Pourquoi les plateformes pétrolières et gazières ont besoin d'onduleurs antidéflagrants

CONSEILS : Les plateformes pétrolières et gazières offshore opèrent dans des environnements dangereux où les atmosphères explosives constituent une menace constante. Pour garantir la sécurité, un onduleur industriel doit être certifié ATEX et IECEx pour les zones 1 et 2. Ces onduleurs antidéflagrants protègent les équipements critiques, tels que les systèmes d’arrêt d’urgence et les dispositifs de détection d’incendie, en cas de coupure de courant. La compréhension des classifications des zones à risque aide les responsables d’installations à choisir des systèmes d’alimentation sans coupure adaptés, conformes aux réglementations strictes du secteur pétrolier et gazier.

Ⅰ. Introduction

Les plateformes pétrolières et gazières opèrent dans certains des environnements les plus difficiles au monde. Les sites offshore isolés, l'air marin corrosif, les températures extrêmes et les vibrations constantes mettent à rude épreuve chaque élément d'équipement. Plus important encore, ces installations manipulent des gaz et des vapeurs inflammables qui présentent des risques d'explosion.

Dans ces lieux, une alimentation sans coupure industrielle doit faire plus que simplement fournir alimentation de secours. Il doit fonctionner en toute sécurité dans des atmosphères dangereuses sans constituer une source d'inflammation. Norme UPS Ces systèmes ne peuvent pas répondre à ces exigences. Il est indispensable de disposer d'un onduleur antidéflagrant certifié ATEX et IECEx.

Cet article examine les raisons pour lesquelles les onduleurs destinés au secteur pétrolier et gazier nécessitent une protection spécialisée contre les explosions. Nous y abordons les classifications des zones à risque, les normes de certification et les applications critiques. La compréhension de ces exigences garantit une protection électrique sûre et conforme aux normes pour les plateformes offshore, les raffineries et les opérations de forage.

Figure 1 : Exigences critiques en matière de charge des onduleurs et durée d'autonomie pour différentes applications du secteur pétrolier et gazier. Les plateformes de production nécessitent une autonomie de 24 heures pour leurs systèmes de sécurité.

II. Classification des zones à risque

1. Comprendre les zones ATEX

La directive ATEX 2014/34/UE définit les exigences applicables aux équipements destinés à être utilisés dans des atmosphères explosives. Cette directive classe les zones à risque en différentes catégories en fonction de la probabilité de risque d'explosion.

Zone 0 désigne les zones où des mélanges gazeux explosifs sont présents en permanence ou pendant de longues périodes. Il s'agit notamment de l'intérieur des cuves de traitement et des réservoirs de stockage. Seuls les équipements à sécurité intrinsèque (Ex ia) sont autorisés dans ces zones.

Zone 1 couvre les zones où des mélanges explosifs sont susceptibles de se former en conditions normales de fonctionnement. L'environnement des équipements de production, les points de prélèvement et les zones de maintenance entrent dans cette catégorie. Les systèmes UPS destinés à la Zone 1 doivent être dotés d'une protection antidéflagrante (Ex d) ou à sécurité augmentée (Ex e).

Zone 2 Cela inclut les zones où la formation de mélanges explosifs est peu probable en fonctionnement normal et, le cas échéant, ne dure que brièvement. Ces zones entourent les emplacements de la Zone 1 et comprennent les sorties de ventilation. Les onduleurs dotés d'une protection de type Ex n ou Ex p peuvent y fonctionner.

La plupart des équipements industriels d'alimentation sans coupure destinés au secteur pétrolier et gazier relèvent des catégories « Zone 1 » ou « Zone 2 ». La classification « Zone 1 » offre une protection supérieure et une plus grande souplesse d'utilisation.

2. Certification mondiale IECEx

Alors que la norme ATEX s'applique aux marchés européens, la norme IECEx assure une reconnaissance internationale. Le programme de certification des équipements IECEx s'appuie sur les normes CEI (série CEI 60079). Une certification obtenue dans un pays membre est reconnue dans les autres pays membres.

L'IECEx utilise les mêmes classifications de zones que l'ATEX, mais y ajoute les niveaux de protection des équipements (EPL). Ceux-ci définissent la fiabilité des équipements :

• EPL Ga : Convient à la zone 0 (niveau de protection très élevé)
• EPL Gb : Convient à la zone 1 (niveau de protection élevé)
• EPL Gc : Convient à la zone 2 (niveau de protection général)

Pour les onduleurs utilisés dans les applications pétrolières et gazières, la norme EPL Gb est généralement requise. Cela garantit que l'équipement ne provoquera pas l'inflammation d'atmosphères explosives, même en cas de défaillance de l'équipement.

3. Groupes de gaz et classes de température

La protection contre les explosions doit être adaptée aux gaz spécifiques présents. Les normes définissent des groupes de gaz :

• Groupe IIA : Propane et gaz similaires (les moins dangereux)
• Groupe IIB : Éthylène et gaz équivalents
• Groupe IIC : Hydrogène et acétylène (les plus dangereux)

La plupart des traitements d'hydrocarbures font appel à des certifications du groupe IIB ou IIB+H₂. La présence d'hydrogène nécessite une certification du groupe IIC.

Les classes de température indiquent les températures maximales en surface :

• T1 : 450 °C maximum
• T2 : 300 °C maximum
• T3 : 200 °C maximum
• T4 : 135 °C maximum
• T5 : 100 °C maximum
• T6 : 85 °C maximum

Les équipements UPS doivent généralement être classés T3 ou T4 pour les applications pétrolières et gazières. La classification T6 est rarement nécessaire, mais elle offre une marge de sécurité supplémentaire pour les gaz à faible température d'inflammation.

Figure 2 : Zones à risque ATEX/IECEx et exigences de certification applicables aux onduleurs industriels dans les installations pétrolières et gazières.

Ⅲ. Exigences techniques relatives aux onduleurs antidéflagrants

1. Méthodes de protection (Ex d, Ex e, Ex p)

Différentes techniques de protection contre les explosions sont adaptées à différentes applications. La compréhension de ces méthodes permet de choisir les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS) les plus appropriés.

Boîtier antidéflagrant (Ex d) : Le boîtier de l'onduleur confine toute explosion interne. Ses parois épaisses et ses joints étanches empêchent la propagation des flammes vers l'atmosphère extérieure. Il s'agit de la protection la plus courante pour les onduleurs de Zone 1. L'équipement fonctionne à sa puissance nominale en toute sécurité.

Sécurité renforcée (Ex e) : Des caractéristiques de conception améliorées permettent d'éviter les arcs électriques, les étincelles et les températures excessives en fonctionnement normal. Les onduleurs Ex e doivent également être certifiés pour les conditions de défaillance. Cette méthode convient aux applications de faible puissance et aux limites des zones 1 et 2.

Pressurisation (Ex p) : De l'air pur ou un gaz inerte maintient une pression positive à l'intérieur du boîtier de l'onduleur. Tout infiltration de gaz est empêchée par un flux d'air vers l'extérieur. Cela permet d'utiliser des onduleurs standard à l'intérieur, mais nécessite des systèmes de soutien complexes. La certification Ex p convient aux puissances élevées pour lesquelles une construction antidéflagrante n'est pas envisageable.

Dans le domaine des alimentations sans coupure industrielles destinées au secteur pétrolier et gazier, la norme Ex d (antidéflagrante) domine le marché. Elle offre une protection robuste sans nécessiter de systèmes de soutien externes.

2. Adaptation aux conditions environnementales

Les plateformes offshore posent des défis environnementaux qui vont au-delà des risques d'explosion. Les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS) doivent donc présenter des caractéristiques techniques spécifiques.

Résistance à la corrosion : L'air salin provoque la corrosion des composants électroniques standard. Les onduleurs antidéflagrants sont équipés de boîtiers en acier inoxydable (nuance 316) ou en aluminium recouverts d'un revêtement de qualité marine. Les composants internes sont protégés par un revêtement conforme.

Plage de températures : Les plateformes offshore sont exposées à des températures ambiantes comprises entre -40 °C et +55 °C. Les opérations dans l'Arctique nécessitent des éléments chauffants. Les sites situés dans le désert exigent un refroidissement renforcé. L'onduleur doit conserver toutes ses fonctionnalités dans ces conditions extrêmes.

Résistance aux vibrations : Les opérations de forage génèrent des vibrations constantes. Les systèmes UPS doivent être conformes aux normes de résistance aux vibrations de la norme CEI 60068-2-6. Des supports antichocs et une conception interne renforcée permettent d'éviter tout dommage.

Protection contre l'humidité : Le modèle 100% est couramment utilisé en mer. Ses boîtiers étanches empêchent toute infiltration d'humidité. Des filtres déshydratants et des joints d'étanchéité permettent de maintenir un environnement interne sec.

3. Considérations relatives à la batterie

Les batteries posent des problèmes particuliers dans les zones à risque. Les batteries au plomb-acide dégagent de l'hydrogène pendant la charge, un gaz explosif. Des précautions particulières sont obligatoires.

Séparation du boîtier de la batterie : Les batteries sont généralement installées dans des coffrets Ex e distincts de ceux contenant les composants électroniques de l'onduleur. Cela permet d'isoler les sources d'hydrogène des sources d'inflammation potentielles. Des systèmes de ventilation évacuent toute accumulation de gaz.

Types de batteries : Les batteries au plomb-acide scellées (VRLA) réduisent les émissions de gaz par rapport aux modèles à électrolyte liquide. Les batteries nickel-cadmium offrent une meilleure résistance aux variations de température, mais leur coût est plus élevé. Les systèmes au lithium-ion sont en plein essor, mais nécessitent une certification rigoureuse en matière de gestion thermique.

Compensation de température : La charge de la batterie doit être adaptée à la température ambiante. Dans les environnements chauds, une surcharge réduit la durée de vie de la batterie. Dans les environnements froids, il convient de réduire les débits de charge. Le contrôleur de l'onduleur doit assurer une compensation automatique.

Ⅳ. Applications critiques dans le secteur pétrolier et gazier

1. Systèmes d'arrêt d'urgence (ESD)

Les systèmes d'arrêt d'urgence constituent la charge la plus critique de l'onduleur. Ces systèmes détectent les situations dangereuses et déclenchent l'arrêt de la plateforme. Une coupure de courant pourrait empêcher toute intervention d'urgence dans les moments critiques.

Les systèmes ESD comprennent :

• Vannes d'arrêt de process
• Systèmes d'isolation des têtes de puits
• Commandes du dispositif anti-éruption (BOP)
• Systèmes de détection d'incendie et de gaz
• Systèmes de sonorisation et d'alarme

Ces systèmes nécessitent une alimentation de secours par onduleur (UPS) d'une autonomie allant de 30 minutes à 24 heures, selon le type de plateforme. Les plates-formes de forage ont besoin d'une autonomie plus courte, l'évacuation d'urgence constituant la principale mesure à prendre. Les plates-formes de production ont besoin d'une autonomie plus longue pour gérer les séquences d'arrêt contrôlé.

Les exigences de certification IESD sont strictes. L'onduleur doit respecter les niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) lorsqu'il alimente des fonctions instrumentées de sécurité. Les points de défaillance uniques ne doivent pas compromettre les capacités d'intervention d'urgence.

2. Détection d'incendie et de gaz

Les systèmes de détection d'incendie et de gaz protègent le personnel et les biens. Ces systèmes de surveillance en continu ne supportent aucune coupure d'alimentation.

Dispositifs de détection : Les détecteurs de fumée, les détecteurs de chaleur et les capteurs de gaz combustibles nécessitent une alimentation électrique continue. Les unités de traitement du signal analysent les données des capteurs et déclenchent les alarmes. L'alimentation de secours (UPS) garantit la continuité de la détection en cas de coupure de courant.

Systèmes d'alarme : Les alarmes sonores, les balises lumineuses et les systèmes de sonorisation alertent le personnel en cas de danger. Ces systèmes doivent fonctionner en cas d'urgence, même en l'absence d'alimentation électrique normale.

Les systèmes UPS de détection d'incendie et de gaz nécessitent généralement une autonomie de 24 heures. Cela permet de garantir que les coupures de courant nocturnes ne compromettent pas la sécurité. Ces systèmes doivent également résister à des événements extrêmes, tels que des explosions ou des incendies, susceptibles d'endommager le réseau de distribution électrique habituel.

3. Contrôle des procédés et instrumentation

Les plateformes pétrolières et gazières modernes reposent largement sur des systèmes de contrôle automatisés. Les systèmes de contrôle distribués (DCS) gèrent les processus de production. Une perte de contrôle entraîne des interruptions de production et des risques pour la sécurité.

Composants du système de commande : Les contrôleurs, les modules d'E/S, les commutateurs réseau et les postes opérateur nécessitent une alimentation par onduleur. Bien qu'ils ne soient pas essentiels à la sécurité comme les dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD), ces systèmes garantissent la stabilité du fonctionnement.

Instrumentation : Les débitmètres, les transmetteurs de pression, les capteurs de niveau et les analyseurs fournissent des données de processus. Une alimentation électrique ininterrompue garantit une surveillance et un contrôle précis.

Les onduleurs destinés au contrôle des processus offrent généralement une autonomie de 30 minutes à 2 heures. Cela permet un arrêt ordonné des processus de production. Une autonomie plus longue est rarement nécessaire, car l'arrêt contrôlé s'effectue dans ce laps de temps.

4. Navigation et communication

Les plateformes offshore ont besoin d'aides à la navigation pour le trafic maritime. L'éclairage d'atterrissage des hélicoptères facilite les évacuations médicales d'urgence. Les systèmes de communication permettent de rester en contact avec les opérations à terre et les services d'urgence.

Aides à la navigation : Des balises radar, des cornes de brume et des systèmes d'éclairage signalent l'emplacement des quais. Ces systèmes doivent fonctionner en permanence, notamment pendant les tempêtes, lorsque les coupures de courant sont fréquentes.

Éclairage de l'héliport : L'éclairage de la zone d'atterrissage, l'éclairage périmétrique et le balisage des obstacles guident les hélicoptères. L'alimentation de secours par onduleur (UPS) garantit la poursuite des évacuations médicales en cas de coupure de courant.

Communications radio et par satellite : Les radios VHF permettent d'assurer les communications d'urgence. Les liaisons par satellite garantissent la transmission des données opérationnelles. Les onduleurs (UPS) garantissent la disponibilité de ces systèmes en cas de crise.

Les onduleurs destinés à la navigation et aux communications offrent généralement une autonomie de 4 à 8 heures. Cela permet de couvrir les coupures de courant d'une durée habituelle tout en préservant les capacités d'urgence.

Ⅴ. Certification et conformité aux normes

1. Directive ATEX 2014/34/UE

Les installations pétrolières et gazières européennes doivent se conformer aux exigences de la directive ATEX. Cette directive porte à la fois sur la conception des équipements et sur la sécurité au travail.

Les équipements doivent porter le marquage « CE » accompagné de la mention « Ex » :

• Marquage « CE » et « Ex » sur l'étiquette de l'équipement
• Numéro de catégorie (1 pour la zone 0, 2 pour la zone 1, 3 pour la zone 2)
• G pour « gaz » (D pour « poussière »)
• Niveau de protection (Ga, Gb ou Gc)
• Numéro de certificat délivré par l'organisme notifié

Une notification relative à l'assurance qualité (QAN) est requise pour les dispositifs des catégories 1 et 2. Les fabricants doivent mettre en place et maintenir des systèmes de gestion de la qualité certifiés. La production est soumise à des protocoles de qualité stricts et fait l'objet d'audits réalisés par des organismes tiers.

Chaque système UPS doit être accompagné d'une déclaration de conformité. Ce document atteste que l'équipement répond à toutes les exigences essentielles en matière de santé et de sécurité.

2. Exigences du système IECEx

IECEx garantit la reconnaissance mondiale des certifications. Ce programme comprend :

Équipements certifiés IECEx : Essais réalisés par les organismes de certification IECEx (ExCB) dans les pays membres. Les certificats sont reconnus à l'échelle internationale, ce qui évite les essais redondants.

Rapport d'évaluation de la qualité (QAR) de l'IECEx : Confirme que les systèmes qualité du fabricant sont conformes aux exigences de l'IECEx. Les audits QAR vérifient le maintien de cette conformité.

Rapports d'essais IECEx (ExTR) : Documentation détaillée relative aux essais, à l'appui de la certification. Ces rapports fournissent des preuves techniques de conformité.

Pour les fabricants d'onduleurs, la certification IECEx ouvre les marchés mondiaux. Un processus de certification unique permet de répondre aux exigences en vigueur en Australie, à Singapour, aux Émirats arabes unis et dans de nombreuses autres régions productrices de pétrole et de gaz.

3. Normes régionales

Certaines régions imposent des exigences supplémentaires allant au-delà des normes ATEX/IECEx :

États-Unis (UL/NEC) : Les classifications de classe I, divisions 1 et 2 correspondent aux zones 0/1 et 2. Les normes UL 1203 et UL 1012 s'appliquent. La classification des zones est conforme à l'article 500 du Code national de l'électricité (NEC).

Canada (CSA) : À l'instar des exigences américaines relatives à la certification CSA, le Code canadien de l'électricité, partie I, régit les installations.

Brésil (INMETRO) : Une certification nationale est requise en plus de la certification IECEx. L'arrêté n° 179/2010 définit les exigences applicables.

Russie (GOST-R et TR CU) : Les réglementations techniques de l'Union douanière s'appliquent. Le marquage EAC est obligatoire.

Moyen-Orient (SASO, GOST) : L'Arabie saoudite, les Émirats arabes unis et d'autres pays du Golfe reconnaissent l'IECEx, mais peuvent exiger une certification locale supplémentaire.

Pour garantir la réussite des déploiements d'onduleurs, il est indispensable de bien comprendre l'ensemble des normes applicables. Les stratégies de certification multiple permettent de répondre aux diverses exigences du marché.

Figure 3 : Comparaison des méthodes de protection contre les explosions et exigences en matière de MTBF pour les applications critiques d'onduleurs dans le secteur pétrolier et gazier. La protection antidéflagrante de type Ex d offre la meilleure adéquation pour la Zone 1.

Ⅵ. Considérations relatives à la conception du système

1. Stratégies de redondance

Les applications critiques dans le secteur du pétrole et du gaz ne peuvent tolérer aucune défaillance de l'onduleur. Les stratégies de redondance garantissent une protection continue.

Redondance N+1 : Un onduleur de secours assure l'alimentation de plusieurs charges critiques. En cas de défaillance d'un appareil, l'onduleur de secours prend le relais. Cela permet d'atteindre un bon équilibre entre coût et fiabilité.

Redondance 2N : Duplication complète des systèmes UPS. Chaque charge critique dispose de deux sources d'alimentation indépendantes. Des commutateurs de transfert automatiques sélectionnent la source active.

Redondance parallèle : Plusieurs onduleurs fonctionnent en parallèle et se partagent la charge. En cas de défaillance de l'un d'entre eux, les autres prennent le relais sans interruption.

Pour les systèmes ESD et les systèmes de détection d'incendie et de gaz, une redondance 2N est souvent obligatoire. Les systèmes de contrôle des processus peuvent recourir à une configuration N+1. Les systèmes de navigation acceptent généralement un seul onduleur avec batterie de secours.

2. Autonomie de la batterie de secours

La capacité de la batterie détermine la durée de l'autonomie. Les besoins varient en fonction de l'application et du type de plateforme.

Facteurs de calcul :

• Puissance absorbée (kW)
• Obligatoire temps de sauvegarde (heures)
• Tension de fin de décharge
• Facteur de vieillissement de la batterie (généralement 0,8)
• Facteur de déclassement en fonction de la température

Les locaux abritant des batteries doivent être ventilés et la température doit y être contrôlée. Des systèmes de détection d'hydrogène surveillent l'accumulation de gaz. L'accès aux opérations de maintenance doit permettre de remplacer les batteries en toute sécurité sans avoir à pénétrer dans des zones dangereuses.

3. Surveillance et gestion à distance

Les systèmes UPS modernes offrent des fonctionnalités de surveillance étendues. La gestion à distance est indispensable pour les plateformes sans personnel.

Paramètres critiques :

• Tension et courant d'entrée/sortie
• Tension et état de charge de la batterie
• Mesures de température (ambiante et interne)
• État des ventilateurs et fonctionnement du système de refroidissement
• Conditions d'alarme et codes d'erreur

Les protocoles Modbus, OPC-DA ou OPC-UA permettent de communiquer avec les systèmes de contrôle des plateformes. L'intégration avec un système SCADA permet une surveillance centralisée. Les diagnostics à distance réduisent le nombre d'interventions de maintenance dans les zones à risque.

Ⅶ. Conclusion

Les plateformes pétrolières et gazières nécessitent des systèmes industriels spécialisés d'alimentation électrique sans coupure. Les risques d'explosion exigent des équipements certifiés ATEX et IECEx, conçus pour les zones 1 et 2. Les systèmes UPS standard ne peuvent pas répondre à ces exigences de sécurité rigoureuses.

Le caractère critique des systèmes de protection contre les décharges électrostatiques (ESD), de détection d'incendie et de contrôle des processus rend ASI fiable indispensable. Les coupures de courant en cas d'urgence pourraient mettre hors service les systèmes de sécurité au moment même où on en a le plus besoin. Un onduleur antidéflagrant offre une protection à la fois contre les coupures de courant et les risques d'inflammation.

Pour garantir une mise en œuvre réussie, il est indispensable de bien comprendre les classifications des zones à risque, les méthodes de protection et les exigences d'application. La construction antidéflagrante de type Ex d domine le marché grâce à sa protection robuste et à sa relative simplicité. Les systèmes à batterie nécessitent une attention particulière en raison de la production d'hydrogène lors de la charge.

À mesure que les activités pétrolières et gazières s'étendent à des environnements de plus en plus hostiles (eaux plus profondes, régions arctiques, températures plus élevées), les exigences imposées aux onduleurs vont s'accroître. Les normes de certification évolueront pour répondre à ces nouveaux défis. Seuls des onduleurs spécialisés et antidéflagrants sont en mesure de satisfaire à ces exigences croissantes.

Références

1. Commission électrotechnique internationale (CEI)Site officiel : www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL)Site officiel : www.ul.com
3. Comité européen de normalisation (CEN)Site officiel : www.cen.eu
4. Standardization Administration of China (SAC) Site web officiel : www.sac.gov.cn
5. Zhongguancun Energy Storage Industry Technology Alliance (CNESA)Site web officiel : www.cnESA.org
6. Organisation internationale de normalisation (ISO)Site officiel : www.iso.org