FORFATTER(E) Jan P. Stensaas og Bodil Aamnes Mostue OPPDRAGSGIVER(E) Petroleumstilsynet GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG

Transkript

1 SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF NBL as Postadresse: 7465 Trondheim Besøksadresse: Tiller Bru, Tiller Telefon: Telefaks: E-post: Internet: nbl.sintef.no Foretaksregisteret: NO MVA NY KUNNSKAP OM BRANN OFFSHORE. En innføring i ny kunnskap om brann offshore, tilegnet gjennom de siste 10 års forskning 2. utgave FORFATTER(E) Jan P. Stensaas og Bodil Aamnes Mostue OPPDRAGSGIVER(E) Petroleumstilsynet RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. NBL A04148 Åpen Einar Ravnås GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) I:\Pro\107280\Rapport\Endelig Rapport\ Jan P. Stensaas Anne Steen Hansen Rapport_Ny_kunnskap_offshore.doc ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) SAMMENDRAG Kjell Schmidt Pedersen, direktør Dette er 2. utgave av rapporten, som ble utgitt første gang i november Rapporten er en betydelig utvidet utgave i forhold til 1. utgave av rapporten. Den gir en oversikt over de viktigste resultatene av forskning om brann offshore, tilegnet gjennom de siste 10 år i Norge, innenfor følgende temaer: Utvikling av og varmepåkjenning fra åpne og innelukkede branner Slokking/kontroll av branner Halonutfasing og erstatninger til halon Dimensjonering av trykkavlastning Ventilasjon og røykkontroll; kanaler og spjeld Materialbruk Røyktrussel Beregningsmetoder for brannutvikling, branneksponering og konstruksjonsrespons Selvantennelse av brennbare væsker i isolasjon 1. utgave av rapporten omhandlet de tre førstnevnte temaene i listen over. Til slutt i rapporten blir det for noen av de ovennevnte temaene, påpekt områder hvor det fortsatt er behov for ny kunnskap og videre forskning. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Brann Fire GRUPPE 2 Offshore Offshore EGENVALGTE Brannfare Fire hazard

2 INNHOLDSFORTEGNELSE SAMMENDRAG INNLEDNING ÅPNE OG INNELUKKETE BRANNER INNLEDNING ÅPNE BRANNER Åpne væskedamsbranner - Brann på sjø Åpne jetbranner INNELUKKETE BRANNER BRANNLASTER FOR ÅPNE OG INNELUKKETE BRANNER BRANNKLASSER KLASSIFISERT ETTER ALVORLIGHET SLOKKING/KONTROLL AV BRANNER INNLEDNING ULIKE SLOKKEMEKANISMER DRÅPESTØRRELSE OG SLOKKEEFFEKT DELUGE-ANLEGG VIRKNING I BRANNSITUASJONER OFFSHORE VANNTÅKE - VIRKNING VED BRANNSITUASJONER OFFSHORE SKUMANLEGG VANNSLOKKESYSTEMER FREMOVER I TID ANDRE EFFEKTER AV FORSKNING PÅ SLOKKEANLEGG HALONUTFASING - ERSTATNINGER INNLEDNING FREMGANGSMÅTE VED VALG AV ALTERNATIV BRANNSIKRINGSMETODE ANBEFALTE ALTERNATIVE SIKRINGSMETODER FOR FORSKJELLIGE OMRÅDER DIMENSJONERING AV TRYKKAVLASTING BAKGRUNN BRANNLAST FOR (PROSESS)UTSTYR Generelt Eksperimentaloppsettet Resultater ANALYSE AV BRANNLAST Generelt Simuleringer Oppbygging av simuleringsmodell VARMETRANSPORT OG VARMEOVERGANG I PROSESSKOMPONENTER Resultater av simuleringer med beregningsprogrammet Brilliant VURDERING AV BRANNLASTER GITT I STANDARDER Generelt Norsok-standarden Statoil/Norsk Hydro standard Diskusjon VENTILASJON OG RØYKKONTROLL - KANALER OG SPJELD RØYKKONTROLL - AKTIV OG PASSIV BRANNSIKRING RELATERT TIL BRANNSPJELD Bakgrunn og målsetting Boligkvarter Hovedkonklusjoner for del I - Boligkvarter...58

3 Utstyrsskaft Hovedkonklusjoner Del II Utstyrskaft BEHOV FOR BRANNSPJELD Bakgrunn Problemstilling Kriterier for røyk- og brannspredning via ventilasjonsanlegget Beregningsmodell Gjennomførte prosjekter med beregningsmodellen Beregningseksempel Hovedkonklusjoner med hensyn til behovet for brannspjeld i ventilasjonskanaler MATERIALBRUK GENERELT PRØVING AV STOLPUTER ETTER NT FIRE 032 MØBELKALORIMETERET Beskrivelse av prøvingsutrustningen Kriterier for sammenligning av resultater og rangering av produktene Vurdering av prøvingsresultatene Definisjon av grupper for inndeling av stolputer NT FIRE PRØVING AV TEKSTILER TIL FRITT HENGENDE GARDINER OG FORHENG Beskrivelse av prøvingsutrustningen Viktige branntekniske egenskaper Vurdering av prøvingsresultatene Definisjon av grupper for inndeling av tekstiler HOVEDKONKLUSJONER RØYKTRUSSEL BAKGRUNN PRODUKSJONEN AV RØYK, GIFTIGE GASSER, SOT OG TEMPERATUR Røyk Sot Gasser BEREGNING AV RØYKSPREDNINGEN HVORDAN VIRKER RØYKEKSPONERING PÅ MENNESKER? Bakgrunn Redusert sikt Giftige gasser Varmepåkjenning HOVEDKONKLUSJONER BEREGNINGSMETODER GENERELT OM BEREGNINGSMETODER EMPIRISKE OG ANALYTISKE BEREGNINGSMETODER Generelt FIREX SONEMODELLER Generelt om sonemodeller Sonemodellen CFAST FELTMODELLER Generelt om feltmodeller Kameleon FireEx Eksempel på bruk av Kameleon FireEx (KFX), simulering av brannscenarier Eksempel på bruk av Kameleon FireEx, simulering av et ulykkesforløp...92

4 4 9.5 TEMPERATURRESPONS TIL KONSTRUKSJONSELEMENTER Generelt om beregning av temperaturrespons SUPER-Tempcalc INTEGRERT ANALYSE AV KONSTRUKSJONER EKSPONERT FOR BRANN Bakgrunn Beregningsprogrammet USFOS for bestemmelse av mekanisk respons BEREGNINGSMETODENES TILGJENGELIGHET OG ANVENDELIGHET Generelt Empiriske korrelasjoner Sonemodeller Feltmodeller Temperaturrespons Standarder HOVEDKONKLUSJONER SELVANTENNELSE AV BRENNBARE VÆSKER I ISOLASJON BAKGRUNN LITTERATURSTUDIE EKSPERIMENTELL STUDIE VED SINTEF NBL FORSØKSRESULTATER HOVEDKONKLUSJONER FREMTIDIG FORSKNING INNEN BRANN OFFSHORE GENERELT BEHOV FOR NY FORSKNING INNEN DELUGE- OG VANNTÅKETEKNOLOGI DIMENSJONERING AV TRYKKAVLASTNING MATERIALBRUK BEREGNINGSMETODER Generelt Large Eddy Simulation (LES) Liquid Natural Gas (LNG) Kompressibel modell Effektivisering av beregningsmetoder REFERANSER...114

5 5 SAMMENDRAG Denne rapporten gir en oversikt over de viktigste resultatene av forskning om brann offshore, tilegnet gjennom de siste 10 år i Norge. Rapporten omhandler følgende temaer: Åpne og innelukkete branner, Slokking/kontroll av branner, Halonutfasing og erstatninger til halon Dimensjonering av trykkavlastning Ventilasjon og røykkontroll; kanaler og spjeld Materialbruk i tekstiler og inventar i lugarer Røyktrussel Beregningsmetoder (inkl. vurderinger av brannlaster gitt i standarder og beregningsmetoders tilgjengelighet og anvendelighet) Selvantennelse av brennbare væsker i isolasjon Åpne og innelukkete branner Forskningsprosjektene har klarlagt fenomener som forklarer hvorfor noen branner har vesentlig høyere temperaturer og blir mer alvorlige enn tidligere antatt. Det som avgjør varmelasten i en brann er: 1) typen og tilstanden til brenselet, 2) blandingsforholdene for gassformig brensel og luft og 3) varmetapet fra reaksjonssonen (flammene). Punktene 1) og 2) er i noen grad avhengig av utstrekningen av reaksjonssonen, og kan bestemmes på grunnlag av småskala eksperimenter. Det viktigste resultatet fra forskningsinnsatsen i forbindelse med branner offshore kommer fra storskala brannforsøk, både med åpne og innelukkede branner. Disse viser at skala (det vil si utstrekning på reaksjonssonen) betyr mye for varmetapet, og at temperaturen i reaksjonssonen kan bli mye høyere i fullskala branner enn ved småskala forsøk. Følgende to fenomener er skalaavhengige: Strålingsfanging ( radiation trapping ) og sotoksidering. 1. Strålingsfanging: I reaksjonssonen (flammene) i en brann foregår det samtidig en rekke kjemiske prosesser, noen som avgir varme, og noen som trenger varme for å komme i gang. Produktene fra disse prosessene kan være i gass, væske eller i fast form. Disse stoffene avgir og mottar strålevarme fra sine umiddelbare og mer fjerne omgivelser. I gasser går strålevarmen mer uhindret enn i væske, og spesielt i fast form. Partikler av sot (karbon) og væskedråper har en høy tetthet av molekyler, og utgjør en hoveddel av det som avgir og mottar stråling i flammesonen. Det som gjør at varmelasten i en storskala hydrokarbonbrann blir stor, er at stråling fra sentrale deler av flammene blir fanget av omgivelsene og ført tilbake til reaksjonssonen. Omgivelsene kan være vegger og tak som selv kan bli meget varme, eller de ytre delene av flammene, som virker som en skjerm eller vegg for varmestrålingen. Temperaturen inne i visse deler av flammene i frie væskedamsbranner på land og på sjø kan bli over 1300 C, og er høyere enn tidligere antatt. Gjennomsnittlig varmelast vil være i størrelsesorden kw/m 2, med maksimalverdier på omlag 400 kw/m 2.

6 6 2. Sotoksidering (typisk for innelukkete branner) Når en brann produserer mye sot, betyr det at brenselet ikke er fullstendig forbrent. Dersom brannen foregår i et lukket rom, slik at røykgasslaget kommer opp i temperaturer på C, vil soten forbrennes, slik at økt brannlast oppnås. For at sotoksidering skal forkomme i stort omfang, må temperaturen holdes over dette nivået i en viss tid. I småskala branner mister reaksjonssonen mye varme ved stråling, samtidig som utynning av de sotfylte lagene av flammene med kaldere omgivelsesluft fører til fastfrysing av sotinnholdet. Det kan hende at sotoksidering også er delaktig i de høye temperaturene som er registrert i storskala væskedamsbranner og i andre åpne branner, selv om dette ikke er dokumentert. Det vil i så fall være den økte oppholdstiden for sot ved høy temperatur som fører til økt sotoksydering. Temperaturene kan da komme opp i ca 1300 C. I innelukkete væskedamsbranner er det målt punktlaster opp mot kw/m 2. Typisk varmelast på vegger er i området 200 kw/m Erosjon/varmelast fra jetbrann 1 En jetbrann vil i tillegg til varmelast også ha en erosjonsvirkning på objekter den treffer. Det er utviklet en jetbranntest (mellomskala laboratorietest), som får frem både de reelle varmelasten og erosjonsvirkningen av jetbranner. Metoden er verifisert med storskalaforsøk. I jetbranntesten utsettes objektet for en lokal varmelast på 350 kw/m 2. Antenneligheten av brennbare væsker på sjø er avhengig av type råolje som lekker ut. Ulike typer olje har forskjellig forbrenningskarakteristikker, fordi de er sammensatt forskjellig. Branner på sjøoverflaten, på grunn av et utslipp av en brennbar væske, er i tillegg til type råolje, avhengig av værforhold og varigheten av utslippet. Forsøk viser at antennelse av oljeflak på sjø er mulig selv ved høye vindhastigheter. Tidligere mente en det var umulig å få antennelse ved vindstyrker over 10 m/s, nå er det målt antennelse opptil vindstyrker på 25 m/s. Forhold som har betydning for å få antennelse og Type olje brann av oljeflak på sjø (et forhold av gangen) Kondensat Lett råolje Råolje Minimum tykkelse på oljeflak [mm] 0, Maksimal fordampningstap [%] > 30 < Maksimalt forhold vann/oljeblanding [%] Ukjent Ukjent < 25 Maksimal vindhastighet [m/s] Resultatene fra storskalaforsøk danner grunnlag for anbefalinger om hvilke varmelaster en skal bruke i beregninger avhengig av type brann, se Tabell 6 og Tabell 7. Ut fra alle branntypene beskrevet i disse tabellene er det videre foreslått 3 klasser ut fra alvorlighetsgraden av brannene, og hvordan konstruksjoner skal klassifiseres i hver brannklassekategori: 1 En jetbrann er en brann som skyldes en høytrykks lekkasje av gass eller gass og væske.

7 7 Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 Brann i det fri med moderat størrelse. Moderat størrelse er flammer med høyde mindre enn 3 m. Konstruksjoner som skal klassifiseres etter denne typen brann, kan testes i standard prøvingsovner etter HC-kurven 1 (se Figur 3 på side 24). Innelukket brann i væske som renner ut med lavt trykk. Her vil en kunne få temperaturer opp til 1350 C, dvs høyere enn HC-kurven. Varmelasten forekommer over store deler av rommet (global), høyest under taket. Konstruksjoner som skal klassifiseres etter denne typen brann kan testes i standard prøvningsovner etter HC-kurven, og dimensjoneres ved beregninger for økt varmelast. Jetbann fra en væske eller gasslekkasje ut fra reservoar under trykk. Objekter som skal klassifiseres etter denne typen brann, kan testes i en jetbranntest. I en jetbranntest blir prøvestykket både testet for: varmemotstand mot en lokal høy varmelast (350 kw/m 2 ) erosjon inntrenging av gass/væske i isolasjonen. Dersom objekter som utsettes for jetbrann, er lokalisert i innelukkete områder, må hele objektet også kunne motstå en global varmelast som angitt i klasse 2. Slokking/kontroll av branner Plassering av dyser, dråpestørrelse og dråpehastighet er forhold som har stor betydning for hvilken slokkeeffekt vannslokkeanlegg har. En rekke storskalaforsøk har gitt mer kunnskap om hvilke forhold som har betydning for å oppnå best mulig slokkeeffekt med vannslokkeanlegg som deluge- og vanntåkeanlegg. Jetbranner kan bli slokket av vannpåføring, mens væskedamsbranner har en tendens til å fortsette å brenne med meget redusert brannrate. Det typiske resultatet av storskalaforsøk med vanntåke som lokalbeskyttelse av fly i en hangar, var at ødeleggelsene på objektet (flyet) ikke blir større enn skadene var da vannet ble utløst. Tidlig trodde en at deluge-anlegg ikke kunne slokke væskedamsbranner med flammepunkt lavere enn 60 C. Nå er det vist at væskedamsbranner med flammepunkt ned til 38 C kan slokkes, som følge av bedre kunnskap om betydningen av dysers plassering og dråpestørrelse. Rent vann som slokkemiddel vil kunne bli brukt på en langt mer effektiv måte enn i dag, med en mer optimal teknologiutnyttelse. Halonutfasing Erstatninger Sikkerhetsnivået som halon ga, kan opprettholdes og i mange tilfeller forbedres ved bruk av en eller flere alternative sikringsmetoder. Det er gitt en oversikt over anbefalte sikringsmetoder avhengig av type område som skal beskyttes. Dimensjonering av trykkavlastning Det er et klart behov for å kartlegge brannlaster som er relevante i en reell brann. Skal man dimensjonere utstyr, må man ha en idé om hvilken varmelast den aktuelle brannen representerer. 1 HC-kurven (hydrokarbonkurven) er tid/temperaturkurve som benyttes ved klassifisering av brannbeskyttelse i petroleumsaktiviteter etter Petroleumstilsynets regler.

8 8 Å eksponere en gjenstand for en flamme, er ikke noe eksperimentelt problem, men problemet er å fastslå hvilken varmelast gjenstanden fikk, reelt sett. Trykkavlastning med eller uten eksponering av brann er en sterkt transient prosess. Det vil si at tilstanden i systemet endres sterkt med tiden. Beregning av slike systemer må baseres på transiente metoder, ikke på stasjonære betraktninger. Simuleringer som beskriver tidsavhengigheten i de fysiske prosessene, er derfor nødvendig. Enkle betraktninger kan gi svært gale resultater. I forsøksapparaturen som ble utviklet i prosjektet, var det mulig å oppnå vesentlig bedre kontroll med eksponert varmelast, enn det som er mulig ved flammebelastning i eksperimenter. Det ble utviklet en simuleringsmodell Brilliant, for analyse av eksperimentaloppsettet og for å studere fysikken som inngår i prosessen, samt for å utvikle mer presise modeller. Beregningene med Brilliant ble gjennomført i første rekke for å verifisere at målingene i forsøksapparaturen var i samsvarer med energifordelingen i systemet, noe beregningene viste at de var. Ventilasjon og røykkontroll; kanaler og spjeld Aktiv og passiv brannsikring relatert til brannspjeld i boligkvarter og utstyrsskaft Boligkvarter: Det hevdes at bruken av brannspjeld, slik de praktiseres i dag (begynnelsen av 90- tallet), bygger på foreldede forutsetninger. Det tas ikke hensyn til at det i dag brukes mindre brennbare materialer, bedre deteksjon og varslingssystemer og nye ventilasjonsprinsipper med hensyn til drift av mekanisk ventilasjon i tilfelle brann, samt bedre deteksjon og overvåkning. Utstyrsskaft: Et viktig spørsmål som ble reist i prosjektet var hvilke konsekvenser aktivering av brannspjeld vil ha i en brannsituasjon ved forskjellige systemløsninger for mekanisk ventilasjon. Simuleringene viser at forskjellige driftsformer for utløsing av brannspjeld i utstyrsskaftet får konsekvenser mht trykk og temperatur, som vanskeliggjør evakuering via trappesjakter og nødsjakter. Brann vil medføre betydelig overtrykk, og det er fare for røykspredning. Behovet for brannspjeld i helsveiste moduler I siste halvdel av 1990-årene ble det vanlig å bygge offshore-moduler, hvor veggene hadde helsveiste skjøter. Dette resulterte i ekstremt tette rom, med luftutveksling bare via ventilasjonsåpningene i rommet. Dersom det skulle oppstå brann i slike rom, ble det reist spørsmål om røyken fra brannen kunne spre seg til andre rom via ventilasjonskanalene på grunn av ekstreme drivkrefter. Det ble utviklet en beregningsmodell som var i stand til å beregne branntemperaturen og trykkøkningen i rommet på grunnlag av mengden brensel, romvolumet og det totale åpningsarealet i rommet. Materialbruk i inventar og tekstiler i lugarer NBL (SINTEF NBL as - Norges branntekniske laboratorium as ved SINTEF) har utført brannteknisk prøving av: a) ulike sammensetninger av materialer til stolputer etter Nord Test Method NT Fire 032 og b) tekstiler til gardiner etter Nord Test Method NT Fire 043. Ved rangering av materialene etter branntekniske egenskaper ble det lagt størst vekt på varmeavgivelsen, både for stolputer og tekstiler. Røykproduksjonen varierte noe mellom de ulike produktene. Enkelte kunne avgi relativt lite røyk, mens andre avga vesentlig mer røyk. Ved valg av materialer til en lugarinnredning må røykproduksjonen vurderes. Generelt kan man si at de produkter som avga mest varme, også avga mest røyk. Antennelse av stoppete møbler ved eksponering av flammer avhenger hovedsakelig av egenskapene til overflaten som utsettes for flammene. Tid til antennelse er en viktig parameter. Den sier noe om hvor raskt tekstilene vil bidra til å spre en brann i en lugar. Det må også vurderes hvor raskt brannen sprer seg i selve tekstilene etter antennelse. En annen viktig egenskap er hvor mye varme tekstilene i lugaren avgir, og dermed hvor mye tekstilene er med på å underholde brannen i lugaren.

9 9 Røyktrussel Røyken fra en omfattende brann på en produksjonsplattform vil kunne utgjøre en alvorlig trussel for mannskapene ved evakuering av plattformen. Målsettingen med forskningsprogrammet Røyktrussel var å fremskaffe kunnskap om uheldige effekter på mennesker på grunn av røykeksponering ved en brann på en plattform. En ikke minst like viktig side var å øke forståelsen av hvordan røyken transporteres fra brannkilden til plattformens rømningsveier og livbåtstasjoner, og utvikle verktøy for dette. Bestemmelse av konsentrasjonen av giftige gasser, sot (som har stor betydning for sikten) og temperaturen i røyken, varmestrålingen fra flammer og røyk på disse stedene, ved hjelp av brannsimuleringer (Kameleon II), var også en viktig del av dette prosjektet. Kriterier for hvor mye mennesker tåler av røykeksponering med hensyn til redusert sikt i røyken, varmepåkjenning og giftige røykgasser ble også etablert på grunnlag av en omfattende litteraturstudie. Beregningsmetoder Empiriske og analytiske beregningsmetoder, sonemodeller og feltmodeller (CFD-modeller) er tre hovedtyper av beregningsmetoder som man i dag rår over ved bestemmelse av brannutvikling og branneksponering ved branner. I tillegg eksisterer det beregningsmetoder for bestemmelse av temperaturrespons og konstruksjonsrespons (sammenbrudd av konstruksjoner). Integrert analyse av brannscenarier er en metode som kombinerer CFD-modeller for brannutvikling og branneksponering med programmer for bestemmelse av temperaturrespons og konstruksjonsrespons. Slike modeller gir både nøyaktige og meget detaljerte resultater, både i tid og rom. Det konkluderes med at dette er fremtidens beregningsmetoder. Selvantennelse av brennbare væsker i isolasjon Det er en kjent sak at branner har oppstått etter lekkasjer av dieselolje, smøreoljer og hydraulikkoljer på varme overflater i kraftstasjoner og i maskinrommet på båter. En mindre kjent sak er at antennelse av enkelte oljer kan skje når de lekker inn i et isolasjonsmateriale. Lekkasje av brennbare væsker fra defekte flenser eller ventiler, som er blitt sugd opp av isolasjonsmaterialet, har vist seg å medføre selvantennelse og brann i isolasjonen. Det oppstår som regel bare en ulmebrann i starten, inntil en plutselig inntrengning av luft finner sted. Dermed kan det oppstå en flammebrann. Dette kan for eksempel skje dersom isolasjonen åpnes/tas bort, eller at ulmebrannen brenner gjennom isolasjonen. Årsaken til selvantennelsen skyldes at enkelte væsker har stor evne til å oksidere, noe som medfører varmeutvikling. Dersom det er gode isolerende forhold og en viss lufttilførsel, slik at varmeproduksjonen blir større enn varmetapet, vil varmen akkumuleres. Temperaturen kan til slutt bli så høy at væsken selvantenner. Væsker som kan forårsake selvantennelse, er væsker med høyt flammepunkt og lav spontanantennelsestemperatur (engelsk: autoignition temperature ). Selvantennelsestemperaturen 1 er vanligvis vesentlig lavere enn antennelsestemperaturen og spontanantennelsestemperatur 2 for materialet (spontanantennelsestemperaturen er noe høyere enn antennelsestemperaturen for væsken). Temperaturen på oljen i isolasjon, hvor selvantennelse har oppstått i praksis, har vært i området C. I eksperimenter har man oppnådd selvantennelse ved så lave temperaturer på væsken som ned mot 50 C. 1 Selvantennelsestemperaturen er den temperaturen væsken selvantenner på grunn av oksidasjon av væsken, i gode isolerende forhold. Oksidasjon er en varmeavgivende (eksoterm) prosess. 2 Spontanantennelsestemperaturen er temperaturen på væsken som medfører at væsken spontanantenner i det fri, for eksempel når væsken renner ned på en varm overflate, med temperatur høyere enn spontanantennelsestemperaturen.

10 10 1 INNLEDNING Hensikten med denne rapporten er å gi en oversikt over ny kunnskap om brann, tilegnet gjennom de siste 10 års forskning i Norge. Den klart største andelen av forskningen har imidlertid skjedd ved SINTEF NBL as 1. Rapporten er ikke ment å være en første innføring i denne kunnskapen, og den er ikke ment å være et verktøy for personer som skal utføre beregninger. Rapporten er tenkt å gi leseren en forståelse av de mekanismer og fenomener som er studert i prosjekter utført i Norge og hvor rapportene er åpne. Rapporten omhandler følgende temaer: Utvikling av og varmepåkjenning fra åpne og innelukkete branner Slokking/kontroll av branner Halonutfasing Erstatninger. Dimensjonering av trykkavlastning Ventilasjon og røykkontroll; kanaler og spjeld Materialbruk i tekstiler og inventar i lugarer Røyktrussel Beregningsmetoder (inkl. vurderinger av brannlaster gitt i standarder og beregningsmetoders tilgjengelighet og anvendelighet) Selvantennelse 1 Videre i denne rapporten brukes betegnelsen NBL i stedet for SINTEF NBL as.

11 11 2 ÅPNE OG INNELUKKETE BRANNER 2.1 Innledning Et av problemene med å dimensjonere mot brann er uklarheten omkring hvilken varmelast som er relevante i ulike situasjoner. Brann blir styrt av mange forskjellige parametre. Brann vil derfor ta mange forskjellige former, og det kan tenkes et uttall variasjoner. Legges det for stor varmelast til grunn ved dimensjonering, kan konstruksjonen bli unødig dyr, mens en for lav varmelast vil gi for dårlig sikkerhet. Flere store forskningsprosjekter de siste år har gitt mer kunnskap om hva som karakteriserer hydrokarbonbranner, og hvilke fenomener som øker eller reduserer sikkerheten offshore: Brann på sjø Forskningsprogrammet Brann på sjø bestod av en litteraturstudie, en serie storskalaforsøk og laboratorieforsøk, numeriske beregninger og en oppdatering av dagens kunnskap med hensyn til risikovurdering relatert til brennende oljeflak på sjø. Forskningsprogrammet bestod av fire faser, og ble utført i perioden (se Tabell 1). En oppsummering av hovedresultatene fra hele prosjektet Brann på sjø er gitt i rapporten av Opstad og Guénette, (Opstad og Guénette, 1999). Blast and Fire Engineering for Topside Structure Dette var et stort forskningsprogram som ble finansiert av mange oljeselskaper og myndighetene på britisk og norsk side. NBL deltok i fase 2 av programmet for å studere branner i delvis innelukkete områder. 11 oljeselskaper deltok i denne fasen av programmet, som pågikk i perioden NBL gjennomførte 24 storskala brannforsøk i delvis lukkete områder. 5 forsøk ble utført i en 135 m 3 testrigg, og 19 forsøkene ble utført i en 415 m 3 testrigg. Tidligere forskning på dette området var utført ved små eller mellomskala forsøk. Målet med storskalaforsøkene var å bedre forståelsen av hvilken innvirkning omgivelsene i brannrommet (vegger, tak og objekter/utstyr) har på jet- og væskedamsbranner. Videre var målet å fremskaffe pålitelige målinger av viktige brannkarakteristika, slik at resultatene fra beregningsmodeller kunne verifiseres, samt danne grunnlaget for en veiledning for konsekvensberegninger av offshorebranner i delvis lukkete områder. Som en del av forskningsprosjektet ble det utført storskalaforsøk med horisontale jetbranner av British Gas i Storbritannia. Hovedresultatene ble presentert i rapporter fra NBL ((Tronstad et al., 1995), (Chamberlain et al., 1997), (Persaud og Wighus, 1997)) og The Steel Construction Institute (Selby og Burgan, 1998). Mer detaljert informasjon og resultater finnes i de særskilte forsøksrapportene. Utvikling av jetbranntest Tidlig på 1990-tallet var NBL med i en arbeidsgruppe som utviklet en jetbranntest. Prosjektet ble støttet av myndighetene på norsk og britisk side (Petroleumstilsynet og Health and Safety Executive (HSE)). Arbeidsgruppen bestod av NBL, Shell, British Gas, UKOOA (United Kingdom Offshore Operators Association), HSL (Health and Safety Laboratory) og SWRI (Southwest Research Institute). Testen er beskrevet i rapporter fra både Petroleumstilsynet og Health and Safety Executive (HSH, 1982).

12 12 Tabell 1: Forskningsprogrammet Brann på sjø; programmets faser, metoder som ble benyttet, mål og henvisning til rapporter. Fase Metode Mål Rapporter I II III IV Litteraturstudie og observasjoner av forsøk utenfor St. John i Canada. Storskala brannforsøk på sjø på Svalbard under realistiske værforhold (2 forsøksserier). Vurdering av brannfaren og analyse av varmelaster i brannen. Laboratorieforsøk (21 mellomskalaforsøk) Fullskala numeriske simuleringer Samle og studere tilgjengelig litteratur om oljeutslipp generelt med hensyn til brannsikkerhet. Studere brannforløp og varmestråling fra brannene. Studere varmelastmålingene i fase I og presentere ny viten om hvordan faren med hensyn til brann på sjø bør vurderes. Studere antenneligheten av oljeflak, og hvorvidt brannen på et oljeflak kan opprettholdes som funksjon av oljens sammensetning, antennelseskilde og værforhold. Studere antenneligheten av oljeflak, og hvorvidt brannen på et oljeflak kan opprettholdes i full skala. Stensaas, 1993 Wighus og Lønvik, 1995c Wighus et al., 1996 Wighus og Guénette, 1995 Guénette et al., 1997 Opstad et al., 1998 Et forhold som har stor betydning for brannkarakteristikken, er hvorvidt brannen er innelukket eller oppstår i det fri, og om det er en væskedamsbrann eller en jetbrann. Det er derfor i denne rapporten skilt mellom åpne branner og innelukkete branner. Med innelukkete branner menes branner i delvis innelukkete områder. Branner på sjø, som er en form for åpne branner, er spesielt omtalt. Tabell 2: En oversikt over utførte forskningsprosjekt og hvilke type branner de omhandler. Type branner Forskningsprosjekt Væskedam (pool) Brann på sjø Åpne branner Jet Blast and Fire Engineering for Topside Structure Utvikling av jetbranntest Innelukkete branner Væskedam (pool) Blast and Fire Engineering for Topside Structure Jet Blast and Fire Engineering for Topside Structure 2.2 Åpne branner Åpne væskedamsbranner - Brann på sjø Farer ved brann på sjø Brann på sjø kan ha stor innvirkning på sikkerheten til en offshoreinstallasjon. Store varmebelastninger kan eksponere konstruksjoner, og røyk kan omslutte installasjoner og dermed hindre evakuering og redningsoperasjoner.

13 13 Figur 1: Fra storskalaforsøk av brann på sjø på Svalbard (Wighus, Lønvik, Nygård 1996). Konsekvensene og sannsynligheten for brann er avhengig av typen væskebrensel Ulike typer råolje har forskjellig forbrenningskarakteristikker, fordi de er sammensatt forskjellig. Sannsynligheten for brann, og til en viss grad brannkonsekvensene, er avhengig av hvilken type råolje som lekker ut. Muligheten for å få antennelse og brann vil være forskjellig for f.eks. kondensat, lett råolje og råolje. Forskjellene er nærmere beskrevet under, og Tabell 3 gir en oppsummering av grenseverdier for å få antennelse og brann av oljeflak på sjø. Tabell 3: Grenseverdier for å få antennelse og brann av oljeflak på sjø ved forskjellige væskebrensler. Forhold som har betydning for å få antennelse og Type væskebrensel brann (et forhold av gangen) Kondensat Lett råolje Råolje Minimum tykkelse på oljeflak [mm] 0, Maksimum fordampningstap [%] > 30 < Maksimum vann/oljeblanding [%] Ukjent Ukjent < 25 Maksimum vindhastighet [m/s] Vindens betydning Vind har følgende virkning på antennelse og brann av oljeflak på sjø: Øker fordampningen (øker brannkonsekvensene og sannsynligheten for antennelse) Øker forbrenningen (øker brannkonsekvensene) Kjøler overflatene og antennelseskildene (reduserer sannsynligheten for antennelse) Bryter ned oljen (reduserer sannsynligheten for antennelse, og til en viss grad også brannkonsekvensene i tilfelle antennelse) Sterk vind medfører uttynning av gassen over havoverflaten (dvs reduserer sannsynligheten for antennelse). Antennelighet av oljeflak og hvorvidt oljeflak av ustabiliserte råoljer brenner, er avhengig av konsentrasjonen av brennbar damp over oljeflaket. Vind kan medføre at fordampningen øker, slik at dampkonsentrasjonen over oljeflaket øker, men også mer effektiv uttynning av dampen. Selv ved høye vindhastigheter vil det være brennbare dampkonsentrasjoner over overflaten. Tidligere mente en det var umulig å få antennelse ved vindstyrker over 10 m/s. Nyere kunnskap viser at antennelse av oljeflak på sjøen er mulig opptil vindstyrker på 25 m/s.

14 14 Dampkonsentrasjonen over oljeflaket er foruten vinden også avhengig av temperaturen på oljen og oljens sammensetning (mengde flyktige og brennbare komponenter). Utslipp av kondensat og lett råolje har store muligheter for å antennes ved et stort spekter av vindforhold. Tyngre råoljer har mindre sannsynlighet for å bli antent, men muligheten er fortsatt betydelig. Vinden kan dermed både øke og redusere mulighetene for antennelse. Er det helt vindstille eller kraftig vind er sannsynligheten for antennelse av oljen minst, et sted i mellom er forholdene ugunstigst. Forsøk på land fra lekkasjer av bensin, viste at de ugunstigste forholdene oppstod ved 2 m/s målt 10 m over bakken. Bølgenes betydning Tynne oljeflak påvirkes mest av bølger. Bølger kan få tynne oljeflak til å bli så tynne at de kommer under minimumstykkelsen som skal til for å få antennelse. Hva som er minimum tykkelse for antennelse, vil avhenge av tiden oljen har forvitret og type olje. Minimumstykkelsen til ustabilisert olje er mindre enn for forvitret olje. Brytende bølger vil redusere sannsynligheten for antennelse mer enn dønninger. Brytende bølger vil lettere splitte opp et tynt oljeflak enn et tykt oljeflak. Ved oppsplitting av oljeflaket til flere mindre flak, reduseres mulighetene for flammespredning og langvarig forbrenning. Dette kan føre til at en brann slokker før alt potensielt brensel er brent opp. Varighet av utslipp Hva som er minimum tykkelse på oljeflaket for å kunne få antennelse og brann er avhengig av type olje. Olje fra et raskt utslipp vil spre seg raskt utover sjøoverflaten til en tynn film. Et kontinuerlig utslipp av råolje skaper en større og mer langvarig branneksponering enn et raskt, avgrenset utslipp. Det vil alltid være deler av oljeflaket som har større tykkelse enn minimumstykkelsen. Et friskt oljeutslipp vil avgi betydelige mengder brennbar damp, og mulighetene for at dampen antennes fra brennende olje vedvarer så lenge utslippet varer. Intensiteten på antennelseskilden For ustabilisert råolje er ikke størrelsen på antennelseskilden så viktig, så lenge det er et brennbart gasslag over havoverflaten. Selv i høy vindstyrke, gjelder denne antagelsen for ustabilisert råoljer. Grenseverdier for å få antennelse Tabell 3 gir en oppsummering av grenseverdier for å få antennelse og brann av oljeflak på sjø. Verdiene er nødvendigvis ikke absolutte, men er grenseverdier som gjenspeiler dagens kunnskap på området. Flammetemperatur og varmefluks Temperaturen inne i visse deler av flammene ved brann på sjø kan bli 1300 C og mer. Det blir varmest der turbulensen fra flammene blander inn tilstrekkelig luft til å få tilnærmet fullstendig forbrenning, og hvor flammene har en optimal tykkelse. Brannlasten på objekter som omhylles av flammer er i samme størrelse som den som er funnet i forsøk på land. Gjennomsnittlig varmelast vil være i størrelsesorden kw/m 2, med maksimalverdier på omlag 400 kw/m 2. I sterk vind vil varmelasten i hovedsak eksponere objekter nær overflaten, så lenge offshoreinstallasjonen ikke skjermer for vinden. For fjerne objekter vil varmestrålingen være mindre, spesielt dersom flammene er skjermet av røyk. Branner i råolje på sjøoverflaten produserer mye røyk. Flammene er derfor vanligvis dekket med tykk, svart røyk. Sterk vind vil både fortynne og bøye røyk mot sjøoverflaten.

15 15 Bevegelse av oljeflak Oljen vil bevege seg som følge av overflatestrømninger og vind. En tommelfingerregel er at oljeflaket vil bevege seg i samme retning som vinden og med en hastighet som er lik overflatestrømningene pluss 1,5-3 % av vindens hastighet. Oljemengde som er mulig å brenne Dersom væskedammen av olje antennes, bør det antas at den totale mengden som renner ned på sjøen blir brent (bortsett fra et 0,5 mm restlag). Noen referanser hevder at vann-/oljeblanding (emulsjon) kan brenne med 70 eller 80 % vanninnhold. Forbrenningsrate Forbrenningsraten av oljeflak er en kompleks funksjon, hvor avbrenningsraten øker med diameteren av flaket opp til et maksimum, på omlag 4 mm/min for dam av råolje med 10 m diameter. Avbrenningsraten faller deretter, sannsynligvis som følge av oksygenmangel i midten av brannen. Anbefalte verdier er: 4 mm/min (0,055 kg/s m 2 ) for råolje 4 mm 9 mm/min (0,06-0,1 kg/s m 2 ) for lett råolje 9 mm/min (0,1 kg/s m 2 ) for kondensat Konsekvensene av en brann skyldes en kombinasjon av brannlast og varighet. En lavere forbrenningsrate kan medføre at brannen varer lengre og at brannområdet blir større i utbredelse på sjøoverflaten. Røykproduksjonsrate Røykproduksjonsraten varierer med diameteren på væskedammen og egenskapene til brenselet. Hovedtendensen er at branner i råolje på sjø produserer mye røyk, typisk i størrelsesorden % (massefraksjon) av avbrenningsraten. Dette indikerer at forbrenningen ikke er fullstendig. Flammene er typisk dekket med et tykt sjikt av svart røyk. Denne effekten gjør strålingen til fjerne objekter mindre enn den ville ha vært uten røykskjermingen. Mye vind vil både fortynne og avbøye oppdriftsstrømmen (flammer og røyk) mot sjøoverflaten Åpne jetbranner En jetbrann kan være en brann i en gassjet, en væskejet eller en blanding av væske og gass. Består jeten av væske eller en blanding, kalles de gjerne spraybranner. I forskningsprogrammet Blast & Fire ble det utført 12 horisontale jetbranntester. Utslippene på 5 kg/s bestod av gass/oljeblandinger av lett råolje i vektforholdet 1:4 og 2:3. Seks av forsøkene var med frie flammer, utløst ved et absolutt trykk på enten 20 eller 7 bar. I de øvrige seks forsøkene (alle ved 20 bar) traff flammen et rør med diameter på 0,9 m, som var plassert i en avstand på 9 og 15 m fra utslippspunktet. I alle forsøkene ble det foretatt målinger av flammekarakteristikkene (det vil si flammedimensjoner og stråling fra flammene til et eksternt objekt), i tillegg til målinger av brenselsstrømmen og værforhold. Forsøkene viste at strålingsbidraget til varmelasten fra tykke flammer er vesentlig. Flammetykkelsen var stor på baksiden av røret som jetbrannen traff, noe som førte til stor stråling. Dette var effekter en ikke hadde greid å demonstrere tidligere ved forsøk i liten skala. En annen hovedkonklusjon fra forsøkene var at branner bør klassifiseres etter varmefluks. Flere hovedkonklusjoner fra forsøkene i Blast & Fire er oppsummert i Tabell 4.

16 16 Tabell 4: Hovedkonklusjoner fra brannforsøkene i det fri fra Blast & Fire-prosjektet (Selby og Burgan, 1998). I alle forsøkene var flammene lysende og de laget mye tykk, svart røyk i hovedsak mot enden av flammene. Det ble produsert spesielt mye røyk i forsøkene hvor utslippene bestod av bare råolje. I forsøkene med blandet brensel ble det utviklet mer røyk i de forsøkene hvor flammen traff røret, enn hva tilfellet var for de frie flammene. Det var mest røyk nedstrøms for det området hvor flammen traff røret. Gassen og oljen var forholdsvis godt blandet i flammene i forsøkene med blandet brensel, selv om en kunne se en olje-jet nær utslippspunktet. Det var neglisjerbart nedfall av væskedråper fra flammene. Et unntak var forsøket med bare råolje hvor flammen traff røret på 9 m avstand. I dette tilfellet var det nedfall av dråper nedstrøms for der flammen traff røret. Det var høy varmestråling fra flammene i alle forsøkene. Maksimal varmestrålingsintensitet fra flammeoverflaten (SEP surface emissive power) var fra 203 til 409 kw/m 2. Forsøkene hvor absolutt utslippstrykk var 7 bar tenderte til å produsere lavere maksimum varmestrålingsintensiteten enn utslippene på 20 bar. Den maksimale varmestrålingsintensiteten økte med økende gasskonsentrasjoner blant de gasskonsentrasjoner som ble studert (for forsøket med 20 bar økte den maksimale SEP fra 264 til 316 kw/m 2 for råolje, til et område på 316 til 354 kw/m 2 for forsøkene med gass- /oljeblandingsforhold på 2:3, og et område fra 352 til 409 kw/m 2 for forsøkene med gass/oljevektforhold på 2:3). I alle forsøkene med røret, inntraff maksimal SEP nedstrøms for området flammen traff røret. I alle forsøkene ble signifikante mengder av varmestråling avgitt fra områder bortenfor de synlige flammene, og varmestråling ble avgitt over større områder ved utslippene med bare råolje enn ved utslippene med blandet brensel. Den totale innkomne varmelasten målt av instrumenter på røret, var betydelig høyere for blandet brensel enn for forsøk med bare råolje. Verdiene målt på den siden av røret som flammen traff var lik for de to gasskonsentrasjonene, men verdiene på baksiden av røret var høyere for forsøk med høyere gasskonsentrasjon. Det var liten forskjell mellom den totale varmelasten målt på forsiden av røret for samme type utslipp når avstanden til røret var henholdsvis 9 og 15 m. På baksiden av røret ble det imidlertid målt høyere total varmefluks når avstanden var 9 m ved alle brenselstypene, enn når avstanden var 15 m. Dette stemmer overens med funnet at de konvektive varmelastene på baksiden var neglisjerbare for forsøkene hvor avstanden var 15m. Ved hver treffavstand (9 og 15 m) var det små forskjeller mellom de prosentvise strålingsbidragene fra forsøkene med de tre forskjellige blandingsforholdene av brensel, selv om utslipp med bare råolje hadde et generelt litt høyere strålingsbidrag enn hva tilfellet var for forsøkene med blandet brensel. Dataene fra de eksperimentelle forsøkene viser at både stråling og konvektive komponenter av varmeoverføring kan bli betydelige, og må tas med i betraktning.

17 17 En jetbrann vil i tillegg til å avgi en varmelast, også kunne forårsake erosjon på objekter den treffer. Jetbranntesten som er utviklet (se også kapittel 2.1), får frem disse forholdene. Jetbranntesten er basert på en sammenligning av resultater fra jetbranntester utført i laboratoriet og storskala jetbranntester i det fri. Det som er spesielt med jetbranntesten, som er en mellomskala laboratorietest, er at den får frem realistiske varmelaster og erosjonsvirkning. Jetbranntesten utføres med en lekkasjerate av propan på 0,3 kg/s, og den er sammenlignbar med storskalatester hvor lekkasjeraten er 3-10 kg/s. Jetbranntesten har vist seg å være svært godt egnet som grunnlag for produktutvikling og produktdokumentasjon av brannisolasjonsmaterialer på rør og annet utstyr. Det arbeides nå for å få testen som en internasjonal standardtest enten som en del av NS-EN , eller som en egen standard. Det er også intensjoner om å gjøre den til en britisk standard. I dag fungerer den som en offshoreprosedyre som benyttes av Petroleumstilsynet og Health and Safety Executive Storbritannia). Figur 2: a) b) Jetbranntest ved NBL, a) under test og b) prøvningsobjektet etter test. Den boksaktige konstruksjonen benyttes for å oppnå resirkulasjon av flammene, slik at konstruksjonen dermed vil bli utsatt for maksimal varmelast. 2.3 Innelukkete branner Innelukkete branner kan bli mer intense enn åpne branner, forutsatt at det er tilstrekkelig tilgang på oksygen. Dette skyldes tilbakestråling fra vegger, tak og golv som medfører at temperaturen i brannen øker og dermed også forbrenningen. Tidligere ble det diskutert om det var gunstigst å ha mest mulig innelukkete plattformer fremfor åpne løsninger. Forskningsprosjektene har vist at konsekvensene av en brann blir mindre med god gjennomlufting av en brann i lukkete områder. Jo mer en ventilerer et område, jo større lekkasje kan en takle uten at det blir en alvorlig brann. Ventilering er gunstig med hensyn til brannsikkerhet. Det finnes ingen omforent definisjon på graden av innelukkethet av branner for å kalle dem innelukkete. Et forsøk på en definisjon er (Berge og Wighus, 2001): Innelukket brann er en brann der tilbakestråling til forbrenningssonen fra omliggende flater påvirker brannen og/eller at brannen er styrt av oksygentilgang.

18 18 Ved store branner i det fri (med diameter større enn grovt anslått 10 m) kan flammene utgjøre en vegg for de indre, ekstremt varme delene av brannen. Her kan man oppnå varmelaster på omtrent samme nivå som i lukkede rom. Dette kan bety at store branner i det fri vil oppføre seg som innelukkete branner (og omvendt), i visse områder av flammesonen. I innelukkete branner vil ofte lufttilførselen være avgjørende for brannutviklingen. Forskjellen som skyldes brenselstype, lekkasjeform og andre ytre betingelser har underordnet betydning. Det er imidlertid en vesentlig forskjell på gassbranner og branner i væsker og faste stoffer. Innelukkete gassbranner Gassbrannene kan ta følgende tre ulike former dersom de er innelukket: 1. God ventilasjon - Lokal branneffekt 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. 2. Begrenset lufttilgang - Kombinasjon av lokal høy branneffekt og varmelast i hele rommet Dersom lufttilgangen er begrenset vil det oppstå en kombinasjon av en jetbrann med lokal høy varmelast og en total varmelast i de øvre deler av rommet. Denne siste brannlasten vil ikke være vesentlig forskjellig fra den som kommer fra en væskedamsbrann. 3. Stor gasslekkasje Gassbrann utenfor rommet 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 utenfor rommet. Innelukkete væskedamsbranner Ved væskedamsbranner vil lufttilførselen være avgjørende for hvor mye som brenner. Uansett hvor høy lekkasjehastigheten er, vil bare det brenne som lufttilførselen gir mulighet for. Erfaring tilsier at når en væskedamsbrann passerer en viss størrelse i et rom, stabiliserer den seg som en svakt underventilert brann. Det kan også brenne utenfor rommet, men det vil ikke kunne oppstå samme forhold som ved en massiv gasslekkasje, den vil brenne bare utenfor rommet. Kombinerte branner i rom Kombinerte branner er branner der man enten har: en 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 branner i faste materialer. De viktigste parametrene ved kombinerte branner i rom er romstørrelsen og ventilasjonsgraden 1 av rommet. I tillegg vil en jet- eller spraybrann som treffer objekter kunne medføre høyere punktlaster og større varmelaster enn væskedamsbranner og faststoffbranner. Tabell 7 viser anbefalte verdier på brannlaster for ulike typer brann i lukkete områder som er basert på forsøkene som er utført. Tabell 5 viser hovedkonklusjonene fra brannforsøkene i innelukkete områder fra Blast & Fire prosjektet 1 Det virkelige forholdet mellom luft- og brenselstilførsel i en brann i forhold til støkiometrisk lufttilførsel. Ventilasjonsgraden er det samme som ekvivalensforholdet Φ omtalt i Tabell 5. Støkiometri er læren om de relative mengdeforhold mellom stoffer som reagerer kjemisk med hverandre. Støkiometrisk luft brenselsforhold vil si den mengden luft som skal til for et brenselet brenner fullstendig, slik at forbrenningsproduktene er vann og karbondioksid. En støkiometrisk blanding inneholder den mengden luft som trengs til fullstendig forbrenning.

19 19 Tabell 5: Hovedkonklusjonene fra brannforsøkene i innelukkete områder fra Blast & Fireprosjektet (Chamberlain, Persaud, Wighus og Drangsholt, 1997). Lukkete områders innvirkning på jet- og væskedamsbranner I starten av brannforløpet oppfører jet- og væskedamsbranner seg i lukkete områder som i det fri. Etter en kort periode, fra få sekunder til noen få minutter, er utviklingen av brannen avhengig av graden av ventilasjonskontroll, spesielt på verdien av global støkiometri 1. For jetbrannene viste forsøkene svak korrelasjon mellom Φ og temperaturene oppe under taket og åpningene. Svak korrelasjon ble funnet mellom Φ og veggtemperaturen. Ingen korrelasjon eksisterte mellom Φ og varmelastene mot taket, men det ble funnet sterk korrelasjon mellom Φ og varmefluksen til veggene. Alle disse observasjonene er basert på forsøk med vertikale jetbranner. For væskedamsbranner viste testene ingen signifikant korrelasjon mellom Φ og temperaturen og varmefluksen i rommet. Varmefluksverdiene var imidlertid signifikant høyere for brenselskontrollerte branner. Det ble dannet en veldefinert, horisontal grenseflate mellom et øvre varmt gass- /røyksjikt og et lavere kaldt luftsjikt. Avhengig av forholdet av ventilasjonsstrømmen og størrelsen og plasseringen av brannkilden, ble forholdene for ventilasjon eller brenselskontrollert forbrenning etablert. Når forbrenningen nærmet seg ventilasjonskontrollerte forhold, kunne forbrenningen ved grenseflaten mellom disse lagene være svært svingende og ustabil, noe som førte til en rask, kraftig forbrenning og temperaturer over 1350 C, på grunn av sotoksidasjon ved temperaturer over 1200 C. Før stasjonær tilstand ble oppnådd, avtok påførte varmelaster og temperaturstigningshastigheter dersom brannen begynte å bli ventilasjonskontrollert. Store mengder sot 2 ble produsert fra ufullstendig forbrenning, spesielt når temperaturen i røyksjiktet var > 900 C. Dersom soten ble avsatt i et område hvor temperaturen var under 900 C, kunne soten fungere som en varmeskjerm som isolerte overflatene til vegger, tak og objekter fra strålingen fra flammene. Dersom soten ble avsatt i områder hvor temperaturen var høy nok (> 1200 C), kunne den brennende soten øke varmelasten på vegger, tak og objekter. Hvor alvorlig denne effekten er, og eksakt ved hvilken temperatur dette blir viktig, kan bare anslås. Et estimat basert på forholdene i forsøkene i dette prosjektet, er at en brann med diameter større enn 4-6 m er nødvendig for å sikre omfattende sotoksidering, som fører til økte varmelaster. Resulterende varmelast var i området kw/m 2 med gasstemperaturer over 1370 C. Små forskjeller i geometri, som forstyrrer et jetutslipp, eller mindre forbigående forandringer i brannutviklingen, kan sotoksidering og strålingsfanging føre til økt alvorlighet av brannen. Dette oppstod i ett av tre forsøk med horisontal jetutslipp, som i utgangspunktet var like. Det så ut til å være lettere å oppnå høyere varmefluksverdier og temperaturer i taket og veggoverflater nær hjørnene. Geometrien i et hjørne kan gi høyere turbulens, og det er også mulig at utveksling av stråling mellom varme overflater gir høyere varmelaster enn bare flammestråling. 1 Definisjon: global støkiometri eller ekvivalensforhold Φ = Luft/brenselstilførselen i rommet dividert med det støkiometriske forholdet mellom luft og brensel. 2 Sot defineres her som uforbrente hydrokarboner, eventuelt også rent karbon.

20 20 I småskalaforsøkene (135m 3 ) syntes CO-nivået å være mer konstant når Φ varierte. I forsøk med temperaturer over 1200 C i store volum, var konsentrasjonen av CO også signifikant høyere enn i andre forsøk. Dette indikerer mer omfattende sotoksidering, som resulterte i mer CO. I forsøkene med væskedamsbranner av kondensat nådde forbrenningshastigheten en tilstand som er begrenset av ventilasjonen, slik at Φ alltid var større enn ~0,8. Avsluttende forbrenningshastighet for ventilasjonskontrollerte branner var lavere enn forventet når en sammenligner med forbrenningshastigheten til en fri væskedamsbrann med samme størrelse. I ventilasjonskontrollerte branner kan antennelse av sot utenfor åpningene gi mye ytre stråling. De generelle trender som ble observert i disse forsøkene er forventet å gjelde for uisolerte rom. Men overflaten og gasstemperaturene vil bli lavere for uisolerte rom med tilsvarende størrelse, noe som vil påvirke kjemien og sotproduksjonen i områder i nærheten av disse overflatene. Når rom er store, er påvirkningen av termiske forhold i vegger og tak (f.eks. isolasjon) på brannutviklingen redusert. Ved forsøksforholdene med ventilasjonsåpning i en vegg, forskjøv området med maksimum forbrenningsintensitet seg fra jeten eller væskedammen mot åpningen, når Φ avtok. Resultatene viser at det ikke var noen forskjell i forbrenningshastigheten i væskedamsbrannen på grunt vann og en væskedamsbrann på stålunderlag. Stråling fra eksterne flammer syntes å være skjermet av sot i alle kondensatbrannene. I propanbrannen (jetbranntest) var strålingen fra eksterne flammer til omgivelsene 10 ganger høyere enn kondensatbrannene på grunn av mindre sotskjerming. Termiske laster på tanker, rør, modulvegger og moduldekk fra jet- og væskedamsbranner: De generelle funnene i forsøkene er at varmeflukstettheten på et objekt (total innkommende fluks, både stråling og konveksjon) var opp til 200 kw/m 2. For spesielle forhold ble det observert betydelig høyere varmelaster (i størrelsesorden kw/m 2 ). Disse varmelastene oppstod samtidig med høye temperaturer i hele rommet. Ved stasjonær tilstand var varmelastene som traff omliggende vegger, tak og objekter sammenlignbare i størrelse med de som ble funnet for jetbranner som treffer objekt eller væskedamsbranner i det fri, men varmelasten kan være høyere under spesielle forhold. Fenomener som forklarer hvorfor branner blir mer alvorlige enn tidligere antatt Forskningsprosjektene har klarlagt to fenomener som forklarer hvorfor branner oppnår vesentlig høyere temperaturer, og blir mer alvorlige enn tidligere antatt: 4. Strålingsfanging: I reaksjonssonen (flammene) i en brann foregår det samtidig en rekke kjemiske prosesser, noen som avgir varme, og noen som trenger varme for å komme i gang. Produktene fra disse prosessene kan være i gass, væske eller i fast form. Disse stoffene avgir og mottar strålevarme fra sine umiddelbare og mer fjerne omgivelser. I gasser går strålevarmen mer uhindret enn i væske, og spesielt i fast form. Partikler av sot (karbon) og væskedråper har en høy tetthet av molekyler, og utgjør en hoveddel av det som avgir og mottar stråling i flammesonen.