TENNKILDER Hvordan unngå antennelse?

Transkript

1 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september TENNKILDER Hvordan unngå antennelse? Temakveld Norsk Forening for Stålkonstruksjoner Ingeniørenes Hus, Oslo 20. september GEIR H. PEDERSEN, GexCon A/S

2 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Når kan vi få en gasseksplosjon? Brennbar gass, damp eller oljetåke Oksygen/luft Tennkilde

3 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Generelle ATEX krav filosofi Dersom mulig forhindre dannelse av eksplosjonsfarlig atmosfærer Forhindre antennelse ved å fjerne tennkilder (mekaniske/elektriske) Dersom en eksplosjon allikevel oppstå, stoppe denne og/eller begrense effektene av denne til et sikkert nivå

4 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Bruk av ex-sikkert utstyr Bruk av ex-sikkert utstyr skal være garantisten mot at antennelse skjer. Praksis viser at dette ikke alltid er tilfelle. Bruk av ex-sikkert utstyr har en betydelig risikoreduserende effekt ved å hindre at tennkilder oppstår eller at tennkilder kommer i kontakt med eksplosjonsfarlige atmosfærer.

5 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Statistikk Table 8 Events by release type and area classification for all release sizes Area Classification Fluid type Total releases No. ignited % Approximate probability Zone 1 Zone 2 Unclassified Oil Gas ,5 1 in 39 2-phase Condensate ,2 1 in 24 Non-process in 4 Zone 1 total ,2 1 in 31 Oil ,9 1 in 35 Gas ,1 1 in 32 2-phase Condensate ,1 1 in 20 Non-process ,9 1 in 3 Zone 2 total in 17 Oil Gas ,9 1 in 21 2-phase Condensate Non-process ,3 1 in 4 Unclassified total ,9 1 in 6 Total ,8 1 in 17 Data fra HSL Offshore ignition probability arguments, Report Number HSL/2005/50

6 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Statistics Table 10 Ignition probabilities by fluid released and release size Fluid type Release size Number of releases Number ignited % ignited Approximate probability Oil Major Significant in 53 Minor in 44 Oil total in 48 Gas Major Significant in 52 Minor in 17 Gas total in 33 Data from HSL Offshore ignition probability arguments, Report Number HSL/2005/50 Condensate Condensate total 2-Phase 2-phase total Nonprocess Nonprocess total Major Significant in 29 Minor in in 17 Major Significant Minor Major Significant in 6 Minor in in 3

7 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Unngå antennelse For å unngå antennelse må man: Identifisere potensielle tennkilder Vurdere om tennkildene er i stand til å antenne den eksplosive atmosfære Fjerne tennkilden

8 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hva er antennelse? Antennelse er en prosess hvor en tilstrekkelig energimengde blir overført fra tennkilden til den omkringliggende eksplosive atmosfære slik at flammeforplantning oppstår.

9 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Ex-sikkert utstyr Alt utstyr til bruk i eksplosjonsfarlige atmosfærer skal dokumenteres å ikke være en tennkilde. Ignition hazard analysis som skal være en del av teknisk fil. Samme hovedkrav uavhengig av om utstyret skal benyttes i sone 2, sone 1 eller sone 0, - skal ikke føre til tenning. Fore sone 1 og sone 0; Krav om barrierer for å hindre at tennkilder oppstår.

10 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tennkilder, ref EN Varme overflater Flammer og varme gasser, inkl varme partikler Mekanisk genererte gnister Elektrisk utstyr Jordstrømmer, katodisk korrosjonsbeskyttelse Statisk elektrisitet Lynnedslag Radiofrekvenser og elektromagnetiske bølger Elektromagnetiske bølger Ioniseringsstråling Ultralyd Adiabatisk kompresjon og sjokkbølger Eksotermiske reaksjoner inkludertt selvantennelse av støv

11 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Varme overflater En stor og relativt varm overflate mer tenndyktig enn en liten og relativt kald overflate. Tennevne ikke avhengig av Energi En liten metallgnist med lite energiinnhold kan være mer tenndyktig enn stor varmeovn med høyt energiinnhold.

12 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvor finner vi varme overflater? Elektrisk utstyr (f. eks. varmelementer, lysarmaturer) Roterende mekanisk utstyr (f.eks. vifter, kulelagre) Motorer Tørker Damprør Varmt arbeid (sveising, brenning, lodding, kapping, krymping) Fysiske kollisjoner (f. eks. mekanisk utstyr, fallende gjenstander)

13 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tenntemperaturer, standard test Tenntemperatur for n-alkaner synker med antall C-atomer i molekylet Standard verdier: Hydrogen 560 C Aceton: 535 C Acetylen: 305 C Etanol: 363 C Metan: 540 C Propan: 493 C Butan: 370 C

14 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Varme overflater Laveste tenntemperatur for en gass er ikke en stoffkonstant, men avhengig av situasjon/omgivelser: Konsentrasjonsavhengig Gassens volum Induksjonstiden for antennelse Bevegelsestilstand til gassblandingen Geometri til den varme flaten Materialet til den varme flaten

15 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tenn-temperatur Volumavhengig o C cm 3

16 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tenntemperatur Arealavhengig (Nb: 6% metan MIE Metan: 540 C). o C mm 3

17 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tenntemperatur Strømningsavhengig

18 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Temperaturklasser T1 450 ⁰C T2 300 ⁰C T3 200 ⁰C T4 135 ⁰C T5 100 ⁰C T6 85 ⁰C Ved omgivelsestemperatur mellom -20 ⁰C og + 40 ⁰C

19 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Krav til maksimal tillatte overflatetemperatur (EN 1127) Avhenger av SONE / UTSTYRSKATEGORI Sone 0, Kat 1 Max 80% av MIT selv ved sjeldne feil med utstyret Sone 1, Kat2 Max 100% av MIT under normal drift og ved forventete feil. Dersom HC kan forventes å bli varmet opp av omgivelser, gjelder kravet om 80%. Sone 2, Kat 3 Max 100% av MIT under normal drift I spesielle tilfeller kan krav overskrides dersom det kan bevises at tenning ikke er sannsynlig.

20 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tenntemperatur i praksis API Recommended practice Ignition Risk of Hydrocarbon Liquids and Vapors by Hot Surfaces in the Open Air. Konklusjon: The identification of the heated surface as the cause of ignition can often lead to an incorrect analysis of the real source of ignition. In general, ignition of hydrocarbons by a hot surface should not be assumed unless the surface temperature is approximately 360ºF (182 ºC) above the accepted minimum ignition temperature of the hydrocarbon involved.

21 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Arbeidstillatelser og varmt arbeid Tidligere offshore-praksis: Varmt arbeid Klasse A og B og KALDT arbeid (ikke i tråd med ATEX-begrepene) Definisjon Klasse A : Utstyr som utgjør en effektiv tennkilde og som ved normal bruk kan antenne en eksplosiv atmosfære og/eller faste stoffer eller væsker. Det vil si at det avgir gnister, åpen flamme, lysbuer og /eller har en overflate temperatur som er høyere enn tenntemperaturen for hydrokarbon, gasser 400 ºC og væsker 200 ºC).

22 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Arbeidstillatelser og varmt arbeid. Definisjon Klasse B : Utstyr som utgjør en potensiell tennkilde og som ved feil kan utgjøre en effektiv tennkilde og antenne en eksplosiv atmosfære. Det vil si som ved normal bruk ikke har en overflate temperatur som er høyere enn tenntemperaturen for hydrokarbon, gasser 400 ºC og væsker 200 ºC), eller som ikke avgir gnister, åpen flamme, lysbuer eller på annen måte frigir tilstrekkelig energi til å antenne. Definisjon Kaldt arbeid : Utstyr som defineres som Kategori 2-utstyr (til bruk i sone1 iht ATEX) anses ikke som tennkilde og kan benyttes uten restriksjoner i klassifisert område.

23 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Praksis i ulike selskaper Ulike selskaper

24 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Flammer og varme gasser, inkl varme partikler Varme partikler er å betrakte som en (liten) varm overflate... eller Mekanisk generert gnist Varme partikler (sot) er vanlig sammen med flammer og varme forbrenningsgasser. Temperatur på gass og partikler kan være betydelig varmere enn 1000ºC.

25 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvordan unngå antennelse? Alle soner / Utstyrskategorier Åpne flammer er generelt IKKE tillatt Visse unntak finnes (ref standard)

26 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Mekanisk genererte gnister Oppstår for eksempel når to objekter kolliderer ved slag eller friksjon To potensielle tennkilder oppstår: mekaniske gnister (friksjonsgnister) varme overflater (behandlet tidligere)

27 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Eksempler på hvor mekaniske gnister kan oppstå Eksempler: Roterende utstyr Varmt arbeid Kollisjoner

28 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Faktorer som påvirker dannelse av mekaniske gnister Materialegenskaper -objekt -underlag Hastighet Kollisjonskraft Kollisjonsvinkel Kollisjonsvarighet Single vs. multiple impact

29 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Mekaniske gnister Temperatur og energiutvikling

30 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Faktorer som påvirker tenndyktighet til mekaniske gnister materialegenskaper og overflatestruktur til kolliderende objekter antall partikler, størrelse og form partikkeltemperatur (sluttemperatur) partikkelhastighet

31 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Spesialtilfelle: Termittreaksjoner Lettmetaller + rust lettmetalloksyd + jern + energi Eksempel 2Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2Fe + energi

32 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tennsannsynlighet Lettmetaller (Al, Mg, Ti) sammen med rust alltid tennfare Gass/luft blandinger med tennenergi < 0,1 mj (H 2, C 2 H 2 ) Fe gnister tenndyktig Gass/luft blandinger med tennenergi 0,1 0,2 mj (metan, propan, naturgass) Gnist-fritt verktøy kan brukes

33 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Frisksjonsgenererte tennkilder

34 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Eksempel på roterende verktøy Industriell anvendelse Safety Tools Allmet

35 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Friksjonsgenerert varm overflate Hawksworth et al

36 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvordan unngå mekanisk genererte gnister? Ulike krav avhengig av Sone/Utstyrskategori Eksempler: Unngå utstyr som kan gi gnister (roterende utstyr) Begrensninger knyttet til materialer (Al, Mg, Ti, Zr) Dersom gnister kan oppstå, utstyr ikke tillatt sammen med eksplosive atmosfærer med lav tennenergi (Hydrogen, acetylen, etylenoksid)

37 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Elektrisk utstyr Potensielle tennkilder Elektriske gnister Varme overflater Unngås ved at utstyret skal være utformet, konstruert, installert og vedlikeholdt i henhold til relevante Europeiske Standarder, egen presentasjon.

38 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Statisk elektrisitet Begreper Elektriske gnister Fra ledende materialer Kan ha meget høyt energiinnhold Elektrostatiske utladninger Fra ikke-ledende materialer Vanligvis relativt lavt energiinnhold (unntatt propagerende børsteutladning) Elektrostatiske gnister Fra ledende materialer Kan ha høyere energiinnhold

39 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Laveste tennenergi (MIE) Begrep som benyttes for kvantifisere hvor kraftig en tennkilde må være for å antenne en eksplosiv blanding. Gassblandinger vanligvis svært lette å antenne. Hydrokarboner: MIE = 0,1 0,3 mj Viktig underlag for risikoanalyse (ATEX brukerdirektiv) og tennkildevurdering (ATEX produktdirektiv)!!!

40 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Laveste tennenergi (MIE) Brennstoff MIE [mj] Kons. Karbondisulfid 0,009 7,8 Hydrogen 0, Acetylen 0,019 7,7 Metanol 0,14 14,7 Propan 0,25 5,2 Metan 0,28 8,5 Aceton 0,55 6,5

41 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Tennsannsynlighet avhengig av laveste tennenergi

42 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Laveste tennenergi (gass/luft) Tennenergien øker ved økende strømningshastighet og turbulens Eks: 15 m/s strømningshastighet øker tennenergien med en faktor på 5 3,5 m/s turbulensintensitet øker tennenergien med en faktor på 10

43 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvordan oppstår elektrostatiske utladninger? Ladning må: Genereres Akkumuleres Utlades Væsker stor ladningsgenerering Gasser liten ladningsgenerering

44 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Eksempler på prosesser hvor ladning genereres

45 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Akkumulering av ladning Akkumulering av ladning skjer når ladningsgenerering er større en ladningsfjerning. Motstand til jord er større enn ohm. Akkumulering av ladning kan skje både på ledende og ikke-ledende materialer. Personell, isolatorer, væsker, prosessutstyr.

46 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Eksempler på steder hvor ladning akkumuleres

47 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Ulike elektrostatiske utladninger Vanlige elektrostatiske gnister Korona utladning Børste-utladning Konisk utladning, (knyttet til pulver) Propagerende børste-utladning

48 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Elektrostatisk gnist Utladning skjer mellom to elektriske ledere All tilgjengelig energi utlades Gnister med høyt energi-innhold Energi kan beregnes ut fra kapasitet og spenning, i praksis max 1 Joule (E = ½ CV 2 ).

49 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Elektrostatisk gnist, eksempel

50 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Teoretisk gnistenergi E = ½ CV 2, hvor C = kapasitans og V = spenning Object Capacitance 1/2 CV2 (mj) at various voltages 10 kv 20 kv 30 kv Single screw Flange (100 mm nominal size) Shovel Small container (bucket, 50 litres drum) Funnel Drum (~200 litres) Person Major plant items (large containers, reaction vessels) Road tanker

51 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Korona utladning Oppstår når spisse ledende materialer kommer i nærheten av oppladete ikke-ledende materialer Lavt energi-innhold Kan føre til tenning av svært lettantennelige gasser som acetylen og hydrogen

52 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Børste utladning Oppstår gjerne når kuleformete ledende materialer kommer i nærheten av oppladete ikkeledende materialer Kun liten andel av tilgjengelig energi blir utladet Energi-innhold < 4 mj Kan antenne de fleste hydrokarboner og damper

53 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Børsteutladning, eksempel Væske med lav ledningsevne

54 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Propagerende børste-utladning Kan oppstå gjennom ikke-ledende belegg på innsiden av en ledende tank eller rør Belegget må ha svært liten ledningsevne og høy di-elektrisk evne for at propagerende børsteutladning skal skje (gjennomslagspenning > 4kV) Høy strømningshastighet Energi < 1 J (i praksis)

55 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Elektrostatiske utladninger, oppsummering Type of discharge Incendivity Hydrogen, Acetylene, etc. MIE < mj Solvents, hydrocarbon gases MIE > mj Dusts, MIE > 1 mj Electrostatic spark Brush discharge Propagating brush discharge Corona discharge Cone discharge + + +

56 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvordan unngå elektrostatiske tennkilder? Begrens ladningsgenerering: Lavere strømningshastighet Tilstrekkelig oppholdstid nedstrøms pumper og filtre Unngå ublandbar fase i væsken (røre opp bunnvann i oljetanker) Unngå sprutfylling ved å benytte bunninnløp Reduser blandehastighet

57 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Adiabatisk kompresjon I forbindelse med (nær) adiabatisk kompresjon og sjokkbølger, vil svært høye temperaturer oppstå. Temperatur er avhengig av forholdet mellom trykkene og ikke trykkdifferansen. Eksplosive atmosfærer vil kunne antennes. I forbindelse med trykkluftanlegg vil eksplosive atmosfærer av smøreolje kunne antennes.

58 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september Hvordan unngå adiabatisk kompresjon? Å åpne ventiler langsomt. Unngå skarpe overganger fra stor til liten diameter. Unngå reflekterte trykkbølger i rørsystemer.

59 Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september