Emplacements dangereux et systèmes de sécurité

Introduction

Les emplacements dangereux représentent un domaine critique pour le technicien en instrumentation et contrôle. Au Canada, la classification de ces emplacements est régie par le Code canadien de l'électricité (CCÉ), Chapitre V (norme CSA C22.1), qui définit les zones où des atmosphères explosives peuvent être présentes. La maîtrise de ce chapitre est essentielle non seulement pour l'examen du Sceau rouge, mais aussi pour la sécurité réelle des installations industrielles.

Ce chapitre couvre les principes de classification, les méthodes de protection, les systèmes de sécurité instrumentés (SIS) et les exigences réglementaires applicables. Vous devez comprendre les distinctions entre les différentes zones, les classes et les divisions, ainsi que les techniques de câblage et de scellement.

Classification des emplacements dangereux

Définitions fondamentales

Un emplacement dangereux est un endroit où une atmosphère explosive peut exister en raison de la présence de gaz, de vapeurs, de liquides inflammables, de poussières combustibles ou de fibres volatiles. Le CCÉ, Chapitre V, classe ces emplacements selon trois axes : la classe (type de substance), la division ou la zone (probabilité de présence), et le groupe (propriétés de la substance).

Classe I : Gaz et vapeurs inflammables (ex. : propane, hydrogène, essence).

Classe II : Poussières combustibles (ex. : farine, charbon, magnésium).

Classe III : Fibres et particules volatiles (ex. : textile, bois).

Divisions et zones

Le système nord-américain utilise des divisions, tandis que le système international (IEC) utilise des zones. Le Canada reconnaît les deux systèmes, mais le CCÉ privilégie le système des divisions pour la plupart des installations.

Division	Définition (Classe I)
Division 1	L'atmosphère explosive est présente en conditions normales, ou fréquemment en raison de réparations ou de fuites.
Division 2	L'atmosphère explosive n'est présente qu'en conditions anormales (ex. : fuite accidentelle, ventilation défaillante).

Zone	Définition (Classe I)
Zone 0	Présence continue ou prolongée de l'atmosphère explosive (> 1000 h/an).
Zone 1	Présence probable en fonctionnement normal (10 à 1000 h/an).
Zone 2	Présence improbable en fonctionnement normal (< 10 h/an).

Correspondance pratique : Division 1 ≈ Zones 0 et 1 ; Division 2 ≈ Zone 2.

Groupes de substances

Les substances sont classées en groupes selon leur comportement à l'inflammation :

Groupe (Classe I)	Exemples	Caractéristiques
A	Acétylène	Très réactif, énergie d'inflammation minimale très faible
B	Hydrogène, butadiène	Énergie d'inflammation faible
C	Éthylène, oxyde de propylène	Température d'auto-inflammation moyenne
D	Méthane, propane, essence	Température d'auto-inflammation plus élevée

Pour la Classe II (poussières), les groupes sont E (métaux), F (charbon et coke), G (autres poussières combustibles).

Température d'auto-inflammation et code T

Chaque substance possède une température d'auto-inflammation (TAI). Les équipements électriques sont marqués d'un code T (T1 à T6) indiquant leur température maximale de surface :

Code	Température maximale de surface
T1	450 °C
T2	300 °C
T3	200 °C
T4	135 °C
T5	100 °C
T6	85 °C

Règle essentielle : La température maximale de surface de l'équipement doit être inférieure à la TAI de la substance présente. Par exemple, pour l'hydrogène (TAI ≈ 500 °C), un équipement T1 (450 °C) est acceptable, mais pour le disulfure de carbone (TAI ≈ 90 °C), seul un équipement T6 (85 °C) convient.

Méthodes de protection des équipements

Protection par enveloppe antidéflagrante (Explosion-proof)

Une enveloppe antidéflagrante est conçue pour contenir une explosion interne et empêcher sa propagation à l'atmosphère environnante. Les joints usinés (jeux de flamme) refroidissent les gaz de combustion avant qu'ils ne s'échappent. Les exigences clés :

Les enveloppes doivent être certifiées par un organisme accrédité (CSA, UL, FM).

Les joints de flamme ne doivent jamais être endommagés ou obstrués.

Tous les boulons de couvercle doivent être en place et serrés au couple spécifié.

Les filetages des raccords doivent avoir au moins 5 filets pleinement engagés.

Protection par sécurité intrinsèque (IS)

La sécurité intrinsèque est une méthode où l'énergie électrique disponible dans le circuit est limitée à un niveau incapable d'enflammer l'atmosphère dangereuse. Cette méthode est largement utilisée en instrumentation car elle permet l'utilisation de circuits de signalisation (4-20 mA, HART) dans les zones dangereuses.

Composants d'un circuit IS :

Barrière de sécurité (ou galvaniseur) : limite la tension et le courant.

Câblage intrinsèquement sûr : séparé des autres circuits, couleur bleu clair identifiant.

Mise à la terre : la barrière doit être reliée à la terre de sécurité.

Règles de câblage IS (CCÉ, règle 18-100 à 18-122) :

Les circuits IS doivent être séparés d'au moins 50 mm des autres circuits.

Les conduits doivent être scellés à l'entrée des zones dangereuses.

Les barrières doivent être installées dans des zones non dangereuses, sauf si certifiées pour zone dangereuse.

Autres méthodes de protection

Méthode	Principe	Application typique
Purgé et pressurisé (Type X, Y, Z)	Maintien d'une surpression interne empêchant l'entrée de gaz	Salles de contrôle, grands moteurs
Remplissage de sable (Type N)	Immersion des composants dans du sable quartzeux	Petits appareillages
Immersion dans l'huile	Composants immergés dans un diélectrique	Transformateurs, interrupteurs
Encapsulation (Type m)	Composants noyés dans une résine	Capteurs, petits circuits
Sécurité intrinsèque (Type i)	Limitation d'énergie	Instrumentation de terrain

Câblage et installation en zones dangereuses

Conduits et scellements

Le CCÉ, Chapitre V, impose des exigences strictes pour le câblage dans les zones dangereuses :

Règle 18-150 (scellements) :

Un scellement doit être installé à l'entrée de chaque enveloppe antidéflagrante contenant des contacts ou des interrupteurs.

Un scellement doit être installé à moins de 450 mm de l'entrée d'une zone de Classe I, Division 1.

Pour la Division 2, le scellement est requis à l'entrée de la zone si le conduit est de 50 mm (2 po) ou plus.

Composés de scellement : Le composé doit être résistant à la pression, non corrosif, et capable de résister à la pression d'explosion. Il doit être mélangé et versé selon les instructions du fabricant. Un joint fibreux (fibre de verre, amiante) doit être placé sous le composé pour empêcher son écoulement dans le conduit.

Types de câbles autorisés

Type de câble	Classe I, Div. 1	Classe I, Div. 2	Classe II, Div. 1
Câble armé (ACWU)	Oui (avec scellement)	Oui	Oui
Câble blindé (TC)	Oui (avec scellement)	Oui	Oui
Câble non métallique (NMWU)	Non	Oui	Non
Câble à gaine métallique (MC)	Oui (avec scellement)	Oui	Oui

Règle 18-104 : Les câbles doivent être soutenus à des intervalles maximaux de 1,8 m pour les câbles armés et de 1,4 m pour les câbles non armés.

Mise à la terre et liaison équipotentielle

La mise à la terre est cruciale en zones dangereuses. Toutes les enveloppes métalliques, conduits et armures de câbles doivent être mis à la terre. La résistance de la liaison équipotentielle doit être inférieure à 1 Ω. Les connexions doivent être vérifiées périodiquement.

Systèmes de sécurité instrumentés (SIS)

Concepts fondamentaux

Un système de sécurité instrumenté (SIS) est un ensemble de capteurs, de logiques et d'éléments finaux conçus pour ramener un procédé à un état sûr en cas de condition dangereuse. Il est distinct du système de contrôle de base (BPCS).

Norme de référence : IEC 61511 (adoptée au Canada comme CSA Z61511) — Exigences pour les systèmes de sécurité instrumentés pour l'industrie de transformation.

Niveaux d'intégrité de sécurité (SIL)

Le niveau d'intégrité de sécurité (SIL) est une mesure de la fiabilité d'une fonction de sécurité. Quatre niveaux existent :

SIL	Facteur de réduction de risque (RRF)	Probabilité de défaillance à la demande (PFD)
SIL 1	10 à 100	10⁻¹ à 10⁻²
SIL 2	100 à 1000	10⁻² à 10⁻³
SIL 3	1000 à 10 000	10⁻³ à 10⁻⁴
SIL 4	10 000 à 100 000	10⁻⁴ à 10⁻⁵

Calcul du PFD : Pour un système avec des composants en série, le PFD total est la somme des PFD individuels. Pour des composants en parallèle (redondance), le PFD total est le produit des PFD individuels.

Exemple : Un transmetteur avec PFD = 2 × 10⁻³, une logique avec PFD = 1 × 10⁻⁴, et une vanne avec PFD = 5 × 10⁻³. PFD total = 2 × 10⁻³ + 1 × 10⁻⁴ + 5 × 10⁻³ = 7,1 × 10⁻³. Ce système atteint SIL 2 (PFD entre 10⁻² et 10⁻³).

Architectures redondantes

Les architectures courantes pour atteindre les niveaux SIL :

Architecture	Description	PFD résultant (approximatif)
1oo1 (1 sur 1)	Un seul canal	PFD du composant
1oo2 (1 sur 2)	Deux canaux en parallèle, un suffit	(PFD)²
2oo2 (2 sur 2)	Deux canaux, les deux requis	2 × PFD (dégradation)
2oo3 (2 sur 3)	Trois canaux, deux suffisent	3 × (PFD)²

Note : L'architecture 1oo2 améliore la disponibilité mais réduit la sécurité en cas de défaillance dangereuse non détectée. L'architecture 2oo2 améliore la sécurité mais réduit la disponibilité.

Fonctions de sécurité et modes de défaillance

Une fonction de sécurité est une fonction qui détecte une condition dangereuse et actionne les éléments finaux pour atteindre l'état sûr. Elle est définie par :

La condition déclencheuse (ex. : pression trop élevée).

L'action requise (ex. : fermeture de la vanne).

Le temps de réponse maximal admissible.

Modes de défaillance :

Défaillance dangereuse (D) : empêche la fonction de sécurité de s'exécuter.

Défaillance sûre (S) : provoque un déclenchement intempestif (fausse alarme).

Détectée (DD) : détectée par l'autodiagnostic.

Non détectée (DU) : non détectée jusqu'au test périodique.

Test de validation périodique

Les SIS doivent être testés périodiquement pour détecter les défaillances dangereuses non détectées. La fréquence de test est calculée à partir du PFD cible et du taux de défaillance :

Formule : T = PFD_cible / (λ_DU × RRF)

Où :

T = intervalle de test (en heures)

PFD_cible = probabilité de défaillance à la demande admissible

λ_DU = taux de défaillance dangereuse non détectée (par heure)

RRF = facteur de réduction de risque

Exemple : λ_DU = 1 × 10⁻⁶ /h, PFD cible = 1 × 10⁻³. T = 1 × 10⁻³ / (1 × 10⁻⁶) = 1000 heures ≈ 42 jours.

Détection de gaz et alarmes

Types de détecteurs

Type de détecteur	Principe	Gaz détectés	Avantages	Inconvénients
Catalytique (pont de Wheatstone)	Oxydation sur perle catalytique	Gaz combustibles (méthane, propane)	Simple, économique	Sensible aux poisons (silicones, soufre)
Infrarouge (IR)	Absorption de rayonnement IR	Hydrocarbures, CO₂	Pas de contact, auto-test	Ne détecte pas l'hydrogène
Électrochimique	Réaction électrochimique	O₂, CO, H₂S, Cl₂	Spécifique, sensible	Durée de vie limitée (2-3 ans)
Photo-ionisation (PID)	Ionisation par UV	COV, composés organiques volatils	Très sensible	Non spécifique

Seuils d'alarme

Les seuils d'alarme sont définis en fonction des limites d'exposition :

TLV-TWA (Valeur limite d'exposition - moyenne pondérée) : concentration maximale pour 8 h/jour, 40 h/semaine.

TLV-STEL (Limite à court terme) : concentration maximale pour 15 minutes.

LIE (Limite inférieure d'explosivité) : concentration minimale de gaz dans l'air pour qu'il y ait inflammation.

Règle pratique : Les alarmes de gaz combustible sont généralement réglées à 10 % de la LIE (alarme préliminaire) et 20 % de la LIE (alarme principale). Pour l'oxygène, l'alarme est réglée à 19,5 % (déficit) et 23 % (enrichissement).

Calcul de dilution et de ventilation

La ventilation est un moyen de prévention dans les zones classées. Le nombre de renouvellements d'air par heure est un facteur de classification :

Ventilation adéquate : ≥ 6 renouvellements/heure (réduit la classification).

Ventilation inadéquate : < 6 renouvellements/heure (augmente la classification).

Formule de débit : Q = V × N / 3600

Où :

Q = débit d'air (m³/s)

V = volume de la pièce (m³)

N = nombre de renouvellements par heure

Exigences réglementaires et normes canadiennes

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le CCÉ, Chapitre V (CSA C22.1) est la norme de référence pour les installations électriques en zones dangereuses. Les règles clés :

Règle 18-002 : Portée — s'applique à tous les emplacements où des atmosphères explosives peuvent exister.

Règle 18-006 : Classification des emplacements — doit être effectuée par une personne compétente.

Règle 18-008 : Documentation — un plan de classification doit être disponible sur les lieux.

Règle 18-100 : Équipements — doivent être certifiés pour la classe, la division et le groupe appropriés.

Règle 18-150 : Scellements — exigences détaillées pour les conduits.

Règle 18-250 : Mise à la terre — exigences spécifiques.

CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane

La norme CSA B149.1 s'applique aux installations de gaz naturel et de propane. Elle définit les exigences pour :

Les évents et les cheminées.

Les soupapes de sûreté.

Les détecteurs de gaz.

Les distances de séparation entre les équipements et les sources d'inflammation.

Règle 6.2.1 : Les appareils à gaz doivent être installés dans des locaux correctement ventilés.

Autres normes pertinentes

Norme	Domaine d'application
CSA Z462	Sécurité électrique au travail
CSA Z61511	Systèmes de sécurité instrumentés
CSA C22.2 No. 30	Enveloppes antidéflagrantes
CSA C22.2 No. 157	Sécurité intrinsèque
IEC 60079-14	Conception, sélection et installation des équipements électriques en zones dangereuses

Procédures de mise en service et de maintenance

Vérifications avant mise sous tension

Avant de mettre sous tension un circuit en zone dangereuse :

134.Vérifier que tous les scellements sont en place et correctement réalisés.

135.Confirmer que les enveloppes sont correctement fermées (tous les boulons, joints en bon état).

136.Vérifier la continuité de la mise à la terre (résistance < 1 Ω).

137.Inspecter les câbles pour détecter tout dommage mécanique.

138.Vérifier que les barrières de sécurité intrinsèque sont correctement installées et mises à la terre.

Tests de continuité et d'isolement

Test de continuité : Mesurer la résistance des conducteurs de terre et des liaisons équipotentielles. La valeur doit être inférieure à 1 Ω.

Test d'isolement : Utiliser un mégohmmètre à 500 V CC. La résistance d'isolement doit être supérieure à 1 MΩ pour les circuits de contrôle. Pour les circuits IS, le test doit être effectué avec précaution — ne jamais dépasser la tension maximale certifiée du circuit.

Documentation et dossiers

Le technicien doit maintenir :

Le plan de classification des zones (mis à jour).

Les certificats des équipements (certificats CSA, UL, FM).

Les rapports de tests périodiques des SIS.

Les registres de maintenance des détecteurs de gaz.

Pièges à éviter

150.Confondre Division et Zone : La Division 1 correspond aux Zones 0 et 1, pas seulement à la Zone 1. Un emplacement Zone 0 est plus dangereux qu'une Division 1 typique.

151.Oublier la température de surface : Un équipement certifié pour la bonne classe/groupe mais avec un code T trop élevé est inadmissible. Toujours vérifier le code T par rapport à la TAI de la substance.

152.Négliger les scellements : Les scellements sont obligatoires à l'entrée des enveloppes contenant des contacts, et à moins de 450 mm de l'entrée de la zone. Un scellement manquant est une défaillance grave.

153.Utiliser un câble non certifié : Les câbles doivent être certifiés pour la zone. Un câble NMWU n'est pas permis en Division 1.

154.Mélanger les circuits IS et non-IS : Les circuits intrinsèquement sûrs doivent être séparés physiquement des autres circuits. La séparation minimale est de 50 mm.

155.Ignorer le PFD dans les calculs SIL : Le PFD total est la somme des PFD pour les composants en série, pas le maximum. Un calcul incorrect peut conduire à une sous-estimation du risque.

156.Tester les SIS trop rarement : L'intervalle de test doit être calculé, pas choisi arbitrairement. Un intervalle trop long augmente le risque.

157.Oublier la liaison équipotentielle : La mise à la terre seule ne suffit pas — la liaison équipotentielle entre toutes les masses métalliques est essentielle pour éviter les étincelles.

158.Confondre TAI et point d'éclair : La TAI est la température à laquelle le gaz s'enflamme spontanément sans source d'inflammation. Le point d'éclair concerne les liquides. Les deux sont utilisés pour la classification, mais ils ne sont pas interchangeables.

159.Ne pas vérifier la certification des équipements : Un équipement non certifié, même s'il semble identique, ne peut pas être installé en zone dangereuse. La certification doit être vérifiée sur la plaque signalétique.

Résumé

La classification des emplacements dangereux au Canada suit le CCÉ, Chapitre V, avec trois classes (I, II, III), des divisions (1 et 2) ou des zones (0, 1, 2), et des groupes (A à G).

La température maximale de surface (code T) doit toujours être inférieure à la température d'auto-inflammation de la substance.

Les méthodes de protection incluent les enveloppes antidéflagrantes, la sécurité intrinsèque, le purgé/pressurisé, et l'encapsulation.

Les scellements sont obligatoires dans les conduits à des emplacements précis (règle 18-150).

Les SIS sont conçus selon la norme CSA Z61511, avec des niveaux SIL de 1 à 4, basés sur le PFD.

Le PFD total d'un système en série est la somme des PFD individuels ; pour la redondance, c'est le produit.

Les détecteurs de gaz doivent être calibrés et testés régulièrement ; les alarmes sont réglées à 10 % et 20 % de la LIE pour les gaz combustibles.

La documentation (plan de classification, certificats, rapports de test) est obligatoire et doit être maintenue à jour.

Questions de révision

172.Quelle est la différence entre un emplacement de Classe I, Division 1 et un emplacement de Classe I, Zone 0 ?

173.Un équipement marqué T4 peut-il être installé dans une zone contenant du disulfure de carbone (TAI = 90 °C) ? Justifiez.

174.Calculez le PFD total d'un système avec un transmetteur (PFD = 1 × 10⁻³), une logique (PFD = 5 × 10⁻⁴) et une vanne (PFD = 2 × 10⁻³). Quel niveau SIL est atteint ?

175.À quelle distance de l'entrée d'une zone de Classe I, Division 1 doit être installé un scellement ?

176.Quelles sont les exigences de séparation entre les circuits intrinsèquement sûrs et les autres circuits ?

177.Un détecteur de gaz combustible a une alarme réglée à 10 % de la LIE. Si la LIE du méthane est de 5 % vol., quelle est la concentration d'alarme en % vol. ?

178.Quelle est la résistance maximale admissible pour la liaison équipotentielle en zone dangereuse ?

179.Un SIS a un taux de défaillance dangereuse non détectée de 2 × 10⁻⁶ /h et un PFD cible de 1 × 10⁻³. Quel est l'intervalle de test maximal ?

Réponses aux questions de révision

182.La Division 1 inclut les Zones 0 et 1. La Zone 0 est un cas particulier de la Division 1 où la présence est continue ou prolongée (> 1000 h/an). En pratique, la Zone 0 est plus restrictive.

183.Non. Le disulfure de carbone a une TAI de 90 °C. Un équipement T4 a une température maximale de surface de 135 °C, ce qui est supérieur à 90 °C. Il faut un équipement T6 (85 °C).

184.PFD total = 1 × 10⁻³ + 5 × 10⁻⁴ + 2 × 10⁻³ = 3,5 × 10⁻³. Ce système atteint SIL 2 (PFD entre 10⁻² et 10⁻³).

185.Le scellement doit être installé à moins de 450 mm de l'entrée de la zone de Classe I, Division 1 (règle 18-150).

186.Les circuits IS doivent être séparés d'au moins 50 mm des autres circuits, ou séparés par une barrière mise à la terre.

187.Concentration d'alarme = 10 % × 5 % vol. = 0,5 % vol.

188.La résistance de la liaison équipotentielle doit être inférieure à 1 Ω.

189.T = PFD_cible / λ_DU = 1 × 10⁻³ / (2 × 10⁻⁶) = 500 heures ≈ 21 jours.

Emplacements dangereux et systèmes de sécurité