Brannlaster, store branner, virkning av brannbekjempelse

Transkript

1 Brannlaster, store branner, virkning av brannbekjempelse Foredrag ved Ptil seminar Stavanger 22. april 2009 Ragnar Wighus Sjefsforsker 1

2 Innhold: Erfaringer fra forsøk olje-og gassbranner Innelukkede og åpne branner effekt av vannbasert bekjempelsesteknikk (deluge) Brannlaster: punktlast eller områdelast betydning av hva som utsettes for last (innside, masse av gods) Tilgjengelighet/pålitelighet stilles forskjellige krav til pålitelighet/tilgjengelighet for passive og aktive systemer? 2

3 Erfaringer fra forsøk: olje-og gassbranner SINTEF har gjennomført en rekke storskala forskningsprosjekter om olje-og gassbranner Modelling of hydrocarbon fires offshore Integrert analyse av brannpåkjente strukturer Blast and fire engineering for topsides structures Jet fire test working group: Fire on the sea surface Effect of deluge on oil- and gas fires En lang rekke kvalifiseringstester utføres av produsenter og delvis av oljeselskapene selv for å finne dugeligheten til passiv brannbeskyttelse OTI/NPD-test: Standard for struktur og mindre rør Utvidet test for større objekter, ventilbeskyttelse Egne tester for trykksatt utstyr, beskyttelse av flenser og skruer/muttere Planlagt: Monitors and deluge systems with environmentally friendly additives in large-scale: Simulations and experiments 3

4 Hvem har deltatt? Oljedirektoratet (tidligere betegnelse) som kontraktspartner/deltaker, nå Petroleumstilsynet Oljeselskaper som opererer i Nordsjøen, (Britisk og norsk sektor) Samarbeid mellom SINTEF NBLog Computit, Petrell, Scandpower, samarbeid med andre SINTEF-miljø (Teknisk Kjemi- miljøavdelingen,,konstruksjonsteknikk), 4

5 I NORSOK S-001 står følgende om brannlaster: The global average heat load represents the average heat load that expose a significant part of the process segment or structure. The global average heat load provides the major part of the heat input to the process segment and, hence, affects the pressure in the segment. The local peak heat load exposes a small (local) area of the process segment or of the structure to the peak heat flux. The local peak heat load, with the highest heat flux, determines the rupture temperature of different equipment and piping within the process segment. The local peak heat load has marginal influence on the pressure profile within the process segment. Ragnar Wighus TEKNA

6 NORSOK viser til at dette er en mulig måte å fastsette brannlast på :An alternative approach to assessing the heat fluxes and the size of the fire is to base this on a probabilistic approach in combination with relevant acceptance criteria. Ragnar Wighus TEKNA

7 Standard branntester et uttrykk for en avveining mellom mange praktiske forhold HC-kurven (ISO 834): Tid/temperatur Størrelse på prøvningsovnen kan variere Brenselstype olje/gass kan variere Isolasjonsmaterialet innvendig kan variere Overtrykket i ovnen er fastlagt Temperaturen styres etter målt temperatur: Tidligere 5 mm stavformet termoelement, nå platetermometer. Kriterium for suksess: Målt temperaturstigning på utsiden, ingen kritisk strøm av varme branngasser gjennom et skille (integritet) 7

8 Standard branntester et uttrykk for en avveining mellom mange praktiske forhold OTI 95634: Jetbrann Geometri av en kasse hvor gassjet strømmer inn og snur retning (1,5x1,5x0,5 m) Type testobjekt: Plan flate, bjelke og rør mindre enn ca 300 mm. Brensel: Propan i gassfase, dysediameter 19,8 mm, 0,3 kg/s, treffpunkt i ¼ høyde, 1 m avstand fra dyse til treffpunkt. Kriteriet for suksess ikke fastlagt i den opprinnelige testmetoden, avgjøres av oppdragsgiver 8

9 Hva kan være annerledes i virkeligheten? Annen geometri og størrelse på objekter (masse, veggtykkelser) Prosessutstyr kan ha andre indre betingelser for varmeoverføring (gass/væskefylt, stillestående eller strømmende medium) Ytre forhold (innelukkethet, brenselstype og tilstand, hindringer, varighet og utslippsrate, vind, ventilasjon) 9

10 Hvor stor andel av området blir belastet? Eksempel (konstruert) på varmefluksfordeling i en olje-eller gassbrann Varmefluks (kw/m2) Volum (m3) 10

11 Eksempel på utslippsrate som funksjon av tid ved avtakende trykk (konstruert) Utslippsrate(kg/s) Tid (minutter) 11

12 Resultatene av en standard branntest må utvides med en beregning eller en vurdering for å kunne anvendes i design I noen tilfeller er heller ikke beregning eller vurdering tilstrekkelig, da må en utføre tilpassede tester Beregningsmetodene må verifiseres ved relevante forsøk for å kunne benyttes ved ekstrapolering av resultater Det er ikke alltid det verst tenkelige tilfelle som bør være dimensjonerende 12

13 Blast&Fire: Innelukkede branner 415 m 3 rigg 13

14 14

15 Bottom Middle Top phi 0,52 0,54 0,56 0,58 0,61 0,64 0,66 0,67 0,70 0,71 0,79 0,82 0,85 0,86 0,93 1,27 1,54 1,59 2,28 Test nr: JF9B JF22-1 JF4-2 Temperaturer i rommet JF8-3 JF5-1 JF9 JF1B JF1A JF23 JF9C-4 PF10 JF12 PF2A PF3 PF11 PF14 PF13 JF15 JF Bottom Middle Top Temperature ( C) ,5 1 1,5 2 2,5 Equivalence Ratio (phi) 15

16 Innelukkede branner resultater fra forsøk med Sleipner kondensat i 415 m 3 rom (Blast&Fire) BRANNTYPE Jetbrann som treffer et objekt (vertikalt og horisontalt rør) Innelukket væskedamsbrann (pool fire) opptil 24 m 2 Brannlast Lokal varmelast kw/m 2. Typisk varmelast mot vegger 200 kw/m 2. Luft/brenselsforhold 0,8 av støkiometrisk medfører høyeste avdampningsrate. Lokal varmelast kw/m 2. Typisk varmelast mot vegger 200 kw/m 2. 16

17 Effekt av deluge i innelukkede branner (Blast&Fire) Typisk offshore platform deluge system, 12 liter/m 2 min. Tidlig utløst system: Ikke slokket væskedams eller jetbrann, men sterkt redusert varmelast på objekter og vegger. Flammer ut av åpningen ble undertrykt. Forsinket utløsning av system:(5 minutter): Jetbrann slokket, væskedamsbrann sterkt redusert. Hvis vann kan fordampe og dampen kan resirkulere inn i forbrenningssonen kan det oppstå slokking. 17

18 Test av deluge-system mot simulert flatebrann (Propan fordelt som en væskedamsbrann) 18

19 Virkning av deluge i olje- og gassbranner Flerårig prosjekt med oljeselskaper og Ptil som deltakere. Samarbeid med CompuIt om beregninger, analyse av resultater og verifikasjon av KAMELEON FIRE-EX Viser en virkning av deluge ved reduksjon av det volumet av flammer som har høyest varmelast Viser mindre reduksjon i varmelast lokalt ved jetbrann 19

20 Ståltårn som flyter i et basseng skåret ut i isen. Temperaturer, varmeflukser, Hastigheter og gasssammensetning ble målt. Størrelsen på oljedammen (råolje) var 10 m i diameter (Brann på sjø, Spitsbergen 1996) 20

21 21

22 8000 liter råolje som sprer seg på sjøen. Max diameter 40 m, max høyde på flammene 60 m (Spitsbergen 1996) 22

23 Brann på sjø resultater fra forsøk Spitsbergen 1996 BRANNTYPE Råolje 8000 liter 10 m diameter dam Branntid ca 15 minutter Varmelast I den nederste 1/3 av flammen var ½ minutt-middel av varmefluksen målt til 260 kw/m 2. Et minutt-middel var 220 kw/m 2. 23

24 Set-up for jet fire test at SINTEF (OTI ) 24

25 JET-brann resultater fra forsøk BRANNTYPE Fri jet, gass eller væske (Spadeadam, UK) Jetbranntest for passiv brannbeskyttelse, NPD/OTI Jetbranntest med større dimensjoner på boksen (Ad hoc) Varmelast Utslipp 8 kg/s, treff på et 900 mm diameter horisontalt rør: 300 kw/m 2 over mindre enn 1 m 2 overflate, 250 kw/m 2 over 4 m 2 overflate. Utslipp 0,3 kg/s, inn i en boks, (1,5 m x 1,5 m, 0,5 m dyp): Lokal punktlast 300 kw/m 2 middel over bakvegg i boks 200 kw/m 2 Utslipp 0,5-0,9 kg/s kw/m 2 mot større objekter (ventiler, flenser, rør som var trykksatt og fylt med gass). Tester kan utføres til brudd. 25

26 Nytt testområde : Økte brannlaster, test med trykksatt utstyr, test inntil brudd 26

27 Under test, vannfylte tønner (uisolerte objekter) 0,9 kgs propanjet 27

28 Tunnelbrann med et lastebillass med trepaller (Runehamar-tunnelen, Åndalsnes) 28

29 Trepaller i tunnelbrann 29

30 Branntrekanten: Oksygen Varmeutvikling (overskuddsvarme) Brensel Alle sidene av branntrekanten er nødvendige 30

31 Væskedamsbrann Stråling Avdamping 31

32 Brann i faste materialer: Stråling Pyrolyse+ avdamping 32

33 Brennverdi: Hva er det? Treverk: Olje: Gass: ~ kj/kg ~ kj/kg ~ kj/kg 33

34 Reaktivitet for 100 ulike reaksjoner ved forbrenning av metan med 9% etan i luft 1,00E+19 1,00E+17 1,00E+15 1,00E+13 1,00E+11 1,00E+09 1,00E+07 1,00E+05 1,00E+03 1,00E+01 1,00E-01 1,00E-03 1,00E-05 1,00E-07 1,00E-09 1,00E-11 1,00E-13 1,00E-15 1,00E-17 1,00E-19 1,00E-21 1,00E-23 1,00E-25 1,00E-27 1,00E-29 1,00E-31 1,00E-33 1,00E-35 1,00E-37 1,00E-39 1,00E-41 1,00E-43 1,00E-45 1,00E-47 1,00E-49 1,00E-51 1,00E-53 1,00E-55 1,00E-57 1,00E-59 1,00E-61 1,00E-63 1,00E-65 1,00E-67 1,00E-69 1,00E-71 1,00E-73 1,00E-75 1,00E-77 1,00E K 34

35 Flammestørrelse er viktig for brannlast 35

36 Emissivity [-] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Flame thickness L [m] k m 0,4 0,335 36

37 37

38 Ulike tid temperaturkurver 1500 TIME- TEMPERATURE CURVES FOR TEST FURNACES : "RWS curve" : HC-curve ISO Temperaturein furnace[ C] : Standard fire curve ISO [Time in minutes] 38

39 Konklusjoner: Brannlast ser ut til å være mer bestemt av størrelsen på flammeområdet enn utslippsmåte og brensel. Faktorer som øker turbulens (strømningshastighet, hindringer) ser ut til å øke brannlasten. Tid-temperaturkurver i testovner representerer ikke nødvendigvis de reelle brannsituasjonene. Deluge (vann over et større område) medfører betydelig lavere varmelaster i innelukkede branner, spesielt når brannproduktene resirkulerer I forbrenningssonen sammen med vanndamp. 39

40 Nytt forskningsprosjekt: Virkning av deluge og vannkanoner i en storskala forsøksrigg Samarbeid mellom ComputIt og SINTEF NBL, beregninger og forsøk JIP med ConocoPhillips, StatoilHydro og Ptil (foreløpig) Utendørs forsøksplass 30m x40m med oppsamling og behandling av avrent vann Realistisk forsøksrigg 15m x 10m Dette vil også være et opplevelsessenter for stor brann og virkningen av brannbekjempelse Ragnar Wighus TEKNA

41 Test area test rig 40 m 10 m Size of existing rig with oil barrels 30 m 15 m 41

42 Skisse av en mulig testrigg Ragnar Wighus TEKNA

43 Hva må til for å få overført forskningsresultater til praktisk bruk? Kunnskapsformidling (dette seminaret er en viktig del av det) Utforme standarder og retningslinjer (NORSOK, Scandpower Guidelines ) Overvinne grenser mellom fagområder: Sikkerhet, prosess, struktur, risikoanalysemiljø, beregningsmiljø, konsulenter, produsenter av utstyr 43