Fiabilité des installations industrielles sous impact de fragments de structures - Effet domino

par Quoc Bao Nguyen

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Ahmed Mébarki.

Le jury était composé de Ahmed Mébarki, Alaa Chateauneuf, Valerio Cozzani, Ulrich Hauptmanns, Hervé Couque, Frédéric Mercier.

Les rapporteurs étaient Alaa Chateauneuf, Valerio Cozzani, Ulrich Hauptmanns.


  • Résumé

    La plupart des sites industriels abritent des équipements et des réservoirs sous pression. Pour des raisons diverses (suppression, impact mécanique, surchauffe ou autre), ils peuvent être endommagés et même éclater. Cette explosion peut engendrer de nombreux projectiles. Au cours de leur vol, ces derniers peuvent impacter d’autres équipements, tels que des réservoirs sous pression ou d’autres installations sensibles (poste de commande, par exemple). Si une des cibles impactées subit une ruine mécanique, elle peut exploser et générer une nouvelle série de projectiles. Ces projectiles menacent, à leur tour, d’autres installations et ainsi de suite. Ce type d’enchaînement accidentel catastrophique est connu sous le nom d’effet domino ou de suraccident. Dans ce document, l’effet domino pouvant se produire sur des sites industriels est analysé au travers des projections produites par l’accident initial. Une approche probabiliste globale est ainsi développée dans laquelle le calcul de la probabilité d’occurrence du phénomène requiert le passage par quatre étapes : - Analyse des termes sources : les projectiles générés par l’explosion d’un réservoir ont différentes caractéristiques, à savoir le nombre de projectiles, la forme, la masse, la vitesse de départ et les angles de départ. Toutes ces grandeurs sont modélisées par des variables aléatoires. A l’aide du principe du maximum d’entropie et des données existantes, des distributions probabilistes sont développées pour toutes ces variables. On se limite, cependant, au cas de l’explosion d’un réservoir cylindrique ou sphérique. – Analyse de l’impact ou analyse du mouvement : la trajectoire d’un projectile (ou fragment de structure), en fonction de ses caractéristiques de départ, est décrite par une combinaison des effets d’inertie, de gravitation et d’aérodynamique. Une approche simplifiée faisant l’hypothèse de constance des coefficients aérodynamiques permet d’identifier analytiquement la trajectoire du projectile tandis qu’une solution numérique est obtenue par une approche complète où toutes les valeurs de ces coefficients sont prises en compte.Les mouvements de translation et de rotation sont également étudiés. A l’aide de l’analyse complète et des conditions d’impact, la probabilité d’impact est déterminée. L’étude est restreinte à des projectiles en forme de fond de réservoir, fond oblong de réservoir et plaque. Les formes des cibles de l’étude sont restreintes au cas ellipsoïdal, cylindrique et cubique. – Analyse de l’état des cibles impactées : dans un premier temps, des modèles simplifiés d’impact sont utilisés afin d’étudier l’interaction mécanique entre les projectiles et les réservoirs impactés. Un modèle mécanique complet comprenant une loi de comportement élasto-plastique et un modèle de rupture est également proposé. Ce modèle est ensuite implémenté dans un code de calcul sans maillage de type SPH, i.e. Smoothed Particle Hydrodynamics. Afin d’estimer la probabilité de rupture des réservoirs impactés, les modèles simplifiés sont mis en œuvre, ce qui permet de réduire le coût de calcul. – Occurrence du sur-accident : selon l’état mécanique résiduel de la cible et son état physique (conditions thermodynamiques, niveau de remplissage, etc.), l’impact de projectiles peut conduire à la poursuite du pnénomène. Ce dernier point n’est pas traité dans le document présenté

  • Titre traduit

    Reliability of industrial vessels under impact of structural fragments - Domino effect


  • Résumé

    Industrial facilities, such as vessels under pressure, might be damaged by explosions caused by an overpressure, an exterior mechanical impact or an overheating for instance. In general, such explosions generate many structural fragments. During their flight, these projectiles may impact other facilities, such as vessels under pressure, in the vicinity. Under given conditions of pressure and mechanical damage, these impacted targets may explode and generate other sets of structural fragments, and so on. This kind of scenario corresponds to the so-called domino effect. In this document, the domino effect caused by projections that may occur in the industrial sites is analyzed with a stochastic framework. For this purpose, a global methodology is developed. The determination of the occurrence probability of this effect requires four steps : - source terms analysis : the structural fragments generated by vessels explosions have different features, i.e. number of fragments, shape, mass, departure velocity and departure angles. These features are considered as random variables. Based on the maximum entropy principle and according to existing data, the probabilistic distributions are developed for each variable. This study focuses on the case of explosions in cylindrical or spherical vessels. – Fragments motion and impact analysis : according to the fragments features at their departure, the fragment trajectory is evaluated under the effects combined from the inertia, the gravitation and the aerodynamics. The simplified approach, under the hypothesis of constant aerodynamic coefficients, allows the analytical description of the trajectory whereas the numerical solutions are obtained for the complete approach when these coefficients vary. The translational as well as rotational movements are also considered. Monte Carlo simulations are performed in order to estimate the probability of impact. Three fragments shapes are considered : end-cap, oblong end-cap and plate. Three main shapes are investigated for the targets : ellipsoidal, cylindrical and cubic vessels. – Analysis of the mechanical behaviour of the impacted targets : simplified models are developed in order to study the mechanical interaction between the fragments and the impacted targets. A complete mechanical model, including elastic-plastic behaviour and a fissure model are also proposed. This model is then implemented in the mesh-free code (Smoothed Particles Hydrodynamics). In order to estimate the rupture probability of the impacted targets, the simplified models are used, reducing therefore the calculation duration. – Domino effect occurrence : according to its residual bearing capacity and its internal physical conditions, the impacted target may give rise to a new sequence of explosions and fragments generation. This last point is not studied in this document


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