Dans le domaine de l’ingénierie des installations de surface pour les champs pétrolifères, la sécurité des équipements et des opérateurs est primordiale. Cette sécurité doit être intégrée dès la phase de conception, et ce, tout au long du cycle de vie des installations, incluant la mise en service, la production normale et la maintenance. Le processus de conception doit tenir compte de nombreux paramètres essentiels qui permettent d’assurer à la fois la sûreté des opérations et le bon fonctionnement des dispositifs de production. Ce chapitre met en lumière les principes de sécurité qui doivent guider les ingénieurs tout au long de la conception des installations. L’analyse détaillée de chaque dispositif, l’installation de dispositifs de protection et la rédaction de procédures opérationnelles adéquates constituent les fondements de cette sécurité. Toutefois, il est important de noter que certains aspects de la sécurité, tels que la gestion des sources d’ignition, la détection des gaz, les systèmes d’alarme, la ventilation forcée et l’évacuation, sont des sujets d’étude à part entière et ne sont pas détaillés ici.

Température et pression de conception des équipements

La sécurité des équipements repose en grande partie sur la définition adéquate de la température et de la pression de conception. Une température et une pression de conception correctement choisies permettent non seulement de minimiser les risques de fuites mais aussi d’éviter ou de limiter les événements dangereux. Ces paramètres sont essentiels pour déterminer les caractéristiques physiques des équipements, comme l’épaisseur minimale des parois, et pour garantir leur résistance en cas de variations des conditions opérationnelles.

Pression de conception

La pression de conception des équipements doit au minimum être égale à la combinaison de la température et de la pression les plus défavorables anticipées lors de l’exploitation. Elle constitue la base du calcul mécanique des équipements et permet de définir l’épaisseur des parois. La pression de conception ne doit jamais être inférieure à la pression maximale rencontrée en conditions normales de fonctionnement, d’entretien et d’accident (à l’exception des situations de feu). Il est également important de noter que, lorsque la pression de conception n’est pas clairement définie, elle peut être utilisée pour remplacer la pression maximale de travail autorisée.

La pression maximale de travail autorisée (Maximum Allowable Working Pressure - MAWP) correspond à la pression maximale que le réservoir ou l'équipement peut supporter en toute sécurité sous conditions normales de fonctionnement et de température de conception. Elle est déterminée par le calcul de la résistance de chaque partie de l’équipement en fonction de son épaisseur nominale. La MAWP est également la pression à laquelle le dispositif de protection contre les surpressions (par exemple, la soupape de sécurité) doit être dimensionné.

Dans la conception des réservoirs sous pression, il est impératif de tenir compte de la pression statique due à la colonne de liquide et des pertes de charge. La pression maximale de fonctionnement, quant à elle, est généralement prise comme 1,05 fois la pression de fonctionnement normale, ou la pression de fonctionnement augmentée de 1 bar, afin d’assurer une certaine flexibilité dans le contrôle du système.

Conception des équipements spécifiques

Pour les réservoirs sous pression, les spécifications de conception suivent généralement les normes ASME. La pression de conception des réservoirs est calculée de manière à garantir le bon fonctionnement des dispositifs de sécurité, notamment les soupapes de sécurité. La conception doit également tenir compte des points de consigne et de l’exactitude des instruments de pression associés. Il est essentiel que les alarmes de pression et les systèmes d'arrêt en cas de dépassement de pression soient fiables et efficaces avant même que la soupape de sécurité ne doive intervenir.

Les pompes, en particulier les pompes centrifuges, ne comportent généralement pas de soupapes de sécurité à leur sortie, mais la pression de conception doit tenir compte de la pression maximale à la sortie de la pompe ainsi que des pertes dues à la hauteur statique et à la densité du liquide. Pour les pompes à déplacement positif, des soupapes de sécurité doivent être installées pour éviter tout risque de surpression en cas de fonctionnement à pleine capacité.

Interconnexion des différents équipements

Lors de la conception des systèmes de tuyauteries et de pompes, la pression de conception doit être soigneusement calculée pour chaque élément du système. Pour les pompes à déplacement positif, par exemple, la pression de conception à la sortie de la pompe doit être supérieure à la pression de consigne de toute soupape de sécurité installée en aval de la pompe. Dans les cas où plusieurs pompes de types différents sont connectées à un même collecteur de sortie, la pression de conception doit être déterminée en fonction de la pompe ayant la pression la plus élevée.

Conclusion

La sécurité des dispositifs de production en surface repose sur des choix de conception rigoureux et adaptés aux conditions opérationnelles extrêmes. La prise en compte des pressions et des températures de conception, ainsi que l’interconnexion adéquate des équipements, est essentielle pour garantir non seulement la sécurité des installations mais aussi leur bon fonctionnement dans le respect des normes industrielles et des exigences de sécurité. Les ingénieurs doivent prêter une attention particulière aux spécifications de pression de conception et s’assurer que les équipements sont conçus pour résister à tous les scénarios d’exploitation possibles. La fiabilité des dispositifs de protection, comme les soupapes de sécurité, et la coordination entre les systèmes de protection, jouent un rôle clé dans la prévention des incidents et la gestion des risques liés à la production pétrolière et gazière.

Quels sont les principes et les niveaux d'un système d'arrêt d'urgence ESD dans les installations industrielles ?

Un système d'arrêt d'urgence (ESD) est un élément clé dans la conception des installations industrielles, destiné à garantir la sécurité des équipements, des opérateurs et de l'environnement en cas d'anomalies. Les principes fondamentaux qui sous-tendent la conception et l'opération de ce système visent à prévenir les risques graves, minimiser les pertes de production et assurer une continuité de fonctionnement en limitant les arrêts inutiles.

Le système ESD repose sur plusieurs fonctionnalités essentielles : il inclut des boutons manuels pour l'arrêt complet du processus (ESD-0), l'arrêt de zones spécifiques (ESD-1) et l'arrêt d'équipements individuels (ESD-2). En outre, il est conçu pour détecter automatiquement des conditions anormales, qu'il s'agisse d'opérations erronées ou de pannes d'équipement, et pour isoler le système afin de limiter les sources d'ignition potentielles. Un autre aspect primordial de ce système est son interaction avec le système de contrôle de processus et les alarmes sonores et visuelles pour alerter les opérateurs. Il intègre également des installations de soulagement de pression manuelles et interagit avec le système de diffusion publique pour rappeler l'intervention des opérateurs.

Dans le cadre de sa conception, il est impératif que l'équipement du système ESD, tel que les capteurs et les actionneurs, soit indépendant des autres systèmes de contrôle et d'alarme. L'indépendance du système ESD garantit que celui-ci fonctionne de manière autonome, sans dépendance à des connexions ou interfaces externes. Il est conçu pour détecter les anomalies de fonctionnement, procéder à l'arrêt et à l'isolement de l'équipement concerné et initier des arrêts dans d'autres systèmes, tels que ceux déclenchés par un signal de détection de feu.

Le système ESD doit également être accessible et facilement activé, en particulier dans la salle de contrôle, où des boutons manuels permettent d'initier un arrêt d'urgence. Cependant, ces boutons doivent être équipés de dispositifs de protection pour éviter un déclenchement accidentel. Même lorsque des équipements en mouvement sont en mode opérationnel local, le système ESD peut interférer pour arrêter ou couper ces équipements. Les systèmes de contrôle locaux des équipements montés sur des chariots doivent également être capables d'interagir avec le système ESD pour assurer la sécurité.

En ce qui concerne la remise en marche du système ESD, elle ne peut intervenir qu'une fois que la cause de l'arrêt est clairement identifiée et résolue. Cette remise en état peut être effectuée soit manuellement sur le terrain pour les vannes clés du système, soit par un redémarrage progressif du groupe pour les équipements moins critiques. De plus, les actions de réinitialisation doivent suivre un ordre hiérarchique strict, les réinitialisations des systèmes de niveau inférieur devant être effectuées avant celles des systèmes supérieurs.

Un élément essentiel du système ESD est la vanne d'arrêt d'urgence (ESDV), qui présente des caractéristiques spécifiques telles que des actions on/off, un joint de niveau à bulle, des protections contre les défaillances en cas d'incendie, ainsi que des détecteurs intégrés. Les vannes d'arrêt d'urgence sont stratégiquement placées aux frontières des systèmes et zones, tenant compte des risques d'incendie et des besoins de décompression.

En ce qui concerne les niveaux et hiérarchies des arrêts d'urgence, le système ESD classe les événements selon leur gravité, de l'arrêt complet et la dépressurisation du site (ESD-0) à l'arrêt d'équipements individuels lorsqu'ils dépassent les limites de fonctionnement normales. Chaque niveau de l'ESD correspond à une réponse spécifique en fonction des causes et des conséquences de l'anomalie détectée.

Le niveau ESD-0, représentant le plus haut niveau de protection, implique un arrêt total du site, avec la dépressurisation de tous les équipements sauf ceux liés à la sécurité, tels que les gaz de scellage et les systèmes de purge. Ce niveau est activé dans des situations extrêmes telles que des catastrophes naturelles, des attaques ou d'autres incidents majeurs. Le système déclenche des alarmes sonores et visuelles, ainsi qu'une diffusion publique pour avertir le personnel.

Le niveau ESD-1 est un arrêt d'urgence plus spécifique, destiné à fermer un processus entier tout en maintenant opérationnels certains systèmes essentiels tels que l'air instrumenté, les systèmes de production d'azote, et les dispositifs de sécurité. Ce niveau peut résulter d'un déclenchement automatique, par exemple en cas de baisse de la pression de l'air instrumenté, ou d'une intervention manuelle en cas de détection d'un incendie ou d'une fuite de gaz.

Le niveau ESD-2, quant à lui, concerne les arrêts moins critiques, typiquement utilisés pour isoler une partie du système de production sans affecter l'ensemble de l'installation. Ces arrêts sont conçus pour protéger l'équipement tout en minimisant les impacts sur la production globale.

Le système ESD est un composant indispensable pour maintenir une sécurité optimale dans les installations industrielles. Cependant, une attention particulière doit être portée à la gestion des effets en cascade, qui peuvent entraîner des arrêts imprévus dans d'autres systèmes en raison d'une défaillance dans un équipement. La conception du système doit limiter autant que possible les risques de cascade, et, si un tel événement ne peut être évité, il doit permettre l'arrêt de tous les équipements affectés de manière contrôlée.

Il est également crucial de comprendre que la mise en place de ces systèmes nécessite une rigoureuse analyse des risques. La configuration et l'activation des différents niveaux d'arrêt doivent être soigneusement calibrées pour s'adapter à la gravité des événements et à leur impact potentiel sur la production et la sécurité. L'objectif est de trouver un équilibre entre une réaction rapide face à des situations dangereuses et la préservation de l'intégrité de l'installation.

Comment assurer un système d’allumage fiable pour les torchères industrielles ?

L'allumage d’une torchère industrielle est un élément crucial pour garantir la sécurité et l'efficacité de l'ensemble du système de combustion. Lorsqu'un gaz est évacué à travers une torchère, l’allumage doit être contrôlé avec précision pour éviter tout risque d'explosion ou d'incendie incontrôlé. Parmi les systèmes d’allumage utilisés, on retrouve l’allumage manuel et l’allumage automatique, chacun ayant des exigences spécifiques en termes de conception et de sécurité.

Dans un premier temps, il existe une méthode d'allumage manuel qui peut être utilisée en cas de besoin. Ce processus implique l'ouverture manuelle de la vanne du pipeline de gaz combustible, puis la pulvérisation de gaz d’allumage dans l'allumeur haute altitude. La flamme provenant de cet allumeur enflamme alors la veilleuse ou la torche. Ce type d’allumage manuel est souvent une alternative en cas de défaillance des systèmes automatiques ou d’interventions techniques spécifiques. L’un des inconvénients majeurs de cette méthode réside dans le fait qu'elle nécessite l’intervention directe de l’opérateur, ce qui implique des risques si la procédure n'est pas effectuée correctement ou dans des conditions de sécurité optimales.

Un autre système est l’allumage à combustion interne au sol. Cette méthode est une alternative à l’allumage automatique, en utilisant de l’air instrumenté et du gaz combustible. Le gaz est injecté dans une chambre de mélange via des orifices de restriction de flux ou des vannes de réduction de pression. Une fois que la concentration chimique des gaz atteint un seuil spécifique, un étincelle électrique provenant d'un dispositif à haute tension permet d’enflammer la mixture. Cela génère une onde de choc qui conduit les matériaux combustibles dans un tube de propagation de la flamme jusqu’à la veilleuse, assurant ainsi l’allumage. Ce système repose sur un mécanisme de détonation contrôlé, ce qui le rend fiable, mais complexe à maintenir.

Les torches doivent être équipées de dispositifs d’allumage fiables, qu’ils soient automatiques ou manuels, et ce, afin de garantir un allumage sans faille dans toutes les conditions. Il est impératif que chaque tête de torche soit équipée d'une veilleuse, et que le nombre de veilleuses soit proportionnel à la taille de la torche. Par exemple, pour une torche dont le diamètre est inférieur ou égal à 0,5 m, au moins deux veilleuses doivent être présentes. Pour un diamètre supérieur à 0,5 m mais inférieur ou égal à 1,0 m, trois veilleuses sont nécessaires, et pour un diamètre supérieur à 1,0 m, quatre veilleuses sont indispensables.

Les veilleuses elles-mêmes doivent être équipées de capteurs de température, garantissant une surveillance constante de leur fonctionnement. De plus, le système d’allumage automatique doit être complété par un dispositif de secours manuel, permettant à un opérateur d’allumer la torche en cas de défaillance des systèmes automatiques. L'importance d'une telle redondance ne peut être sous-estimée, car elle assure une sécurité accrue, en particulier dans les environnements à haut risque.

En ce qui concerne l’alimentation en gaz de la veilleuse, celle-ci doit être hautement fiable. Il est souvent conseillé d'utiliser des systèmes de secours automatiques pour assurer une alimentation continue et stable. Les fournisseurs doivent confirmer la masse moléculaire relative et la valeur calorifique du gaz utilisé, afin de garantir une combustion optimale sans ajuster le débit du gaz ou de l'air. En cas de coupure de la source principale de gaz, des réservoirs de secours comme des bouteilles de gaz propane peuvent être utilisés. De plus, les pipelines doivent être conçus pour être facilement nettoyés, et des filtres doivent être installés pour éviter l’obstruction du système.

Le choix des matériaux pour les composants du système est également crucial. Par exemple, les tuyaux et les raccords doivent être fabriqués en acier inoxydable de haute qualité (321 ou 347) pour éviter la corrosion et l’obstruction des systèmes par des produits de rouille. Un système de vanne de régulation de pression est également nécessaire pour maintenir une pression stable dans le système de gaz de la veilleuse, ce qui est essentiel pour garantir un allumage fiable en toutes circonstances.

L'un des éléments souvent sous-estimés dans la conception des systèmes d’allumage pour torchères est l’importance de l'étanchéité du système. L’un des moyens d’assurer une étanchéité fiable est l’utilisation de réservoirs à scellement liquide. Ces réservoirs sont conçus pour éviter le retour des gaz dans le système en cas de pression négative, ce qui pourrait entraîner des explosions ou des incendies incontrôlés. Dans certaines conditions, comme lors de la réduction de la pression du gaz, il est essentiel que la quantité d’eau dans le réservoir soit suffisante pour garantir une étanchéité efficace.

Le réservoir à scellement liquide doit être maintenu à une température adéquate, notamment dans les régions froides, où le risque de congélation doit être pris en compte. De plus, dans ces zones, des mesures doivent être prises pour éviter que des composés hydrocarbonés ne recouvrent la surface de l'eau, ce qui pourrait compromettre l'efficacité du scellement.

Il est également primordial que les conditions environnementales, telles que la vitesse du vent ou les températures extrêmes, ne perturbent pas le système d’allumage. En cas de vent fort, le gaz doit être suffisant pour éviter l’extinction de l’allumeur. La mise en place de systèmes de secours fiables, comme des sources de gaz de secours et des filtres de haute qualité, est essentielle pour assurer un fonctionnement sans risque, même dans des conditions difficiles.

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