Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 1 TENNKILDER Hvordan unngå antennelse? Temakveld Norsk Forening for Stålkonstruksjoner Ingeniørenes Hus, Oslo 20. september 2011. GEIR H. PEDERSEN, GexCon A/S
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Når kan vi få en gasseksplosjon? Brennbar gass, damp eller oljetåke Oksygen/luft Tennkilde
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 3 Generelle ATEX krav filosofi Dersom mulig forhindre dannelse av eksplosjonsfarlig atmosfærer Forhindre antennelse ved å fjerne tennkilder (mekaniske/elektriske) Dersom en eksplosjon allikevel oppstå, stoppe denne og/eller begrense effektene av denne til et sikkert nivå
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 4 Bruk av ex-sikkert utstyr Bruk av ex-sikkert utstyr skal være garantisten mot at antennelse skjer. Praksis viser at dette ikke alltid er tilfelle. Bruk av ex-sikkert utstyr har en betydelig risikoreduserende effekt ved å hindre at tennkilder oppstår eller at tennkilder kommer i kontakt med eksplosjonsfarlige atmosfærer.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 5 Statistikk Table 8 Events by release type and area classification for all release sizes Area Classification Fluid type Total releases No. ignited % Approximate probability Zone 1 Zone 2 Unclassified Oil 128 0 - - Gas 355 9 2,5 1 in 39 2-phase 60 0 - - Condensate 48 2 4,2 1 in 24 Non-process 36 9 25 1 in 4 Zone 1 total 627 20 3,2 1 in 31 Oil 385 11 2,9 1 in 35 Gas 1130 35 3,1 1 in 32 2-phase 160 0 - - Condensate 157 8 5,1 1 in 20 Non-process 223 69 30,9 1 in 3 Zone 2 total 2055 123 6 1 in 17 Oil 13 0 - - Gas 41 2 4,9 1 in 21 2-phase 6 0 - - Condensate 1 1 100 1 Non-process 71 18 25,3 1 in 4 Unclassified total 132 21 15,9 1 in 6 Total 2814 164 5,8 1 in 17 Data fra HSL Offshore ignition probability arguments, Report Number HSL/2005/50
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 6 Statistics Table 10 Ignition probabilities by fluid released and release size Fluid type Release size Number of releases Number ignited % ignited Approximate probability Oil Major 7 0 - - Significant 212 4 1.9 1 in 53 Minor 307 7 2.3 1 in 44 Oil total 526 11 2.1 1 in 48 Gas Major 114 0 - - Significant 932 18 1.9 1 in 52 Minor 480 28 5.8 1 in 17 Gas total 1526 46 3.0 1 in 33 Data from HSL Offshore ignition probability arguments, Report Number HSL/2005/50 Condensate Condensate total 2-Phase 2-phase total Nonprocess Nonprocess total Major 1 0 - - Significant 57 2 3.5 1 in 29 Minor 148 10 6.8 1 in 15 206 12 5.8 1 in 17 Major 31 0 - - Significant 157 0 - - Minor 38 0 - - 226 0 - - Major 7 0 - - Significant 118 19 16.0 1 in 6 Minor 205 77 37.6 1 in 3 330 96 29.1 1 in 3
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 7 Unngå antennelse For å unngå antennelse må man: Identifisere potensielle tennkilder Vurdere om tennkildene er i stand til å antenne den eksplosive atmosfære Fjerne tennkilden
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 8 Hva er antennelse? Antennelse er en prosess hvor en tilstrekkelig energimengde blir overført fra tennkilden til den omkringliggende eksplosive atmosfære slik at flammeforplantning oppstår.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 9 Ex-sikkert utstyr Alt utstyr til bruk i eksplosjonsfarlige atmosfærer skal dokumenteres å ikke være en tennkilde. Ignition hazard analysis som skal være en del av teknisk fil. Samme hovedkrav uavhengig av om utstyret skal benyttes i sone 2, sone 1 eller sone 0, - skal ikke føre til tenning. Fore sone 1 og sone 0; Krav om barrierer for å hindre at tennkilder oppstår.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 10 Tennkilder, ref EN 1127-1 Varme overflater Flammer og varme gasser, inkl varme partikler Mekanisk genererte gnister Elektrisk utstyr Jordstrømmer, katodisk korrosjonsbeskyttelse Statisk elektrisitet Lynnedslag Radiofrekvenser og elektromagnetiske bølger Elektromagnetiske bølger Ioniseringsstråling Ultralyd Adiabatisk kompresjon og sjokkbølger Eksotermiske reaksjoner inkludertt selvantennelse av støv
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 11 Varme overflater En stor og relativt varm overflate mer tenndyktig enn en liten og relativt kald overflate. Tennevne ikke avhengig av Energi En liten metallgnist med lite energiinnhold kan være mer tenndyktig enn stor varmeovn med høyt energiinnhold.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 12 Hvor finner vi varme overflater? Elektrisk utstyr (f. eks. varmelementer, lysarmaturer) Roterende mekanisk utstyr (f.eks. vifter, kulelagre) Motorer Tørker Damprør Varmt arbeid (sveising, brenning, lodding, kapping, krymping) Fysiske kollisjoner (f. eks. mekanisk utstyr, fallende gjenstander)
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 13 Tenntemperaturer, standard test Tenntemperatur for n-alkaner synker med antall C-atomer i molekylet Standard verdier: Hydrogen 560 C Aceton: 535 C Acetylen: 305 C Etanol: 363 C Metan: 540 C Propan: 493 C Butan: 370 C
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 14 Varme overflater Laveste tenntemperatur for en gass er ikke en stoffkonstant, men avhengig av situasjon/omgivelser: Konsentrasjonsavhengig Gassens volum Induksjonstiden for antennelse Bevegelsestilstand til gassblandingen Geometri til den varme flaten Materialet til den varme flaten
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 15 Tenn-temperatur Volumavhengig o C cm 3
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 16 Tenntemperatur Arealavhengig (Nb: 6% metan MIE Metan: 540 C). o C mm 3
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 17 Tenntemperatur Strømningsavhengig
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 18 Temperaturklasser T1 450 ⁰C T2 300 ⁰C T3 200 ⁰C T4 135 ⁰C T5 100 ⁰C T6 85 ⁰C Ved omgivelsestemperatur mellom -20 ⁰C og + 40 ⁰C
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 19 Krav til maksimal tillatte overflatetemperatur (EN 1127) Avhenger av SONE / UTSTYRSKATEGORI Sone 0, Kat 1 Max 80% av MIT selv ved sjeldne feil med utstyret Sone 1, Kat2 Max 100% av MIT under normal drift og ved forventete feil. Dersom HC kan forventes å bli varmet opp av omgivelser, gjelder kravet om 80%. Sone 2, Kat 3 Max 100% av MIT under normal drift I spesielle tilfeller kan krav overskrides dersom det kan bevises at tenning ikke er sannsynlig.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 20 Tenntemperatur i praksis API Recommended practice 2216. Ignition Risk of Hydrocarbon Liquids and Vapors by Hot Surfaces in the Open Air. Konklusjon: The identification of the heated surface as the cause of ignition can often lead to an incorrect analysis of the real source of ignition. In general, ignition of hydrocarbons by a hot surface should not be assumed unless the surface temperature is approximately 360ºF (182 ºC) above the accepted minimum ignition temperature of the hydrocarbon involved.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 21 Arbeidstillatelser og varmt arbeid Tidligere offshore-praksis: Varmt arbeid Klasse A og B og KALDT arbeid (ikke i tråd med ATEX-begrepene) Definisjon Klasse A : Utstyr som utgjør en effektiv tennkilde og som ved normal bruk kan antenne en eksplosiv atmosfære og/eller faste stoffer eller væsker. Det vil si at det avgir gnister, åpen flamme, lysbuer og /eller har en overflate temperatur som er høyere enn tenntemperaturen for hydrokarbon, gasser 400 ºC og væsker 200 ºC).
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 22 Arbeidstillatelser og varmt arbeid. Definisjon Klasse B : Utstyr som utgjør en potensiell tennkilde og som ved feil kan utgjøre en effektiv tennkilde og antenne en eksplosiv atmosfære. Det vil si som ved normal bruk ikke har en overflate temperatur som er høyere enn tenntemperaturen for hydrokarbon, gasser 400 ºC og væsker 200 ºC), eller som ikke avgir gnister, åpen flamme, lysbuer eller på annen måte frigir tilstrekkelig energi til å antenne. Definisjon Kaldt arbeid : Utstyr som defineres som Kategori 2-utstyr (til bruk i sone1 iht ATEX) anses ikke som tennkilde og kan benyttes uten restriksjoner i klassifisert område.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 23 Praksis i ulike selskaper Ulike selskaper
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 24 Flammer og varme gasser, inkl varme partikler Varme partikler er å betrakte som en (liten) varm overflate... eller Mekanisk generert gnist Varme partikler (sot) er vanlig sammen med flammer og varme forbrenningsgasser. Temperatur på gass og partikler kan være betydelig varmere enn 1000ºC.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 25 Hvordan unngå antennelse? Alle soner / Utstyrskategorier Åpne flammer er generelt IKKE tillatt Visse unntak finnes (ref standard)
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Mekanisk genererte gnister Oppstår for eksempel når to objekter kolliderer ved slag eller friksjon To potensielle tennkilder oppstår: mekaniske gnister (friksjonsgnister) varme overflater (behandlet tidligere)
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 27 Eksempler på hvor mekaniske gnister kan oppstå Eksempler: Roterende utstyr Varmt arbeid Kollisjoner
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 28 Faktorer som påvirker dannelse av mekaniske gnister Materialegenskaper -objekt -underlag Hastighet Kollisjonskraft Kollisjonsvinkel Kollisjonsvarighet Single vs. multiple impact
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 29 Mekaniske gnister Temperatur og energiutvikling
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 30 Faktorer som påvirker tenndyktighet til mekaniske gnister materialegenskaper og overflatestruktur til kolliderende objekter antall partikler, størrelse og form partikkeltemperatur (sluttemperatur) partikkelhastighet
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Spesialtilfelle: Termittreaksjoner Lettmetaller + rust lettmetalloksyd + jern + energi Eksempel 2Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2Fe + energi
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 32 Tennsannsynlighet Lettmetaller (Al, Mg, Ti) sammen med rust alltid tennfare Gass/luft blandinger med tennenergi < 0,1 mj (H 2, C 2 H 2 ) Fe gnister tenndyktig Gass/luft blandinger med tennenergi 0,1 0,2 mj (metan, propan, naturgass) Gnist-fritt verktøy kan brukes
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 33 Frisksjonsgenererte tennkilder
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 34 Eksempel på roterende verktøy Industriell anvendelse Safety Tools Allmet
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 35 Friksjonsgenerert varm overflate Hawksworth et al
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 36 Hvordan unngå mekanisk genererte gnister? Ulike krav avhengig av Sone/Utstyrskategori Eksempler: Unngå utstyr som kan gi gnister (roterende utstyr) Begrensninger knyttet til materialer (Al, Mg, Ti, Zr) Dersom gnister kan oppstå, utstyr ikke tillatt sammen med eksplosive atmosfærer med lav tennenergi (Hydrogen, acetylen, etylenoksid)
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 37 Elektrisk utstyr Potensielle tennkilder Elektriske gnister Varme overflater Unngås ved at utstyret skal være utformet, konstruert, installert og vedlikeholdt i henhold til relevante Europeiske Standarder, egen presentasjon.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 38 Statisk elektrisitet Begreper Elektriske gnister Fra ledende materialer Kan ha meget høyt energiinnhold Elektrostatiske utladninger Fra ikke-ledende materialer Vanligvis relativt lavt energiinnhold (unntatt propagerende børsteutladning) Elektrostatiske gnister Fra ledende materialer Kan ha høyere energiinnhold
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 39 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 (ATEX brukerdirektiv) og tennkildevurdering (ATEX produktdirektiv)!!!
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 40 Laveste tennenergi (MIE) Brennstoff MIE [mj] Kons. Karbondisulfid 0,009 7,8 Hydrogen 0,016 22 Acetylen 0,019 7,7 Metanol 0,14 14,7 Propan 0,25 5,2 Metan 0,28 8,5 Aceton 0,55 6,5
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 41 Tennsannsynlighet avhengig av laveste tennenergi
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 42 Laveste tennenergi (gass/luft) Tennenergien øker ved økende strømningshastighet og turbulens Eks: 15 m/s strømningshastighet øker tennenergien med en faktor på 5 3,5 m/s turbulensintensitet øker tennenergien med en faktor på 10
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 43 Hvordan oppstår elektrostatiske utladninger? Ladning må: Genereres Akkumuleres Utlades Væsker stor ladningsgenerering Gasser liten ladningsgenerering
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 44 Eksempler på prosesser hvor ladning genereres
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 45 Akkumulering av ladning Akkumulering av ladning skjer når ladningsgenerering er større en ladningsfjerning. Motstand til jord er større enn 10 5 10 8 ohm. Akkumulering av ladning kan skje både på ledende og ikke-ledende materialer. Personell, isolatorer, væsker, prosessutstyr.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 46 Eksempler på steder hvor ladning akkumuleres
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 47 Ulike elektrostatiske utladninger Vanlige elektrostatiske gnister Korona utladning Børste-utladning Konisk utladning, (knyttet til pulver) Propagerende børste-utladning
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 48 Elektrostatisk gnist Utladning skjer mellom to elektriske ledere All tilgjengelig energi utlades Gnister med høyt energi-innhold Energi kan beregnes ut fra kapasitet og spenning, i praksis max 1 Joule (E = ½ CV 2 ).
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Elektrostatisk gnist, eksempel
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Teoretisk gnistenergi E = ½ CV 2, hvor C = kapasitans og V = spenning Object Capacitance 1/2 CV2 (mj) at various voltages 10 kv 20 kv 30 kv Single screw 1 0.05 0.2 0.45 Flange (100 mm nominal size) 10 0.5 2 4.5 Shovel 20 1 4 9 Small container (bucket, 50 litres 10-100 0.5-5 2-20 4.5-45 drum) Funnel 10-100 0.5-5 2-20 4.5-45 Drum (~200 litres) 100-300 5-15 20-60 45-135 Person 100-300 5-15 20-60 45-135 Major plant items (large containers, 100-1000 5-50 20-200 45-450 reaction vessels) Road tanker 1000 50 200 450
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Korona utladning Oppstår når spisse ledende materialer kommer i nærheten av oppladete ikke-ledende materialer Lavt energi-innhold Kan føre til tenning av svært lettantennelige gasser som acetylen og hydrogen
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Børste utladning Oppstår gjerne når kuleformete ledende materialer kommer i nærheten av oppladete ikkeledende materialer Kun liten andel av tilgjengelig energi blir utladet Energi-innhold < 4 mj Kan antenne de fleste hydrokarboner og damper
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 53 Børsteutladning, eksempel Væske med lav ledningsevne
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 Propagerende børste-utladning Kan oppstå gjennom ikke-ledende belegg på innsiden av en ledende tank eller rør Belegget må ha svært liten ledningsevne og høy di-elektrisk evne for at propagerende børsteutladning skal skje (gjennomslagspenning > 4kV) Høy strømningshastighet Energi < 1 J (i praksis)
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 55 Elektrostatiske utladninger, oppsummering Type of discharge Incendivity Hydrogen, Acetylene, etc. MIE < 0.025 mj Solvents, hydrocarbon gases MIE > 0.025 mj Dusts, MIE > 1 mj Electrostatic spark + + + Brush discharge + + - Propagating brush + + + discharge Corona discharge + - - Cone discharge + + +
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 56 Hvordan unngå elektrostatiske tennkilder? Begrens ladningsgenerering: Lavere strømningshastighet Tilstrekkelig oppholdstid nedstrøms pumper og filtre Unngå ublandbar fase i væsken (røre opp bunnvann i oljetanker) Unngå sprutfylling ved å benytte bunninnløp Reduser blandehastighet
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 57 Adiabatisk kompresjon I forbindelse med (nær) adiabatisk kompresjon og sjokkbølger, vil svært høye temperaturer oppstå. Temperatur er avhengig av forholdet mellom trykkene og ikke trykkdifferansen. Eksplosive atmosfærer vil kunne antennes. I forbindelse med trykkluftanlegg vil eksplosive atmosfærer av smøreolje kunne antennes.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 58 Hvordan unngå adiabatisk kompresjon? Å åpne ventiler langsomt. Unngå skarpe overganger fra stor til liten diameter. Unngå reflekterte trykkbølger i rørsystemer.
Temakveld Eksplosjonssikkerhet NFS, Oslo 20. september 2011 59