ÉLECTRICITÉ STATIQUE
3.1 Principes de l'électrostatique .1 Résumé .1 Résumé
Chapitre 3
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3.1.2 Séparation de charge
Lorsque deux matériaux différents entrent en contact, une séparation de charge se produit à l'interface.
L'interface peut être située entre deux solides, entre un solide et un liquide ou entre deux liquides non miscibles. A l'interface, une charge d'une polarité (par exemple positive) se déplace du matériau A au matériau B de sorte que les matériaux A et B sont respectivement chargés négativement et positivement.
Lorsque les matériaux restent en contact et immobiles l'un par rapport à l'autre, les charges sont extrêmement rapprochées. La différence de tension entre les charges de polarité opposée est alors très faible et il n'existe aucun risque. Toutefois, lorsque les matériaux se déplacent l'un par rapport à l'autre, les charges peuvent être séparées et la différence de tension est augmentée.
Les charges peuvent être séparées par de nombreux processus. Par exemple :
• Le flux de produit liquide dans les tuyaux.
• L'écoulement à travers des filtres fins (moins de 150 microns) qui ont la capacité de charger des produits jusqu'à un niveau très élevé, en raison du fait que la totalité du produit entre en contact étroit avec la surface du filtre, où se produit la séparation de charge.
• Les contaminants, tels que les gouttelettes d'eau, la rouille ou d'autres particules se déplaçant par rapport au produit en raison des turbulences subies par le produit pendant qu'il coule dans les tuyaux.
• La sédimentation d'un solide ou d'un liquide non miscible à travers un liquide (par exemple de l'eau, de la rouille ou d'autres particules dans le produit). Ce processus peut se poursuivre jusqu'à 30 minutes après la fin du chargement d'une citerne.
• Des bulles de gaz s'élevant à travers un liquide (par exemple de l'air, un gaz inerte introduit dans une citerne par la purge de conduites de cargaison ou de la vapeur du liquide lui-même, libérée lorsque la pression a baissé). Ce processus peut également durer jusqu'à 30 minutes après la fin du chargement.
• Des turbulences et projections durant les premières phases de chargement du produit dans une citerne vide. Il s'agit d'un problème à la fois dans le liquide et dans le brouillard qui peut se former au-dessus du liquide.
• L'éjection de particules ou de gouttelettes provenant d'une tuyère (par exemple durant des opérations d'injection de vapeur ou durant l'injection de gaz inerte).
• Les projections ou l'agitation d'un liquide contre une surface solide (par exemple des opérations de lavage à l'eau ou les étapes initiales du remplissage d'une citerne avec le produit).
• Le frottement vigoureux l'un contre l'autre de certains polymères synthétiques, suivi de leur séparation (par exemple le glissement d'une corde en polypropylène entre des mains gantées).
Lorsque les charges sont séparées, une grande différence de tension peut se développer entre elles. Une répartition de tension se fait également dans l'espace voisin et ceci est appelé un champ électrostatique. Des exemples de ceci sont :
• La charge d'un liquide dans une citerne produit un champ électrostatique dans toute la citerne, à la fois dans le liquide et dans l'espace creux,
• La charge d'un brouillard d'eau formé par le lavage des citernes produit un champ électrostatique dans toute la citerne.
Si un conducteur non chargé est présent dans un champ électrostatique, il présente à peu près la même tension que la zone qu'il occupe. En outre, le champ provoque un mouvement de charge dans le conducteur, une charge d'une polarité est attirée par le champ vers une extrémité du conducteur et une charge égale de polarité opposée reste à l'extrémité opposée. Les charges ainsi séparées sont appelées "charges induites" et, tant qu'elles sont maintenues séparées par la présence du champ, elles sont capables de contribuer à une décharge électrostatique.
3.1.3 Accumulation de charge
Des charges qui ont été séparées tentent de se recombiner et de se neutraliser mutuellement. Ce processus est appelé "relaxation de la charge". Si un seul des matériaux séparés présentant une charge, voire les deux, est très peu conducteur, la recombinaison est entravée et le matériau retient et accumule la charge. La période durant laquelle la charge est retenue est fonction du délai de relaxation du matériau, lui-même lié à la conductivité ; plus la conductivité est faible, plus long sera le délai de relaxation.
Si un matériau présente une conductivité relativement élevée, la recombinaison des charges est très rapide et peut contrecarrer le processus de séparation et par conséquent peu ou pas d'électricité statique s'accumule sur le matériau. Un tel matériau très conducteur ne peut conserver ou accumuler des charges que s'il est isolé par un mauvais conducteur et le taux de perte de charge dépend alors du temps de relaxation de ce matériau moins conducteur.
Les facteurs importants qui régissent la relaxation sont donc les conductivités électriques des matériaux séparés, des autres conducteurs à proximité, tels que la structure du bateau-citerne et de tous matériaux supplémentaires susceptibles d'être placés entre eux après leur séparation.
3.1.4 Décharges électrostatique
Une décharge électrostatique se produit lorsque le champ électrostatique devient trop fort et que la résistance électrique d'un matériau isolant cède soudainement. Lorsque ceci se produit, le flux progressif et la recombinaison de charge associée à la relaxation est remplacé par une soudaine recombinaison de flux qui génère une chaleur locale élevée (par exemple une étincelle) qui peut être une source d'inflammation si ceci se produit dans une atmosphère inflammable. Bien que tous les moyens d'isolement puissent être affectés par les claquages et les décharges électrostatiques, la principale préoccupation lors des opérations à bord d'un bateau-citerne est la prévention des décharges dans l'air ou la vapeur, de manière à éviter toute source d'ignition.
Les champs électrostatiques dans les citernes ou les compartiments ne sont pas uniformes en raison de la forme des citernes et de la présence de protubérances internes conductrices, telles que des sondes et des éléments de la structure. L'intensité du champ est renforcée autour de ces protubérances et, par conséquent, c'est là que se produisent généralement les décharges. Une décharge peut se produire entre une protubérance et un conducteur isolé ou seulement entre une protubérance et l'espace dans son voisinage, sans que ne soit atteint un autre objet.
3.1.4.1 Types de décharge
Les décharges électrostatiques peuvent prendre la forme d'une "décharge en couronne", d'une "aigrette électrique", d'une "étincelle" ou d'une décharge glissante de surface, comme décrit ci-après :
La décharge en couronne est une décharge diffuse à partir d'un seul bon conducteur qui libère lentement une partie de l'énergie disponible. En règle générale, une couronne à elle seule est incapable d'enflammer un gaz.
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La décharge en aigrette est une décharge diffuse à partir d'un objet très chargé non-conducteur vers un seul non-conducteur arrondi, qui est plus rapide que la couronne et qui libère davantage d'énergie. Une décharge en aigrette est en mesure d'enflammer des gaz et vapeurs. Voici des exemples de décharges en aigrette :
• Entre un dispositif d'échantillonnage conducteur descendu dans une citerne et la surface d'un liquide chargé.
• Entre une protubérance conductrice (par exemple une machine fixe de lavage de la citerne) ou un élément de la structure et un liquide chargé, en cours de chargement avec un débit élevé.
L'étincelle est une décharge presque instantanée entre deux conducteurs, où la quasi-totalité de l'énergie dans le champ électrostatique est convertie en chaleur susceptible d'enflammer une atmosphère inflammable. Voici des exemples d'étincelles :
• Entre un objet conducteur non mis à la masse flottant à la surface d'un liquide chargé et la structure adjacente de la citerne.
• Entre des équipements conducteurs non mis à la masse suspendus dans une citerne et la structure adjacente de la citerne.
• Entre des outils ou matériaux conducteurs laissés en place après des travaux de maintenance s'ils sont isolés par un torchon ou un morceau de bâche.
Les étincelles peuvent provoquer une ignition si différentes conditions sont réunies.
Celles-ci comprennent :
• Un espace de décharge suffisamment court pour permettre à la décharge de se produire en présence de la différence de tension, mais pas court au point que toute flamme qui en résulterait soit éteinte.
• Suffisamment d'énergie électrique pour fournir le minimum d'énergie nécessaire pour initier la combustion.
La décharge glissante de surfaceest une décharge rapide et à énergie très élevée à partir d'une feuille d'un matériau de haute résistivité et de rigidité diélectrique élevée, dont les deux surfaces sont très chargées, mais de polarité opposée. La décharge est initiée par une connexion électrique (court-circuit) entre les deux surfaces. La feuille bipolaire peut être "en suspension dans l'espace" ou, ce qui est plus courant, peut avoir une surface en contact étroit avec un matériau conducteur (normalement mis à la masse).
Le court-circuit peut être réalisé :
• En perçant la surface (mécaniquement ou avec un appareil électrique).
• En approchant simultanément les deux surfaces avec deux électrodes connectées électriquement.
• Lorsque l'une des surfaces est mise à la masse, en touchant l'autre surface avec un conducteur mis à la masse.
Une décharge glissante de surface peut présenter une énergie très élevée (1 joule ou plus) et peut par conséquent facilement enflammer un mélange inflammable.
Des études scientifiques ont montré que les revêtements époxy d'une épaisseur supérieure à 2 mm sur les citernes, les tuyaux de remplissage et les raccords peuvent réunir des conditions dans lesquelles il existe une possibilité de décharge glissante de surface. Dans ces cas, il conviendrait de consulter des experts sur la nécessité d'une mise à la masse de la cargaison. Toutefois, à bord de la plupart des bateaux-citernes, l'épaisseur des revêtements époxy n'est généralement pas supérieure à 2 mm.
3.1.4.2 Conductivité
Les matériaux et produits liquides qui sont manipulés par les bateaux-citernes et les termi-naux sont classés comme étant non-conducteurs, semi-conducteurs (dans la plupart des normes électrostatiques le terme "dissipatifs" est désormais préféré à "semi-conducteurs) ou conducteurs.
Matériaux non-conducteurs
Ces matériaux ont des conductivités si faibles qu'une fois qu'ils ont reçu une charge, ils la conservent sur une très longue période. Les non-conducteurs peuvent empêcher la perte de charge des conducteurs en agissant comme des isolants. Les non-conducteurs chargés sont une source de préoccupation parce qu'ils peuvent générer des décharges en aigrette incendiaires vers un conducteur mis à la masse situé à proximité et parce qu'ils peuvent transférer une charge, ou induire une charge sur des conducteurs isolés voisins qui peuvent ensuite provoquer des étincelles.
Les liquides sont considérés comme des non-conducteurs quand leur conductivité est infé-rieure à 50 pS/m (pico Siemens/mètre). Ces liquides sont souvent appelés accumulateurs statiques. Il convient de se référer à la FDS(P) d'un produit pour connaître sa conductivité.
Les solides non-conducteurs comprennent les matières plastiques, telles que le polypropylène, le PVC, le nylon et de nombreux types de caoutchouc. Ils peuvent devenir plus conducteurs si leurs surfaces sont contaminées par la saleté ou de l'humidité. (Les précautions à prendre lors du chargement d'huiles accumulatrices de charge électrostatique sont abordées à la section 11.1.7.)
Matériaux semi-conducteurs (ou matériaux dissipatifs ou conducteurs intermédiaires)
Les liquides de cette catégorie intermédiaire ont des conductivités dépassant 50ps/m et, avec les liquides conducteurs, ils sont souvent appelés des non-accumulateurs statiques.
Les solides dans cette catégorie intermédiaire comprennent généralement des matériaux tels que bois, le liège, le sisal et des substances organiques naturelles. Ils doivent leur conductivité à leur facilité d'absorption d'eau et ils deviennent plus conducteurs lorsque que leurs surfaces sont contaminées par l'humidité et la saleté. Toutefois, lorsqu'ils sont neufs ou soigneusement nettoyés et séchés, leur conductivité peut être suffisamment faible pour les placer dans la catégorie des non-conducteurs.
Si les matériaux de la catégorie de conductivité intermédiaires ne sont pas isolés de la terre, leurs conductivités sont suffisamment élevées pour empêcher l'accumulation d'une charge électrostatique. Toutefois, leurs conductivités sont normalement suffisamment basses pour inhiber la production d'étincelles électriques.
Avec les matériaux possédant des conductivités intermédiaires, le risque de décharge électrostatique est faible, surtout si les recommandations du présent Guide sont observées, et le risque qu'ils puissent être une source d'ignition est encore plus faible.
Toutefois, la prudence est toujours recommandée en présence de conducteurs intermédiaires, étant donné leurs conductivités dépendent de nombreux facteurs et que leur conductivité réelle n'est pas connue.
Matériaux conducteurs
Pour les solides, il s'agit de métaux et pour les liquides il s'agit de toute la gamme des solutions aqueuses, y compris l'eau de mer. Le corps humain, composé d'environ 60 % d'eau, est en fait un conducteur liquide. De nombreux alcools sont des conducteurs liquides.
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La propriété importante de conducteurs est qu'ils sont incapables de conserver une charge à moins d'être isolés, mais aussi que, lorsqu'ils sont isolés et chargés et qu'une opportunité de décharge électrique se présente, l'intégralité de la charge disponible est presque instantanément libérée sous la forme d'une décharge potentiellement incendiaire.
Le tableau 3.1 fournit des informations sur la valeur typique de conductivité et la classification d'une série de produits :
Produit Conductivité typique
(pico Siemens/mètre) Classification Non-conducteurs
Xylène 0.1 Accumulateur
Essence (distillation directe) 0.1 to 1 Accumulateur Diesel (teneur ultra-faible en soufre) 0.1 to 2 Accumulateur Huile de lubrification (base) 0.1 to 1,000* Accumulateur Carburéacteur commercial 0.2 to 50 Accumulateur
Toluène 1 Accumulateur
Kérosène 1 to 50 Accumulateur
Diesel 1 to 100* Accumulateur
Cyclohexane <2 Accumulateur
Essence de moteurs 10 to 300* Accumulateur Semi-conducteurs
Fiouls avec additifs antistatiques 50 to 300 Non-accumulateur Fiouls noirs lourds 50 to 1,000 Non-accumulateur
Brut conducteur >1,000 Non-accumulateur
Bitumes >1,000 Non-accumulateur
alcools 100,000 Non-accumulateur
Cétones 100,000 Non-accumulateur
Conducteurs
Eau distillée 1,000,000,000 Non-accumulateur
Eau 100,000,000,000 Non-accumulateur
Tableau 3.1 - Conductivité type de produits
3.1.5 Propriétés électrostatiques des gaz et brouillards
Dans des conditions normales, les gaz sont très isolants et cela a des implications importantes en ce qui concerne les brouillards et particules en suspension dans l'air ainsi que pour d'autres gaz. Les brouillards chargés sont formés lors de l'éjection d'un liquide par une tuyère, par exemple :
• Les produits pénétrant à grande vitesse dans une citerne vide.
• La condensation de vapeur humide.
• L'eau des machines de lavage des citernes.
Bien que le liquide, par exemple l'eau, puisse présenter une conductivité très élevée, la relaxation de la charge sur les gouttelettes est entravée par les propriétés isolantes du gaz environnant. Les particules fines présentes dans les gaz de combustion inertes ou créées lors de la libération de dioxyde de carbone liquide sous pression sont fréquemment chargées. La relaxation progressive de la charge qui se produit est le résultat du dépôt des particules ou des gouttelettes et, si l'intensité du champ est élevée, de la décharge en couronne aux protubérances. Dans certaines circonstances, des décharges présentant une énergie suffisante pour enflammer des mélanges de gaz de produit et d'air peuvent survenir. Voir aussi la section 3.3.4.
3.2 Précautions générales face aux risques électrostatiques 3.2.1 Vue d'ensemble
A chaque fois qu'une atmosphère inflammable est susceptible d'être présente, les mesures suivantes doivent être prises pour prévenir les risques électrostatiques :
• La mise à la masse des objets métalliques à la structure métallique du bateau-citerne pour éliminer le risque de décharges électriques entre des objets métalliques qui pourraient être isolés électriquement. Ceci inclut les composants métalliques de tout équipement utilisé pour le sondage, le jaugeage par le creux et l'échantillonnage.
• L'enlèvement des citernes ou autres zones dangereuses de tous les objets conducteurs non fixés qui ne peuvent pas être mis à la masse.
• La limitation de la vitesse linéaire de la cargaison à un maximum de 1 mètre par seconde aux entrées individuelles des citernes pendant les phases initiales de chargement, soit jusqu'à ce que :
a) le tuyau de remplissage et toute autre structure au fond de la citerne aient été submergés sur une hauteur correspondant au double du diamètre du tuyau de chargement, afin que toutes les projections et turbulences en surface aient cessé,
b) toute eau recueillie dans la conduite ait été évacuée. Il est nécessaire de charger à ce rythme restreint sur une période de 30 minutes ou jusqu'à ce que deux volumes de conduite (c'est à dire de la citerne à terre à la citerne du bateau) aient été chargés dans la citerne, en retenant la solution la plus rapide des deux.
Edition 1 - 2010 © CCNR/OCIMF 2010 Page 58 Nombre de citernes ouvertes – Vitesse en m3/h
Diamètre 1 2 3 4 5 6 7 8
6'' / 150 mm 65 130 200 260 325 390 450 520
8'' / 200 mm 120 240 350 460 580 700 820 -
10'' / 250 mm 180 360 540 720 910 - - -
12'' / 300 mm 260 520 780 - - - - -
Tableau 3.2 – Equivalence des taux de chargement et de la vitesse d'écoulement d'1 mètre/seconde (phase initiale du chargement) Voir aussi les sections 7.3.3.2 et 11.1.7.3
• Continuer à limiter l'écoulement du produit à un maximum de 1 m/s à l'entrée de la citerne durant la totalité de l'opération, sauf si le produit est "propre". Un produit
"propre" dans ce contexte est un produit contenant moins de 0,5 % en volume d'eau libre ou d'autres liquides non miscibles et moins de 10 mg/l de matières en suspension. 1.
• Éviter les éclaboussures lors du remplissage en utilisant l'entrée du bas et en utilisant un tuyau de remplissage aboutissant à proximité du fond de la citerne.
Les précautions suivantes doivent être prises contre l'électricité statique pendant le jaugeage par le creux, le sondage ou la prise d'échantillons de produits qui sont des accumulateurs statiques :
• Interdiction de l'utilisation de tout équipement métallique pour le sondage, le jaugeage par le creux et la prise d'échantillons durant le chargement et pendant 30 minutes après la fin du chargement. Après la période d'attente de 30 minutes, les équipements métalliques peuvent être utilisés pour le sondage, le jaugeage par le creux et la prise d'échantillons, mais ils doivent être mis à la masse de manière efficace et mis à la masse à la structure du bateau-citerne avant qu'ils ne soient introduits dans la citerne et ils doivent rester à la terre jusqu'après leur enlèvement.
• Interdiction de l'utilisation de tous les récipients non métalliques d'une contenance supérieure à 1 litre pour le sondage, le jaugeage et la prise d'échantillons durant le chargement et pendant 30 minutes après la fin du chargement.
Les récipients non métalliques d'une contenance inférieure à 1 litre peuvent être utilisés à tout moment pour la prise d'échantillons dans les citernes, à condition qu'ils n'aient pas été frottés avant la prise d'échantillons. Le nettoyage avec un nettoyant spécial à haute conductivité, un solvant tel que le mélange 70 : 30 Isopropanol (IPA) : Toluène ou de l'eau savonneuse est recommandé pour réduire la génération de charge. Pour éviter de le charger, le récipient ne doit pas être essuyé pour le sécher après le lavage.
1 CENELEC Technical Report CLC/TR 50404, “Electrostatics - Code of Practice for the Avoidance of Hazards Due to Static Electricity, juin 2003.
Les opérations effectuées au moyen d'un tuyau de sonde correctement conçu et installé sont possibles à tout moment. Il n'est pas possible qu'une charge significative s'accumule sur la surface du liquide à l'intérieur de ce tuyau de sonde et par conséquent aucun délai d'attente n'est nécessaire. Toutefois, les précautions à prendre pour éviter l'introduction d'objets chargés dans une citerne demeurent applicables et si des équipements métalliques sont utilisés, ils doivent être mis à la masse avant d'être insérés dans le tuyau de sonde.
Des indications détaillées sur les précautions à prendre lors du jaugeage par le creux, du sondage et de la prise d'échantillons d'huiles accumulatrices de charge électrostatique figurent à la section 11.8.2.3. Ces précautions doivent être rigoureusement respectées pour éviter les risques liés à l'accumulation d'une charge électrique sur la cargaison.
3.2.2 Métallisation
La principale mesure de prévention à prendre pour éviter un risque électrostatique est de métalliser (relier entre eux) tous les objets métalliques pour éliminer les risques de décharge entre des objets susceptibles d'être chargés et qui sont isolés électriquement.
Pour éviter les décharges des conducteurs à la terre, il est courant d'établir une liaison avec la terre (mise à la masse" ou "mise à la terre"). A bord des bateaux-citernes, la mise à la masse est réalisée de manière efficace par la connexion d'objets métalliques à la structure métallique du bateau-citerne, lequel est naturellement mis à la masse par l'eau.
Quelques exemples d'objets qui pourraient être isolés électriquement dans des situations dangereuses et qui doivent donc par conséquent être métallisés :
• Raccords et brides de tuyaux bateau-terre, sauf pour la bride isolante ou le tuyau d'une seule longueur réalisé en un matériau non-conducteur nécessaire pour assurer un isolement électrique entre le bateau et la terre. (Voir la section 17.5.)
• Machines portables de lavage des citernes.
• Equipements manuels de jaugeage par le creux et de prises d'échantillons comportant des éléments conducteurs.
• Flotteur d'un dispositif fixe de jaugeage par le creux, si sa conception ne prévoit pas un chemin de mise à la masse via le ruban métallique.
Le meilleur moyen de garantir la métallisation et la mise à la masse est généralement une connexion métallique entre les conducteurs. D'autres moyens de métallisation sont possibles et se sont avérés efficaces dans certaines applications, par exemple les tuyaux semi-conducteurs (dissipatifs) et les joints toriques, plutôt que les couches métalliques intégrées, pour les tuyaux en PRV et leurs raccords en métal.
Tous les moyens de mise à la masse et de métallisation utilisés pour prévenir les risques liés à l'électricité statique et aux équipements portables doivent être connectés à chaque fois que l'équipement est mis en place et ne doivent pas être déconnectés jusqu'à ce que les équipements ne soient plus utilisés.