Probabilistisk brannlast og sammenbrudd analyser

Transkript

1 Probabilistisk brannlast og sammenbrudd analyser BRANN- OG EKSPLOSJONSSKRING I PETROLEUMSVIRKSOHETEN Asmund Huser, DNV ENERGY 14. Mars 2007, Haugesund

2 Hovedpunkter Brannen beskrives av maksimal dose mottatt Ny probabilistisk metode finner risiko drivere og rett brannlast på rett sted Kombinert med CFD kan metoden optimalisere design: - ESD, nedblåsning - PBB optimalisering på rør og struktur - Arrangement av Brann/Eksplosjons skiller Slide 2

3 Innhold Formål/bakgrunn Plass i design prosessen Hovedpunkter i ny prosedyre for probabilistisk brannanalyse Hva er nytt når resultater sammenliknes? Eksempler fra analyser av tiltak Sammendrag Slide 3

4 Hvorfor probabilistisk Optimalisere bruk av passiv brannbeskyttelse Konsistent, kvantitativ metode Brann og eksplosjons risikoer presenteres på samme format Store branner kan gi meget høye strålingslaster Slide 4

5 Confined fires målinger, Fase 2, 1998 Slide 5

6 Bakgrunn Standarder og koder foreskriver kun deterministiske brannlaster - For eksempel: Jet branner > 2 kg/s, bruk 350 kw/m2 inntil 0.1 kg/s - Gjennomsnittlig maksimalverdi er ofte konservativt bestemt Utvikling av NORSOK Z013 prosedyre for eksplosjonslast i 1997 Startet utvikling av probabilistisk prosedyre for brannlast i 2001 for Statoil - Undersøkelse av hvilke effekter som er viktige - Utvikle en framgangsmåte - Prøve ut prosedyren på en plattform FABIG Newsletter 44 fra 2005 beskriver prosedyren ExpressFire program utviklet 2006 PFPro utviklet 2007 Slide 6

7 Plass i design prosessen Definisjon og analyse av mulige brannscenarier Probabilistisk brannlast analyse benyttes til å finne design last for branner Design lasten benyttes til å dimensjonere tiltak med sammenbrudd analyser: - Fakkel - PBB på rør og utstyr - PBB på struktur QRA gir risikonivå med en gitt design Forbedringsprosess Detaljert Design last spesifikasjon og installering Slide 7

8 Plass i design prosessen Start Probabilistisk DAL last og sammenbrudd analyser Ja Er design mulig QRA Bruker design fra Probabilistisk analyse Nei Design forbedring Ja Er total risk akseptabel Stopp Nei Slide 8

9 Flyt diagram for probabilistisk prosedyre Start Konsekvenser KFX Etablere scenarier Frekvenser LEAK Del 1: Probabilistisk Analyse gir DAL brann Modifiser flare Exceedence kurve ExpressFire Modifiser PFP Ja sammenbrudd av rør, PFPro og strukur, FAHTS/USFOS Fortsatt eskalering? Stop Nei Del 2: Loop gir design av flare og PBB Slide 9

10 Hovedpunkt fra analysen KFX gir maksimal brannlast over tid på verste sted - Tar hensyn til brannens dynamikk - Flammenes plassering og retning Dette vises med eksempel fra Statoil modul North Slide 10

11 Stor jetbrann, 50 kg/s; Flammer utenfor W Horizontal view Ved modul åpningen Nær senter av modul Lekkasje N Up Side view Slide 11

12 25 kg/s, luft kontrollert W Horizontal view N Up Side view Slide 12

13 10 kg/s; luft kontollert W Horizontal view N Up Side view Slide 13

14 5 kg/s; brensel/luft kontrollert W Horizontal view N Up Side view Slide 14

15 1.5 kg/s; brensel kontrollert W Horizontal view N Up Side view Slide 15

16 0.5 kg/s; brensel kontrollert W Horizontal view N Up Side view Slide 16

17 De to verste punktene 7.0E+02 Qmax_L1 Flux 6.0E E+02 Ved modul åpningen Qmax_L2 Nær senter av Qmax_L3 modul Qmax_L4 Qmax_L5 Q (kw/m2) 4.0E E E E E Tbar (-) Areal = dose Dimensjonsløs tid Slide 17

18 ExpressFire gir exceedence kurve Dosen integreres for alle punkter i modulen Maksimal dose på verste sted beregnes for hvert scenario Lekkasjeprofil beregnes for hvert scenario Monte Carlo rutine - 4 lekkasje plasseringer/segmenter - 6 lekkasje retninger - 9 lekkasje rater Slide 18

19 Resultat fra ExpressFire 1.E-03 Exceedance curves Freqyency (1/year) 1.E-04 1.E-05 Total M14 Gascase1, Location 1 Gascase 1, Location 2 Gascase 2, Location 1 Gascase 2, Location 2 1.E DAL = 120 MJ/m2 Heat dose (MJ/m2) Slide 19

20 DAL last, to beskrivelser Linearly Lineært decreasong avtagende flux Constant Konstant flux flux Q (kw/m2) Areal = 120 MJ/m Time (s) Slide 20

21 Maksimal gjennomsnittlig varmeflux Qbar (kw/m2) small medium Large Case nr: j01s j01e j01d j02n j02w j02d j03n j03s All cases in total volume j03d p01 Total volume Slide 21

22 Sammenlikning av eskalerings sannsynligheter med QRA Probability of Escalation ExpressFire TRA98 QRA 0 Small Medium Large Small Medium Large Gascase 1 Gascase 2 ExpressFire QRA TRA Slide 22

23 Hva er nytt fra probabilistisk brannanalyse Gir som regel kortere brannvarigheter (8 mot 15 min) - Pga brannen velges ut fra aksept kriterium - Store branner med veldig lav frekvens velges bort Gir realistiske flux historier (ofte avtagende) Gir ofte lavere brannlast for små branner (160 mot 250 kw/m2) Slide 23

24 Eksempler fra beregning av tiltak Slide 24

25 Rør kollaps analyse eksempel Bruker DAL brann fra probabilistisk brannanalyse PFPro beregner temperatur og styrke i rør under påvirkning av brann - Leser tilstander fra HYSYS - Effekt av nedblåsning gir trykkprofil - Transient brannlast Resultat fra PFPro er temperatur i rørvegg og rest styrke og stress Effekt av 15 og 10 min nedblåsning er undersøkt Slide 25

26 Trykkprofil Pressure (barg) min nedblåsning 10 min nedblåsning Time (s) Slide 26

27 Brannlast min nedblåsning 10 min nedblåsning Strålingsflux (kw/m2) Tid (s) Slide 27

28 15 min nedblåsning 600 Kapasitet og belastning (N/mm2) UTS Strength VM Stress Tid (s) Slide 28

29 10 min nedblåsning 600 Kapasitet og belastning (N/mm2) UTS Strength VM Stress Tid (s) Slide 29

30 Risiko for brann og eksplosjon kombinert NORSOK Z013 analyse gir exceedence plot for eksplosjoner Ny probabilistisk brann analyse gir exceedence plot for branner Kombinert plot gir bedre grunnlag for å bestemme tiltak Forbedre mot brann: - Kortere nedblåsningstid - Mer PFP - Brannvegger Forbedre mot eksplosjon - Raskere ESD - Bedre gassdeteksjon - Bedre ventilasjon Slide 30

31 Kombinert risikoplot, brann og eksplosjoner Log lin plot Akkumulert sansynlighet (per år) 1.E-03 Brann Eksplosjon 1.E-04 1.E-05 1.E Grad av brudd på hovedsikkerhetsfunksjon (1=brudd) Slide 31

32 Sammendrag CFD og probabilistisk tilnærming gir en mer realistisk brannlast enn tradisjonelle metoder - Kortere varighet - Ofte lavere strålingsnivå for små branner Transient brannlast viktig i sammenbrudd analyser ExpressFire gir exceedence plot for branner - Maksimal dosen beskriver brannens størrelse med ett tall - Konsistent, kvantitativ måte å finne brannlast på Risiko for eksplosjoner og branner kan nå sammenliknes basert på det samme detaljerte grunnlag - Lettere fatte beslutninger om hvor tiltak settes inn - Spesielt for brannvegg arrangement ExpressFire gir mer nøyaktige eskalerings sannsynligheter til QRA Slide 32

33 Slide 33