2.1.15. L'EXPLOSION

L'explosion est la transformation rapide d'un système avec libération d'une quantité importante d'énergie sous forme mécanique ou thermique. Les conséquences de l'explosion sont des effets de surpression, des effets thermiques et des projections de fragments. Par analogie au triangle du feu, on peut définir l'hexagone de l'explosion.

Selon le fascicule de documentation S 60 101-1, l'explosion se définit comme une « réaction brusque d'oxydation ou de décomposition entraînant une élévation de température, de pression, ou les deux simultanément ».

Les explosions sont soit des combustions vives dont les effets particuliers sont liés à la vitesse de propagation, soit le résultat d'une décomposition très rapide ou d'un excès de pression.

De nombreuses substances, solides, liquides ou gazeuses peuvent être le siège d'une explosion, dans certaines conditions et d'une manière plus ou moins vive suivant leur nature, leur température, l'intensité de la source d'énergie, la pression, l'environnement et les conditions atmosphériques.

L'énergie libérée par une explosion se traduit par la propagation d'une onde de pression, accompagnée ou non, suivant les circonstances, de projections de matériaux et d'un dégagement de chaleur.

Caractéristiques physiques

L'explosion libère de l'énergie qui se manifeste principalement par une augmentation rapide de la pression. L'onde de pression engendrée dépend principalement de la chaleur développée par la combustion. L'évolution de la pression dans une déflagration est moins brutale et s'atténue plus lentement qu'en régime de détonation. On peut définir par l'expérimentation une « onde de choc idéale » tant en régime de déflagration que de détonation.

En pratique, aucune explosion ne produit une onde idéale, toutefois les ondes de choc produites par les explosifs « intentionnels » s'en rapprochent ; c'est le cas du TNT (trinitrotoluène) en raison de la grande quantité d'énergie libérée au regard du faible volume mis en oeuvre. A l'inverse, dans l'explosion d'un nuage de vapeur, le volume air/vapeur est très grand pour la quantité d'énergie libérée qui est relativement faible (au maximum, de 2 à 8 fois la pression initiale suivant le confinement). Toutefois, il est possible, dans pratiquement tous les cas d'explosions, d'en estimer la puissance par comparaison avec une explosion de TNT.

Violence de l'explosion

La violence des explosions est caractérisée par la surpression maximale Pmax développée et la vitesse maximale de montée en pression

 

Ces deux paramètres responsables des effets destructeurs sont eux-mêmes fonction de la nature du matériau explosible (s'il s'agit d'un gaz, de vapeurs ou de poussières en mélange dans l'air, les valeurs seront d'autant plus élevées que le mélange sera proche de la concentration stœchiométrique), de la quantité d'énergie de la source d'inflammation, de la géométrie et du volume de l'enceinte ainsi que du niveau de turbulence dans l'enceinte. La pression initiale, le taux d'humidité et la présence d'impuretés jouent également un rôle important.

A titre d'exemple, les poudres de métaux tels que l'aluminium et le magnésium peuvent engendrer des pressions maximales de l'ordre de 7 à 10 bar, avec des vitesses d'élévation de pression de 500 à 1 000 bar/s. Certaines poudres d'origine alimentaire produisent des pressions maximales identiques, mais avec une montée en pression plus basse, soit de 200 à 500 bar/s. Dans ce dernier cas, la violence de l'explosion est moindre.

La surpression générée par l'explosion est la différence entre la pression absolue de l'onde et la pression atmosphérique. Elle se définit par un pic qui représente la surpression maximale et une durée qui est le temps pendant lequel s'exercent la pression excédentaire et éventuellement la pression négative. La surpression atteindra des valeurs d'autant plus élevées que la vitesse de propagation du front de flamme sera plus grande.

Dans une enceinte fermée, si l'on connaît la température initiale, la pression et le volume des gaz libérés par l'explosion, on peut en déduire la pression développée, ce qui permet de prévoir une enceinte capable de résister à la surpression, à condition que l'on reste en régime de déflagration, ce qui sera le cas si l'enceinte est de forme ramassée. En revanche, si l'enceinte est de forme allongée (cellules de silos, canalisations, galeries...), l'expansion des gaz brûlés et la présence d'obstacles vont provoquer une augmentation de la vitesse du front de flamme qui peut atteindre des vitesses supersoniques et une surpression de plusieurs dizaines de bars. Un phénomène du même genre peut se produire dans une suite d'appareils communiquant entre eux lorsqu'une explosion dans l'un d'eux vient à refouler des gaz dans un autre en y faisant monter la pression. Il se produit alors une explosion en cascade, avec des intensités de plus en plus fortes, la surpression maximale étant accrue lorsque la pression initiale dans l'enceinte où elle se produit est plus élevée. Les pressions maximales produites dans des enceintes par la détonation sont celles qui viennent s'appliquer brutalement sur les parois (contrairement à celles issues des déflagrations).

En milieu non confiné, dans le cas d'un nuage formé dans un espace pratiquement sans obstacle, la vitesse de déflagration sera de l'ordre de 120 m/s et le pic de pression de 0,2 bar ; dans un nuage encombré d'obstacles (réservoirs, bâtiments), la vitesse de déflagration atteindra 250 à 300 m/s pour un pic d'environ 0,8 bar, ce dernier cas étant un cas moyen relativement courant (Lannoy).

La surpression maximale décroît très rapidement lorsqu'on s'éloigne de la source d'explosion ; en milieu aérien, elle s'amortit proportionnellement au cube de la distance. Dans le cas d'un explosif solide par exemple, si la pression maximale peut atteindre plusieurs centaines de bars à la surface de la charge, elle n'est plus que de l'ordre de 100 bars à une distance réduite du centre égale à 30 cm, et devient inférieure à 1 bar au-delà de 2,50 mètres. L'amortissement n'est pas aussi rapide en milieu liquide où l'onde de pression se propage à 1 500 m/s et encore moins en milieu solide où elle se propage à 5 000 m/s.

La vitesse de montée en pression est l'intervalle entre l'allumage et l'apparition de la pression maximale. Théoriquement, la pression augmente proportionnellement au temps élevé à la puissance 3. Pour un pic de pression identique, cette durée est très variable suivant la nature du matériau, le volume et la forme de l'enceinte. Mesurée dans des conditions identiques (chambre de 10 litres à 60 °C) pour différentes substances explosives, particulièrement les gaz, vapeurs et poussières, elle est une caractéristique importante de la violence des explosions auxquelles peut donner lieu chaque substance. Elle se mesure par la formule suivante :

K : étant la constante du gaz et de la forme de l'enceinte (Kst pour les explosions de poussières) qui s'exprime en bar · m^-1· s^-1.

L'augmentation de la turbulence dans l'enceinte accroît généralement la valeur du coefficient K.

Dans le cas du méthane, par exemple, enflammé par une étincelle électrique de 10 watts, l'indice K qui a une valeur de 55 en atmosphère calme pourra atteindre une valeur de 460 en atmosphère turbulente ; pour l'hydrogène, K étant de 550 en atmosphère calme, pourra atteindre 1 270 en atmosphère turbulente. En pratique, en rencontre des cas de turbulence élevée dans des appareils comme les broyeurs ou les microniseurs.