Status for simuleringsmodeller -muligheter og begrensninger

Transkript

1 Petroleumstilsynets brannseminar 2009 Status for simuleringsmodeller -muligheter og begrensninger Dr. Geir Berge Petrell as Petroleumstilsynet Ullandhaug, Stavanger 22. april, 2009

2 Innhold Hvorfor gjøre simuleringer? Områder hvor simulering er vanlig i dag Multifysiske simuleringer Brann mot prosessutstyr Materialegenskaper Begrensninger og muligheter

3 Lite ønskelig Uakseptabelt Hvorfor gjøre simuleringer? Kost Ingeniørens utfordring -den optimale løsning Ønske Ikke bra Risk

4 Hvorfor gjøre simuleringer? Vår verden er dynamisk Tid er en viktig parameter Dynamiske system kan svært sjelden betraktes statisk. Resultatet blir som regel feil. Dynamiske system omfatter ofte sammensatte fysiske fenomen Få dynamiske problem av interesse er løsbare analytisk Det er oftest vanskelig å plukke ut dominerende effekter i et dynamisk system

5 Pressure [kpa] Temperature [ C] Hvorfor gjøre simuleringer? Eksempel på sammensatt problem. Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell Time [min] Pressure in vessel Max. average steel temperature

6 Kost Hvorfor gjøre simuleringer? Vi lære mye om og forstår bedre oppgaven gjennom bruk av simuleringer. Eureka! Ønske Risk

7 Områder hvor simulering er vanlig i dag Områder relatert til brann Gasspredning Eksplosjoner Brann Varmetransport Styrke Trykkavlasting Røykspredning Ventilasjon Strømning i rør Faseovergang Osv, osv,------

8 Områder hvor simulering er vanlig i dag Spredning av gass i vindstille

9 Områder hvor simulering er vanlig i dag Noen momenter om brann Brann er oftest å betrakte som en last på en konstruksjon. Brannen er i seg selv ikke av interesse, men de påvirkninger den har på konstruksjon eller utstyr må tas hensyn til. Scenarier er mange og usikre og brann er derfor ikke en entydig definert hendelse eller last. Definerte brannlaster er best guess utfra en kvalifisert vurdering. Simulerte brannlaster er knyttet til scenarier. Brann har en varighet.

10 Multifysiske simuleringer Multifysiske simuleringer Multifysiske simuleringer er simuleringer som kombinerer ulike fysiske fenomen De fysiske fenomenene er i direkte interaksjon med hverandre Simulering skjer simultant. Det vil si alle fysiske fenomener handteres samtidig. Dette gir en mest mulig realistisk beskrivelse av en prosess.

11 Multifysiske simuleringer Brann mot rør med intern strømning

12 Multifysiske simuleringer Pølbrann rundt tank

13 Multifysiske simuleringer Termiske deformasjoner

14 Brann mot prosessutstyr Brann mot prosessutstyr Brann mot prosessutstyr er et tema som har blitt viet mye oppmerksomhet siden Arbeidet har over mange år vært støttet av Petroleumstilsynet og StatoilHydro Gamle standarder har åpnet opp for nye ideer basert på ny kunnskap. ISO (API 521 5th edit.) Temaet vies stadig mer oppmerksomhet verden over. Flere internasjonale oljeselskaper vurderer endringer i sin praksis.

15 Brann mot prosessutstyr Prinsippskisse av fakkelsystem Segment Segment Segment Segment

16 Brann mot prosessutstyr Eksempel på segmenter

17 Varmebelastning i jet-flammer

18 Absorbed effect [kw] Heat flux to wetted area [kw/m2] Brann mot prosessutstyr ISO (API 521 5th edit.) API 521: q q Q FA 70.9FA FA Q q Wetted area [m2] [kw/m 2 ] [kw] Heat flux Where adequate drainage and fire-fighting do not exist Heat absorbed by the inside liquid

19 Brann mot prosessutstyr Brann mot prosessutstyr Det er utviklet nye prosedyrer for design av trykkavlastingssystemer: Guidance for the Design and Analysis of Fire Response of Pressurized Systems, Statoil, Hydro, Scandpower Guidelines For The Design And Protection Of Pressure Systems To Withstand Severe Fires, The Institute of Petroleum, London

20 Brann mot prosessutstyr Nye prinsipper for eksponering

21 Brann mot prosessutstyr Guide for Protection of Pressurised Systems Exposed to Fire Local peak heat load Global average heat load For leak rates m > 2 kg/s Gas jet fire For leak rates 0.1 kg/s < m < 2 kg/s Pool fire 350 * kw/m * kw/m * kw/m * kw/m 2 0 * kw/m * kw/m 2

22 Pressure [kpa] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell API 521 Requirements Time [min] Pressure in vessel Max. average steel temperature

23 Pressure [kpa] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell API 521 Requirements Pressure in vessel Time [min] Max. average steel temperature 0

24 Stress [N/mm2] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Yield Stress, Applied Stress and Average Temperature of Vessel Shell ,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 UTS Time [min] Calculated stress of shell Max. average steel temperature

25 Mass liquid [kg] Mass gas [kg] Brann mot prosessutstyr Massebalanse over perioden Time History of Mass in the Vessel Time [min] Mass oil Sum Mass Mass water Mass gas Mass steam

26 Termiske egenskaper Termiske egenskaper Simuleringer er helt avhengig av gode materialegenskaper. Uten pålitelige materialegenskaper blir resultatene usikre. Varmeledning i faste materialer forutsetter kjennskap til konduktiviteten for materialet. Gode data for svellende materialer har vært mangelvare. Prosjektet Termiske egenskaper har som siktemål å komme frem med en ny standard testemetodikk.

27 Termiske egenskaper Prinsippet til testmetodikken T 0 (t) T 1 (t) pfp Q inn Steel plate

28 Termiske egenskaper Prøvestand

29 Termiske egenskaper Testapparatur sett ovenfra Eksponert objekt Eksponerende folie

30 Temperature [ C] Termiske egenskaper Test av stål basert på standard verdier Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn Time [s] Målt temperatur stålplate Simulert temperatur folie Simulert temperatur stålplate Målt folietemperatur

31 Temperature [ C] Termiske egenskaper Test av Firemaster : 900 C, Firemaster 1 cm 1 cm Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn Time [s] Simulert ståltemperatur Målt folietemperatur 1 Målt folietemperatur 2 Simulert folietemperatur Målt ståltemperatur

32 Temperature [ C] Termiske egenskaper Test av svellende materiale : ProTek A3 900 C Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn Time [s] Målt ståltemperatur Målt folietemperatur 1 Målt folietemperatur 2l Simulert ståltemperatur Simulert folietemperatur

33 Termiske egenskaper Prosjektet Termiske egenskaper er gjennomført i samarbeid mellom Petrell as og SINTEF NBL as Eksperimentene er hentet fra masteroppgaven til Anne Beth Krohn

34 Begrensninger og muligheter Begrensninger og muligheter i simulering De fysiske prosessene må være modellert matematisk. Kostnadene med simulering kan ennå være høye, men faller etter hvert med bedre verktøy og mere datakraft. Største faren er ukvalifisert bruk av simuleringsverktøy. Bruker må ha fysisk forståelse av problemet.

35 Begrensninger og muligheter Fremtidige perspektiver Framtiden ser få begrensninger i bruk av simulering. Et viktig fremskritt er multifysiske simuleringer. Bruk av simulering vil følge tilgang på datakraft.

36 Takk for oppmerksomheten. Mange av arbeidene som er presentert er utført i samarbeid mellom: SINTEF NBL AS Sponset av: