WEG Moteurs électriques en ambiance explosive zone poussières

La présence de moteurs en zone explosive impose un cahier des charges des plus rigoureux. Dans le respect des certifications ATEX et IECEx, les fabricants de moteurs actifs dans ces conditions particulières doivent respecter les exigences des normes principales CEI/EN relatives aux moteurs électriques

Une ATmosphère EXplosive (ATEX) est un mélange avec l’air, dans les conditions atmosphériques (-20ºC à 60ºC et 0,8 bar (80 kPa) à 1,1bar (110 kPa)), de substances inflammables sous forme de gaz, vapeurs ou poussières dans lequel, après inflammation, la combustion se propage à l’ensemble du mélange non brûlé.
Des normes et directives régissent la fabrication, l’utilisation des matériels conçus pour cette ambiance.

Face aux risques liés à ces zones, des normes principales CEI/EN relatives aux moteurs électriques ont été élaborées.

Les statistiques des accidents en Zone ATEX

  • Un total de 190 explosions de poussières a été répertorié entre 1903 et janvier 2010 dans les sites de production. Une explosion dans les silos de la SEMABLA situés sur le domaine portuaire à Blaye causa à elle seule la mort de 11 personnes.

Ces résultats sont issus d’une étude réalisée par l’organisme français du Bureau d’Analyse des risques et pollution industrielles (BARPI).

Activités concernées par les ambiances explosives poussiéreuses

De nombreux secteurs du secteur Industriel sont concernés :

Agroalimentaires
Pharmaceutiques
Minières
Bois
Plastiques et résines
Colorants synthétiques
Chimie fine (broyage, remplissage, filtration…)

L’origine des incendies et explosions en zone Atex

Trois éléments doivent être réunis pour provoquer un incendie ou une explosion :

Oxygène (dans l’air)
Source d’inflammation (flamme, étincelle, point chaud)
Poussière inflammable

Il faut au préalable que ces 3 éléments soient présents simultanément :
Présence d’un comburant (l’Air) d’un produit pulvérulent, combustible dans un état suffisamment divisé (une partie des particules doivent avoir un diamètre inférieur à 0,5 mm) d’une source d’inflammation : l’ action principale de cette source est d’élever localement le nuage de poussières à une température telle que la réaction d’oxydation responsable de la combustion se produise à une vitesse suffisante.
Ces trois conditions sont appelées le triangle de feu nécessaire à la combustion.

Hexagone de l’explosion

L’explosion est un cas particulier de la combustion en zone ATEX, car il s’agit d’une combustion ultra-rapide.

Pour qu’une combustion puisse être qualifiée en explosion 3 autre conditions sont nécessaires :
poussières en suspension,
être dans les limites d’explosivité
avoir un confinement suffisant : en l’absence de confinement, on obtient un phénomène de flambée (combustion rapide avec production d’une flamme importante mais généralement sans effet de pression notable)

1. La quantité d’oxygène présente dans l’atmosphère où se déroule la combustion doit être suffisante pour permettre cette combustion, cette teneur minimale est appelée Concentration Limite en Oxygène (CLO).

2. Poussières combustibles qui réagissent avec l’oxygène de l’air en dégageant de la chaleur (pyrolyse). Particules solides de diamètre inférieur à 0,5 mm qui restent en suspension dans l’air quelques temps avant de se déposer par gravité.

3. Les particules de poussières doivent être en suspension un temps suffisant pour que se produise l’explosion.

4. Pour provoquer une explosion la concentration de poussières dans l’air doit se situer entre deux valeurs : la Concentration Inférieure d’Explosion et la Concentration Supérieure d’Explosion.

5. Il est nécessaire d’avoir un échauffement des particules soit au travers d’une étincelle, d’une flamme, d’un point chaud.

6. C’est l’expansion thermique de la combustion des gaz de pyrolyse qui fait augmenter la pression interne d’une enceinte confinée. Le confinement n’est pas un élément déterminant mais influe sur le déroulement de l’inflammation.

Les poussières explosives, limites d’explosivité et concentrations limites en oxygène

Les poussières sont catégorisées en familles :

Familles de poussièresExemples
AgricolesAmidon (blé), blé en vrac, farine/froment, fécule de maïs, cacao, malt, riz, farine de soja, sucre, cellulose, farine de bois
MétalliquesAluminium broyé, en paillettes, pulvérisé, cuivre, étain, silicium, zinc
ChimiquesSavon, soufre, vitamine C, bisphénol A
Matières carbonéesAsphalte, charbon de bois, graphite, lignite
Plastiques, caoutchoucCaoutchouc brut, chloré, polyéthylène, polyester, polypropylène, mousse de polyuréthanne, viscose

 

Les conditions d’inflammabilité

Selon la nature des poussières :

CIE, la  limite inférieure de l’explosivité  est plus ou moins faible

• Les limites de concentrations maximales d’explosion (CSE) sont moins bien
définies que celles des gaz et sont rarement mesurées. En règle générale elles sont importantes (1 à 3 kg/m3).

Avec des valeurs si importantes on ne parle plus de « nuage ».

Limites d’explosivité de quelques poussières :

Nuage de poussièresConcentration minimale d’explosion (g/m3)
Toner60
Aluminium en poudre40
Résine époxydique20
Charbon de bois140
Amidon de blé25
Sucre45
Vitamine C70
Cacao75

Concentration limite en oxygène (%)

Proportion maximale d’oxygène pour prévenir l’explosion de poussière obtenue  par dilution de l’air avec du dioxyde de carbone ou de l’azote

Nuage de poussièresInertage au CO2Inertage au N2
Aluminium27
Amidon128
Cellulose139
Charbon
1511
Papier139
Vitamine C1512
Blé11

 

Les sources d’inflammation

Le déclenchement de l’incendie ou de l’explosion est dû à des facteurs divers :

• Étincelles d’origine électrique
Étincelles d’origine mécanique
Surfaces chaudes
Décharges électrostatiques
Flammes nues
Foudre
etc…

Autres conditions d’inflammation :

L’EMI est l’Énergie Minimale d’Inflammation qui doit être fournie aux poussières, sous forme d’une flamme ou d’une étincelle, pour provoquer l’inflammation.

La TAI  est la Température d’Auto Inflammation, soit la plus faible température d’une surface chaude au contact de laquelle le nuage de poussières s’enflamme spontanément.

Energie Minimale d’Inflammation (EMI)

Nuage de poussièresEMI (mJ) Nuage
Amidon (Blé)25
Blé (Vrac)60
Cacao100
Sucre30
Cellulose80
Farine/froment60
Lait en poudre50
Riz100

Température d’Auto-Inflammation (TAI)

Nuage de poussièresTAI (°C) – Couche
TAI (°C) – Nuage
Amidon (Blé)380400
Blé (Vrac)220500
Cacao240510
Sucre400370
Cellulose270480
Farine/froment440440
Lait en poudre200490
Riz450510

 

Normes et directives

Les normes IEC et les directives CE ont été mises en place pour la sécurité en zone ATEX.

Norme IEC
  • Créé par un comité d’experts techniques.
  • Périmètre: National (NF), régional (CEN, CENELEC) ou international (CEI, ISO)
  • L’application est volontaire. La norme sert de référence et est utile en cas de litige.
  • L’organisme de normalisation (CEI) n’a aucun pouvoir pour remédier aux abus.
Directive CE
  • Créé par des politiciens sans connaissance technique.
  • Périmètre : européen (UE)
  • L’application est obligatoire et soumise à la législation européenne. La directive s’applique à tous les états membres
  • Les législateurs européens et nationaux peuvent appliquer des sanctions

Directives Européennes ATEX

Des directives ont été mises en place pour la conception des
produits et la sécurité des travailleurs en atmosphère explosive. Les
textes sont appliqués par tous les états membres de l’union européenne
sont:

  •  ATEX 95 Directive produit 94/9/CE.  Obligatoire
    depuis le 30 juin 2003 cette directive européenne du 16 décembre 1999
    fixe les prescriptions minimales visant à améliorer la protection en
    matière de sécurité et de santé des travailleurs susceptibles d’être
    exposés au risque d’atmosphères explosives.  Elle est applicable par
    tout chef d’entreprise, responsable de l’exploitation d’une installation
    ou d’un procédé où une atmosphère explosible peut se former.4 éléments
    principaux sont définis par ce texte et concernent les obligations des
    utilisateurs concernant la prévention des explosions et de la protection
    contre ces dernières :

– Mesures techniques et organisationnelles appropriés au type d’exploitation
– Évaluation globale des risques d’explosion
– Subdivision en zone des emplacements où des atmosphères explosives peuvent être présentes
– Mise en place d’une signalisation des zones ainsi définies

  •  ATEX 137 Directive utilisateur 99/92/CE : elle établit des exigences minimales visant à améliorer la protection de la santé et la sécurité des travailleurs exposés au risques des atmosphères explosive
 

Classement des zones

Elle se fait en accord avec la directive 1999/92/CE et sous la responsabilité de l’utilisateur.

Description des zones dangereusesGaz et vapeursPoussières
Un emplacement où une atmosphère explosive est présente en permanence ou pendant de longues périodes ou fréquemment.Zone 0Zone 20
Un lieu où une atmosphère explosive peut se produire occasionnellement en fonctionnement normal.Zone 1Zone 21
Un emplacement où une atmosphère explosive
n’est pas susceptible de se présenter en fonctionnement normal ou, s’il
ne se présente néanmoins, pour une courte période (généralement pas plus
de 2 heures).
Zone 2Zone 22
Emplacement non dangereuxHors zoneHors zone

Exemple de classement de zones poussières

Les directives produits

ATEX 95 Directive produit (94/9/CE)

L’objectif de la directive 94/9/CE est d’assurer la libre circulation des produits au sein de l’Union Européenne.

La directive créé à partir de lArticle 95 du traité CE (ancien article 100A), prévoit des exigences et des procédures harmonisées pour assurer la conformité CE.

Elle s’applique à la fabrication, la transformation, la conception et la distribution de ces produits.

 

Directive produit (94/9/CE)

Directive ATEX – Origine

La directive fondatrice 89/391/CEE a été adoptée en juin 1989

Les États membres doivent accorder une attention particulière à promouvoir l’amélioration, notamment du milieu de travail, en ce qui concerne la santé et la sécurité des travailleurs, et se fixent comme objectif l’harmonisation des conditions dans ce domaine, tout en maintenant les améliorations apportées

La directive produits 94/9/EC (ATEX 95) a été publié en mars 1994 et obligatoire depuis juillet 2003.

Ce texte, qui concerne les fabricant de produits ATEX, aborde le procédé de fabrication en incluant la conception, la fabrication et la vente ainsi que les modalités de certification du produit.

Les produits ATEX, conformes à la directive produit, sont facilement reconnaissables par la présence sur ces derniers du symbole εx qui indique la protection en atmosphères explosives et le marquage CE qui certifie la conformité aux directives relatives aux produits utilisés et vendus au sein de la communauté européenne.
http://www.newapproach.org

Définition et normalisation

Deux groupes en fonction de l’utilisation : I (utilisation souterraine) et II (utilisation en surface)
Cinq catégories d’appareils : 2 en utilisation souterraine et 3 en surface.
Deux types d’atmosphère pour le groupe II: G (gaz) et D (poussière)

Appareils prévus pour être utilisé en mines

Groupe I (méthane et poussières conductrices)

Niveau de protection :
Catégorie d’appareils M1
Rester opérationnels, même en cas d’incidents rares de l’appareil en présence d’atmosphères explosives.

Catégorie d’appareils M2
Destiné à être mis hors tension en cas d’une atmosphère explosive.

Groupes d’appareils

Le groupe I d’appareils s’applique aux équipements destinés à être utilisés dans les travaux souterrains des mines, et dans les parties des installations de surface des mines, susceptibles d’être mises en danger par le grisou (gaz inflammable trouvée dans les mines de charbon, dont le méthane, qui sont explosifs à des concentrations comprises entre 4 % et 16%, avec plus de violence autour de 10%) et / ou des poussières combustibles.

Le groupe II d’appareils s’applique aux équipements destinés à être utilisés en d’autres emplacements (en surface) susceptibles d’être mises en danger par des atmosphères explosives.

Marquage Atex

Définition des informations complémentaires à celles définies par les normes EN/CEI :

Nom du fabricant

Adresse du fabriquant

Type, numéro de série

Année de Production

INERIS 00ATEX 5002 *

Organisme notifié / Numéro de certificat / Particularités du produit :
X : conditions particulières d’emploi figurant sur le certificat
U : le produit est un composant

Nouvelle directive produit (2014/34/UE)

La directive 2014/34/UE du 26 février 2014 est une refonte de la directive 94/9/CE. Elle est applicable depuis le 20 avril 2016. Pour le fabricant, il n’y a que peu de changement:
    • Aucun changement concernant les exigences essentielles en matière de santé et de sécurité pour la conception et la construction des appareils utilisé en atmosphères explosibles.
    • Aucun changement dans les procédures d’évaluation.
    • Une nouvelle attestation d’examen UE de type devra être émise.
    • Le fabricant rédigera une déclaration UE de conformité
La notice d’instructions fera référence à la nouvelle déclaration UE de conformité. Les modifications concernent:
    • La manière de notifier les organismes (accréditation préalable).
    • La procédure pour la mise en œuvre des relations entre Etats Membres (surveillance des marchés).
    • Un définition claire des responsabilités des distributeurs, revendeurs, importateurs de produits ATEX.
    • Changement de termes :
La déclaration UE de conformité remplace la déclaration CE de conformité. L’ONE émet une attestation d’examen UE de type.

Les normes principales CEI/EN relatives aux moteurs électriques

Normes et description des parties

CEI / ENPartieDescription
60079-0Atmosphères explosives  – Partie 0:Équipement  – règles générales
60079-1Atmosphères explosives – Partie 1:Protection de l’équipement par enveloppe antidéflagrante “d”
60079-2Atmosphères explosives – Partie 2:Protection de l’équipement par enveloppe à surpression interne  “p”
60079-7Atmosphères explosives – Partie 7:Protection de l’équipement par enveloppe à sécurité augmentée “e”
60079-10-1Atmosphères explosives – Partie 10-1:Classement des emplacements – Atmosphères explosives gazeuses
60079-10-2Atmosphères explosives – Partie 10-2:Classement des emplacements – Atmosphères explosives poussiéreuses
60079-14Atmosphères explosives – Partie  14:Conception, sélection et montage des installations  électriques
60079-15Atmosphères explosives – Partie 15:Protection de l’équipement par mode de protection non étincelant « n »
60079-17Atmosphères explosives – Partie 17:Inspection et entretien des installations électriques
60079-19Atmosphères explosives – Partie 19:Réparation, révision et remise en état de l’équipement
60079-31Atmosphères explosives – Partie 31:Protection de l’équipement par enveloppe “t” contre l’inflammation des poussières

 

Les modes de protection et leurs symboles

Tableau de synthèse corrélant les modes de protection Ex avec les classements des zones ATEX
(Note : les moteurs électriques ne sont pas concernés par la zone 0)

 

SymboleModes de protectionPrincipe
Ex dAntidéflagrantContenir une explosion interne, et prévenir la propagation vers l’environnement extérieur.
Ex deAntidéflagrant avec boite à bornes à sécurité augmentéeSimilaire à l’Ex d, mais une attention spéciale à la boite à bornes.
Ex eSécurité augmentéePrévenir l’apparition d’arcs ou des étincelles en fonctionnement normal ou dans des conditions anormales spécifiées.
Ex nAnti-étincellesPrévenir l’apparition d’arcs ou des étincelles ou toute autre source d’inflammation en fonctionnement normal.
Ex tb Protection  contre les poussières (Zone 21)Empêcher la pénétration de poussières à l’intérieur de l’enveloppe .
Ex tcProtection  contre les poussières (Zone 22)
Ex pSurpression interneEmpêcher la formation ou l’entrée d’une atmosphère explosive à l’intérieur de l’enveloppe.

Mode de protection Extb – Extc

Exigences de l’ Extb – Extc CEI 60079-31

Le déclenchement de l’incendie ou de l’explosion est dû à des facteurs divers :

• Type de protection pour atmosphères de poussières combustibles.

Les appareils électriques ont une enveloppe qui assure la protection contre la pénétration de poussière
(les couches de poussière sont interdites à l’intérieur de l’enveloppe).

Les équipements électriques doivent être conçus de manière à limiter la température de surface pour éviter l’inflammation d’une couche ou des brouillards de poussières. Il est également impératif de disposer de protections visant à limiter l’élévation de la température.

Type de protection pour les atmosphères de poussières explosives où le matériel électrique possède une enveloppe qui assure un degré de protection contre la pénétration de poussière et un moyen limitant la température de surface.

Les avantages du moteur asynchrone triphasé​

L’indice de protection indique l’étanchéité requise des produits et moteurs électriques pour une catégorie donnée.

IP X X

= Indice de protection

1er chiffre : protection contre les corps solides (5 : poussière – 6 : étanche)
2e chiffre : protection contre liquides

Emplacement dans lequel l’appareil peut être installé :Catégorie autoriséeÉtanchéité requise
Zone 211DIP 6X
2DIP 6X
Zone 22Poussière conductrice1DIP 6X
2DIP 6X
Poussière non conductrice3DIP 5X
INDICES DE PROTECTION
IP1er chiffre2e  Chiffre
 Protection contre les corps solidesProtection contre les liquides
0non protégénon protégé
1supérieurs à 50 mm de diamètregouttes d’eau verticales
2supérieurs à 12,0 mm de diamètregouttes d’eau à 15º de la verticale
3supérieurs à 2,5 mm de diamètreeau en pluie
4supérieurs à 1,0 mm de diamètreprojection d’eau
5poussières sans dépôt nuisiblejets d’eau
6étanchepaquets de mer
7immersions temporaires
8immersions prolongées

Essais IP réalisés avec de l’eau chez WEG

Essais IP réalisés avec des poussières

Le Moteur électrique ATEX W22 X

Marquage suivant la directive ATEX et les normes CEI

A titre de comparaison, exemple de marquage pour moteur DIP Zone 21 :

  • Mêmes règles sous ATEX que Protection contre les gaz, avec l’ajout de la protection IP de l’équipement.
  • La zone 22 (Ex tc / IIIB) doit être IP5X4
  • Zone 21 (Ex tb / IIIC) à IP6X
  • La température superficielle maximale suppose des couches de poussière jusqu’à 5 mm et est calculée sur la base de M.S.T. d’équipement Cat 3 T3 (200 ° C) moins 75K = 125 ° C
Les moteurs protégés contre la poussière dans le système IEC Ex suivent les mêmes marquages que pour le gaz avec l’ajout de la protection IP.

En savoir plus sur les risques ATEX sur sites de production

Les leçons du passé : catastrophe de Blaye

Une explosion a eu lieu le 20 août 1997 dans les silos de la SEMABLA situés sur le domaine portuaire à Blaye. Les installations étaient sur la rive droite de l’estuaire de la Gironde.  Les céréales stockées étaient principalement de l’orge et du blé. Le silo vertical, haut de 40 mètre et long d’une centaine de mètres s’est effondré en partie centrale et en partie nord. Le bilan humain fut très lourd avec 11 personnes tuées. L’ambiance  poussiéreuse et sans doute un ventilateur du circuit de dépoussiérage furent à l’origine de cette catastrophe.

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