Résumé
Ce travail a mis à jour et a validé deux (2) nouveaux modèles de wagon-citerne au cours d’un incendie, et comparé les résultats de 34 scénarios utilisant ces deux (2) modèles à ceux d’un modèle de l’industrie afin de déterminer leurs similitudes et différences.
Contexte
Un incident impliquant un wagon-citerne transportant des liquides inflammables, tels que du pétrole brut, des condensats de gaz naturel ou de l’éthanol, pose un risque de feu en nappe. La Direction générale du transport des marchandises dangereuses (DGTMD) de Transports Canada (TC) s’en inquiète en raison d’incidents ferroviaires où il y a eu présence de liquides inflammables, car cela présente un risque pour la sécurité du public et de l’environnement. La DGTMD souhaite mieux comprendre le comportement au feu des wagons-citernes afin d’évaluer les normes de sécurité et des règlements applicables, et pour s’assurer qu’ils offrent un haut niveau de sécurité.
Pour investiguer ces préoccupations, la DGTMD a lancé des projets de recherche sur la défaillance possible des wagons-citernes en cas de haute température. De 2016 à 2019, CanmetMATÉRIAUX (CMAT) de Ressources naturelles Canada (RNCan) a effectué des essais de traction et de déformation de fluage sur les aciers TC128B et ASTM SA516-70, deux (2) des aciers les plus couramment utilisés dans la fabrication des wagons-citernes. Au cours de l’exercice financier 2018-2019, un modèle de comportement des matériaux qui comprend leur ramollissement et leur fluage en fonction de la température (de 25 °C à 800 °C) a fait l’objet d’essais à l’aide d’un logiciel d’analyse par Éléments Finis (EF) pour permettre une analyse détaillée des wagons-citernes et des défaillances de wagons-citernes à haute température. CMAT a ensuite élaboré un modèle par EF fondé sur la géométrie propre aux wagons-citernes pour prédire leur défaillance dans diverses conditions de feu en nappe au cours des exercices financiers 2018-2019 et 2019‑2020. [1].
Objectifs
Le projet avait trois (3) objectifs principaux pour l’exercice financier 2020‑2021 :
- développer un modèle d’ingénierie plus simple et plus rapide pour calculer la défaillance des matériaux et le valider par rapport au modèle EF existant;
- exécuter une série de scénarios de feu en nappe à l’aide des modèles EF et d’ingénierie avec les données de température et de pression du pétrole brut de RNCan CanmetÉNERGIE comme données d’entrée;
- effectuer une comparaison des résultats entre le programme d’analyse des effets d’un incendie sur les wagons-citernes (Analysis of Fire Effects on Tank Cars [AFFTAC]), un logiciel industriel établi pour prédire la défaillance des wagons-citernes dans des feux en nappe, et les deux (2) modèles de CMAT.
Méthodes
34 scénarios d’incendie simulés ont été définis par TC et analysés par CanmetÉNERGIE pour établir les conditions limites de température et de pression à introduire dans les trois (3) modèles. Les scénarios portaient sur des températures d’incendie allant de 850 °C à 1204 °C et sur une variation de l’inclinaison de la citerne (figure 1), le niveau de remplissage, la libération de pression de la soupape de décharge de pression (SDP), le type de chargement du pétrole brut, l’épaisseur de la coque et l’émissivité. Tous les scénarios, sauf un (1), portaient sur la présence d’une protection thermique et un (1) scénario a également été exécuté avec une SDP complètement bloquée.
Résultats
CMAT a développé avec succès une approche d’ingénierie qui lui a permis de calculer la déformation plastique, la déformation de fluage et le temps écoulé avant la défaillance de la coque d’un wagon-citerne dans un scénario de feu en nappe. Les seules données d’entrée requises sont la température maximale de la coque de la citerne et la pression interne au fil du temps.
Le modèle d’ingénierie a permis de prédire avec précision la déformation en termes de fluage et de temps écoulé avant une défaillance en comparaison avec les simulations par EF à pleine échelle (figure 2).
Seuls les scénarios de la coque nue et de la soupape de décharge de pression entièrement bloquée ont entraîné une défaillance de la citerne au cours de la période de simulation de 716 minutes. Le modèle par EF et le modèle d’ingénierie ont prédit un temps de défaillance de 675 et 676 minutes pour le scénario de la coque nue, respectivement. Dans le scénario de la soupape de décharge de pression entièrement bloqué, la citerne a subi une défaillance après 328 minutes au cours de la simulation par EF et après 340 minutes dans le cadre du modèle d’ingénierie.
Les scénarios ont également été exécutés dans le programme AFFTAC, qui n’a prédit de défaillance dans aucun des cas. Tous les scénarios ont satisfait aux exigences du test de la norme TP18477 avec une survie d’au moins 100 minutes dans les trois (3) modèles. Le scénario où la température de feu était la plus élevée, soit à 1204 °C, était équivalente à la température de feu de torche de la norme TP18477. Il est donc raisonnable de supposer qu’un point chaud localisé à cette température serait également survécu.
Le programme AFFTAC et les deux (2) modèles de CMAT décrivent le comportement à haute température des matériaux des wagons-citernes. Tous trois (3) peuvent prédire deux (2) modes de défaillance : la limite d’élasticité (plasticité) et le fluage. Les trois (3) modèles dépendent de la température. Lorsque la température augmente, la limite d’élasticité diminue. À des températures plus élevées, la déformation de fluage se produit plus rapidement à un niveau de contrainte donné qu’à des températures plus basses. Les scénarios d’incendie modélisés n’ont pas fourni suffisamment de données pour permettre une comparaison complète des modèles de CMAT avec AFFTAC, car la faible accumulation de fluage et le peu de défaillances pendant la durée de la simulation n’ont pas entraîné de différences suffisantes aux fins d’analyse.
Conclusions
CMAT a élaboré une méthode d’ingénierie efficace et rapide pour calculer le temps écoulé avant la défaillance d’un wagon-citerne dans un scénario de feu en nappe et l’a validé par rapport à son modèle par EF.
CMAT a simulé 34 scénarios réalistes de feu en nappe dans ses modèles d’ingénierie et par EF. Tous les scénarios ont révélé une survie d’au moins 100 minutes. Seuls deux (2) scénarios se sont soldés par une défaillance au cours des 716 minutes d’essai. L’un d’entre eux s’est soldé par une défaillance en raison d’une soupape de décharge de pression complètement bloquée et l’autre en raison d’un manque de protection thermique. Ces résultats témoignent de l’importance de ces systèmes clés de protection des wagons-citernes.
Des comparaisons préliminaires entre les modèles de CMAT et d’AFFTAC ont révélé quelques différences.
Mesures à venir
Des comparaisons supplémentaires entre les deux (2) modèles de CMAT et d’AFFTAC pourraient être effectuées lorsqu’une nouvelle version de du logiciel d’AFFTAC sera mise à la disposition du public, afin de renforcer la confiance dans la capacité de survie au feu des nouvelles conceptions de wagons-citernes
Références
[1] McKinley, J et B. W. Williams (2020). Finite Element Simulation of Rail Tank Car Creep Failure in an Engulfing Fire Scenario, CanmetMATÉRIAUX, Ressources naturelles Canada.
Titre : Évaluation de la possibilité de défaillances d’un wagon-citerne au cours d’un incendie à l’aide de modèles combinés (2021)
Auteurs : J. McKinley, J. Xue, B. W. Williams, S. Xu (CanmetMATÉRIAUX, Ressources naturelles Canada)
Numéro TP : TP 15493E
Numéro ISBN : 978-0-660-40379-3
Numéro de catalogue : T44-3/24-2021E-PDF
Remerciements
Ce projet a été financé par TC et réalisé par RNCan.
Contactez-nous
Pour obtenir une copie du rapport, veuillez communiquer avec :
Division de la recherche scientifique du TMD
TC.TDGScientificResearch-RecherchescientifiqueTMD.TC@tc.gc.ca
Mots clés
TC128B, A516-70, wagon-citerne, TC-117, fluage, feu, modélisation par éléments finis (EF), chargement inflammable, pétrole brut, feu en nappe, comportement au feu.
