Maitrise de l’emballement thermique par l’analyse de la fiabilité des systèmes de refroidissement

Abstract

يُعدّ الانفلات الحراري من المخاطر الكبرى التي تُثير القلق في الصناعة الكيميائية والبتروكيميائية، إذ يحدث عندما تتجاوز الحرارة المتولدة عن التفاعل الكيميائي قدرة نظام التبريد على تبديدها. ويقع هذا النوع من الحوادث بشكل متكرر، وقد يؤدي إلى عواقب خطيرة تشمل خسائر في الأرواح، وإصابات جسيمة، وتأثيرات صحية سلبية مثل التشوهات التي قد تمسّ لأجيال الحالية والمستقبلية. إضافةً إلى ذلك، يتسبب الانفلات الحراري في أضرار مادية وبيئية كبيرة تُعزى حوالي 75٪ من حالات الانفلات الحراري إلى أعطال في نظام التبريد. وفي هذا السياق، يتمثل الهدف الأول من هذه الأطروحة في تحليل نظام تبريد مفاعل حفزي أديباتي ذي سرير ثابت تابع لشركة تصنيع الميثانول لمجمع سوناطراك، بهدف تحسين موثوقيته. يعتمد هذا التحليل على استخدام أشجار الأعطال المتماسكة وغير المتماسكة، باعتبار أن النظام المدروس يمثل حلقة تنظيم وبما أن حلقات التنظيم تُعد أنظمة غير متماسكة بطبيعتها، فإن الهدف الثاني من هذه الأطروحة يتمثل في اقتراح مقاربة منهجية وسيطة تربط بين أشجار الأعطال المتماسكة وغير المتماسكة. وتُسمّى هذه المقاربة شجرة الأعطال شبه المتماسكة، حيث تسمح بتحديد المكوّنات ذات السلوك غير المتماسك وتكييف حالاتها أثناء بناء شجرة الأعطال غير المتماسكة، مما يُحسّن تمثيل السلوك الحقيقي للنظام ويزيد من فعالية التحليل. أدى تطبيق هذا النهج إلى انخفاض كبير في عدد الأحداث الأساسية في شجرة الأعطال غير المتماسكة، حيث انخفض عددها من 50 إلى 21 حدثًا، أي بانخفاض قدره 58٪. L’emballement thermique constitue un risque majeur redouté dans l’industrie chimique et pétrochimique ; il survient lorsque la chaleur générée par la réaction chimique dépasse la capacité de dissipation du système de refroidissement. Ce type d’accident survient de manière récurrente et peut entraîner des conséquences graves, notamment des pertes humaines, des blessures sévères et des atteintes sanitaires, telles que des malformations affectant les générations présentes et futures. Par ailleurs, l’emballement thermique entraine des dommages matériels et environnementaux considérables. Environ 75 % des phénomènes d’emballement thermique sont attribués à des défaillances du système de refroidissement. C’est dans ce contexte que le premier objectif de cette thèse est d’analyser le système de refroidissement d’un réacteur adiabatique catalytique à lits fixes appartenant à la compagnie CP1Z du groupe SONATRACH, afin d’en améliorer la fiabilité. Cette analyse s’appuie sur l’utilisation des arbres des défaillances cohérents et non-cohérents, le système étudié étant une boucle de régulation. Les boucles de régulation étant des systèmes non cohérents, le second objectif de cette thèse est de proposer une approche méthodologique intermédiaire reliant les arbres des défaillances cohérents et non cohérents. Cette approche, appelée arbre de défaillances semi-cohérent, permet d’identifier les composants au comportement non cohérent et d’adapter leur état lors de la construction de l’arbre non cohérent, afin d’améliorer la représentation du comportement réel du système et l’efficacité de l’analyse. L’application de cette approche a permis de réduire significativement le nombre d’événements de base dans un arbre non-cohérent, celui-ci passant de 50 à 21 événements, soit une réduction de 58 %. Thermal runaway constitutes a major risk feared in the chemical and petrochemical industries. It occurs when the heat generated by a chemical reaction exceeds the cooling system’s heat-removal capacity. This type of accident occurs recurrently and may lead to severe consequences, including loss of human life, serious injuries, and adverse health effects such as malformations affecting present and future generations. In addition, thermal runaway causes significant material and environmental damage. Approximately 75% of thermal runaway phenomena are attributed to cooling system failures. In this context, the first objective of this thesis is to analyse the cooling system of an adiabatic fixed-bed catalytic reactor belonging to the CP1Z Company of the SONATRACH group, with the aim of improving its reliability. This study employs coherent and non-coherent fault tree analysis, as the system under study is a control loop. Since control loops are inherently non-coherent systems, the second objective of this thesis is to propose an intermediate methodological approach bridging coherent and non-coherent fault trees. This approach, referred to as the semi-coherent fault tree, makes it possible to identify components exhibiting non-coherent behaviour and to adapt their states during the construction of the non-coherent fault tree, thereby improving the representation of the system’s actual behaviour and enhancing the efficiency of the analysis. Applying this approach significantly reduced the number of basic events in a non-coherent fault tree, from 50 to 21 events, a reduction of 58 %.