Lorsque l'on parle de protection, vis-à-vis des risques d'explosion liés au gaz des installations et des personnes travaillant sur un site pétrochimique, on pense spontanément aux équipements de protection individuels (EPI), comme les détecteurs de gaz toxiques et/ou explosibles portables et aux modèles à poste fixe, intégrant tous des cellules électrochimiques, à semi-conducteur et/ou des perles catalytiques. Pourtant, la sécurité n'étant pas totale - aucun détecteur n'est parfait ou universel - , ces industriels du pétrole et du gaz, de la pétrochimie, etc., n'hésitent pas à investir dans des solutions de protection, en tout cas plus que d'autres secteurs industriels.

Avant tout, il s'agit de secteurs industriels soumis à un certain nombrederéglemen-tations, en plus du fait qu'ils s'en donnent aussi les moyens (financiers), ce qui se traduit depuis des décennies par la mise en place de détecteurs de gaz toxiques et/ou inflammables, que ce soit à demeure pour protéger les installations (détecteurs à poste fixe) ouembar-qués sur les personnes (détecteurs portables). Même si ces deux types d'équipements complémentaires assurent pleinement leur rôle, il n'empêche que ces technologies ne permettent pas de répondre à tous les cas de figure rencontrés sur un site pétrolier ou gazier.

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La sécurité des installations et des opérateurs intervenant sur les équipements est une obsession pour les exploitants et le personnel de sites pétroliers, pétrochimiques, gaziers, etc. En plus des détecteurs de gaz traditionnels et des barrières optiques, les industriels investissent aujourd'hui dans des détecteurs de fuite de gaz, afin de se rapprocher d'une couverture quasiment complète.

Emerson Process Management

C'est pourquoi les fabricants ont ensuite développé d'autres technologies, comme les détecteurs infrarouges ponctuels et les barrières optiques, pour répondre à la demande d'une couverture de détection améliorée. « Les industriels ont en effet commencé à bâtir une stratégie de sécurité composée de plusieurs niveaux de protection, afin de bénéficier des avantages de chaque technique et ainsi d'atteindre une couverturequasi complète de leur site.La détection de gaz traditionnelle était un premier niveau pour les zones très confinées et la détection à trajet ouvert, à savoir les détecteurs ponctuels et les barrières optiques, devenait un deuxième niveau », rappelle Sébastien Crozet, responsable produits Analyse chez Emerson Process Management France.

Cette approche n'était toutefois pas encore la panacée, en raison notamment du temps nécessaire pour que le gaz arrive jusqu'à l'élément sensible d'un détecteur traditionnel ou, pour les barrières optiques, du nombre important d'appareils à installer pour quadriller correctement une zone donnée. Sans compter que les conditions météorologiques peuvent venir jouer les trouble-fête ( voir figure 1 ). Le service de santé et de sécurité britannique Health and Safety Executive (HSE) a d'ailleurs déterminé que, dans les zones bien ventilées, les technologies de détection conventionnelles n'affichent une efficacité que de 65%. « Même avec des détecteurs conventionnels haut de gamme, les fuites de gaz n'étaient pas détectées en présence d'environnements difficiles. Un vent fort peut en effet éloigner le nuage de gaz du détecteur ou alors le pousser le long de la barrière optique sans la franchir. Et les fuites non détectées peuvent ensuite se disperser vers des zones adjacentes et/ou s'accumuler dans des zones non ventilées… », expliqueYann Cochois, responsable des ventes régional de Detector Electronics (Det-Tronics) France.

Un niveau de protection supplémentaire

A ces contraintes vient encore s'ajouter l'évolution continue des réglementations.« Il s'est produit ces dernières années quelques accidents, ce qui a entraîné une prise de conscience de la part des différents acteurs du secteur. Suite à cela, les normes existantes sont devenues encore plus strictes, les normes HSE ont imposé la détection des hydrocarbures dans le but ici d'améliorer l'environnement », ajoute Sébastien Crozet (Emerson Process Management France). Pour Edward Naranjo, GlobalTechnical Product Manager chez General Monitors, distribué en France par Autochim, « l'évolution du marché de la sécurité s'inscrit par ailleurs dans l'augmentation de la demande mondiale en énergie.Les progrès en termes de production et de raffinage nécessitent en effet l'amélioration continue des capteurs et systèmes de détection de gaz.N'oublions pas que, à défaut d'être un producteur important, la France est un pays grand consommateur de pétrole et de gaz, où la demande en énergie augmente comme partout ailleurs dans le monde. »

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Pour toutes ces raisons,et aidés en cela par une évolution des mentalités, les industriels ont réfléchi à ajouter un niveau supplémen-taire à leur stratégie de protection. Et c'est comme cela que l'on a vu apparaître sur le marché, ces dernières années, des détecteurs de fuites de gaz – à ne pas confondre avec les appareils du type sniffers utilisés en maintenance des circuits aérauliques et thermiques, par exemple–, mis en œuvre comme premier niveau d'alerte contre les risques d'explosions et de feu. « La détection de fuites de gaz acoustique vient compléter les autres méthodes de par son temps de réponse rapide et la possibilité de fournir,dans de nombreux cas, une couche de sécurité supplémentaire. Et le marché européen a été le premier à adopter la détection de fuites de gaz à ultrasons il y a déjà quelques années », poursuit Edward Naranjo.

Intéressons-nous maintenant aux technologies mises en œuvre pour la détection de fuites de gaz. Jusqu'à encore récemment (environ une dizaine d'années), il n'existait pas vraiment de méthodes de détection industrielles, si ce n'est des techniques adaptées aux besoins particuliers de certaines applications. « Certains industriels ont déployé des chromatographes en phase gazeuse afin de mesurer les concentrations en gaz polluants sur leurs sites et ainsi vérifier le respect vis-à-vis des réglementations environnementales en vigueur. Mais ces appareils, qui permettent de qualifier une fuite, ne sont pas évidents à mettre en œuvre et requièrent des personnes compétentes », ajoute Claude Pelletier,animateur de la commission technique Thermographie de l'association des Exploitants de mesure, de régulation et d'automatismes (Exera). Fort du constat du déploiement accéléré des détecteurs de fuites de gaz, l'Exera a d'ores et déjà prévu la réalisation d'une campagne d'essais au cours du premier trimestre 2014.

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Les avantages de la technologie à ultrasons sont la détection instantanée de fuites de gaz et l'insensibilité aux changements de direction du vent ou de dilution de gaz. Les détecteurs acoustiques offrent ainsi une large zone de couverture et ne nécessitent pas d'amener le gaz jusqu'à l'élément sensible du détecteur.

General Monitors

Deux technologies se partagent aujourd'hui le marché de la détection de fuites de gaz: l'émission acoustique et la thermographie infrarouge. « Il existe un troisième type d'appareils de mesure reposant sur une méthode hyperspectrale, mais ils sont pour l'instant très chers et peu transportables », indique Claude Pelletier (Exera). Côté fabricants, on trouve principalement les américains Det-Tronics, Emerson Process Management et General Monitors, qui proposent chacun un détecteur de fuites de gaz acoustique, et l'américain Flir Systems et l'israélien Opcal (distribué en France par Oil & Gas Technologies) qui, eux, ont choisi la méthode spectrale infrarouge. On peut encore citer le français dB Vib Groupe, spécialisé dans les solutions de mesures vibratoires et acoustiques, ou l'américain Brüker, avec ses systèmes de spectrométrie Sigis et GI 384 LW, parmi les rares autres acteurs du marché.

En ce qui concerne l'imagerie optique des gaz ( optical gas imaging , en anglais), à savoir les caméras thermographiques, il s'agit du même principe de mesure que celui des modèles pour le bâtiment et la maintenance électrique. « A ceci près que les capteurs utilisés dans nos caméras GasFindIR sont différents.Ce sont d'abord des capteurs refroidis,donc plus performants, pour être capables de mesurer des écarts extrêmement

faibles. Leur réponse spectrale se situe ensuite dans les plages de longueurs d'onde comprise entre 3 et 5 µm, ce qui correspond à la longueur d'onde d'absorption de la liaison C-H caractéristique des gaz rencontrés en pétrochimie (le gros du marché),et entre 10 à 11 µm », explique Eric Biogeaud, responsable des ventes France et Benelux de Flir Systems.Ce trou dans la plage spectrale s'explique par une forte absorption liée à la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant, absorption qui rendrait quasiment impossibles les mesures. Le premier avantage de l'imagerie spectrale infrarouge réside dans la richesse en termes d'informations des thermo-grammes, comparé à une recherche par émission acoustique. On peut par exemple voir le nuage de gaz se former et se déplacer. Parmi les autres intérêts des caméras thermographiques, on peut citer la possibilité de mesurer plusieurs milliers de points en même temps, d'où l'efficience et la rapidité de la méthode. Et ce en (toute) sécurité: l'opérateur peut se tenir à bonne distance de la fuite, à une dizaine de mètres environ, lorsqu'il identifie un problème. De ce point de vue, les caméras thermiques sont une solution complémentaire aux appareils de type sniffers qui imposent de se trouver au plus près des fuites.

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La technologie au cœur d'un détecteur de fuites de gaz repose sur un ou plusieurs microphones travaillant dans la plage de fréquences sonores et/ou ultrasonores (à l'instar d'un sonomètre) et associés à un logiciel spécifique basé sur un algorithme avancé.

Det-Tronics

Ne pas sous-estimer les compétences des opérateurs

Par contre, il ne faut pas avoir peur de marcher puisque, pour couvrir l'ensemble d'un site, ou même seulement toutes les zones à risque, l'opérateur doit quand même se déplacer physiquement. Heureusement, ces caméras ne pèsent que 2,5 kg, pour des dimensions de 306x169x161mm (LxPxH) et une autonomie de 3 heures;elles sont donc tout aussi portables que les (gros) modèles pour les applications en bâtiment et en maintenance électrique. Hormis l'inconvénient de se déplacer, il faut également préciser un point très important: « L'image thermique d'un nuage de gaz ne permet pas à l'utilisateur de dire quel est le gaz qui s'échappe, ni de le quantifier », insiste Claude Pelletier (Exera).

Sans compter que la personne doit avoir les compétences requises pour savoir bien utiliser l'appareil et exploiter correctement les mesures. « Il faut disposer d'une expérience en la matière afin de bien comprendre l'image, car elle peut par exemple dépendre de l'éclairage ou être altérée par l'arrière-plan,les longueurs d'onde étant trop proches.Une caméra pour la détection de fuites de gaz requiert peut-être toutefois moins de formation qu'une caméra thermique classique », ajoute-t-il. Ce que confirme Eric Biogeaud (Flir Systems) en précisant que « nous proposons des stages de formation pour mieux appréhender l'utilisation de ces caméras thermographiques, sachant qu'il existe des modèles différents selon le type d'application (les gaz pétrochimiques,le SF6,les gaz réfrigérants où la demande va aller croissante…). Comme de faire attention à la direction du vent,aux fuites en mouvement, de savoir quelle est la taille minimale qui peut être détectée, de ne pas oublier que l'on ne peut pas déterminer le gaz qui fuit,etc. » Evidemment la question du coût n'est pas à négliger. Il faudra débourser environ 80000 euros pour l'acquisition d'une caméra thermographique destinée à la détection de fuites de gaz. « Mais cet investissement est très vite rentabilisé,dès le premier incident évité, en fait, précise néanmoins Eric Biogeaud. En raison de cette contrainte budgétaire, nous allons plutôt viser les entreprises conséquentes comme les sites pétrochimiques. Même si l'on parle de réglementations toujours plus sévères, de protection de l'écologie,la recherche et la suppression des fuites de gaz assurent parallèlement la réduction des coûts en termes de perte de produit et de productivité. »

Un ou des microphones et un logiciel spécifique…

Tout comme pour les caméras thermographiques, le marché des détecteurs de fuites de gaz acoustiques est un marché de niche… du point de vue du nombre de constructeurs, en tout cas. L'américain General Monitors, qui avait mis la main sur le britannique Gassonic en 2007 et qui a lui-même rejoint le giron du groupe MSA, et le britannique Groveley Detection ont vu l'arrivée de l'américain Emerson Process Management au travers du rachat de la société britannique, ce qui va sûrement redistribuer les cartes sur le marché, et de l'américain Det-Tronics qui a dévoilé en début d'année le FlexSonic ( voir encadré page 22 ). Ce ne sont là que les premiers signes de l'effervescence que connaît le landerneau de la détection de gaz…

La technologie au cœur d'un détecteur de fuites de gaz repose, pour simplifier, sur un ou plusieurs microphones travaillant dans une plage de fréquences allant de 30 à 100 kHz pour certains modèles (à l'instar d'un sonomètre) et associés à un logiciel spécifique. « Il ne s'agit pas juste de détecter le dépassement d'un seuil. Nous avons développé pour le FlexSonic un algorithme travaillant sur 24 fréquences différentes dans la plage des ultrasons, en intensité et en fréquence », ajouteYann Cochois (Det-Tronics France). Un détecteur à ultrasons permet d'établir la présence d'une fuite de gaz sous pression par la détection des ondes acoustiques se propageant dans l'air et émis à partir de la fuite. Comme le gaz s'échappe d'une cuve sous pression, il produit un son à large bande, la composante ultrasonore étant mesurée par des microphones robustes et très précis.

« A partir du moment où la fuite se trouve dans le champ d'écoute du détecteur,on sait immédiatement qu'il y a un problème… peu importe la présence d'obstacles, de vent. Cette technologie pourrait être un concurrent aux caméras thermographiques,dans certains cas,mais aussi une solution complémentaire pour assurer la localisation de la fuite ou éviter des obstacles », explique Sébastien Crozet (Emerson Process Management France). C'est la raison pour laquelle les détecteurs de fuites de gaz deviennent le premier niveau de protection, si l'on reprend l'approche de sécurité à multiples niveaux. Pour Edward Naranjo (General Monitors), « les avantages de la technologie à ultrasons comprennent la détection instantanée de fuites de gaz et l'insensibilité aux changements de direction du vent ou de dilution de gaz. Les détecteurs acoustiques offrent ainsi une large zone de couverture et ne nécessitent pas d'amener, d'une manière ou d'une autre, le gaz jusqu'à l'élément sensible du détecteur. » Avec ses quatre capteurs, le GDU-Incus d'Emerson Process Management, par exemple, offre un champ de vision de 250° – deux appareils permettent ainsi d'avoir une vue à 360° – ainsi qu'une portée de 40 men présence d'un bruit de fond de 74 dB.

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Après avoir conquis les applications du bâtiment et de la maintenance électrique, les caméras thermographiques sont désormais utilisées pour détecter l'apparition de fuites de gaz sur certains sites industriels. Le GasFindIR 320 de Flir Systems, par exemple, intègre même des fonctions de maintenance industrielle…

Flir Systems

Des conduites avec une pression minimale de 1 bar

Un autre atout, qui est d'ailleurs mis en avant par Det-Tronics pour son FlexSonic, est une installation très simple. « Parce qu'il est beaucoup plus compact et plus léger, une seule personne suffit pour la mise en place de notre détecteur de fuites de gaz, même à une hauteur de 2 m. Et aucune maintenance de routine n'est par ailleurs nécessaire.Ce n'est pas le cas avec les modèles concurrents qui requièrent la présence de deux personnes pour l'installation,sur-tout en hauteur », constateYann Cochois (Det-Tronics France).Toujours en ce qui concerne la miseenservice,lesperformancesd'undétecteur acoustique peuvent être vérifiées avec des fuites de gaz connues. « En utilisant un gaz inerte, les opérateurs peuvent en effet réaliser des simulations de rejets de gaz, avec une concentration connue, et tester ainsi la réponse des détecteurs à des endroits présentant un risque potentiel », indique Edward Naranjo (General Monitors).

Evidemment, la recherche par émission acoustique n'est pas une technologie universelle et efficace à 100%. « La première contrainte porte sur la pression minimale du gaz dans la conduite. Une pression de 1 bar est nécessaire pour que le bruit produit par la fuite puisse être détecté, c'est-à-dire que l'émission acoustique atteigne un niveau suffisamment plus élevé que le bruit de fond ambiant »,explique Sébastien Crozet (Emerson Process Management France). Tout dépend évidemment du niveau sonore ambiant et également des éventuelles sources présentes sur le site.« Si une soupape de sécurité ou une vanne de contrôle se trouve à proximité du détecteur de fuites de gaz, il est possible d'ajouter une temporisation de 15 à 20 s afin de s'affranchir du bruit parasite », poursuit-il.

La détection à ultrasons est par ailleurs une méthode non sélective pour détecter les émissions de gaz. Cela peut être vu comme un avantage. Le niveau de pression acoustique est en effet proportionnel au débit massique de l'écoulement (débit de fuite) et fournit ainsi une mesure de la “sévérité” de la fuite. Le débit de fuite, à son tour, dépend principalement de la pression du gaz à l'in-térieur de la cuve et de la taille de l'orifice de la fuite. Claude Pelletier (Exera) ajoute que « l'émission acoustique dépend également du type de fissure et/ou de joint, ce qui engendre diverses turbulences (jet fort ou gaz diffus qui entraîne alors la forme d'une poche de gaz autour de la fuite). » Mais cette non-sélectivité pose un problème important: il n'est pas possible de savoir s'il s'agit d'une fuite d'air comprimé, de méthane ou de butane, ce qui est également le cas avec la thermographie ! L'industriel connaît les gaz qui interviennent dans son procédé et doit normalement savoir quel est le composé incriminé en cas d'incident. « Une analyse et une cartographie du site sont néanmoins obligatoires avant l'acquisition de détecteurs de fuites de gaz, même si nous proposons, dans notre modèle,un mode d'apprentissage », conseilleYann Cochois (Det-Tronics France).

Un marché mondial en croissance exponentielle

« Il faut garder à l'esprit que l'objectif d'une détection de fuites de gaz,qu'elle soit acoustique ou thermique, est avant tout d'alerter les utilisateurs dès l'apparition de l'incident, avant que la situation s'aggrave. Et disposer en plus d'un appareil doté d'une bonne ergonomie n'est pas inutile », rappelle Claude Pelletier (Exera). « Sans oublier, et c'est le plus important, que l'appareil détecte non pas la présence d'un gaz, mais bel et bien celle de la fuite elle-même », ajoute Edward Naranjo (General Monitors). Le HSE préconise d'ailleurs la détection à ultrasons en tant que bonnes pratiques. « Même s'ils ne sont pas obligatoires, avoir installé des détecteurs de fuites de gaz acoustiques est bien vu par les auditeurs », remarque Sébastien Crozet (Emerson Process Management France). Même constat de la part deYann Cochois (Det-Tronics France): « C'est un must, il faut avoir la technologieacous-tique… mais il y a aussi un effet de mode. Entre les demandes récurrentes de la part de nos clients depuis trois ans et le fait qu'il s'agisse d'une vraie évolution,à l'instar des détecteurs infrarouges ponc-tuels,le marché des détecteurs acoustiques est appelé à connaître un bel avenir. » Les fabricants de détecteurs et de flamme et de gaz classiques ont tout intérêt à étoffer leur catalogue avec une technologie pour la recherche des fuites de gaz car les industriels présents sur le secteur EPC ( Engineering,Procurement and Construction ) cherchent également à réduire au minimum le nombre d'interlocuteurs.

Et, lorsque le marché des détecteurs de fuites de gaz aura grossi,le prix des appareils devrait mécaniquement descendre, de par le volume plus important d'unités fabriquées, d'où les espoirs d'un marché mondial en croissance exponentielle… mais un marché de niche de quelques centaines d'appareils vendus par an. Compte tenu de ces prévisions et des avantages respectifs de l'émission acoustique et de la thermographie, il ne serait pas étonnant que d'autres fabricants annoncent dans les prochains mois l'introduction de nouveaux produits ou la signature de collaboration. Affaire à suivre…