FORFATTER(E) Geir Berge, Ragnar Wighus OPPDRAGSGIVER(E) KRD - Styringskomite GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG

Transkript

1 SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF Bygg og miljøteknikk Norges branntekniske laboratorium Postadresse:\t7465 Trondheim Besøksadresse: Tiller bru, Tiller Telefon:\t Telefaks:\t Foretaksregisteret: NO MVA Dokumentasjon av kombinerte branner FORFATTER(E) Geir Berge, Ragnar Wighus OPPDRAGSGIVER(E) KRD - Styringskomite RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. KRD GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) Kombinerte branner Rapport.doc Geir Berge Kristen Opstad ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) 22N Kjell Schmidt Pedersen SAMMENDRAG Det er vist en metode for å handtere laster fra brann ved konstruksjon av anlegg. Metoden som beskrives baseres på definisjon av scenarier og resultatene måles opp mot akseptkriterier som kan være funksjonsbaserte eller konkret angitte grenser. Begrepet brann diskuteres samen med grunnlaget for kjemiske reaksjoner. Forskjellige typer brann diskuteres og det foreslås å bruke brannklasser for å tilnærme ulike branner til konkrete belastninger. Dokumentet er mer et innlegg i debatten omkring brannscenarier enn en endelig beskrivelse. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 BRANN, SCENARIO, AKSEPTKRITERIER FIRE, SCENARIO, ACCEPTANCE CRITERIA, GRUPPE 2 BRANNKLASSER CLASS OF FIRE EGENVALGTE

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 Bakgrunn Bruk av scenarier Ulike typer branner Kombinerte branner Hvordan defineres scenarier Akseptkriterier Referanser...14 Appendix A Brensels og utslippsparametre Brannstørrelse Varmelaster Variasjon i rommet Variasjon i tid Varmt eller kaldt objekt?...28

3 3 1 Bakgrunn Hoveddelen av risiko i oljeindustrien er knyttet til fare for brann eller eksplosjoner i en eller annen sammenheng. Brann og faren for brann er derfor en viktig ramme for denne industrien. Målet med prosjektet, slik det er definert i prosjektbeskrivelsen, er definert til å finne frem til enkle metoder/prosedyrer for dimensjonerende scenario når brannulykker består av kombinasjon av flere type branner og I prosjektet ønsker man å utarbeide anbefaling om hvilke krav som bør stilles til dokumentasjon og hva den bør inneholde. Brann er en hendelsestype som har en probabilistisk karakter. Det vil si at det i prinsippet er umulig å si om og når den vil inntreffe, men erfaringsmessig vet vi at den vil kunne inntreffe. Snø på tak, skipskollisjon, jordskjelv, vindlaster, etc. er andre typer probabilistiske hendelser som vi tradisjonelt handterer i forhold til våre konstruksjoner. Selv om de fenomenene vi har regnet opp er probabilistiske, behandler vi dem likevel ved at vi vurderer sannsynligheten for at de opptrer og på basis av denne vurderingen bestemmer en rammegivende last. Det er ingen grunn til at vi ikke skal behandle brann, eksplosjoner, spredning av gass osv. etter samme prinsipper. Utgangspunktet er at vi bestemmer oss for et nivå på den lasten vi vil benytte i vårt konstruksjonsarbeid. Denne rapporten beskriver en metodikk for en slik tankegang. 2 Bruk av scenarier Begrepet dimensjonerende scenario er ikke entydig definert og forstås forskjellig av forskjellige personer og miljøer. Derfor trengs en plassering av begrepet inn i en sammenheng i de prosesser som utgjør planlegging, konstruksjon og drift av anlegg på land og til havs. Scenario kommer fra det latinske ordert scaena, som har betydningen 1. Noe som blir sett av en seer, et syn eller et prospekt. 2. Stedet der det foregår aksjoner eller hendinger av noe slag. 3. Deler av en akt fra en dramatisk presentasjon der situasjonen er fast og tiden går videre. 4. En reell eller fiktiv situasjon som er beskrevet. I teknisk sammenheng er et scenario en beskrivelse av en typisk belastningssituasjon. En belastningssituasjon som gir grunnlag for valg av konstruksjonsløsninger. Ved konstruksjon eller ved utforming av produkt må vi som ingeniører ha et forhold til hvilke miljø produktet skal operere. Det vil si hvilke belastninger av forskjellig karakter produktet vil bli eksponert for. Ingeniøren må tenke fremover i tid. Han må gjøre en analyse av fremtidige situasjoner og bruksmønster for produktet. Dette kalles en hendelsesanalyse. Fra hendelsesanalysen kan det trekkes ut karakteristiske hendinger som representerer en typisk last. Ikke alle hendelser er like sannsynlige. Det må derfor gjøres en vurdering og rangering av hvor sannsynlige, eller mer korrekt, hvor hyppig forekommende de ulike hendelsene er. Estimat av hyppigheten til fremtidige hendelser har opplagt stor usikkerhet og må ofte betraktes mer som kvalitative vurderinger enn som et absolutt. Likevel, det er av stor betydning å gjøre en slik vurdering. På grunnlag av type hendelse og forventet hyppighet fastsettes det scenariet som utgjør dimensjonerende last for et produkt. Det er viktig å gjøre beviste valg som kan dokumenteres. Ved fremtidig endring av bruksmønster skal det være mulig å finne grunnlaget for eksisterende valg.

4 4 Valg av scenario er følgelig et viktig grunnlag for konstruksjon og er å betrakte som en del av konstruksjonsbasis. Til et hvert scenario hører minst ett akseptkriterium. Et akseptkriterium er som navnet sier et kriterium for å akseptere en teknisk eller prosedyremessig løsning på en problemstilling med utgangspunkt i et scenario. Akseptkriterier kan også betraktes som rammer som en konstruksjon skal fungere innenfor. Typiske akseptkriterier er funksjonsorienterte lover og forskrifter. Akseptkriterier er også en del av konstruksjonsbasis for et produkt. Nedenfor er det vist en grafisk fremstilling av hvordan gangen i en konstruksjonsprosess er og hvor scenario og akseptkriterier kommer inn. Forslag til teknisk løsning Scenario beskrivelse Kjent Prediksjon, Beregning Hendelsesanalyse Nytt Problemstilling Kjent Resultat Akseptkriterier Lover, forskrifter, standarder Nei OK? Ja Godtatt løsning Utgangspunktet er en gitt problemstilling som vist i figuren ovenfor. Dersom problemstillingen er kjent og det eksisterer allment aksepterte scenarier og akseptkriterier er det ikke nødvendig å gjennomføre en hendelsesanalyse. Er problemstillingen ny eller avviker fra tidligere problem må det gjennomføres en hendelsesanalyse for å kartlegge relevante scenarier og akseptkriterier. Når rammebetingelsene er lagt gjennom definisjon av scenarier og akseptkriterier utføres selve konstruksjonsprosessen. Som figuren viser er det en iterativ prosess der utgangspunktet er et forslag til teknisk løsning som testes gjennom en eller annen form for prediksjon. Prediksjon kan være alt fra enkle vurderinger til komplekse beregninger og forsøk. Resultatet vurderes opp mot akseptkriteriene og dersom disse ligger innenfor det som er akseptabelt eksisterer en løsning som kan godtas. Ofte kan tekniske løsninger kompenseres med prosedyremessige tiltak eller begrensninger. Dette er imidlertid virkemidler som kan være vanskelig å kontrollere. På basis av scenarier og akseptkriterier er det fult mulig å finne frem til et risikonivå gjennom bruk av hendelsestre og ved å vurdere sannsynlighet ut fra den gitte løsningen.

5 5 3 Ulike typer branner Det vi kaller brann er en hurtig kjemisk reaksjon mellom oksygen og et annet stoff, vanligvis karbon, C, eller hydrogen, H 2. Også andre stoff kan reagere med oksygen. For at en kjemisk reaksjon skal vedvare må det være tilstrekkelig med brennstoff og oksygen tilstede. I tillegg må det være tilstrekkelig kontakt på et molekylært nivå mellom oksygen og brennstoffet. Den siste betingelsen er med å avgjøre hvordan en brann utvikler seg og hvilke form den tar. Blandingsprosessen for å få oksygen molekylært blandet med brennstoff, er strømningsteknisk betinget. Den strømningstekniske situasjonen er derfor en vesentlig for å karakterisere brann og turbulens spiller en vesentlig rolle i blandingsprosessen. Fordi den kjemiske reaksjonen foregår på et molekylært nivå må fast og væskeformig brennstoff bringes over i gassfase før reaksjonen kan ha noe omfang. Oksidasjon kan også foregå direkte mot fast og flytende brennstoff, men på grunn av liten kontaktflate er denne form for oksidasjon begrenset. Oksidasjon er en termisk sensitiv prosess. Temperaturen i reaksjonssonen påvirker reaksjonshastigheten. Tilbakstråling fra omgivelsene påvirker derfor forbrenningen. Innelukkede branner blir av den grunn mer intense enn åpne branner, forutsatt tilstrekkelig tilgang på oksygen. I tillegg ledes varmen i faste og flytende materialer bedre enn i gass, og reaksjonssonen blir derfor lettere kjølt. Dekomponering og fordampning er prosesser som krever varme, og denne varmen tas som regel fra overskuddet ved kjedereaksjonen i forbrenningen. Netto varme fra forbrenningen blir da mindre. De termiske egenskapene til vegger, gulv og tak virker derfor inn på forbrenningen ved å regulere varmetapet fra brannen, /5/. Forbrenning av hydrokarboner gir karbondioksid og vanndamp som resultat. I utgangspunktet et harmlaust produkt. Ved oksygenunderskudd kan det likevel dannes karbonmonoksid som er svært giftig. Videre kan andre stoffer delta i reaksjonen med oksygen og danne uheldige og helsefarlige komponenter. En annen fare med brann i lukkede rom er muligheten for å bruke opp eller tynne ut oksygenet slik at oksygenmangel kan bli et helseproblem. Det som først og fremst skiller ulike branntyper er formen brenselet er i, den strømningstekniske situasjonen i reaksjonssonen, tilgang på oksygen og varmetilførsel til brannsonen. Formen brenselet har ved starten av en brann er avgjørende for hvor raskt gassdannelsen kan skje. Fast og væskeformig brensel må først omdannes til gass før forbrenningsreaksjonen kan starte. Kombinasjon av gass og væske i dråpeform har spesielle egenskaper (aerosoler). Blandingen har høyt energiinnhold per volum og dråper har den egenskapen at de skaper turbulens når det har hastighet relativt luft. Det gir gjerne god blanding mellom oksygen og brennstoff og kan skape en kraftige reaksjonsutvikling. Varighet av brann styres ut fra tilgang på brennstoff og oksygen. Mest vanlig er begrensing av brennstoff. Dette er noe en bevist benytter for å begrene skader ved eventuelle uhell i bygninger, prosessanlegg eller andre anlegg. Det er flere middel som kan tas i bruk for å kontrollere effekten av brann. I prosessanlegg benytter vi til eksempel seksjonering av prosessen og bygger brannceller for å begrense skadene ved brann. Noe av problemene ved å dimensjonere mot brann er uklarhet omkring hvilke belastninger som er relevante å anvende i de ulike situasjonene. Brann blir, som vi ovenfor har vært inne på, styrt av svært mange forskjellige parametere. Brann vil derfor ta mange forskjellige former og det kan tenkes et uttall av variasjoner. Å karakterisere brann som bare pølbrann eller jetbrann er i beste fall en sterk forenkling. Det er likevel viktig å ha et forhold til hvilke belastninger som kan

6 6 forventes. Som vi har vært inne på i kapitlet foran er et scenarium en beskrivelse av en ulykkeslast som gir grunnlag for dimensjonering. Er grunnlaget feil kan konstruksjonen bli unødig dyr eller den kan bli en sikkerhetsrisiko, alt etter om scenariet gir for høy eller for lav belastning. Det er ikke alltid slik at den helt nøyaktige beskrivelsen er det korrekte tilfellet å bruke i en gitt konstruksjon. Det vil alltid være slik at innen ett og samme område vil det være muligheter for et spekter av brannscenarier. En måte å handtere dette på er å teste ut alle mulig tenkelige situasjoner. En annen måte er å danne et eller flere karakteristiske scenarier som ikke ligger alt for langt fra hva som kan forventes. Problemet er hvordan definere et slikt karakteristisk scenario for det aktuelle anlegget. Vi gir i dette kapitlet et forslag til hvordan brann kan inndeles i ulike grupper som kan anvendes ved definisjon av scenarier. Det er viktig å understreke at disse inndelingene ikke er å betrakte som et absolutt, men mer uttrykk for dagens kunnskap og muligheter. Dette er en diskusjon som ikke er ferdig diskutert. Etter hvert som vi lærer mer vil vi bli bedre til å forutsi hva som kan skje og vi kan gi mer presise beskrivelser av hva vi forventer. Ett område som bør forventes bedre kunnskap på er belastning som funksjon av tid eller korrelasjon mot utslipsrate. Ved betraktning av brann som belastningstilfelle må vi huske på at selv om usikkerheten i scenariet er stort er det viktig å vite hva som er dimensjoneringsgrunnlaget for den konkrete konstruksjon. Uten at vi vet det kan vi heller ikke forholde oss til endringer i belastning eller lære i tilfelle noe skjer i fremtiden.

7 7 Tabell 1 Anbefalte verdier for brannlaster for ulike typer brann, basert på resultater fra eksperimenter. Åpen brann Type Væskedamsbrann Brann i rennende væske Fri jet, gass Fri jet, væske Jetbrann som treffer objekt: Gass Væske Varmelast Varmelasten på objekter som er omhyllet av flammer er høyest i den laveste halvdelen av flammene. (Total flammehøyde er definert som der hvor flammer er synlige minst 50% av tiden). Varmestråling fra flammene varierer med sotskjerming. Den nederste 1/3 av flammesonen kan ofte ses uten sotskjerming og strålingen fra denne delen av flammen er større enn lengere opp. Fra en 15 m diameter væskedam med råolje som brenner på sjøen er følgende varmelast målt: I den nederste 1/3 av flammen er brannlasten midlet over et halvt minutt 260 kw/m 2, mens et minutts midling gav 220 kw/m 2. Brannlasten varierer ellers med diameter av væskedammen, /7,8,10/. Vertikale overflater: En kan forvente økt fordampning av væske i forhold til i horisontal væskedamsbrann. Det finnes lite eksperimentelle resultater for slike branner. En foreslår å behandle rennende væskebrann som en væskedamsbrann med overflateareal lik den frie overflaten mellom væskefilmen og luften. Lasten fra en jet av naturgasslekkasje med lydhastighet, rate 8 kg/s, som treffer et 900 mm horisontalt rør: Maksimum 300 kw/ m 2 over mindre enn 1 m 2 overflate, over 250 kw/m 2 over mindre enn 4 m 2 av røret, /1,2,/. Maksimallasten forkommer nedstrøms i jeten, i resirkulasjonssonen etter røret. Væske innblandet i samme jet: Samme varmeflukstetthet som for naturgass alene. Minimalt utfall av råolje ved de fraksjonene som er undersøkt. Hvis avstanden fra utslippspunkt til objekt er stor kan jeten betraktes som en fri jet. Hvis en høyhastighetsjet treffer et objekt vil det kunne være et kaldt punkt i senter av jeten på grunn av uforbrent gass eller væske. I noen tilfeller kan det dannes en væskedam som brenne i tillegg til jeten når væskeformig brensel lekker ut. Høyt trykk og små lekkasjeåpninger fører til mindre væskedråper og dermed mindre sjanse for utfall av dråper. Propanlekkasje på ca 0,3 kg/s inn i en boksformet konstruksjon medfører punktlaster på ca 300 kw/m 2 og et middel på ca 200 kw/m 2 mot bakveggen med dimensjoner 1,5 x 1,5 m. (Jetbranntest, ref /3,4,9/).

8 8 Innelukkede branner Type Jet som treffer objekt Væskedamsbrann Virkning av deluge (vannpåføring) Brannbelastning Punktlasten er lik eller større enn for fri jet som treffer objekt. Dette kommer av en større sone som gir stråling til objekter og struktur. Punktlast i størrelse kw/m 2 er blitt målt i innelukkede jetbranner, 415 m 3 romvolum, 1 kg/s utslippsrate, kondensat som brensel. Typisk brannbelastning på vegger er i området 200 kw/m 2,/11,12,13,14/. Innelukket væskedamsbrann med tilstrekkelig stort areal relativt til romvolumet har en tendens til å stabilisere seg som svakt underventilert brann. Dette kommer av at avdampningsraten fra væskedammen er knyttet til tilbakestråling fra flammene, slik at ved en avdampningen øker til et nivå som tilsvarer maksimal tilbakestråling. Dersom blandingsforholdet mellom brenselsdamp og luft avviker fra det som gir maksimal tilbakestråling påvirker det automatisk avdampningsraten slik at likevekt gjenvinnes. Det ser ut som om en ventilasjonsgrad på ca 0,8 av ideelt støkiometrisk luftbehov gir høyest avdampningsrate, /12,13/. Punktlaster på objekter opp mot kw/m 2 er målt i innelukket væskedamsbrann, 415 m 3 romvolum, 24 m 2 kondensat væskeareal. Typisk brannbelastning på vegger er i området 200 kw/m 2. Betydelig effekt på temperaturer og brannlaster oppnå der forbrenningsproduktene resirkulerer i forbrenningssonen. Dette skjer både i jetbrann og i væskedamsbrann. Jetbranner kan bli slokket av vannpåføring, mens væskedamsbranner har en tendens til å fortsette å brenne med meget redusert brannrate. Hvis forbrenningsproduktene ikke resirkuleres i forbrenningssonen har vannpåføring liten eller ingen virkning på forbrenningen, i alle fall ved moderate vannpåføringsrater. Dråper fra delugeanlegg har ikke vist evne til å kjøle objekter som er direkte truffet av jetbrann, men kan kjøle objekter som er mer indirekte påvirket av brann. Kvantifisering av virkningen av deluge på brannbelastning mangler fremdeles, men forskning pågår for å finne ut av dette.

9 9 3.1 Kombinerte branner. Det er i prinsipp mange forskjellige typer branner, noe som er beskrevet i Appendix I. Forskjellene er imidlertid størst når det gjelder små branner som oppstår i det fri. Dersom en betrakter innelukkede branner vil ofte lufttilførselen være avgjørende for brannutviklingen, og forskjellen som skyldes brenselstype, lekkasjeform og andre ytre betingelse jevnes ut. Det er imidlertid en vesentlig forskjell på gassbranner og branner i væsker og faste stoffer. Gassbrannene kan innta tre ulike former dersom de brenner i et rom. Der det er god ventilasjon og mye luft tilgjengelig vil gassbranner ha en lokal effekt der den treffer objekter, uten at resten av rommet blir særlig berørt. Dersom lufttilgangen er begrenset vil det oppstå en kombinasjon av en jetbrann med lokal høy last og en total brannbelastning i de øvre deler av rommet. Denne siste brannlasten vil ikke være vesentlig forskjellig fra den som kommer fra en væskedamsbrann. Dersom gasslekkasjen blir meget stor kan den fortrenge så mye luft at det ikke er oksygen nok til forbrenning inne i rommet. Det vil da oppstå en diffus gassbrann fra ventilasjonsåpningene og det vil brenne bare utafor rommet. Væskedamsbranner justerer avdampningsraten slik at det uansett lekkasjerate bare brenner det som lufttilførselen gir mulighet for. Erfaring tilsier at når en væskedamsbrann passerer en viss størrelse i et rom stabiliserer den seg som svakt underventilert brann. Det kan gjerne brenne utafor rommet også, men en vil ikke ha samme forhold som kan oppstå med en massiv gasslekkasje, at det brenner bare utafor rommet. For å analysere kombinerte branner, det vil si kombinasjon av lekkasjer av væske og gass, eller væske som strømmer ut fra høytrykksreservoar og delvis brenner i en spray og danner en væskedam, eller kombinasjon av gass- og væskebranner med faststoffbranner, vil den viktigste parameteren være romstørrelsen og ventilasjonsgraden av rommet. I tillegg kommer at en jet eller spraybrann som treffer objekter direkte vil kunne medføre høyere punktlaster og større gradienter i varmelast enn væskedamsbranner og faststoffbranner. Sorteringsgrunnlaget for branner blir derfor om reservoaret som brenselet lekker ut fra er under trykk eller ikke. Er det trykk i reservoaret vil det kunne bli en jetbrann. (En spraybrann vil stort sett oppføre seg som en jetbrann). Da må en dimensjonere for den ekstra punktbelastningen som kan forekomme og sikre seg at isolasjon og brannbeskyttelse kan motstå erosjonseffekten fra slike branner. I de øvrige branntilfellene med innelukkede branner er det kun meget små lekkasjerater som kan medføre bare lokal belastning. Som eksempel kan en se at en lekkasjerate på 1 kg/s kondensat skaper meget kritisk brannbelastning i et rom av størrelse på 415 m 3, med ventilasjon gjennom en åpning på 9,7 m 2 i den ene veggen. Det finnes ingen omforent definisjon på graden av innelukkethet av branner. Et forsøk på definisjon er: Innelukket brann er en brann der tilbakestråling til forbrenningssonen fra omliggende flater påvirker brannen eller at brannen er styrt av oksygentilgang. Fra resultater fra storskala branneksperimenter kan konsekvensen av brann stort sett sorteres i tre klasser etter følgende kriterier:

10 10 Klasse 1: Brann i det fri med moderat størrelse. Moderat størrelse kan defineres ved at største flammedimensjon i retning vinkelrett på det brannpåkjente objekt er mindre enn ca 3 m. Når brannraten blir stor og flammedimensjonen overstiger ca 3 m blir varmebelastningen omtrent som i innelukkede branner. En jetbrann fri med lekkasjerate 3 kg/s naturgass er å betrakte som brann større enn moderat i denne forbindelse. En væskedamsbrann med diameter 6 m vil også overstige kriteriet for moderat brann. Klasse 2: Innelukket brann i væske som renner ut med lavt reservoartrykk eller innelukket faststoffbrann. Brannbelastningen forekommer over store deler av rommet (global), høyest under taket. Brannlasten en bør regne med er som vist i tabell 1. Ventilasjonsgraden bestemmer i stor grad varmebelastningen. Med tilstrekkelig og ikke for stor ventilasjonsgrad vil en lekkasjerate på 1 kg/s pr 500 m 3 romvolum være over grensen for brann av klasse 2. Denne tallfestingen er foreløpig, og er gitt som et første estimat på en grense. Tilsvarende grense for faststoffbrann er ikke fastlagt. Produkter som skal klassifiseres etter denne typen brann kan testes i standard prøvningsovner etter gitte tid - temperaturkurver. Klasse 3: Væske eller gassbrann som lekker ut fra reservoar under trykk. (Jetbrann). Når trykket i beholdere og rør overstiger ca 2 bar vil en kunne få sonisk strømning ved gasslekkasjer. Brannbelastningen vil lokalt være høyere enn den globale lasten i innelukket væskebrann og gradienten mellom høy og lav varmebelastning vil være stor der jeten treffer objektet. I tillegg vil jeten ha høy strømningshastighet som kan medføre erosjon og inntrengning av gass eller væske i isolasjonsmaterialer. Lokal brannlast på objekter som treffes av jeten vil være som vist i tabell 1. Objekter som skal klassifiseres etter denne typen brann kan testes i en jetbranntest, for eksempel den som er utviklet av Jet Fire Test Working Group, /9/. Dersom objekter som kan utsettes for jetbrann er lokalisert i innelukkede områder må hele objektet også kunne motstå en global brannbelastning som angitt i klasse 2.

11 11 4 Hvordan defineres scenarier Som nevnt i tidligere kapittel er scenario en beskrivelse av en karakteristisk hendelse. Scenariet kan beskrive en stasjonær tilstand eller en dynamisk tilstand. Brann er sjelden stasjonære. Den vokser over en viss periode for så å avta over en periode. Et brannscenarier bør derfor beskrive en dynamikk. Dette forutsetter imidlertid kjennskap til konstruksjonen i utgangspunktet, fordi oftest er brannen et resultat av selve konstruksjonen. Alternativet er da å bestemme seg for et standard scenario som i hvert fall i utgangspunktet kan benyttes. Ettersom arbeidet med å utforme konstruksjonen utvikler seg kan scenariet oppdateres. Dette er skjematisk vist i figuren under. Samme problemstilling kan imidlertid også gjelde akseptkriterier. Akseptkriterier Hendelsesanalyse Scenario Konstruksjon Godkjent løsning De minste pilene indikerer at det fra tid til annen er nødvendig med en oppdatering. Erfaring viser at behovet for oppdatering er begrenset dersom det ikke settes altfor strenge grenser i utgangspunktet. Behovet for oppdatering hører også sammen med behovet for å definere presise situasjoner. Utgangspunktet er da gjerne ønske om økonomisk og sikkerhetsmessig optimalisering. Scenarier kan defineres på mange forskjellige måter. Alt fra enkle betingelser til presise beskrivelser av hva som er situasjonen. Generelt gjelder at til mer avanserte beregninger som skal anvendes, til mer detaljert må beskrivelsen av scenariet være. Det er vesentlig at beskrivelsen er entydig og egnet til formålet. Scenariet skal gi en beskrivelse av en statisk eller dynamisk belastning som danner basis for konstruksjonsarbeid. Ved definisjon av scenarier er det vesentlig å gi konstruktøren rom for valg. Det er stor forskjell på et scenario som beskriver en konsekvens og et som beskriver en initial hendelse. Det klassiske eksemplet er scenarier som beskriver en jetbrann. Tidlig i oljealderen ble jetbrann betraktet som et fenomen med utrolig stor varmelast som var så å si umulig å beskytte seg mot. Scenariet ble derfor beskrevet slik at dersom jetbrann oppsto ville en hver vegg bli gjennombrent og en katastrofe utløst.

12 12 Ved siden av å være et urealistisk scenario som baserte seg på manglende kunnskap om brann, gav et slikt scenario ingen mulighet for ingeniøren til å påvirke utfallet. Scenariet beskrev et resultat som var uavhengig av hvilke konstruktive tiltak ingeniøren foreslo. Den andre ytterligheten er å beskrive de initialle hendingene som kan føre frem til en brann. Det vil si rustangrep, feil på flenser, erosjon i rør osv. Muligheten til å påvirke utfallet er klart større med en slik beskrivelse. Figuren nedenfor illustrerer at det er et spekter av mellom beskrivelse av initialle hendelser og beskrivelse av en konsekvens. Initiell hendelse Scenario Konsekvens Problemet med å gå alt for langt over på initial beskrive av hendelser er at disse blir for detaljerte og omfattende. Realismen i å påvirke de faktorene som det gis muligheter til kan også være tvilsom eller ligge utenfor ingeniørens virkefelt. Det går fint å trekke en hver hendelse tilbake til psykososiale parametere hos aktører i en prosess. Verdien av dette er i de fleste situasjoner begrenset sett fra et konstruksjonssynspunkt. Denne type scenarier er derimot mer interessante i forbindelse med prosedyremessige tiltak. Som ellers i livet er den gyldne middelvei den mest gunstige. Det vil si en må velge et nivå som gir stort nok rom for konstruktøren til å påvirke utfallet og samtidig beskriver konsekvenser som definerer utgangspunktet på en entydig måte. Utgangspunkt for brann kan for eksempel være definisjon av en lekkasjeåpning et gitt sted i en prosess fra utstyr med et gitt volum, trykk, temperatur, lekkasjeareal, type lekkasje (olje, gass) og retning. En annen måte å gi scenario på er varmebelastning per m 2 som funksjon av tid. Dette er diskutert i foregående kapittel. En hendelsesanalyse bør diskutere frekvenser av hendelser. Til hvert scenario bør det knyttes en frekvens som sier noe om hvor ofte det kan opptre. Det er ingen grenser for hva som kan hende dersom ingen tidsbegrensninger defineres. Frekvens er et mål på hvor relevant hendelsen er. Det gis ikke noe grunnlag i regelverk om hvilke grenser som skal settes ved valg av scenarier. Det har likevel utviklet seg en tradisjon om at hendelser med større frekvens enn 10-4 per år (en gang per år) skal tas med som aktuelle hendelser. Det eksisterer imidlertid ander grenser som også benyttes. Et scenario trenger ikke nødvendigvis være direkte relatert til bare en mulig hendelse. Det kan like gjerne, og vil som regel, representere en serie med hendelser som har samme karakteristiske forløp.

13 13 5 Akseptkriterier Til ethvert scenario hører ett eller flere akseptkriterier. Akseptkriterier angir kriterier for når en løsning er tilfredsstillende. Det er tre områder akseptkriterier må kunne regulere. Dette er beskyttelse av menneske, miljø og økonomi. Det er flere nivåer av akseptkriterier. De øverste nivåene er gjerne av filosofisk karakter som for eksempel at et hvert menneske har sin egenverdi. Følgelig kan skader som påføres mennesker ikke aksepteres. Denne type kriterier er nok mer typisk for vår vestlige verden en som en generell global holdning. Selv om menneskerettighetene er allment akseptert globalt er det likevel et stykke mellom liv og lære i mange samfunn. Selv i vårt samfunn ligger økonomiske betraktninger til grunn for våre valg i større grad enn vi liker å tro. Krav til sikkerhet er like mye begrunnet i privat- og samfunnsøkonomiske vurderinger som i generelle menneskelige betraktninger. Skader og tap av liv er i vårt samfunn et økonomisk tap enten i form av tapt arbeidskraft eller belastning på helsevesenet. For bedriften er skadet personell nært knyttet til tapt produksjon. Samme argumentasjon kan føres for miljømessige akseptkriterier. Spissformulert kan en si at akseptkriterier handler om hvor mye vi kan akseptere å tape over en tidsperiode. Verdisetting av tapene kan det nok være diskusjon om. Overordnede akseptkriterier er ofte for grovmasket til å benyttes i forbindelse med konstruksjon. Mer formålsrettede kriterier kan derfor avledes fra de overordnede kriteriene. Kriteriene kan rent logisk avledes ved å identifisere hva som må til for at de overordnede kriteriene skal kunne oppfylles. Utgangspunktet kan være lover og forskrifter eller erfaring og standarder. Dersom folk skal overleve en brann må de varsles tidlig nok til å kunne evakueres. Brannen må ikke blokkere rømningsveier innenfor den tiden som trengs for å evakuere. En kan også legge til at brannen bør avgrenses for å avgrense økonomiske tap. Egentlig er akseptkriterier av denne karakter gode nok til å ta beslutninger. Det kan likevel være at en må definere kriterier på et ennå lavere nivå. Det vil si at brannvegger skal vare i 60 minutter, spredning av røyk skal ikke skje mellom rom, osv. Dermed er akseptkriterier for vegger, dører og ventilasjon gitt. Disse kriteriene følger imidlertid av en betraktning som sier at dersom beboere av en viss førlighet skal kunne rømme med eller uten hjelp, så må de ha et gitt antall minutter til rådighet. Dermed er krav til førlighet av beboere satt og danner i prinsippet grensen for hvem som får lov til å bo i en bygning. Som det går frem av diskusjonen ovenfor er det viktig å dokumentere hvilke akseptkriterier som er benyttet fordi det danner rammen for hva som er forsvarlig bruk av konstruksjonen. Risikoanalysen er utviklet for å kunne vurdere risiko. Begrepet risiko er imidlertid et vanskelig begrep. Det er satt sammen av frekvens (eller sannsynlighet) og konsekvens. Konsekvenser har ingen felles enhet i SI-systemet. Derfor er det også vanskelig å bruke risiko som et generelt målesystem. Risiko er også en grov målestokk. Dette skyldes svak sammenheng mellom valg av løsninger i konstruksjon og parametrene som anvendes i risikoanalysen. Akseptkriterier som angis i form av risiko er derfor vanskelig å relatere direkte til valg av løsning. Risikoanalysen kan anvendes som en komparativ analyse, men vil likevel være et grovt instrument.

14 14 6 Referanser 1. L.T.Cowley and A.D. Johnson: BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES. FIRE LOADING SERIES. FL1. Oil and gas fires: characteristics and impact. Shell Research Ltd, Thornton Research Centre, Chester UK L.T.Cowley: BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES. FIRE LOADING SERIES. FL2. Behaviour of oil and gas fires in the presence of confinement and obstacles. Shell Research Ltd, Thornton Research Centre, Chester UK L. C. Shirvill and R. Wighus: A Test Method for Jet Fire Exposure. 7 th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, Taormina, Italy, May 4-8, R. Wighus and G. Drangsholt: Impinging jet fire experiments propane 14 MW laboratory tests. SINTEF report STF25 F92026, Trondheim R. Wighus: Fires on offshore process installations. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol 7, Number 4, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Second Edition. Society of Fire Protection Engineers, USA, ISBN R. Wighus, G. Drangsholt, K. Nygård, G. Tronstad and J. P. Stensaas: Fire on the Sea Surface: Technical report for the Svalbard Winter Experiments in April-May SINTEF report STF25 F94030, Trondheim R. Wighus, L. E. Lønvik and K. Nygård: Fire on the Sea Surface: Technical report for the Svalbard Summer Experiments in September-October SINTEF report STF25 F94035, Trondheim JET-FIRE RESISTANCE TEST OF PASSIVE FIRE PROTECTION MATERIALS. OTI report , Health and Safety Executive, UK, R. Wighus, L. E. Lønvik and G. Drangsholt: Thermal load from crude oil spill fires on the sea surface. SINTEF report STF25 F95063, Trondheim G. Drangsholt, G. Tronstad, R. Wighus, L. E. Lønvik and K. Nygård: BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES, Test Programme F3, Confined Jet and Pool Fires. Technical report for test JF8. SINTEF report STF25 F95016, Trondheim G. A. Chamberlain and M. A. Persaud, (Shell Research Thornton, UK), R. Wighus and G. Drangsholt, (SINTEF Norwegian Fire Research Laboratory): BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES, Test Programme F3, Confined Jet and Pool Fires. FINAL REPORT. SINTEF report STF25 F95028, Trondheim M. A. Persaud and R. Wighus: BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES, Test Programme F3, Confined Jet and Pool Fires. INERPRETATION REPORT. Shell Research and Technology centre, Thornton, UK, 1997.

15 C. Selby and B. A. Burgan: BLAST AND FIRE ENGINEERING FOR TOPSIDE STRUCTURES. Phase 2. Final Summary Report. The Steel Construction Institute, SCI Publication Number 253, Ascot, Berkshire, UK, ISBN Lov om brannfarlige varer samt væsker og gasser under trykk, av mai 1971 nr 47, endret ved lov 8. Desember 2000 nr 85. Norges lover. 16. G. Berge: Scenario based design - a new approach to the safety issue in design. aug rd International Conference and Exhibition Offshore Structural Design - Hazards, Safety and Engineering. 17. G. Berge: Description of Scenarios in Scenario based Design - Proposal of Methodology and Relation to Acceptance Criteria. 14th International Conference on Offshore Mechanics and Engineering Jun 1995 Copenhagen. 18. G. Berge: Safety Aspects Related to Unmanned Platforms. 15th International Conference on Offshore Mechanics and Engineering Jun Florence. 19. G. Berge and S. Medonos: Performance Of Materials Used On An Offshore Separator Affected By A Fire. Presented at the 19 th international OMAE conference OMAE February 14 17, 2000 in New Orleans

16 16 Appendix A 1 Brensels og utslippsparametre Den totale varmemengden som kan frigjøres i en brann er i noen grad avhengig av hvilket brensel en har med å gjøre og hvordan det brennbare materialet kommer i kontakt med oksygen. En vesentlig parameter når det gjelder væske- og gassbranner er hvilken hastighet og retning brenselet får ved lekkasje Faststoffbrann Cellulose Den varmemengden som kan frigjøres i en brann i fast cellulosebasert stoff (tre, papir, papp o.l.) er som vist i Tabell A 1under MJ/kg, /6/. Som en ser er brennverdien for treverk blant annet avhengig av vanninnhold. Sammenliknet med væsker og gasser er brennverdien for cellulosebaserte materialer mye lavere, ca 1/3. Dette kommer av at for å bryte ned de komplekse molekylene som inneholder karbon til enklere forbindelser som til slutt kan forbrenne trengs energi, som tas fra forbrenningssonen. Brann i faste stoffer karakteriseres gjerne ved avgitt energi pr areal- og tidsenhet, for eksempel kw/m 2. Tabell A 1 Avbrenningsrater og brennverdi for ulike stoffer, /6/.

17 Plast Plast brenner annerledes enn trematerialer ved at overflaten smelter før de komplekse molekylene fordamper og forbrenning kan skje. Brennverdien for de fleste plastmaterialer er høyere enn for cellulosebserte materialer, i noen tilfeller like høy som væskeformige hydrokarboner. Inneholdet av fyllstoffer, kjemiske forbindelser (klor, nitrogen) og i noen grad stoffer som skal bremse forbrenningsreaksjonene gjør at avbrenningsraten for noen plastmaterialer er ganske lav. Noen plastmaterialer har forbrenningsegenskaper som gjør det nærmest umulig å oppnå kontinuerlig forbrenning av overflaten uten ekstern tilførsel av varme (Flame retarded materials). I tabellen over har for eksempel polypropylen og polyetylen avbrenningsrater over 800 kw/m 2, høyere enn råolje, /6/ Metall Noen metaller er brennbare i vanlig luft. Magnesium er et eksempel. Ved forbrenning kan metallet få hydrogen ved å spalte vann slik at vann ikke kan brukes som slokkemiddel. Forbrenningsreaksjonene i metaller er annerledes enn for hydrokarboner, cellulosebaserte materialer og plastmaterialer Væskebrann Antennelsesgrenser (Klasse A, B og C) Brennbare væsker klassifiseres etter hvor lett de fordamper og danner brennbar gass/luftblanding ved omgivelsestemperatur (flammepunktet). Flammepunktet blir bestemt ved langsom oppvarming i et spesielt apparat hvor en gnist tilføres overflaten. Når det dannes tilstrekkelig med brenselsdamp til at det dannes en flamme som forplanter seg over overflaten, angis denne temperaturen som flammepunkttemperaturen. Væsker med flammepunkt høyst 23 C betegnes med klasse A, de som har flammepunkt like eller høyere enn 23 C men under 55 C blir i klasse B mens de med flammepunkt over 55 C blir klassifisert i klasse C, /15/ Væskedamsbranner med begrenset utflytingsareal Væskedamsbranner er en type brann som er godt undersøkt og dokumentert i litteraturen. Dette kommer nok av at det er enkelt å behandle slike branner matematisk, ved at arealet holdes konstant. I praksis vil også mange væskebranner være begrenset i utstrekning ved at det er bygget oppsamlingskar under tanker og mulige lekkasjepunkter. Figur A 1 viser to forhold når det gjelder væskedamsbranner; avbrenningshastigheten og flammehøyden som funksjon av diameter for sirkulære væskedammer (pool). Verdier for noen typiske hydrokarbonbrensler er vist. Som en ser er det en relativt sterk avhengighet av diameteren på dammen når det gjelder avbrenningshastigheten inntil diameteren blir 1-2 m. For større diametere stabiliseres forholdene, og en finner en avbrenningshastighet på ca 4 mm/minutt for de brenslene som er vist i figuren. For å finne avbrenningshastigheten i kg/m 2 sek er det bare å multiplisere med tettheten for brenselet og dividere med 60 sekunder/minutt. For bensin (gasoline) med tetthet 800 kg/m 3 vil avbrenningsraten for væskedam større enn ca 1 m være ca 0,053 kg/m 2 s. En må huske på å regne i korrekte størrelser. 4 mm/min tilsvarer 0,004 m/min, eller 0,004 m 3 /m 2 min. Avbrenningsratene som er gjengitt i Tabell A 1 og i de fleste kilder i litteraturen er angitt ved vindstille forhold. I de fleste eksperimentene som er utført for å finne avbrenningsrater for væskedamsbranner er vindpåvirkningen forsøkt minimalisert, og det som er funnet tilsvarer en likevektstilstand mellom den varmen som stråler fra flammen mot væskeoverflaten og den dampkonsentrasjon som dannes i sjiktet over væskeoverflaten.

18 Vind påvirker avbrenningsraten Vind over væskedammen vil påvirke flammegeometrien og vil også påvirke transporten av væskedamp over væskeflaten. For større væskedamsbranner vil moderat vind som regel øke avbrenningsraten, både på grunn av at væskedampen transporteres raskere bort fra overflaten og at forbrenningsforholdene forbedres ved økt oksygentilførsel over væskedammen. Økes vindstyrken ytterligere vil flammen legges ned og stråle mindre ned mot væskeoverflaten og føre til lavere avbrenningsrate. Figur A 1 Avrerenningsrater og flammehøyder for væskedamsbranner med variarende brensel og diameter, /6/ Væskedamsbrann med fri utflyting Hvis en væske lekker ut på et flatt underlag eller i områder uten begrensning i alle retninger vil størrelsen på væskedammen variere med tiden fra utslippet startet. Utbredelsen av væskedammen vil være drevet av tyngdekraften og den maksimale størrelsen vil bestemmes av hvor mye væske som tilføres og hvor mye som brenner av. Etter en tid vil dammen nå sin maksimale størrelse som enten vil holde seg konstant så lenge lekkasjeraten er konstant eller vil bli mindre etterhvert dersom utslippet var begrenset i tid og i omfang. Avbrenning av væskedammer forgår inntil tykkelsen på væskesjiktet når en kritisk minste størrelse, avhengig av brenselets flyktighet og underlagets termisk egenskaper. Dersom underlaget kan absorbere væsken vil dette også få betydning for utflytingsforløpet Rennede væske vertikale flater Brann i væsker som renner langs vertikale flater er ikke funnet beskrevet i den vanlige litteraturen. En kan anta at noen av forholdene som gjelder ved brann i faste stoffer gjelder for slike branner,

19 19 ved at varmeoverføring fra flammer og varme gasser også vil skje konvektivt i tillegg til ved stråling. Imidlertid vil flammetykkelsen for brann i væsker som renner langs vertikale flater være liten i forhold til horisontale væskebranner, og dette kan medvirke til redusert stråling. I praksis anbefales å regne med like stor eller noe større avbrenningsrate i slike branner enn ved horisontal væskedamsbrann Fallende væske dråper i fritt fall Heller ikke slike branner er beskrevet i litteraturen. Det er i noen grad gjort forsøk med innblanding av råolje i store naturgassbranner, utført som horisontale jet/spraybranner, og det er da registrert om væskedråper faller ut av brannen, /14/. Ved gass/væske -forhold opp til 2/3 var utfall av dråper minimalt. Det er ikke kjent hvilken dråpestrørrelsesfordeling som fantes i disse forsøkene. Dråpestørrelsen vil være avgjørende for hvor lenge dråper i fritt fall kan brenne, og det er i praksis slik at for eksempel dråper av olje som renner gjennom ristgulv kan være relativt store og kan falle langt før de brenner opp Spraybrann Som nevnt er det gjort enkelte forsøk med å tilføre en oljefraksjon til store gassbranner for å kartlegge forbrenningsforhold og varmelast fra slike branner. Resultatene er gjengitt i Tabell 1. Spraybranner ble også undersøkt ved forsøkene i innelukkede væskdams-og jetbranner i prosjektet Blast and Fire Engineering for Topsides Structures, /13/. Ved utstrømning av kondensat fra Sleipner-feltet kunne en observere at ufordampet kondensat som ble avsatt i takplatene ved vertikal spray med lekkasjerate 1 kg/s. Avstanden fra utløpet til taket var ca 3,5 m. Dette ble observert i større grad ved lavt utløpstrykk. Dette kan tilskrives at lavt utløpstrykk og tilsvarende større utløpsdiameter gir større væskedråper som fordamper langsommere. Ellers var resultatet av spraybrannene omtrent som for gass jetbranner Gassbrann Gassky i brann Gassky etter et massivt utslipp kan antennes og i dette tilfellet vil det være mulighet for en eksplosjon. Dersom det ikke oppstår eksplosjon kan det dannes en flammefront som forplanter seg gjennom en gassky med lavere hastighet Diffust utslipp, lav hastighet Diffus gassbrann er å sammenlikne med en væskedamsbrann i natur. Det som kan være forskjellig er at gasslekkasjen kan være konstant og uavhengig av selve brannforløpet. Et eksempel på en diffus gassbrann kan være at det skjer en gasslekkasje i et område med levegger omkring. I noen deler av leveggene vil gass kunne strømme ut og antennes, men det er for lite luft tilgjengelig inne i området til at gassen kan brenne der. Det er også ofte mulig å tenke seg en diffus gassbrann fra vertikale flater, slik som åpninger i vegger eller levegger. Forbrenningsforløpet for slike diffuse gassutslipp kan simuleres ved å gjøre om åpningen der lekkasjen får tilført luft til forbrenning til en tilsvarende stor væskedamsbrann, med areal og avbrenningsrate som tilsvarer det diffuse utslippet. Diffust gassutslipp karakteriseres ved relativt lav hastighet i gassutstrømningen, typisk under ca 20 m/s Jetbrann Jetbrann er en vanlig betegnelse på brann som skyldes utslipp av gass gjennom en liten åpning fra rør eller beholdere med trykk. I noen grad skiller en mellom høyt og lavt trykk i gassystemer, men det skal ikke spesielt høyt trykk til at det oppstår jetbrann. Ved et overtrykk på omlag 2 bar vil hastigheten i utløpet begrenses av lydhastigheten i gassen. (Sonisk strømning). Etter utstrømning

20 20 til omgivelsene blandes gassen med luft som rives med og etterhvert synker hastigheten. Nær utløpsåpningen er hastigheten på gassblandingen så høy at en flamme ikke kan forplante seg mot strømmen, og flammen stabiliserer seg et stykke fra utløpsåpningen. Denne effekten kalles liftoff. Dersom åpningen er liten vil ikke flammen kunne stabilisere seg i det hele tatt før gassblandingen er under antennelsesgrensen, og en får det som kalles blow-off. I praksis vil dette kunne observeres ved at en starter en jetbrann vad lavt trykk og så øker trykket gradvis. Lift-offdistansen vil da øke og til slutt slokner brannen av seg sjøl. Det er en grense i åpningsdiameter for at dette skal skje. For metan er denne grensen en åpning på omlag 25 mm. I praksis vil utslipp fra mindre åpninger kunne brenne selv om hastighet og åpningsdiameter i kombinasjon ville føre til blow-off ved helt uhindret utstrømning. Hindringer i strømningsbanen kan virke som flammestabilisatorer og føre til forbrenning allikevel. I praksis vil antent utstrømning fra prosessanlegg alltid danne jetbrann. En fri uhindret jetbrann er også en branntype som er godt beskrevet i litteraturen, både fordi den er enkel å kontrollere og karakterisere, og det er derfor enkelt å framstille prosessen matematisk. Det vil dannes en typisk konisk flamme i området hvor hastigheten er høy. Forbrenningen skjer i en blandingssone mellom gass og luft hvor det er høy turbulens. Dette fører til relativt store gradienter i varmeutvikling, fra kald omgivelsesluft ved ytterkanten av jeten, via høy temperatur i en sone hvor blandingen er effektiv til en kjernesone med overskudd av brensel med redusert forbrenning. I senter av jeten vil det nær åpningen være kald uforbrent gass. Langs strømningsaksen vil det også være gradienter i forbrenningen. Rett utenfor utslippsåpningen kan en observere lift-off-sonen helt uten forbrenning. I en sone starter forbrenningen, oftest med blålig flamme med stort brenselsoverskudd. Deretter øker diameteren på jeten og det blir mer lysende synlig flamme. Ved større jetbranner vil det kunne dannes en skjerm av sot i ytterkant av flammesonen i en avstand lengere fra utslippspunktet. Strålingen fra denne delen av jetbrannen er mindre enn i den lysende, sotfrie delen. Imidlertid vil sannsynligvis belastningen inne i jetbrannen være like stor eller større siden varmetapet til omgivelsene er redusert. 1.2 Brannstørrelse Mange grunnleggende egenskaper hos ulike brensler er fastlagt ved forsøk i begrenset skala. Fordelen ved slike forsøk er at en lettere kan kontrollere og måle de ulike brannparameterene, men ulempen er at alle forhold som har med ujevn fordeling av brensel og oksygen, ikkehomogen temperatur og betydningen av reell geometri i brannområdet ikke blir korrekt gjengitt. Ved karakterisering av branner blir størrelsen en viktig parameter. En mulig karakterisering av en brannintensitet kan angis i kw/m 3. Dette er ikke gjennomført i praktisk analyse og mangler teoretisk underbygging. En kan i noen grad slutte seg til at det vil være en øvre grense for hvor stor en slik brannintensitet kan være. Blandingsforholdet mellom gassformig brensel og luft med oksygeninnhold som normalt i atmosfæren vil gi en maksimal varmeutvikling. Tar en utgangspunkt i normal omgivelsestemperatur vil en ha ca 1,3 kg/m 3 luft. Overslagsmessig kan en regne at blandingen også maksimalt har denne tettheten. For å oppnå maksimalt utbytte av forbrenningen må luft/brenselsforholdet være ideelt (støkiometrisk), overslagsmessig ca 15 deler luft til en del brensel. Altså vil en kunne brenne maksimalt 1/16 av 1,3 kg brensel i en m 3 romvolum. Dette tilsvarer en varmeutvikling på ca 2500 kw/m 3. (2,5 MW/m 3 ). Dette er altså det maksimale. Ved forbrenning øker temperaturen og tettheten for forbrenningsproduktene minsker. I praksis kan en regne at tetthetene reduseres til halvparten eller mindre, slik at energitettheten i flammene maksimalt vil være ca 1000 kw/m 3 ( 1 MW/m 3 ) I alle praktiske tilfeller vil denne energitettheten kun oppstå i visse deler av et brannområde. En viktig faktor i betraktningen av brannstørrelse er flammedimensjonen. Den er vesentlig når det gjelder hvor mye av varmen fra en flammesone som overføres til omgivelsen via stråling. En teoretisk modell for stråling fra flammer er å betrakte flammen som et grått legeme.

21 21 Stråling fra flammer varierer mye med dimensjonen på flammesonen. Det er tre faktorer som gir variasjon i stråling: Flammetemperaturen, omhylningsfaktoren (formfaktor, view factor) og emissiviteten. Sett fra et objekt påvirker flammedimensjonen i noen grad alle disse faktorene. Det mest åpenbare er at omhylningsfaktoren øker med større flamme. Omhylningsfaktoren er en geometrisk tallfesting av hvor stor del av romvinkelen omkring et objekt er dekket av at annet objekt som det utveksler stråling med. I tilfelle av flammer: Hvor stor del av omgivelsene ser objektet som flammer. Dersom objektet er helt innhyllet i flammer er omhylningsfaktoren lik 1. Flammetemperaturen varierer i noen grad med brenselstypen og med blandingsbetingelsene for brensel og luft. Imidlertid spiller også størrelsen inn gjennom å forandre varmetapet fra flammene ved stråling. Er flammen stor nok, fanges strålingen inne i flammesonen og virker tilbake på forbrenningen. Den tredje faktoren som er meget avhengig av flammetykkelsen er emissiviteten. Denne kan beskrives som en gjennomskinnlighet for flammene. Ved meget tykke flammer vil det se ut som om flammen er et fast legeme som har en overflate-emmissivitet nær 1. Ved tynnere flammer virker flammen som et legeme som slipper igjennom noe stråling men ikke alt. Den teoretiske modellen er Stefan-Boltzmans lov, og en flamme er beskrevet som et termisk grått legeme, i motsetning til et svart legeme som er mottar og gir fra seg stråling direkte etter den fysiske loven. Et begrep som ofte benyttes i forbindelse med flammer er optisk tykke flammer. Med dette forstås flammer som ikke lenger er følsomme for dimensjon når det gjelder stråling. Likningen for stråling fra et legeme er formulert slik: q" r = φ σ ε T 4 hvor q" r er strålingsflukstetthet [kw/m 2 ] φ er omhylningsfaktoren (view factor) [-] σ er Stefan Boltzmann s konstant, [kw/m 2 K 4 ] ε er emissiviteten [-] T er temperaturen [K] For å kunne regne korrekt hvordan en flamme stråler mot et objekt trenger en kunnskap om temperaturen i alle deler av flammen. Normalt benyttes en tilnærming hvor en forutsetter homogen temperatur i flammen, representert ved en middeltemperatur. Siden temperaturen inngår i fjerde potens i likningen, får denne tilnærmingen stor betydning for resultatet. Det er ingen omforent metode for å finne denne middeltemperaturen, og det er ekstremt vanskelig å måle både temperatur og emissivitet uavhengig av hverandre i en flamme. Ofte benyttes en verdi som representerer temperatur og emissivitet i kombinasjon for videre modellering av stråling fra en flamme Flamme-emissivitet. Flammens emissivitet beregnes etter følgende likning: hvor ε f = 1 - e -k S ε f er flammens emissivitet [-] k er dempningskoeffisienten [1/m] S er flammetykkelsen [m]