4.6 Comportementaéraulique et mécaniqueÉquipements de sectorisationet de confinement soumis à des contraintes de pression sévères

L’IRSN poursuit des études concernant le maintien du confinement des substances à l’intérieur des installations en situation dégradée ou accidentelle de fonctionnement, avec la réalisation d’essais menés

sur l’installation STARMANIA.Ces essais visent à caractériser le comportement aéraulique et mécaniqued’équipements de confinement et de sectorisation lorsqu’ils sont soumis àdes contraintes de pression sévères.L’acquisition de telles données expérimentales sert à améliorer l’évaluation dela sûreté des installations, notamment via le développement et laqualification de modèles aérauliques utilisés dans les codes de calcul traitantde la modélisation des transferts de contamination.

Sûreté des installations, scénarios d’accidents30

Le programme expérimental STARMANIA

Mené par l’IRSN depuis 2001, le programme expérimental STARMANIA a pour but de caractériser le

comportement aéraulique et mécanique d’équipements de confinement et de sectorisation soumis à des

contraintes représentatives de situations dégradées ou accidentelles de fonctionnement [1]. Les campa-

gnes d’essais réalisées entre 2002 et 2004 s’inscrivent dans le cadre d’un programme d’intérêt commun

(PIC) regroupant l’IRSN et COGEMA ou dans le cadre de réexamens de sûreté (VD3 900). En effet, les

expériences et simulations numériques menées en particulier à l’IRSN ont montré un manque de

connaissance de la caractérisation du comportement de certains équipements, notamment des effets de

pression caractéristiques du développement d’un feu en milieu confiné. Plusieurs campagnes expérimen-

tales ont été réalisées sur des clapets et des portes coupe-feu utilisés dans les installations nucléaires

françaises. Les résultats acquis ont permis de définir les plages de fonctionnement des différents équipe-

ments testés en évaluant les valeurs des contraintes de pression responsables de la dégradation des équi-

pements, valeurs que l’on qualifie de résistances mécaniques. Les résultats obtenus ont également per-

mis d’élaborer des lois d’évolution du degré d’étanchéité des équipements en déterminant l’évolution de

31

Laurent BOUILLOUX Laboratoire d’expérimentation en confinement,

épuration et ventilation

IRSN - Rapport scientifique et technique 2005

4 .6

la résistance aéraulique en fonction du niveau de contraintes appliqué.

Rappelons que la résistance aéraulique est une donnée intrinsèque de

l’équipement qui permet de relier la valeur du débit de fuite à la valeur

de la pression différentielle appliquée, sous la forme d’une équation

fonction de la nature de l’écoulement, de type : ∆(Pβ)/Pχ = R f(Qα), avec

∆P : pression différentielle ; P : pression en amont ou en aval de l’équipe-

ment ; Q : débit de fuite ; R : résistance aéraulique.

La station d’essais STARMANIA

Implantée sur le site de Saclay, la station d’essais STARMANIA permet

de déterminer la résistance mécanique d’équipements (portes, clapets,

filtres, etc.) et leur degré d’étanchéité (débits de fuite gazeux et particu-

laires) afin d’évaluer les transferts possibles des fumées d’un incendie et

de la contamination dans l’installation. Trois paramètres ont été retenus

pour caractériser les contraintes résultant du développement de condi-

tions anormales de fonctionnement : la pression, la température et

l’humidité relative. Seules des contraintes de pression et de tempéra-

ture, couplées ou non, ont été appliquées sur les équipements lors

d’essais réalisés sur les portes et les clapets coupe-feu. Les amplitudes

maximales de ces deux derniers paramètres d’étude ont été déterminées

Figure 1 : Schéma de principe de la station d’essais STARMANIA.

Soufflante aéraulique

Piège à débris

Piège à débris

Humidificateur

Centrale de traitement d’air Ventilateur

Refroidisseur

Bipasse

Caisson d'essai

La station d’essais STARMANIA.

Sûreté des installations, scénarios d’accidents32

afin d’être représentatives des situations à simuler.

Ainsi, la station d’essais STARMANIA est capable d’as-

surer :

une pression différentielle sur un équipement comprise

entre -500 et +900 mbar ;

un débit d’air de 20 000 m3.h-1 ;

une température de l’air de 250 °C.

Le principe de fonctionnement mis en œuvre pour

couvrir l’ensemble du domaine d’étude repose sur une

boucle aéraulique modulable (figure 1, page 31). Deux

zones de la station d’essais peuvent être distinguées :

la zone de test contenant le caisson d’essais et la zone

destinée à la préparation de l’effluent gazeux.

L’emploi d’un bipasse permet la régulation des

contraintes appliquées sur l’équipement en séparant la

zone de test de la zone de préparation.

La zone de test est principalement constituée d’un

caisson d’essais spécifique à l’équipement à tester et

aux niveaux de contraintes à appliquer. Une mesure

de pression différentielle en amont et en aval du cais-

son d’essais permet de contrôler les contraintes de

pression subies par l’équipement. De plus, l’installa-

tion dispose de l’instrumentation nécessaire pour

assurer la mesure des débits de fuite traversant les

différents équipements (débitmétrie par traçage

gazeux, par sonde annubar et par ultrasons).

Exemples de résultats obtenussur des portes et des clapetscoupe-feu

L’interprétation des résultats obtenus lors des campa-

gnes d’essais a porté sur la caractérisation du compor-

tement aéraulique et mécanique de deux types de

clapets coupe-feu et de deux types de portes coupe-

feu (simple vantail et double vantail) [2, 3, 4].

On peut citer en premier lieu, parmi les résultats mar-

quants, la nécessité de prendre en compte le sens

d’écoulement de l’air pour l’ensemble des équipe-

ments testés qui possèdent un sens d’ouverture. La figure 2 illustre l’évo-

lution du débit de fuite, à la température ambiante, d’une porte

coupe-feu à double vantail en fonction de la différence de pression appli-

quée sur cette dernière. Il apparaît que le degré d’étanchéité de la porte

est singulièrement différent selon le sens d’écoulement de l’air. Cette

différence notable de comportement aéraulique, observable pour des

valeurs de pression différentielle proches des valeurs nominales, consti-

tue une donnée importante en termes d’évaluation du maintien du

confinement des substances dans une installation.

La résistance aéraulique de chacun des équipements testés a été détermi-

née sur toute la durée des essais à partir de la mesure du débit de fuite tra-

versant l’équipement en fonction de la chute de pression. L’interprétation

de ces valeurs a permis d’élaborer des lois génériques d’évolution de la

résistance aéraulique en fonction des conditions opératoires (notamment

le sens d’écoulement de l’air). La figure 3 présente l’évolution de la résis-

tance aéraulique de portes coupe-feu à double vantail lors d’essais réalisés

avec une pression appliquée dans le sens d’ouverture de l’équipement. Les

lois comportent deux zones différentes quel que soit le type d’équipement.

4.6

Figure 3 : Exemple d’évolution de la résistance aéraulique de portes coupe-feu à double vantailen fonction de la pression (essais de reproductibilité réalisés avec un écoulement de l’air dans

le sens de l’ouverture).

Résistance aéraulique (m-4)

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

0,1 1 10 100Pression différentielle (hPa)

Figure 2 : Exemple d’évolution du débit de fuite d’une porte coupe-feu à double vantail.

Débit volumique de fuite (m3.h-1)

Pression différentielle (hPa)

0

5

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Écoulement de l'air dans le sens de l'ouvertureÉcoulement de l'air dans le sens inverse de l'ouverture

33

La première zone correspond au maintien du niveau initial d’étanchéité

de l’équipement, traduisant le fait que la pression n’est pas suffisam-

ment élevée pour constituer une contrainte mécanique importante sur

l’équipement. Cette première zone peut également être prolongée par

une phase d’accroissement de l’étanchéité de l’équipement jusqu’à

atteindre une étanchéité maximale lorsque la pression tend à fermer

l’équipement. La seconde zone correspond à la diminution de l’étan-

chéité de l’équipement testé sous l’effet de la pression, traduisant, selon

l’essai, une déformation ou une ouverture partielle de l’équipement.

La valeur de la résistance mécanique de l’équipement testé est enregis-

trée à la limite de cette dernière zone.

La résistance mécanique d’un équipement à la pression correspond à la

valeur minimale de la différence de pression responsable de sa défail-

lance (rupture, ouverture, déformation). Les photographies ci-dessous

présentent différents équipements ou parties d’équipements au terme

de l’essai de détermination de la résistance mécanique.

IRSN - Rapport scientifique et technique 2005

4 .6

Références[1] L. Bouilloux. Évaluer la résistance d’équipements de confinement face à des conditions accidentelles. Revue salles propres et maîtrise de la contaminationn° 22, novembre 2002.[2] L. Bouilloux, S. Artous, O. Norvez, D. Boulaud, J.C. Laborde. Characterisation of the behaviour of containment equipment under mechanical and thermalstresses in STARMANIA facility. Proceeding of the Eurosafe Forum, 25-26 novembre 2003, Paris.[3] S. Artous, L. Bouilloux. Étude du comportement aéraulique de clapets coupe-feu dans l’installation STARMANIA. Rapports IRSN/DPEA/SERAC/LECEV/02-30et 02-55, juin et octobre 2002.[4] S. Artous, L. Bouilloux, E. Porcheron, O. Norvez. Étude du comportement aéraulique de portes coupe-feu dans l’installation STARMANIA. RapportIRSN/DPEA/SERAC/LECEV/04-06, février 2004.

État des équipements à l’issue du test de résistance mécanique : déformation d’une porte (A), rupture du pêne d’une porte (B), clapet coupe-feu (C).

Conclusion

La réalisation des campagnes d’essais sur les portes et les clapets

coupe-feu dans l’installation STARMANIA a permis de déterminer le

comportement d’équipements de sectorisation et de confinement en

dehors de leur plage connue d’utilisation, et ceci jusqu’à leur défail-

lance. La détermination de la résistance mécanique constitue une

avancée importante pour l’étude du risque d’incendie dans les instal-

lations. Par ailleurs, l’établissement de lois d’évolution de la résistance

aéraulique, caractéristique du degré d’étanchéité de l’équipement,

permet d’élargir le domaine de qualification des codes de calcul trai-

tant de la modélisation des transferts de contamination dans les ins-

tallations.

Le programme STARMANIA se poursuit actuellement avec la caracté-

risation du comportement d’équipements de filtration à la pression,

afin d’apporter des éléments nouveaux en termes d’évolution du

coefficient d’épuration de ces dispositifs de filtration en situation

accidentelle.

C