLEVE chaud se produise, il faut donc que la
pression d'éclate du réservoir soit bars pour du propane et 17
bars pour du butane. Pour des pressions inférieures la rupture conduit
à un BLEVE « froid ».
La distinction entre BLEVE « froid » et BLEVE «
chaud » decrire ci-dessus est théorique. En pratique, la transition
entre les deux s'effectue de manière continue.
L'analyse du retour d'expérience montre qu'il est
difficile de distinguer, a posteriori, un BLEVE « froid » d'un BLEVE
« chaud » car leurs effets sont très semblables.
Aussi, dans la suite de la fiche, il sera fait
référence au phénomène de BLEVE comme la
vaporisation explosive d'un liquide porté brutalement à une
température significativement supérieure à sa
température d'ébullition à la pression
atmosphérique, sans distinction entre BLEVE froid et BLEVE chaud.
I-4 Le développement et la chronologie de
BLEVE
I-4-1 Le développement de BLEVE
Johnson et Pritchard [4] ont effectué sept essais de
BLEVE de réservoirs remplis d'une ou de deux tonnes de G.P.L. Six
expériences ont été réalisées à
partir de butane, pour différents niveaux de remplissage et de pression.
Dans quatre de ces six essais, le produit rejeté a été
enflammé et a donné matière à une boule de feu. Une
septième expérience, avec du propane, a également
donné matière à l'apparition d'une boule de feu.
Suite à l'observation des résultats de Johnson
et Pritchard, (Shield, 1995a) [5] distingue cinq étapes du
développement d'un BLEVE.
Etape 1 : Le réservoir se rompt, des fragments
sont éjectés et une onde de surpression est engendrée par
la détente de la phase gazeuse. Cette onde est suivie d'une onde de
dépression .
Etape 2 : Un nuage de gouttelettes, qui se vaporisent
adiabatiquement alors que la pression dans le nuage diminue, est
éjecté. La quantité de vapeur produite à partir des
gouttelettes est largement supérieure à la quantité de
vapeur libérée à l'étape 1
précédente.
Au cours de cette étape, il y a peu de mélange
avec l'air ambiant alors que le nuage s'étend. La vaporisation continue
jusqu'à ce que la pression du nuage soit égale à la
pression ambiante, le volume du nuage étant alors égal au volume
de vapeur flashée à la pression ambiante et à la
température de saturation correspondante (plus une légère
correction du fait de la présence de gouttelettes).
Si la vitesse radiale d'expansion du nuage excède la
vitesse locale du son dans la zone de dépression suivant l'onde de
surpression engendrée par l'expansion de la phase vapeur (étape
1), une onde de choc due à l'évaporation instantanée du
liquide peut se former et engendrer un état turbulent au sein du
nuage.
Cette seconde onde de choc n'est observée que lors
d'expérimentations pour lesquelles le niveau de remplissage est assez
important. Pour des taux de remplissage trop faibles, l'onde de
dépression suivant l'onde de surpression revient plus lentement à
la pression ambiante et il est probable, dans ce cas de figure, que l'onde de
choc formée par la vaporisation instantanée du liquide soit d'une
magnitude moindre que l'onde de dépression. Néanmoins, même
dans ce dernier cas, le nuage formé est turbulent.
Etape 3 : Les deux ondes de surpression successives ont
quitté le nuage. Ce dernier continue à s'étendre du fait
de sa quantité de mouvement radial, mais à une vitesse qui
diminue alors que le mélange turbulent entraîne de plus en plus
d'air.
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Lorsque la vitesse d'expansion radiale du nuage est du
même ordre que la vitesse aléatoire des tourbillons turbulents,
l'expansion du nuage n'est plus alors due qu'aux effets de turbulence.
Etape 4 : L'inflammation se produit à
proximité du centre du nuage et une boule de feu se développe.
L'expansion de la boule de feu s'arrête lorsque tout le nuage est
enflammé. C'est alors que la boule de feu est la plus brillante.
Puisque le nuage contient de l'air, Shield suppose que durant
cette étape seule la vapeur est consumée et que les gouttelettes
n'ont pas le temps d'être vaporisées.
L'expansion du nuage en boule de feu engendre une onde de
surpression suivie d'une onde de dépression due à l'arrêt
brutal de cette expansion.
La vitesse d'expansion de la boule de feu est égale
à la vitesse de propagation de la flamme dans le nuage turbulent.
Bien évidemment, dans la réalité, le
nuage de vapeur peut s'enflammer durant chacune des quatre étapes
précédentes, mais, puisque de l'air doit être
mélangé au nuage, il est probable que la combustion se produise
principalement dans la périphérie du nuage et les
mécanismes d'expansion sont ainsi similaires, même si certaines
étapes peuvent se chevaucher.
Etape 5 : La boule de feu hémisphérique
s'élève pour prendre la forme d'une sphère. Sa combustion
continue mais la boule de feu ne s'étend plus, indiquant ainsi que l'air
requis pour la combustion est déjà mélangé au nuage
. Le combustible est alors pourvu par les gouttelettes liquides. La boule de
feu s'élève alors approximativement à vitesse et volume
constant, pour prendre la forme caractéristique d'un champignon.
Ensuite, du fait de l'apparition de poches de produits de
combustion, l'aire de la flamme visible diminue . Le flux thermique
rayonné décroît alors sans cesse. Lorsque la combustion est
presque complète, la fumée constituée des produits de
combustion s'élève et se dissipe.
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