KORTFATTET INNFØRING OM GASSEKSPLOSJONER

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 1 KORTFATTET INNFØRING OM GASSEKSPLOSJONER Temakveld Norsk Forening for Stålkonstruksjoner Ingeniørenes Hus, Oslo 20. september 2011. GEIR H. PEDERSEN, GexCon A/S

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 2 Hva er en eksplosjon? Plutselig utvikling av kjemisk energi fra GASSER, VÆSKER, støv og eksplosiver. Vanligvis en forbrenning, f.eks forbrenning av en blanding av naturgass og luft.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 3 Eksplosjon i forsøksmodul, metan

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 4 Eksplosjon i forsøksmodul, propan

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 5 Når kan vi få en eksplosjon? Brennstoff ( fuel ), (brennbar gass eller væske). Brennstoffet må være blandet med oksygen ( luft ) innenfor visse konsentrasjoner. Tennkilde.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 6 Brann vs eksplosjon En eksplosjon er en forbrenning. Hva er forskjell på BRANN og EKSPLOSJON?

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 7 Brann ( diffusjonsforbrenning ) Ved BRANN ( diffusjonsforbrenning ) skjer forbrenningen i en liten sone i nærheten av det stedet hvor brennstoffet ( fuel ) bringes i kontakt med oksygen ( luft ). Reaktantene bringes i kontakt med hverandre ved diffusjon. Forbrenningen foregår kontrollert. Man kan ofte kontrollere forbrenningen ved å variere tilførselen av brennstoff. Eksempel: stearinlys og oljelampe

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 8 Brann i forblandet gass/luft I en tradisjonell brenner blandes brenngass og luft før den antennes i flammesonen. Eksempler: Bunsenbrenner, propanbrenner og acetylen skjærebrenner samt andre gassbrennere. God kontroll med forbrenningen fordi tilførsel av brennstoff og luft kan styres.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 9 Gasseksplosjon Dersom man forblander brennbar gass og luft og ikke antenner denne, får man en eksplosiv atmosfære. Dersom denne bringes i kontakt med en tennkilde, får vi en EKSPLOSJON. Konsekvens??? Ofte svært dramatisk Avhenger av mange faktorer Med god kunnskap kan en forutsi eksplosjonsforløpet

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 10 Typisk hendelsesforløp

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 11 Hva er akseptabelt mht eksplosjon?

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 12 Faktorer som påvirker eksplosivitet og antennelighet Gasskonsentrasjon Sammensetning til brenngassen (ofte ren gass) Atmosfærens sammensetning, trykk og temperatur Initielt turbulensnivå Eksplosjonsgenerert turbulens Omgivelsene Grad av innelukkethet og forstyrrende gjenstander Tenningsposisjon Tenningstidspunkt

% Fuel % Fuel Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 13 Gasslekkasje Rich Flam mable Lean T ime

Volume (m^3) Volume (m^3) Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 14 Gasskonsentrasjonsutvikling Test number 17 Etter 50 sek 2500 2000 Flammable Volume Q5 Volume 1500 1000 500 0 0 50 100 150 200 250 Test number 17 300 350 400 450 Time (s) Stasjonær sky 120 100 80 Q6 Volume 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450-20 Time (s)

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 15 Brenngassens sammensetning De fleste brenngasser er rene, - de aller fleste egenskaper kan finnes i litteraturen. Kunnskaper om blandingsgasser som for eksempel NATURGASS, er mer begrenset. Høyt innhold av tunge komponenter gjør gassen mer eksplosiv og lettere å antenne, dvs høyere RISIKO.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 16 Atmosfærens sammensetning Atmosfæren er vanligvis luft ved atmosfæretrykk og normal temperatur. Innhold av oksygen svært avgjørende, - det er dette som i praksis begrenser maksimaltrykk og forbrenningshastighet. Høyere oksygeninnhold høyere RISIKO Høyere temperatur???

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 17 Turbulens Avgjørende for eksplosjonsutvikling. Høy initiell turbulens gjør det vanskelig å antenne. Høy turbulens (initiell og eksplosjonsgenerert) fører til kraftigere eksplosjoner. TURBULENS HELT AVGJØRENDE FOR EKSPLOSJONSFORLØP!!!

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 18 Gasseksplosjon - forenklet Flame Vent opening Fuel-air Burnt gas

Velocity (m/s) Maximum Pressure [barg] Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 19 Flammeakselerasjon og trykk 300 10 200 Flame speed Mean flow velocity 1 Planar Spherical 100.1 0.01 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10 100 1000 Distance (m) Maximum Flame Speed [m/s] Front elevation of test vessel

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 20 Eksplosjonsgenerert turbulens Eksperimentelt eksempel, 9,5% metan i luft 50 m3 rør (10 m langt og d = 2,5 m) Turbulens generert ved ringer inne i røret Ingen ringer 0,15 bar 1 ring 0,6 bar 3 ringer 3,5 bar 6 ringer 8,0 bar

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 21 Utstyrstetthet ( congenstion ) Mange, små obstruksjoner Få, store obstruksjoner

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 22 Innelukkethet ( confinement ) Delvis lukket geometri, p max > 3 bar. Åpen geometri, p max < 30 mbar

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 23 Detonasjon Ekstrem høy turbulensgenerering kan føre til DETONASJON. Detonasjon er et øvre grensetilfelle for flammeforplantning. Forbrenningssonen følger umiddelbart etter en kraftig sjokkfront som beveger seg innover i det uforbrente med supersonisk hastighet. Mekanismen er kompresjon (ikke diffusjon)

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 24 Detonasjon Brennstoff Detonasjonshastighet Overtrykk* Metan 1800 m/s 16,1 bar Etan 1800 m/s 17,0 bar Propan 1800 m/s 17,3 bar Butan 1800 m/s 17,4 bar Hydrogen 1870 m/s 14,6 bar * Chapman-Jouguet trykk

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 25 Maksimalt eksplosjonstrykk Stor forskjell på maksimaltrykk i lukket og delvis åpen beholder. Lukket beholder: Forbrenningsvarmen fører til ekspansjon av gasser Delvis åpen beholder: Avhengig av hvor fort det brenner og hvor stor lekkasjen er.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 26 Maksimaltrykk Lukket beholder: Metan Propan Heksan Heptan Hydrogen 7,2 bar 8,6 bar 8,7 bar 8,6 bar 7,4 bar Delvis lukket beholder, 0,15 8,0 bar ( eksempel ).

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 27 Støkiometrisk blanding I en støkiometrisk blanding har en så mye brennstoff at en forbruker alt oksygenet (i luften). Blandinger nær støkiometrisk blanding gir de kraftigste eksplosjonene og er lettest å antenne. Metan 9,51 % Propan 4,0 % Acetylen 7,75 % Hydrogen 29,6 %

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 28 Eksplosjonsgrenser Brennstoffkonsentrasjonen må være innenfor visse grenseverdier. LEL = Lower explosion limit UEL = Upper Explosion Limit Disse verdiene er kjent for de fleste hydrokarboner ved atmosfæriske betingelser. Begrenset informasjon om innflytelse av initialtrykk og temperatur.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 29 Eksplosjonsgrenser GASSER LFL UFL Fuel concentration within UFL and LFL Methane Propane Ethylene Hydrogen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 vol % fuel in fuel-air 100 5 15 % 2,1 9,5% 2,7 36% 4 75%

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 30 Eksplosjonsgrenser VÆSKER Aceton 2,6 13 % Etanol 3,3 19 % (temp. = 13 42 ⁰C) Cycloheksan 1,3 7,8 % Heptan 1,1 6,7 % Heksan 1,2 7,4 %

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 31 Flammepunkt Flammepunktet for en væske er den TEMPERATUR hvor (damp)konsentrasjonen er lik laveste eksplosive konsentrasjon (= LEL).

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 32 Flammepunkt for væsker Metan -188 ⁰C, (k.p. 161,6 ⁰C), (f.p. 182,5⁰C) Propan -104 ⁰C, (k.p. 42,1 ⁰C) Aceton -19 ⁰C, (k.p. +56,1 ⁰C) Etanol +12 ⁰C, (k.p. +78,3 ⁰C) White spirit ca 40 ⁰C Tynner #7 og 17 ca 25 30 ⁰C Bensin ca 45 ⁰C Diesel > 55 ⁰C

Damptrykk [bar] Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 33 Etanol 1 0.8 Damptrykk Etanol 0.6 0.4 0.2 0-40 -20 0 20 40 60 80 Temperatur, 0 C.

Damptrykk [bar] Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 34 Aceton 1 0.8 Damptrykk Aceton 0.6 0.4 0.2 0-60 -40-20 0 20 40 60 Temperatur, 0 C.

Flammepunkt [ o C] Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 35 Flammepunkt 60 50 Flammepunkt som funksjon av etanolinnhold Etanol, innflytelse av blandingsforhold (vannetanol) 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 % innhold av ETANOL

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 36 Laveste tenntemperatur Den laveste temperatur hvor en blanding av brennstoff og luft selvantenner. Hydrogen Metan Propan Aceton Etanol White spirit Tynner #7 og 17 Bensin Diesel 580 ⁰C 537 ⁰C 493 ⁰C 535 ⁰C 363 ⁰C ca 240 ⁰C ca 525 og 287 ⁰C ca 250 ⁰C ca 220 ⁰C Hovedregel; Desto tyngre hydrokarbon, desto lavere selvantennelsestemperatur.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 37 Laminær forbrenningshastighet, Su Basal forbrenningsegenskap. Ved laminær forbrenning skjer all overføring av masse og varme (energi) ved molekylær diffusjon. Alkaner, Su = 0,42 0,47 m/s Hydrogen, Su = 3,25 m/s Den observerte flammefrontshastighet er betydelig høyere på grunn av gassenes ekspansjon, - typiske verdier ca 4 m/s.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 38 MESG MESG = Maximum Experimental Safe Gap Eksperimentelt målt størrelse som beskriver en flammes evne til å trenge gjennom en åpning. Viktig parameter når det gjelder tetningsgrad for elektriske innkapslinger. Metan Propan Hydrogen 1,14 mm 0,92 mm 0,28 mm

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 Tennkilder (egen presentasjon) EN-1127-1 beskriver 13 mulige typer tennkilder Varme overflater Flammer og varme gasser Mekanisk genererte gnister Elektrisk utstyr Jordstrømmer Statisk elektrisitet Lynnedslag Radiobølger Elektromagnetiske bølger Ioniserings stråling Ultralyd Adiabatisk kompresjon Eksotermi og selvantennelse

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 40 Laveste tennenergi (MIE) Begrep som benyttes for kvantifisere hvor kraftig en tennkilde må være for å antenne en eksplosiv blanding. Gassblandinger vanligvis svært lette å antenne. Hydrokarboner: MIE = 0,1 0,3 mj Viktig underlag for risikoanalyse!!!

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 41 Sikkerhetstiltak RISIKO er produktet av SANNSYNLIGHET og KONSEKVENS For å holde eksplosjonsrisikoen på et lavt og akseptabelt nivå, må vi ha sikkerhetstiltak. Vi må redusere SANNSYNLIGHET og KONSEKVENS Hvordan gjør vi dette i praksis???

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 42 ATEX filosofi I prioritert rekkefølge: Hindre at eksplosiv atmosfære oppstår Forhindre antennelse ved å fjerne tennkilder Dersom en eksplosjon allikevel oppstår, søke å stoppe denne og/eller begrense effektene av denne til et akseptabelt nivå

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 43 Sannsynlighetsreduserende tiltak Unngå at eksplosive atmosfærer oppstår. Oppnås ved å hindre lekkasjer. Stikkord: Gassdeteksjon, ventilasjon, stenging av ventiler, avlasting av overtrykk i anlegg. Unngå at tennkilder oppstår. Oppnås ved å forby visse typer utstyr og fenomener. Stille strenge krav til at utstyr ikke skal kunne føre til tenning (ref: Ex-sikkert utstyr)

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 44 Konsekvensreduserende tiltak I praksis når det gjelder GASSeksplosjoner DESIGN Hva kan en oppnå ved riktig design?

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 45 Design Ved riktig DESIGN kan en hindre at det maksimale eksplosjonstrykket overstiger anleggets (plattformens) designtrykk. En kan designe anlegget slik at en bygger det sterkt nok.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 46 Hvordan forutsi eksplosjonstrykkutvikling? Gjennomføre eksplosjonssimuleringer basert på realistiske scenarier. Hva er realistisk scenario? Vanskelig å forutsi. Omfattende probabilistiske studier nødvendig.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 47 FLACS FLACS = FLame ACceleration Simulator Datamaskinbasert verktøy for beregning av gassspredning og eksplosjonstrykkutvikling under realistiske betingelser.

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 48 FLACS-simulering

Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 19. september 2011 49