Détecteur de fuites dans le réseau de distribution des gaz médicaux

Ann Fr Anesth RCanim 1999 ; 18 : 1009-13 0 1999 Editions scientifiques et medicales Elsevier

SAS. Tous droits reserves

Note technique

Dbtecteur de fuites dans le rkseau de distribution M. Kurtz’**, ‘Dkpartement 29. avenue

M. Labrude2, V. Noirez2

d’anesthksie-rkanimation Ml-de-Luttre-de-Tassigny,

RBSUMB Nous decrivons un appareil original developpe au service technique biomedical du CHU de Nancy pour verifier I’etancheite et mesurer la capacite des reseaux de distribution des gaz medicaux. Une fuite peut etre exprimee soit en termes de chute de pression en fonction du temps (cmH,O.min-‘), soit en volume de fuite par unite de temps (mL.min-I). Cette derniere suppose qu’ait ete mesuree prealablement la capacite du reseau, alors qu’il etait etanthe. L’appareil permet de detecter et de mesurer une fuite en quelques minutes, alors que la procedure reglementaire requiert 1 a 24 heures. L’appareil necessite encore une evaluation sur bane d’essai et une validation. 0 1999 Editions scientifiques et medicales Elsevier SAS gaz medicaux

/ rdseau

des gaz mbdicaux*

de distribution

ABSTRACT Leak detector for medical gas pipeline systems. We describe an original device developed by the biomedical technicians of the University Hospital of Nancy for checking tightness and measuring the capacity of medical gas pipeline network. A leak can be assessed either as a loss of pressure or as a loss of volume per unit of time (cmH,O,min-’ and mL.min-’ respectively). To assess the latter, the capacity of the explored pipeline must have been measured when it still was gas-tight. With the device, a leak can be assessed within a few minutes whereas the

ReGu le 17 novembre 1998 ; accept6 apres revision le 30 juin 1999. * Ce texte a beneficie des avis tres eclair& de Monsieur Hovasse, agent technique de l’atelier biomedical et membre permanent de la commission de surveillance des gaz medicaux. Nous remercions aussi le Dr J.P. Moniatte (Strasbourg) de son aide pour la redaction des principes physiques de ce travail. ** Correspondance et tire% ci part : 2, impasse Foch, 54130 Saint-Max, France.

; *pharmacie centrale. CO no 34, 54035 Nancy

h6pital cedex,

central, France

official procedure requires a delay between 1 and 24 hours. The device still has to undergo bench evaluation and validation. 0 1999 Editions scientifiques et medicales Elsevier SAS medical

gases / pipeline

systems

Les reseaux de distribution des gaz medicaux sont susceptibles de poser un certain nombre de problemes, en particulier celui des fuites [l-3]. Une fuite est conteuse quand elle est importante et prolongee. Elle peut favoriser le feu et l’explosion quand un gaz comburant comme 1’0, ou le N,O s’accumule dans un espace insuffisamment ventile. Enfin, elle peut etre a l’origine de problemes de Sante en cas de pollution importante et prolongee de locaux par le N,O. Le controle de l’etancheite d’un reseau repose sur la detection d’une fuite, sa localisation et sa quantification. Dans le cas ou l’on soupGonne son siege, par exemple au niveau d’une soudure, sa detection se fait en notant l’apparition de bulles a l’endroit litigieux, prealablement badigeonne avec de l’eau savonneuse ou un produit ad hoc. Cette methode est difficilement applicable lorsque son siege est inconnu ou inaccessible et que le reseau a explorer est long. Par ailleurs, elle ne donne qu’une idee approximative de son importance. Au-dela d’un certain debit de fuite, l’alerte est donnee par le bruit d’echappement du gaz. Les criteres officiels d’etancheite et son controle ont CtC don&s par la norme francaise NF S 90-155 de fevrier 1990 [4]. Elle precise, qu’en ce qui concerne 1’CtanchCitC : <<11 ne doit pas y avoir de chute de pression superieure a 5 % sur une p&ode de 24 heures, correction faite des variations de la pression dues aux variations de la temperature,

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M. Kurtz et al.

l’essai &ant effectue a 15 fois la pression de service pour les canalisations de gaz medicaux. Pour des essais tronGon par troncon, la periode de 24 heures peut Ctre reduite a 1 heure >>. Cette procedure a plusieurs inconvenients. Elle n’est pas rapide : le delai de 24 heures, requis pour que le controle d’etancheite soit valable, est seulement plus court quand, du fait d’une fuite notable, l’aiguille du manometre s’abaisse nettement avant la 24” heure. Souvent on ne dispose pas des 24 heures d’observation reglementaires, notamment du fait de contraintes de programme operatoire. Elle est peu precise, puisque les differences de pression notables ne sont pas inferieures a une division, soit l/8” de bar ou 125 mbars. De plus, les manometres integres aux reseaux ont generalement une precision insuffisante [5]. Pour memoire, on rappelle que la pression de service d’un reseau d’0, se situe a environ 4 bars. La pression d’essai est alors 15 x 4 = 6 bars, et ii faut apprecier correctement une chute de pression de 5 % de 6 bars = 300 mbars en 24 heures. Elle ne fournit aucune indication sur l’importance relative de la chute de pression en termes de volume de fuite correspondante, puisque la capacite du reseau control& n’est pas connue. Les resultats peuvent etre fausses si, pendant la durCe prolongee de la mise hors service du reseau, les utilisateurs prelevent rkanmoins du gaz pendant la periode d’isolement de celui-ci au lieu d’utiliser les bouteilles de gaz mises a leur disposition. C’est pourquoi, I’atelier biomedical du CHR de Nancy a mis au point un appareil permettant non seulement de detecter et de quantifier une fuite de gaz en quelques minutes, mais aussi de mesurer la capacite du reseau test& ce qui permet d’exprimer l’importance de la fuite en volume de gaz perdu par unite de temps [6]. DESCRIPTION L’appareil appele <> est constitue dune bouteille metallique Ctanche, d’une capacite de cinq litres, de type bouteille d’extincteur, relite au reseau a controler par un flexible d’anesthesie (figure 1). 11 comporte deux manometres: un manometre a tube de Bourdon, gradue en bars, indiquant la pression dans le reseau test& et un manometre constitue d’un tube en U transparent et contenant de

Fig 1. Schema du dttecteur de fuite. B : bouteille ; Ml : manometre a tube de Bourdon ; M2 : manometre en U ; Rl-R2-R3 : robinets ; R : troncon de reseau test6 ; F : fuite ; V : vanne de sectionnement. La partie en pointille du detecteur de fuite et de son flexible de raccordement au reseau a un volume qui est pris en compte lots de la mesure de la capacitt de ce demier et qu’il convient par consequent de soustraire.

l’eau coloree a l’tosine, grad& en mmH,O. 11indique la difference de pression entre le gaz dans la bouteille et celui dans le reseau. L’appareil comporte aussi trois robinets : Rl, R2 et R3. Le robinet RI fait communiquer le reseau avec la bouteille, R2 relie le reseau au tube en U et R3 relie la bouteille au tube en U. UTILISATION Le detecteur reconnait une fuite de gaz et exprime celle-ci en termes de chute de pression par unite de temps. L’expression de la fuite en termes de perte de volume par unite de temps suppose que soit connue la capacite du reseau ou du troncon de reseau explore. C’est pourquoi nous envisagerons en

DCtecteur

de fuites dam le r&au

premier lieu la mesure de la capacite du reseau et/au de ses tronqons. Pour etre valable, cette mesure doit Ctre effectuee quand le reseau est Ctanche, car en presence d’une fuite sa capacite ne peut pas btre mesurec. Mesure

de la capacitk

du rCseau

Principe physique 11 est fonde sur la loi de Boyle-Mariotte : PV = constante. (A temperature constante, le produit de la pression P par le volume V d’une masse determince d’un gaz parfait est constant). Soit, avant l’ouverture du robinet Rl : Vi et P, = le volume et la pression dans la portion de reseau test6 (y compris le volume du flexible de raccordement du reseau jusqu’a R,) V, et P, = le volume et la pression dans la bouteille-test Des l’ouverture de Rl, du gaz passe du reseau dans la bouteille-test jusqu’a un &at d’equilibre de pression Pa. P, v, = P, VX = ct”

(1) Le gaz contenu dans le volume Vi a la pression Pi occupe un volume V, inconnu a la pression P,. De mCme : P, v, = P, VY = cte En additionnant

Mais : v, + v, = v, i- v, ( le volume total ne change pas ) P, v, + P,.V, = P3( v, + V,) soit : p,

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les pressions sont ou absolues, ou relatives (par rapport a la pression atmospherique = 1 bar). Cette equation ne s’applique qu’a temperature constante. Or le passage du gaz, a pression ClevCe du reseau, dans la bouteille dont le contenu est a pression plus faible, donne lieu a une detente de gaz, c’est-a-dire a un abaissement de temperature du gaz dans le reseau. Inversement, la montee en pression dans la bouteille s’accompagne d’une elevation de la temperature du gaz qu’elle contient. Ces changements de temperature induisent des changements de pression qui faussent la mesure tant qu’il existe un gradient thermique entre le gaz du reseau et celui de la bouteille-test. 11 faut done laisser le gaz du reseau et celui de la bouteille reprendre la temperature ambiante. Manipulations La sequence des gestes est la suivante : 1) Raccorder la bouteille-test au reseau apres avoir ferme les 3 robinets R,, R, et R, ; 2) Mettre le reseau a 1,5 fois sa pression d’utilisation indiquee par le manometre a tube de Bourdon ; 3) Fermer la vanne d’isolement pour isoler la partie du reseau a tester ; 4) Remettre la pat-tie non isolee du reseau a sa pression d’utilisation ; 5) Ouvrir le robinet R, pour mettre la bouteille-test en communication avec le reseau a tester. Une nouvelle pression est indiquee par le manometre a tube de Bourdon. Exemple Les pressions (relatives) dans le reseau et dans la bouteille sont respectivement Cgales a 6,l bars (Pi) et 0 bar (PJ. Apres ouverture du robinet R,, les pressions s’equilibrent a 3,l bars (P,). Le volume (V,) de la bouteille-test &ant de 5 litres, on en deduit :

P,V,+P,V,=P,(V,+V,)

= V2

des gaz midicaux

(2)

(1) et (2) :

VI

de distribution

-

p2

p, - p,

Le volume (V-J de la bouteille &ant connu, cette formule permet de calculer la capacite (Vi) du reseau test& Dans cette formule, les volumes et les pressions peuvent etre exprimes dans n’importe quelles unites puisqu’il s’agit de rapport ; de plus,

V, = 5 6,i31-o_ 3,1 = 5,166 litres Pour connaitre le volume proprement dit du rCseau, il faut retirer de cette valeur Vi le volume interieur du flexible de raccordement et des robinets de connexion, Cvalut de facon geometrique par exemple. Remarques La loi de Boyle-Mariotte s’appliquant pour un gaz don& il est done indispensable de purger prealablement la bouteille-test avec le gaz du reseau a tester,

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M. Kurtz

et al.

de man&e a ce que le gaz dans la bouteille soit le meme que celui du reseau. Les causes d’erreur sont doubles. L’une est la difficulte de prise en compte de la capacite du circuit de raccordement entre les robinets R, et R, d’une part et l’entree du reseau a tester d’autre part. L’autre est le manque de precision des mesures de pression avec les manometres habituellement disponibles.

Manipulations Elles consistent a effectuer d’abord les gestes no 1 a 5 decrits pour la mesure de la capacite, puis 6) Ouvrir tres lentement et simultanement les robinets R2 et R,, de facon a mettre l’ensemble en aval de la vanne a la mCme pression, laquelle s’exerce d’une faGon Cgale au niveau des deux branches du tube en U, qu’il y ait une fuite ou non ; 7) Fermer R, et declencher en meme temps un chronometre.

Recherche

R&ultat En l’absence de fuite, aucune denivellation ne se produit au niveau du manometre en U. En cas de fuite, il se produit un gradient de pression entre la bouteille et le reseau marque par l’apparition d’une difference des niveaux liquidiens des deux branches, dont l’amplitude correspond au gradient de pression entre la bouteille et le reseau. En cas de denivellation de 2 cm (assimilable a 2 mbars) en 5 minutes, la fuite peut etre grossierement Cvaluee a 24 mbars par heure au moment de la mesure (2 mbars x 60/5). En reprenant la valeur du volume du reseau V, = 5,166 litres, le debit de fuite au moment de la mesure peut etre estimc a :

et mesure d’une fuite

Principe physique Une fuite peut etre mesuree en cmH,O.min-‘. Mais, si l’on connait la capacite du reseau, il est possible de l’exprimer de facon plus G parlante >> en mL.min-‘. Dans ce dernier cas, il s’agit de determiner le volume v de gaz ayant quitte le reseau pendant l’intervalle de temps t et se trouvant dans l’atmosphere, done a une pression sensiblement de 1 bar. Pendant le temps t la pression dans le reseau diminue de P, a P,. On suppose que la fuite est assez faible, ce qui autorise a admettre que la temperature du reseau ne change pas et que la loi de Boyle-Mariotte peut s’appliquer. Au debut de l’intervalle de temps t le reseau contient un volume V, de gaz a la pression P,. Cette masse de gaz ramenee a la pression atmospherique occuperait le volume V, tel que P,xV,

= 1 xv,

A la fin de l’intervalle de temps t, le reseau contient un volume V, de gaz a la pression P,. Cette masse de gaz ramenee a la pression atmospherique occuperait le volume V, tel que : P, x v, = 1 x v, Le volume v a la pression atmospherique de la masse de gaz ayant quitte le reseau vaut done : v=v,-V,=V,(P,-P,) D’oti le debit de fuite, si V, s’exprime pressions en bars et t en minutes : fuite (mL.min-

en litres, les

’ ) = v1(patw Pt) x 1000

5,166 x “y2

x

1000 = 2,067 mL.min-

’

Remarques Une fuite provoque une diminution de pression dans le reseau lorsque la vanne d’isolement correspondante est fermee. La pression a un instant t, si P, est la pression au depart, s’exprime par la formule en forme de regression exponentielle : p = p, e- kt En presence d’une fuite importante, la pression dans la portion de reseau isolee diminue rapidement et les pertes de pression AU par unite de temps vont elles aussi en diminuant. Si P, = 4 000 mbars et AU = 10 cmH,O.min’ des la fermeture de la vanne, apres 15 minutes la pression est retombee a 3 852 mbars et AU = 9,6 cmH20.min-’ et aprbs 30 minutes la pression ne vaut plus que 3 7 10 mbars et AU = 9,3 cmH,O.min-‘. La mesure d’une fuite doit done s’effectuer d&s la fermeture de la vanne d’isolement, afin d’obtenir la meilleure prevision. Normalement, si P,, = 6 bars, soit 6 000 mbars, la pression, apres 24 heures, ne

Detecteur de fuites darts le reseau de distribution des gaz medicaux

doit pas etre inferieure a 5 700 mbars ; toute fuite superieure a 300 cmH,O.j-’ doit etre detectee (si l’on tient compte de la courbe exponentielle cela correspond a 0,213 cmH,O.min-’ en debut de periode et 0,203 cmH,O.min-’ en fin de pbiode). CONCLUSION Le detecteur de fuite d&-it ci-dessus per-met une mesure rapide et relativement precise de la capacite d’un reseau ainsi que la recherche et la mesure d’une Cventuelle fuite. Sa precision peut etre augmentee par le remplacement du manometre a tube de Bourdon et le manometre a eau par des manometres Clectroniques. Cet appareil necessite une evaluation au laboratoire sur un circuit test en particulier en ce qui concerne l’i,mportance de la compression-detente sur l’effet thermique, ainsi qu’une validation par une etude multicentrique.

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