Eksplosjonsbeskyttelse ved Dr. Kees van Wingerden GexCon AS Bergen

Transkript

1 Eksplosjonsbeskyttelse ved Dr. Kees van Wingerden GexCon AS Bergen Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 1

2 Introduction Gasseksplosjoner er noe å regne med på offshore-anlegg I følge HSE har det vært 76 eksplosjoner på faste installasjoner på den engelske continental shelf i perioden (i samme perioden ble det rapportert om 880 branner) Krav med hensyn til beskyttelse mot eksplosjoner i: NORSOK Standard S-001 Teknisk sikkerhet NORSOK Standard Z-013 Risiko- og beredskapsanalyse EN ISO Standard Petroleum and natural gas industries - Control and migration of fires and explosions on offshore production installations - Requirements and guidelines Presentasjonen gir en innledning i problemstillingen, hvordan man skal håndtere problemstillingen i praksis (NORSOK Z- 103), informasjon om optimal bruk av eksplosjonspaneler og brannvann Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 2

3 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 3

4 Forskning: store ballonger for å representere store gasskyer 20m diameter ballong med hydrogen (Fh-ICT 1982) resulterte i maks. 60 mbar overtrykk Lind-Whitson, 1977, forskjellige gasser, maks. flammehastighet 35,4 m/s (acetylen) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 4

5 Forskning: Effekt av obstruksjoner og inneslutning (Moen 1980) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 5

6 Forbrenningsprosesser Strømning oppstår foran flammen: turbulensgenerering, trykkøkning Trykkøkning Forbrenning Ekspansjon Strømning Turbulens Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 6

7 Forbrenningsprosesser Strømning oppstår foran flammen: turbulensgenerering, trykkøkning Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 7

8 Forskning: Eksperimenter i 50 m 3 rør Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 8

9 Forskning: Eksperimenter 3-D hjørne Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 9

10 P > 4.0 bar P = bar Eksperimenter i 3-D hjørne Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 10

11 Forskning: eksperimenter obstruert vs. ikke-obstruert Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 11

12 Inneslutning Offshore moduler kan beskrives som delvis lukkede geometrier Inneslutning styrer strømningen forbi obstruksjoner og forsterker den positive tilbakekoblingsprosessen Maks. trykk bestemmes av trykkøkning ved forbrenning og trykkavlastning gjennom åpninger Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 12

13 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 13

14 Gasseksplosjoner i industrianlegg Hovedparametre som påvirker eksplosjonsforløp: Mengde / orientering / plassering av utstyr, rør & struktur Utstyrstetthet Avlastningsarealer / paneler (størrelse og plassering) Innelukkethet Gasskystørrelse og plassering ved tenning Gasskonsentrasjon, inhomogeniteter Gasstype (reaktivitet) Plassering og tid for tenning Aktive bekjempelsessystemer Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 14

15 Effekt av gasskystørrelse Scenario 4 Process deck Scenario 6 Process deck Scenario 9 Process deck Boble størrelse proporsjonal med overtrykk Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 15

16 Overtrykk - konsentrasjon 0.8 Pressure (Barg) Propylene Ethane % Fuel in air Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 16

17 Gasstype Pressure (barg) Hydrogen Ethylene Ethane Propane Methane Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 17

18 Oljetåke Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 18

19 Overtrykk tennkildeplassering edge ignited centrally ignited Distance (m) 3 4 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 19

20 Oppbygging av eksplosive gasskyer: utslippsrate Identiske scenarier, forskjellige lekkasjerater: 2, 8 og 32 kg/s Resulterende gassky i en modul, tallene over viser ekvivalent mengde støkiometrisk gassblanding 0 % 65 % 9 % Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 20

21 Oppbygging av eksplosive gasskyer: lekkasjeretning Identiske scenarier, forskjellige lekkasjeretninger Resulterende gassky i en modul, tallene over viser ekvivalent mengde støkiometrisk gassblanding 65% 9 % Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 21

22 Når gasseksplosjonsrisiko skal analyseres, er det nødvendig å dekke hendelseskjeden fra lekkasje via spredning / blanding med luft, antennelse, selve eksplosjonen til strukturresponsen som følger eksplosjonen. Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 22

23 FLACS (Flame Acceleration Simulator) Uvikling har foregått siden 1980 med støtte fra gass- og oljeindustri Investering på mer enn 150 mannår Kommersielt tilgjengelig CFD-verktøy som beregner ventilasjon, gass spredning, eksplosjon og trykkbølgeforplantning i realistiske geometrier Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 23

24 Hva befinner seg i FLACS? v Flow solver: - Full 3D Cartesian N-S flow solver - SIMPLE method, compressible extension - Implicit/explicit 2nd order accuracy - BICGSTAB-solver - Transport equations for fuel/fuel mix. - Distributed porosity concept (PDR) - Source terms for chemical reactions P, ρ... u Turbulence: -k-ε model - wall functions - sub-grid contributions Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 24

25 Håndtering av eksplosjonsrisiko (ISO 13702) Målsetning: å redusere sannsynligheten for at en eksplosjon fører til uakseptable konsekvenser til et akseptabelt nivå. Tiltak må tilfredsstille minst ett av kravene nedenfor : Redusere sannsynligheten for at en eksplosjon skal inntreffe. Kontrollere en eksplosjon vha teknikker som reduserer eksplosjonslasten til et akseptabelt nivå. Bekjempe konsekvensene av en eksplosjon og redusere sannsynligheten for at eskalering skjer som følge av eksplosjonslasten. Som en følge av disse kravene er det nødvendig å kvantifisere sannsynligheten for eksplosjoner overhodet, for eksplosjons-laster over gitte nivåer samt for uakseptabel strukturrespons som en følge av lastene. Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 25

26 Probabilistisk analyse (Z-013) Probability of Exceedance, Northern Firewall Målsetning : Generere realistiske (representative) overtrykk for et område basert på probabilistiske vurderinger. Frequency [/year] 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 Man må ta i betraktning ventilasjon, gasslekkasjer, spredning såvel som gasseksplosjoner ved å: 1,00E ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 1) Etablere en eksplosjonsscenariofordeling med frekvenser 2) Utføre eksplosjonssimuleringer 3) Produsere kurver som viser sannsynlighet for å overstige trykk Begrepet representative eksplosjonslaster kan da kobles til et probabilistisk akseptkriterium! 1,00E-05 No wall, with deluge Pressure [barg] Walls present, without deluge Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 26

27 Risikoanalyse Beskrivelse av prosess Etablering av risikoreduserende tiltak Fareidentifikasjon Frekvensvurdering Konsekvensvurdering Akseptkriterier Risikoevaluering Akseptabel risiko Ja Risikobilde er etablert Nei Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 27

28 Hovedelementene i en studie 1. Geometri 2. Ventilasjon CAD-geometri Forventet utstyrstetthet 12 vindretninger Ventilasjonsfordeling 3. Spredning 4. Eksplosjon 5. Sannsynlighet for å overstige trykk 3 lekkasjeplasseringer 7 lekkasjeretninger 9 lekkasjerater 2 prosesstrømmer 7 ventilasjonsforhold Skystørrelsesfordeling 7 skystørrelser 10 skyplasseringer 2 tennplasseringer Eksplosjonsrisiko Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 28

29 Probabilistisk analyse Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 29

30 Virkningen av å kombinere brannvann og fjerning av vegger Probability of Exceedance, Northern Firewall 1,00E-02 1,00E-03 Frequency [/year] 1,00E-04 1,00E-05 1,00E ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Pressure [barg] No wall, with deluge Walls present, without deluge Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 30

31 Virkningen av automatisk isolering og ESD 1,0E-03 1,0E-04 Frequency [per year] 1,0E-05 1,0E-06 1,0E ,5 1 1,5 2 2,5 3 Pressure [barg] Automatic isolation and ESD Manual isolation and ESD Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 31

32 Krav til avlastningspaneler Krav med hensyn til selve eksplosjonsavlastningen Skal åpnes tidlig i eksplosjonsprosessen Skal være lett, skal åpnes fort Stor effektivitet (skal ikke blokkere mye av åpningen etter at de har åpnet) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 32

33 Krav til avlastningspaneler Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 33

34 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 34

35 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 35

36 Feste sidevegger, variasjon endevegger Bakke og Skogrand, 2005 Gas cloud size 25% Gas cloud location W M E M M Ignition position W M E E W Wall configuration Open 1,65 2,84 0,12 2,93 2,61 Panel west 3,93 2,87 0,10 2,90 2,62 Panel east 1,64 2,84 0,23 2,89 2,61 Panel west and east 3,94 2,86 0,23 2,89 2,63 Solid west 4,38 3,02 0,06 2,75 2,68 Solid east 1,63 2,80 1,16 2,87 2,61 Solid wall North East Relief panels Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 36

37 Innelukkethet: ventilasjon Resultater FLACSberegninger modul med forksjellige veggkonstruksjoner Bakke og Erstad, 2005 S W N E Vegg konf. 1 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 37

38 Vegg konf. 3 Vegg konf. 2 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 38

39 Probabilistisk analyse av eksplosjonsrisiko Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 39

40 Resultater ventilasjonsberegninger 36 simuleringer, 10 m/s vindhastighet Rød konf. 1 Gul konf. 2 Grønn konf. 3 Ventilasjonsklasser (hyppighet) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 40

41 Gasskystørrelse fra spredningssimuleringer Største gasskyer ved mindre gasslekkasjer i innelukket modul Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 41

42 Eksplosjonsrisiko veggkonfigurasjoner Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 42

43 Mulige tilleggskrav til avlastningspaneler Burde være intelligente Gassdeteksjon kombinert med (motorisk) åpning av avlastningspaneler ved gasslekkasje for å forbedre ventilasjon gjennom modulen Virker også som avlastningspanel for gasskyer som ikke oppdages i tide Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 43

44 Brannvann og eksplosjonstrykk Utløses på gassalarm Mest effektivt for store gasskyer / høye trykk og åpne eller delvis åpne anlegg Pressure (barg) 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0, Test # 19 No deluge Test # 18 Deluge 300 Time (msec) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 44

45 Tiltak for å redusere risiko: Brannvann Generell områdedekning : allerede installert mot brann - aktiveres på gassdeteksjon - påvirker gasstrømning og øker turbulens - aksellererer flammen i tidlig fase - dråper brytes opp og fordamper i flammen - flammehastighet og trykk reduseres spray flow field Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 45

46 Effekt of brannvann (økning forbrenningshastighet på grunn av turbulens) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 46

47 Brannvann: eksperimentelle resultater Svært innelukkede eller små skyer: trykket øker Delvis/ikke innelukkede og store skyer: trykket minker Eksperiment Trykkreduksjonsfaktor M24 (50m 3 ) 0,5-3 BG (180 m 3 ) 0,17-2,9 SCI (storskala) 1,8-8,8 HSE (storskala) 5-50 Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 47

48 Endetenning uten brannvann BFETS fullskalatest 7 fra Advantica Kraftig ekstern eksplosjon Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 48

49 Endetenning med brannvann BFETS fullskala test 8 fra Advantica Brannvann kveler ekstern eksplosjon (kun avlastning) Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 49

50 Sammenfatning Eksplosjonsmekanismer Håndtering av eksplosjonsbelastninger Avlastningspaneler Bruk av brannvann Brann- og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Bergen, 2009 Copyright GexCon AS 50