Petroleumstilsynets brannseminar 2009 Status for simuleringsmodeller -muligheter og begrensninger Dr. Geir Berge Petrell as Petroleumstilsynet Ullandhaug, Stavanger 22. april, 2009
Innhold Hvorfor gjøre simuleringer? Områder hvor simulering er vanlig i dag Multifysiske simuleringer Brann mot prosessutstyr Materialegenskaper Begrensninger og muligheter
Lite ønskelig Uakseptabelt Hvorfor gjøre simuleringer? Kost Ingeniørens utfordring -den optimale løsning Ønske Ikke bra Risk
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
Pressure [kpa] Temperature [ C] Hvorfor gjøre simuleringer? Eksempel på sammensatt problem. Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell 3 000 1400 2 500 1200 2 000 1 500 1 000 1000 800 600 400 500 200 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Time [min] Pressure in vessel Max. average steel temperature
Kost Hvorfor gjøre simuleringer? Vi lære mye om og forstår bedre oppgaven gjennom bruk av simuleringer. Eureka! Ønske Risk
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,------
Områder hvor simulering er vanlig i dag Spredning av gass i vindstille
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.
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.
Multifysiske simuleringer Brann mot rør med intern strømning
Multifysiske simuleringer Pølbrann rundt tank
Multifysiske simuleringer Termiske deformasjoner
Brann mot prosessutstyr Brann mot prosessutstyr Brann mot prosessutstyr er et tema som har blitt viet mye oppmerksomhet siden 1998. Arbeidet har over mange år vært støttet av Petroleumstilsynet og StatoilHydro Gamle standarder har åpnet opp for nye ideer basert på ny kunnskap. ISO 23251 (API 521 5th edit.) Temaet vies stadig mer oppmerksomhet verden over. Flere internasjonale oljeselskaper vurderer endringer i sin praksis.
Brann mot prosessutstyr Prinsippskisse av fakkelsystem Segment Segment Segment Segment
Brann mot prosessutstyr Eksempel på segmenter
Varmebelastning i jet-flammer
Absorbed effect [kw] Heat flux to wetted area [kw/m2] Brann mot prosessutstyr ISO 23251 (API 521 5th edit.) API 521: q q Q 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 43.2FA 70.9FA 0 0 10 20 30 40 43.2FA 0.18 0.18 0.82 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 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
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
Brann mot prosessutstyr Nye prinsipper for eksponering
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 2 250 * kw/m 2 150 * kw/m 2 100 * kw/m 2 0 * kw/m 2 100 * kw/m 2
Pressure [kpa] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell 3 000 1400 2 500 2 000 1 500 1 000 API 521 Requirements 1200 1000 800 600 400 500 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 Time [min] Pressure in vessel Max. average steel temperature
Pressure [kpa] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Internal Pressure and Average Temperature of Vessel Shell 3 000 1400 2 500 1200 2 000 1 500 1 000 API 521 Requirements 1000 800 600 400 500 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Pressure in vessel Time [min] Max. average steel temperature 0
Stress [N/mm2] Temperature [ C] Brann mot prosessutstyr Time History of Yield Stress, Applied Stress and Average Temperature of Vessel Shell 100 1400 90 80 1200 70 1000 60 800 50 40 600 30 400 20 10 200 0 0 0,0 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
Mass liquid [kg] Mass gas [kg] Brann mot prosessutstyr Massebalanse over perioden Time History of Mass in the Vessel 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Time [min] Mass oil Sum Mass Mass water Mass gas Mass steam
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.
Termiske egenskaper Prinsippet til testmetodikken T 0 (t) T 1 (t) pfp Q inn Steel plate
Termiske egenskaper Prøvestand
Termiske egenskaper Testapparatur sett ovenfra Eksponert objekt Eksponerende folie
Temperature [ C] Termiske egenskaper Test av stål basert på standard verdier 1200 1000 800 600 400 Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time [s] Målt temperatur stålplate Simulert temperatur folie Simulert temperatur stålplate Målt folietemperatur
Temperature [ C] Termiske egenskaper 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Test av Firemaster 270109: 900 C, Firemaster 1 cm 1 cm Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn 0 240 480 720 960 1200 1440 1680 1920 2160 2400 2640 2880 3120 Time [s] Simulert ståltemperatur Målt folietemperatur 1 Målt folietemperatur 2 Simulert folietemperatur Målt ståltemperatur
Temperature [ C] Termiske egenskaper Test av svellende materiale 060309: ProTek A3 900 C 1000 900 800 700 600 500 Fra masteroppgave til Anne Beth Krohn 400 300 200 100 0 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Time [s] Målt ståltemperatur Målt folietemperatur 1 Målt folietemperatur 2l Simulert ståltemperatur Simulert folietemperatur
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
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.
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.
Takk for oppmerksomheten. Mange av arbeidene som er presentert er utført i samarbeid mellom: SINTEF NBL AS Sponset av: