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COURS SURETE DE FONCTIONNEMENT 3° ANNEE 2008-2009 G.ZWINGELSTEIN 2 © Gilles Zwi

COURS SURETE DE FONCTIONNEMENT 3° ANNEE 2008-2009 G.ZWINGELSTEIN 2 © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 1 Avant-propos Ce cours présente les principales composantes de la sûreté de fonctionnement et un grand nombre d’outils et de méthodes. Il n’est nullement exhaustif. Le lecteur pourra se reporter aux références bibliographiques (les premières références en particulier) pour obtenir une appréciation globale de la sûreté de fonctionnement, et quelques précisions concernant les méthodes illustrées par des exemples. L’objectif est plutôt de montrer que la sûreté de fonctionnement est devenue un domaine très étendu faisant appel à de nombreuses spécialités, d’où son approche difficile tant elle revêt de nombreuses facettes en gardant un esprit de globalité. Cette tendance est encore en pleine évolution et s’étend encore, de nombreux groupes de travail (ISdF, Institut de Sûreté de Fonctionnement, etc...) se penchant sur ses différents aspects. © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 2 Sommaire 1. Introduction 1.1. Bref historique 2. Définitions et concepts 2.1. Notions et concepts de base 2.2. Systèmes, composants et défaillances 2.3. Notions et concepts complémentaires 3. Analyse prévisionnelle des dysfonctionnements des systèmes 3.1. Principe 3.2. Etapes d’une analyse en sûreté de fonctionnement 3.3. Méthodes d’analyse en sûreté de fonctionnement 4. Approche opérationnelle : données de sûreté de fonctionnement 4.1. Les données de fiabilité 4.2. Les banques de données 5. Démonstrations/Exemples 5.1. Définition du taux de défaillance en fonction de la fiabilité 5.2. Définition du taux de remise en service en fonction de la maintenabilité 5.3. Formulation intégrale des durées moyennes MTTF et MTTR 5.4. Les grandeurs de sûreté de fonctionnement pour une entité réparable 5.5. Etude d'un système à 2 composants identiques à redondance active 5.6. Etude d'un système à l'aide d'un arbre de défaillance Références bibliographiques Annexe 1 : Abréviations © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 3 1. Introduction La sûreté de fonctionnement est apparue récemment dans l’histoire, et s’est développée au cours du XXème siècle pour être un domaine incontournable actuellement pour les industries à risques (en premier chef, l’industrie nucléaire et les industries chimiques) mais aussi de plus en plus pour toute l’industrie en raison de sa corrélation avec la notion de qualité, les problèmes ergonomiques (relation homme-machine) et l’impact sur l’environnement. 1.1. Bref historique 1.1.1. Prémices et balbutiements (jusqu’aux années 30) − ère industrielle (XIXème siècle − début XXème siècle) approche intuitive : mises en parallèle, redondance (chemin de fer, systèmes mécaniques puis électriques) − développement avec les transports aériens (début XXème siècle, fin 1ère guerre mondiale) approche statistique, notion de taux de défaillance : équipements des avions (moteurs) − apparition de la théorie de la fiabilité (années 30) : aspect prévisionnel Quelques accidents marquants... Delft (Pays-Bas, 1654) : fabrique de poudre, nombreuses victimes Paris (1794) : fabrique de poudre, plus de 1000 victimes Meudon (8/5/1842) : chemins de fer, 150 victimes Titanic (14/4/1912) : naufrage, 1490 victimes Oppau (Allemagne, 21/9/1921), usine de salpêtre et gaz : 561 victimes 1.1.2. Débuts (années 40 et 50) − deuxième guerre mondiale : étude de fiabilité des fusées V1 de Von Braun (loi de Lusser, formulation de Pieruschka) − amélioration de la qualité (contrôle − qualité), loi de Murphy : “ if anything can go wrong, it will ” (1949) − développement de la fiabilité surtout aux Etats-Unis en électronique (applications militaires) : commission AGREE (Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment) Quelques accidents marquants... Tessenderlo (Belgique, 1942) : dépôt de nitrate d’ammonium, 200 victimes © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 4 Le Mans (13/6/1955) : piste automobile, automobile partant dans la foule, 82 victimes Tcheliabinsk 40 (Kychtym, Oural, URSS, 29/9/1957) : explosion, déchets radioactifs 1.1.3. Elargissement des applications (années 60) − apparition de nouveaux outils et méthodes : Arbres des Causes (aéronautique, A. Watson puis Haasl, NASA : Gemini, Apollo), Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets (aéronautique), Méthode des Combinaisons de Pannes (SNIAS : Concorde, puis Airbus), et méthode THERP (Technique for Human Error Rate Prediction, A.D. Swain) − apparition de normes (Department of Defense, USA, et CEI) − publications de tables de taux de défaillance des équipements − création de la première revue spécialisée : IEEE Transaction on Reliability Un accident marquant... Torrey Canyon (Seven stones, Angleterre, 18/3/1967) : 119000 t de brut, marée noire 1.1.4. Développements tant prévisionnels qu’opérationnels (années 70) − analyses de risques pour les centrales nucléaires (USA, France), étendues à l’industrie chimique (pétrochimie, Convay Island, Angleterre) − nombreuses collectes de données de fiabilité (banques de données) − essais de dispersion de gaz et d’explosions (essais AMEDE, EDF et CEA) − normes internationales de la CEI − nouvelles méthodes : Méthode de l’Arbre des Conséquences,... Quelques accidents marquants... VV Seveso (Italie, 10/7/1976) : usine ICMESA (Hoffman-Laroche), vapeurs de dioxine, population exposée (36000 personnes) Three Mile Island (Pennsylvanie, USA, 28/3/1979) : fuites Mississauga (Canada, 10/11/1979) : chemins de fer, émanations toxiques, évacuation de 250000 personnes 1.1.5. Nouvelles méthodes et extension à toute l’industrie (années 80− − − −90) − développement de la notion de qualité (création de l’AFCERQ) − nouvelles méthodes et nouveaux moyens : réseaux de Petri, simulation...; pour les facteurs humains : HCR, HEART; utilisation de logiciels de calcul de fiabilité; modélisation et simulation des accidents (dispersion de gaz...) © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 5 − extension à toutes les industries (automobile, industries chimiques...) − essais à grande échelle (Thorney Island, 1982-1984), collecte de fiabilité − “ Directive Seveso ” (CEE 82/501, 24/6/1981) : études de risque des installations − élargissement à l’étude générale de la vie d’un système, à la prévention et la minimisation des facteurs humains Quelques accidents marquants... Bhopal (Inde, 3/12/1984) : usine de pesticides, 2000 victimes officiellement Mtogura (Japon, 12/8/1985) : Boeing 747 écrasé, 524 victimes Tchernobyl (URSS, 26/4/1986) : explosions puis fonte d’un réacteur et fuites... Piper Alpha (mer du Nord, G.B., 1988) : plate-forme pétrolière, incendie, 167 victimes Exxon Valdez (Alaska, 24/3/1989) : 40000 t de brut, marée noire 2. Définitions et concepts [1,5,6] 2.1. Notions et concepts de base Les notions et concepts introduits dans ce paragraphe sont présentés dans l’optique d’étudier des “ systèmes techniques ”. Les facteurs humains sont sommairement introduits au § 3.3.4. et nécessiteraient des définitions appropriées concernant la fiabilité, disponibilité etc...(cf. [1]). 2.1.1. Notion de Risques Les circonstances et les conséquences des catastrophes et accidents sont variables. Elles montrent que le risque présente deux aspects : probabilité et conséquences. Au niveau des conséquences, elles se caractérisent par la sécurité : protection des personnes, de l’environnement mais aussi protection de l’outil de production (aspect économique, et par extension social). Deux voies peuvent être pratiquées pour réduire les risques : − diminution de la probabilité d’occurrence de “ l’événement indésirable ” − atténuation des conséquences de “ l’événement indésirable ” 2.1.2. Sûreté de fonctionnement La sûreté de fonctionnement est également appelée Science des “ défaillances ”. D’autres désignations existent suivant le ou les domaines d’application : analyse de risque (milieu pétrolier), aléatique, cyndinique (Science du Danger), FMDS (Fiabilité, Maintenabilité, Disponibilité, Sécurité, RAMS en anglais)... Elle se caractérise à la fois par l’étude structurelle (statique) et dynamique des systèmes du point de vue prévisionnel, mais © Gilles Zwingelstein « Sûreté de Fonctionnement » page 6 aussi opérationnel et expérimental (essais, accidents), en tenant compte des aspects probabilités et conséquences des défaillances. Cette discipline intervient non seulement au niveau du produit fini (système existant) mais aussi au niveau conceptuel pour la réalisation d’un système ou la connexion de plusieurs sous-systèmes (surtout s’ils sont de natures différentes). La sûreté de fonctionnement consiste à connaître, évaluer, prévoir, mesurer, et maîtriser les défaillances des systèmes. Les grandeurs fondamentales utilisées dans cette discipline sont définies dans les paragraphes suivants. Les termes spécifiques utilisés dans les définitions qui suivent sont également normalisés (norme NF X 60-500, cf. [5,6]). 2.1.3. Fiabilité (Reliability) Norme NF X 60-500 Aptitude d’une entité à accomplir une fonction requise, dans des conditions données, pendant un intervalle de temps donné. L’entité (E) désigne un composant, sous-système ou système et la fonction requise est la ou les fonctions que doit accomplir le dispositif pour pleinement remplir la tâche qui lui est assignée. Par extension, on appelle également fiabilité la probabilité associée R(t) à cette notion alors qu'elle n'en est qu'une mesure. Elle est définie par : R(t) = P(E non défaillante sur la durée [0,t]) L’aptitude contraire est appelée défiabilité, et est définie par : R t R t ( ) ( ) = − 1 On distingue plusieurs types de fiabilités (termes spécifiques) : − la fiabilité opérationnelle (observée ou estimée) déduite de l’analyse d’entités identiques dans les mêmes conditions opérationnelles − la fiabilité prévisionnelle (prédite) correspondant à la fiabilité future d’un système et établie par son analyse connaissant les fiabilités de ces composants − la fiabilité extrapolée déduite de la fiabilité opérationnelle par extrapolation ou interpolation pour des conditions ou des durées différentes. Une grandeur moyenne associée à la fiabilité souvent utilisée est le temps moyen de fonctionnement d’une entité avant la première défaillance, Mean operating Time To Failure (MTTF). uploads/Industriel/ cours-s-d-f.pdf