Eksplosioner i bygninger by Steffen Alstrup Haagensen

EKSPLOSIONER I BYGNINGER

FUNKTIONSBASERET EKSPLOSIONSSIKRING

Hvilken metode skal vælges til beregninger af overtryk og eventuelle aflastningsarealer? Er de præskriptive bestemmelser i eksempelvis tekniske forskrifter nok, skal simple modeller anvendes, eller er byggeriet af en karakter, der nødvendiggør avancerede modeller.

s084319 DTU BYG Steffen Alstrup Haagensen

S AMME N F AT N I N G Nærværende rapport beskriver teori og forudsætninger for at forbrænding af gas sker med så voldsom kræft, at forbrændingen betegnes en eksplosion. Rapporten indledes i første del med teorien for forbrænding og eksplosioner, hvor de grundlæggende forudsætninger gennemgås. Strategien og lovgivning for håndtering af eksplosioner i bygninger gennemgås med sammenligninger af acceptkriterier for mennesker og bygninger. I andel del demonstreres simple modeller og metoder til fastsættelse og beregning af maksimalt overtryk og behov for aflastningsarealer og eksplosionssikkerhed i rapportens case eftervises ved simpel modellering. I tredje del præsenteres avanceret modellering med CFD, og softwaren FLACS introduceres. Ved brug af rapportens case opstilles og analyseres væsentlige parametre der har indflydelse på eksplosionens styrke. Rapporten præsenterer og analyserer ved illustrerede resultater effekten af gasskyens størrelse og placering, placering af antændelseskilde, aflastningsgrad og –placering samt effekt af ændret geometrien af bygning og dennes indretning. Der argumenteres for betydningen af designvalg ved dimensionering af bygninger for eksplosioner ved funktionsbaseret design tilgang. Anbefalinger for dimensionering opsættes med forslag til område der bør belyses ved design af bygninger i forhold til eksplosionssikring. Der er fokus på gassens sammensætning og antændelse, bygningens geometri og indretning, herunder aflastning, blastwalls og installationer.

Denne version er tilpasset efter fremlæggelse ved eksamen i april 2011, og censors bemærkninger i indarbejdet i rapporten. Dette giver ikke anledning til ændringer i rapportens konklusioner eller anbefalinger, men tilpasningen er alene uddybende og forklarende.

Titel:

Eksplosioner i bygninger, funktionsbaseret eksplosionssikring

ECTS point:

Varighed:

5 måneder

Start dato:

01.09.2010

Slut date:

18.03.2011

Studerende:

Steffen Alstrup Haagensen

Vejleder:

Luisa Giuliani – LUGI

Studie nr:

s084319

kontor:

Byg.118, Rum 265

Telefon:

+45 61359222

Telefon:

+45 45251812

Mobil:

+45 52749231

E-mail:

lugi@byg.dtu.dk

E-Mail:

sahaagensen@yahoo.com

Nøgleord: Eksplosionshåndtering, lufttryk, aflastningssystem, gasophobning, gaskoncentration, eksplosionssimulering, CFD modellering.

INDHOLD

Indholdsfortegnelse SAMMENFATNING ................................................................................................................................................................ 3 INDHOLD .............................................................................................................................................................................. 5 SUMMARY ............................................................................................................................................................................ 7 1. INDLEDNING ..................................................................................................................................................................... 8 1.1 FORORD ................................................................................................................................................................................. 8 1.2 PROBLEMFORMULERING ............................................................................................................................................................ 8 1.3 BAGGRUND ............................................................................................................................................................................. 9 1.4 HÆNDELSER ............................................................................................................................................................................ 9 2. FORBRÆNDINGS- OG EKSPLOSIONSTEORI ....................................................................................................................... 12 2.1 DEFINITION OG GENEREL TEORI .................................................................................................................................................. 12 2.2 FORBRÆNDINGTEORI ............................................................................................................................................................... 12 2.2.1 Gasser ....................................................................................................................................................................... 13 2.2.2 Væsker ...................................................................................................................................................................... 15 2.2.3 Blandinger ................................................................................................................................................................. 15 2.2.4 Antændelse ............................................................................................................................................................... 15 2.3 EKSPLOSIONSTEORI ................................................................................................................................................................. 17 2.3.1 Eksplosiver ................................................................................................................................................................ 19 2.3.2 IED, Improvised Explosive Device .............................................................................................................................. 19 2.3.3 Gasser ....................................................................................................................................................................... 20 2.3.4 Væsker ...................................................................................................................................................................... 21 2.3.5 Støv ........................................................................................................................................................................... 21 2.3.6 BLEVE ........................................................................................................................................................................ 21 2.3.7 Hændelsesforløb ....................................................................................................................................................... 21 3. STRATEGI FOR HÅNDTERING AF EKSPLOSIONER .............................................................................................................. 23 3.1 LOVGIVNING ......................................................................................................................................................................... 23 3.1.1 Generelt .................................................................................................................................................................... 23 3.2 SKADESBEGRÆNSNING PÅ KONSTRUKTIONER OG MENNESKER ............................................................................................................ 24 3.2.1 Acceptkriterier for mennesker og konstruktioner ..................................................................................................... 25 3.3 FOREBYGGELSE AF EKSPLOSIONER ............................................................................................................................................... 27 3.3.1. Gassky ...................................................................................................................................................................... 27 3.3.2 Tændkilder ................................................................................................................................................................ 27 3.3.3 Ventilering................................................................................................................................................................. 27 3.4 AFLASTNING OG DÆMPNING AF EKSPLOSIONER .............................................................................................................................. 27 3.4.1 Water deluge ............................................................................................................................................................ 28 3.4.2 Inertisering ................................................................................................................................................................ 28 3.4.3 Ventilering................................................................................................................................................................. 28 3.4.4 Aflastning .................................................................................................................................................................. 29 4. SIMPEL MODELLERING AF OVERTRYK VED HÅNDBEREGNING ......................................................................................... 31 4.1 MODELLER ........................................................................................................................................................................... 31 4.1.1 Empiriske modeller.................................................................................................................................................... 31 4.1.2 Fænomenologiske modeller ...................................................................................................................................... 37 4.1.3 Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller ......................................................................................................... 38 4.2 SIMPEL MODELLERING OG DIMENSIONERING ................................................................................................................................. 39 4.2.1 Case beskrivelse. ....................................................................................................................................................... 39 4.2.2 TNT............................................................................................................................................................................ 42 4.2.3 TNO ........................................................................................................................................................................... 42 4.2.5 Baker-Strehlow-Tang metoden ................................................................................................................................. 44 4.3 SAMMENLIGNING AF MODELLER ................................................................................................................................................. 44 5. SIMPEL MODLLERING AF AFLASTNING VED HÅNDBEREGNING ........................................................................................ 47 5.1 AFLASTNING .......................................................................................................................................................................... 47 5.1.1 Rasbashs metode ...................................................................................................................................................... 47 5.1.2 NFPA 68 .................................................................................................................................................................... 47

5.2 SIMPEL MODELLERING OG DIMENSIONERING ................................................................................................................................. 48 5.2.1 Case beregning ......................................................................................................................................................... 48 5.3.3 Rasbash og NFPA metoder ........................................................................................................................................ 48 5.3 SAMMENLIGNING AF MODELLER ................................................................................................................................................. 50 6. AVANCERET MODELLERING AF EKSPLOSIONER MED CFD ................................................................................................ 51 6.1 AVANCERET MODELLERING OG DIMENSIONERING ........................................................................................................................... 51 6.2 FLACS ................................................................................................................................................................................ 51 6.2.1 Beregningsforløb....................................................................................................................................................... 52 6.2.2 Opsætning af software ............................................................................................................................................. 52 6.3 CFD SIMULERING ................................................................................................................................................................... 55 6.3.1 Gasskyens størrelse................................................................................................................................................... 56 6.3.2 Gasskyens placering .................................................................................................................................................. 59 6.3.3 Antændelsessted ....................................................................................................................................................... 62 6.3.4 Aflastningsgrad og -placering ................................................................................................................................... 64 6.3.5 Indretning ................................................................................................................................................................. 70 6.3.6 Geometri ................................................................................................................................................................... 73 7. SAMMENLIGNING OG KONKLUSION ............................................................................................................................... 76 7.1 MODELLER ........................................................................................................................................................................... 76 7.2 METODER............................................................................................................................................................................. 76 7.3 ANBEFALINGER ...................................................................................................................................................................... 77 7.3.1 Eksplosionens opståen, styrke og omfang ................................................................................................................ 77 7.3.2 Begrænsning af konsekvenserne af eksplosionen ..................................................................................................... 77 7.3.3 Anbefalinger ............................................................................................................................................................. 78 7.4 VIRKSOMHEDEN FØR OG NU ...................................................................................................................................................... 78 7.5 FORTSATTE STUDIER ................................................................................................................................................................ 78 REFERENCER ....................................................................................................................................................................... 80 APPENDIKS ......................................................................................................................................................................... 83 O. FLACS .................................................................................................................................................................................. 83 1. BENCHMARK AF GEXCON FLACS ® .............................................................................................................................................. 83 I. CASD ............................................................................................................................................................................... 83 II. Runmanager .................................................................................................................................................................. 84 III. Flowvis .......................................................................................................................................................................... 85 IV. Simplificeret brugermanual til GexCon FLACS ® ............................................................................................................ 86 V. Validering ...................................................................................................................................................................... 89 VI. Valideringssimuleringer ................................................................................................................................................ 92 VII. Grid uafhængighed ...................................................................................................................................................... 92 VIII. Funktion af aflastningselementer (Pressure relief panels) .......................................................................................... 94 IX. Effekt af obstruktioner .................................................................................................................................................. 95 X. Effekt af gastype ............................................................................................................................................................ 95 BILAG.................................................................................................................................................................................. 97 Bilag I, Acetylen, Heat of combustion beregning ............................................................................................................... 97 Bilag II, TNO beregning af overtryk of varighed ................................................................................................................. 97 Bilag III, Scenarier for CFD simulering ............................................................................................................................... 98 Bilag IV, Acetylen ............................................................................................................................................................. 101 Bilag V, Tabeller ............................................................................................................................................................... 102 Bilag VI, Lovgivning .......................................................................................................................................................... 103 Bilag VI, FLACS input ........................................................................................................................................................ 107 FIGUR LISTE ........................................................................................................................................................................... I TABEL LISTE .......................................................................................................................................................................... II

S UMM A RY This report describes the theory and assumptions for the combustion of gas that occurs so severe, that the combustion is called an explosion. Simplified methods available in prescriptive regulations are used for the prediction of the explosion load with specific reference to an acetylene filling plant taken as case study. The first part of the report describes the theory of combustion and explosion, in which basic assumptions are reviewed. Strategy and regulations for dealing with explosions in buildings are reviewed with comparisons of acceptance criteria for humans and buildings. The second part demonstrates simple models and methods for determining and calculating the maximum pressure and need of pressure relief areas, and explosion safety in the case study is verified by simple modeling. In the third part the advanced modeling with the CFD commercial code FLACS are introduces. Using the case study the report analyzes important parameters which have influence on the explosion load. The report presents and analyzes the illustrated results and the effects of gas cloud size and location, location of ignition source, size and location of the pressure relief panels, and the effect of altered geometry of the building and its interior. It argues for the importance of design choices in the design of buildings for explosion by a performance-based design approach. Methodology and a general guideline for design of buildings in relation to explosion mitigation are proposed. The focus is on the gas composition and ignition, the building geometry and layout, including relief panels, blastwalls and installations.

Keywords: Explosion action, blast, venting system, gas confinement, fuel concentration, explosion simulation, CFD modelling.

1. I ND LED N I N G 1.1 FORORD Eksplosioner i bygninger, funktionsbaseret eksplosionssikring er den afsluttende projektopgave på DTU, Master i Brandsikkerhed og er udarbejdet for at giver en grundlæggende forståelse for eksplosioner blandt brandtekniske rådgivere og andre der arbejder med eksplosionsrisiko i forbindelse med gasser. Inspirationen til arbejdet er opstået gennem arbejdet med ATEX klassifikationsplaner for virksomheder omfattet af beredskabslovgivningen. Ved at opleve brand og eksplosioner i gasser er opstået spørgsmålet ”Hvorfor brænder gassen i nogle tilfælde, mens den i andre tilfælde eksplodere? Hvad udløser denne voldsomme kraft?” Udover de rådgivere og beredskabsinspektører, der vil finde anvendelse af rapporten, er det et håb, at rapporten åbner for indlæg, undervisning og dialog om eksplosioner på DTU, Master i Brandsikkerhed uddannelsen. Hvilket ikke er tilfældet i dag. I rapporten er brugt eksterne referencer til websteder, bøger, rapporter og anden litteratur. Ved referencer er kilden angivet sidst i rapporten i referenceliste, og der henvises i teksten til listen ved nummerering med [xx]. Interne henvisninger sker ved reference til tabeller, figurer eller afsnit i teksten med tekst, mens der henvises til ligninger med parenteser (xx) Samlet liste over tabeller og figurer findes sidst i rapporten. Rapporten indeholder et appendiks og en række bilag, der henvises til i teksten. Appendiks er en kortfattet præsentation, introduktion og manual til opsætning af eksplosionssimuleringssoftwaren FLACS. Appendiks er udfærdiget, så dette kan stå alene, og derfor vil der enkelte steder være gentagelser af tekst afsnit, der også optræder i rapportens hoveddel. Rapporten er blevet til med støtte og vidensdeling fra følgende virksomheder: Gexcon A/S Strandmøllen A/S 1.2 PROBLEMFORMULERING Eksplosioner kan overordnet set håndteres ved enten at forebygge hændelsen, ved aktivt at nedbringe eksplosionens styrke og omfang eller ved at nedbringe konsekvensen af eksplosionen, f.eks. ved at forhindre skader på konstruktioner som konsekvens af eksplosionen, der kan lede til kollaps og dermed yderligere skader på mennesker og bygninger. Denne rapport vil fokusere på, hvordan eksplosionens styrke og omfang kan nedbringes aktivt samt de parametre, der har indflydelse på eksplosionens styrke og omfang. De væsentligste årsager og mekanismer der udløser en eksplosion vil blive gennemgået med fokus på utilsigtede udslip af gas, og hvilken rolle de forskellige parametre har, som f.eks. størrelsen på gasskyen, antændelsessted, geometri og inventar, samt omfanget og placeringen af eksplosionsaflastningen. Med udgangspunkt i kendte modeller regler vil eksplosionslasten blive beregnet med simple metoder i en etplans bygning, der er valgt som eksempel. Resultaterne af disse beregninger vil blive sammenlignet med resultater fra en funktionsbaseret simulering med en kommerciel CFD kode [1]. Ved følsomhedsanalyse vil de væsentligste parametre blive analyseret, og effekten af forskellige antagelser og modelvalg ved ukendte parametre vil blive undersøgt.

1.3 BAGGRUND Beredskabsstyrelsens statistik viser, at der på landsplan over de sidste 3 år gennemsnitligt har været 35 udrykninger til større spild af benzin og 47 til gaslugt i bygning om året. Fælles for disse udrykninger er, at de hændelser potentielt kan udvikle sig til eksplosioner. Fra Beredskabsstyrelsen statistikbank kan findes, at der i årene 2007 – 2010 var 127 tilfælde, hvor eksplosion var den formodede årsag til brand [2]. Selvom eksplosioner er sjældne, sammenlignet med andre utilsigtede hændelser som f.eks. brand, kan risikoen forbundet med eksplosioner ikke negligeres, da konsekvenserne af den voldsomme trykstigning kan være fatale for mennesker samt bygningers stabilitet [3]. Ved spild af brændbare væsker eller udslip af gas formodes eksplosioner at være årsagen til 0,24 % af alle brande i Danmark. [2] I det sidste århundrede findes flere eksempler på både tilsigtede ”Improvised explosive device” IED og utilsigtede eksplosioner: Ronan Point 1968, Flixborough 1974, Piper Alpha 1988 og Oklahoma City Bombing 1995 for at nævne nogle få. Studier af ovenstående hændelser har ført til udviklingen af flere simple modeller for fastsættelse af eksplosionslast og design af eksplosionssikre konstruktioner [3]. De præskriptive regler er ofte tilstrækkelige og simple at indarbejde i design af bygninger. Men disse regler giver ikke en dybere forståelse for eksplosioners opståen og udvikling, samt effekten på de omsluttende konstruktioner. Funktionsbaseret tilgang til design af bygninger for at forhindre, aflaste og modstå eksplosioner, bør derfor være en væsentlig del i projekteringen, men retningslinjer eller ”best pratice” findes ikke i de præskriptive regler. I Danmark er funktionsbaseret design efter bekendtgørelsen om tekniske forskrifter for brandfarlige væsker [4] og bekendtgørelsen om tekniske forskrifter for gasser [5]hovedsagligt begrænset til brand i udsivende gas eller væsker uden at medregne konsekvenserne af eksplosioner. 1.4 HÆNDELSER Som nævnt tidligere er eksplosioner sjældne, men har ofte store konsekvenser. I perioden 2007 – 2009 er der registeret 55 udrykninger i Danmark [2]med eksplosion som formodet brandårsag. Der blev i samme periode anmeldt 22.853 brande [2]. Nedenfor er korte beskrivelser af nogle af eksplosionerne i Danmark, samt et udpluk af udenlandske eksplosioner. Odense 11. januar 2011 Foto: Michael Bager, Fyens Stiftstidende.

Odense Brandvæsen blev d. 11. januar 2011 alarmeret til brand i bygning hos Air Liquide. Den eksplosionsagtige brand var opstået under fyldning af acetylen flasker, ved en slange sprængning. Flere flasker sprænges under branden og en enkelt medarbejde blev forbrændt. Den efterfølgende brand krævede en indsats fra Odense brandvæsen, som varede ca. 2 døgn og vandforbruget er skønnet til op i mod 3 millioner liter vand. Århus 12. maj 2007 Foto: 112-aarhus.dk

Ved Jysk væddeløbsbane i den sydlige del af byen skete en eksplosion i en gastank. Gastanken leverede gas til væddeløbsbanens køkken. Tanken på 1500 liter Fgas blev påkørt, hvilket gav en lækage, der resulterede i en eksplosion i den udsivende gas, ca. 10 min efter påkørslen. To personer måtte på skadestuen efter eksplosionen. Heldigvis gav eksplosionen ikke et større antal tilska-

dekomne eller omkomne, da de ansatte i køkkenet opdagede den udsivende gas og evakuerede bygningen. Hændelsen gav væsentlig skade på bygningen i form af brand og sammenstyrtning af bærende bygningsdele. Hændelsen har affødt ændringer af tekniske forskrifter for F-gas [5] Strandmøllen, Holbæk 22. oktober 1990 Foto: Politiet

Strandmøllen blev kort efter klokken 9 d. 22. oktober 1990, ramt af en detonation med rørsprængning i rørsystem der transporterer acetylen, til følge og der sker efterfølgende en eksplosion i fyldningshallen. På tidspunktet for eksplosionen var der 5-600 acetylenflasker i hallen På tidspunktet for eksplosionen opholdte der sig to ansatte i hallen i umiddelbar nærhed af eksplosionen. Ingen af de to kom dog til skade. Efterfølgende skete flere eksplosioner i flasker pga. af varmepåvirkningen fra den efterfølgende brand. Trods brandvæsenets hurtige indsats og konstante køling skete sidste flaskesprængning først 13.55. Som følge af eksplosionerne skete der skader på flere bygningsdele. Taget løftede sig, tunge bærende konstruktioner rykkede sig, vinduesremmen trykkedes ud, og 4 ud af 6 porte åbnede sig.

Deep Water Horizon, Mexican Gulf 20. april 2010 Foto: US Coast Guard

I de sidste faser af prøveboring brød en gejser af havvand tæt på 100 meter op i luften. Dette udløste en voldsom søjle med en blanding af mudder, metan gas og vand. Gassen forårsagede en række eksplosioner og derefter en Firestorm. Forsøg med at aktivere blow-out mekanismen mislykkedes. På tidspunktet for eksplosionen var der 126 besætningsmedlemmer på platformen, 13 personer døde, og det økonomiske efterspil efter katastrofen fra eksplosionerne er endnu ikke opgjort, men forventes at koste BP et tocifret milliardbeløb.

Middletown, Connecticut i USA, 7. februar 2010 Foto: Bettina Hansen/The Hartford Courant/AP Ved en eksplosion på et naturgasfyret kraftværk døde 5 personer og yderligere 12 andre blev såret. Eksplosionen skete under opførelsen af værket. En stor del af værket blev beskadiget og flere omkringliggende huse fik skader. Årsagen er endnu ikke kendt.

Buncefield, England 11. december 2005 Foto: Gexcon

Ved Buncefield Oil Storage Depot nord for London skete en række af eksplosioner, hvoraf én var af signifikant størrelse og antages at være en detonation. Den efterfølgende brand lagde det meste af området i ruiner, og 40 mennesker blev kvæstede. Undersøgelserne har efterfølgende vist, at det er sandsynligt, at forløbet startede med en overfyldning af en tank, hvilket førte til et benzinspild, der antændte, og førte til en lang række af eksplosioner og en voldsom brand.

2. F O R BR Æ ND I N G S - O G EK SP LO SI O NS TEO RI

2.1 DEFINITION OG GENEREL TEORI Karakteristisk for eksplosioner er, at de sker med voldsom kraft med deraf store konsekvenser i form af f.eks. svigt i konstruktioner, skader på mennesker og dyr, og deraf store økonomiske tab. Eksplosioner behandlet i denne rapport sker som en forbrænding af gasser. For at forstå eksplosionen er kortfattet grundlæggende viden om forbrænding nødvendig. Vigtigst at forstå er, hvilke faktorer der bevirker, at en forbrænding kan udvikle sig til en eksplosion. Forbrænding og eksplosioner i gasser sker som følge af gasudslip, antændelse og en forbrænding. Grundlæggende er forskellen mellem en forbrænding og en eksplosion, forbrændingshastigheden, tryk og varigheden. Ved eksplosioner opstår en trykstigning som konsekvens af flammeudbredelse i den uforbrændte luft-gas blanding. Flammeudbredelsens hastighed afhænger bl.a. af flammefrontens overfladeareal. Overfladearealet bestemmes af flere forhold, hvor de væsentligste er den fluktuerende flammefront og de hvirvler der skabes af turbulens. De forhold giver en kraftigere opblanding af forbrændingsprodukter og uforbrændt luft-gas blanding. Følgende afsnit vil give en grundlæggende beskrivelse af eksplosioner og introducere de forskellige typer af eksplosioner. Nærværende kapitel om forbrændings- og eksplosionsteori vil derfor indledningsvis gennemgå forbrændingsteorien kort, og derefter eksplosionsteorien med de forskellige typer af eksplosioner. 2.2 FORBRÆNDINGTEORI Forbrænding er en kemisk reaktion, hvor et stof reagerer med oxygen med frigivelse af forbrændingsprodukter og energi. De fleste forbrændinger involverer kulbrintebaseret brændsel. Kulbrinter består af hydrogen (H) og carbon (C). Atmosfærisk luft består hovedsageligt af oxygen (O) og nitrogen (N). Eksempel på en kemisk reaktion af forenklet forbrænding af acetylen i atmosfærisk luft: (

)

(2.1)

Energien, der frigives i forbrændingen, findes i bindingerne mellem molekylerne, som deles ved forbrændingen. Hastigheden, hvorved en brandudbredelse finder sted i uforbrændt gas, beskrives som flammehastigheden. Dette er den hastighed, hvormed flammeudbredelsen sker i atmosfærisk luft ved en given koncentration. Forbrænding af gasser i atmosfærisk luft sker med en laminar flammehastighed som for enkelte gasser ser således ud (Figur 1).

Figur 1 Forbrændingshastigheder for gasser [3]. Som det også fremgår af Figur 1, er flammehastigheden bestemt af blandingsforholdet mellem gas og luft. Jo tættere på det støkiometriske blandingsforhold des højere flammehastigheder [6]. Flammehastigheden fortæller også noget om gassers reaktivitet og bruges til beregning af eksplosionsstyrke i Baker-Strehlow-Tang metoden, se afsnit 4.1.1 Empiriske modeller. Flammens udbredelse sker i delvist lukkede rum med en trykudvidelse, der presser de uforbrændte gasser foran den propagerende forbrændingszone, se Figur 2.

Figur 2 Propagerende flamme i delvist lukket rum.

Forbrænding kan også ske som en langsommere proces, hvor materialet gløder, men dette er et fænomen, som alene finder sted i faste stoffer, og som alene kan være antændelseskilde til en eksplosion, men ikke i sig selv kan føre til en eksplosion. Derfor vil dette fænomen ikke blive omhandlet i denne rapport. 2.2.1 Gasser Forbrænding i gasser kan ske ved diffusion eller ved forblandet forbrænding. Ved diffusion forbrændes gassen med forbrændingshastigheder, som vist i Figur 1, når blandingsforholdet findes i en brændbar koncentration, ved at den brændbare gas blandes løbende med ilten i luften i forbrændingszonen, Figur 3.

Figur 3 Reaktionszone ved diffusion

Ved en forblandet forbrænding er den brændbare gas blandet med luften inden antændelse, og er blandingsforholdet brændbart vil antændelse af gasskyen ske med en voldsommere flammehastighed, og flammehastigheden kan accelereres og give en eksplosion, som beskrevet senere. 13

Figur 4 Flammetyper ved bunsenbrænder. [7]

I Figur 4 ses længst til venstre en diffusionsflamme, hvor den brændbare gas blandes med den omkringværende luft i forbrændingszonen, hvilket giver en gullig sodende forbrænding. Længst mod højre er flammen forblandet med den omkringværende luft, og giver en blålig renere forbrænding med mindre sod. For at en antændelse af gasser kan finde sted, skal blandingsforholdet mellem den brændbare gas og oxygen i luften være inden for gassens brændbare grænser. Den nedre antændelsesgrænse og den øvre antændelsesgrænse kaldes henholdsvis LFL (Lower Flammable Limit)og UFL (Upper Flammable Limit), her benævnes grænserne dog nedre eksplosionsgrænse og øvre eksplosionsgrænse LEL og UEL. Der kan være enkelte afvigelser, men disse vil ikke have væsentlig indflydelse på rapportens beregninger og konklusioner. Antændelsesgrænserne for gasser kan findes ved forsøg eller ved beregning. For langt de fleste gasser kan LEL og UEL dog findes i litteraturen. Nedenfor ses et udpluk af nogle få af de mest almindelige gassers antændelsesgrænser, inkl. acetylen, som indgår i rapportens case. Acetone er medtaget her, da acetylen opløses i acetone ved påfyldning på flasker. Tabel 1 Antændelsesgrænser for udvalgte gasser Gas

Kemisk betegnelse

Molekylær vægt

Støkiometrisk koncentration

Metan Acetylen Ethan Propan Ethylen Benzen Acetone

CH4 C2H2 C2H6 C3H8 C2H4 C6H6 CH3COCH3

16 26 30 44 28 78 58

9,48 7,7 5,56 4,02 6,35 2,72 4,97

LEL VOL % 5,0 2,5 3,0 2,1 2,7 1,3 2,6

UEL mg/l 38 41 42 35 47 70

VOL % 15 82 12,4 9,5 36 7,9 13

mg/l 126 190 210 700 300 390

Flere forhold har indflydelse på LEL og UEL. Ved ændring af temperatur ændres antændelsesgrænserne tilsvarende. Når temperaturen stiger, stiger UEL og LEL falder, hvilke betyder, at antændelsesområdet øges. Dette kan beregnes med den empiriske ligning 2.2 for LEL og 2.3 for UEL [8].

Figur 5 Antændelsesgrænser. [3]

(

)

(2.2)

(

)

(2.3)

Udover temperaturen påvirkes antændelsesgrænserne også af ændring i tryk, hvilket har betydning, når forbrændingen af gas sker som en eksplosion. Generelt har trykforskel ikke den store indflydelse på LEL ved lavt tryk, mens øget tryk giver højere UEL. Zabetakis [9]har udledt, at UEL ved givet tryk P kan findes ved: ( Hvor

)

(2.4)

er UEL ved det givne tryk (VOL% brændstof i luft) er øvre eksplosionsgrænse (VOL% brændstof i luft) er trykket

Antændelsesområdet øges altså ved øget tryk på samme vis som det øges ved øget temperatur. Yderligere information om temperaturens og trykforskellenes påvirkning af antændelsesgrænserne findes flere steder i litteraturen, blandt andet, Daniel A. Crowl [3]. 2.2.2 Væsker Forbrænding af brændbare væsker sker ved fordampning af væsken til gasform, hvor der sker en forbrænding som beskrevet ovenfor i gas. At betragte væsker og gasser separat giver kun mening, hvis forbrændingen sker ved temperaturer, som omgiver os normalt, altså 20°C. Fælles for alle væsker er, at de ved en given temperatur overgår til gasform. F.eks. betragter vi propan som en gas, da det er denne form, den har ved 20 °C, mens den ved temperaturer under -42 °C er i væskeform. 2.2.3 Blandinger Fastsættelse af eksplosionsgrænser for blandingsgasser vil ikke blive behandlet i denne rapport, dog skal nævnes fastsættelse af LEL og UEL for blandingsgasser [9]. Nedre eksplosionsgrænse (∑

)

(2.5)

Øvre eksplosionsgrænse (∑

)

(2.6)

Beregningseksempel for blanding af 70 % acetone og 30 % acetylen for UEL. Da LEL er ens, vil denne ikke ændre sig ved blanding af gasserne. (

)

(2.7)

2.2.4 Antændelse For at forbrændingen kan finde sted, skal der ske en antændelse. Udviklingen af forbrændingen afhænger af antændelsestidspunktet og styrken af antændelseskilden. Afhængigt af antændelsestidspunktet vil forbrændingen ske som henholdsvis en brand eller en ek-

splosion. Hvis antændelse sker umiddelbart i forbindelse eller lige efter udslippet, vil en brand udvikle sig. Hvis udslippet kan nå at forme en gassky af en vis størrelse inden antændelse, kan forbrændingen forløbe som en eksplosion. Se også Figur 12 Hændelsestræ for gasudslip i afsnit 2.3.7 hændelsesforløb. Antændelse kan ske enten fra en fysisk eller en kemisk antændelseskilde. Energi og temperatur For antændelse af brændbare gasser kræves en minimum styrke eller minimumstemperatur. Mindste styrke kaldes MIE, Minimum Ignition Energy og mindste temperatur kaldes Fp, flammepunktet. Minimum Ignition Energy – mindste antændelsesenergi. MIE angiver den mindste energitilførsel, der skal tilføres i et givet punkt, før en gas antænder. MIE er beskrevet i NFPA 68 [10], og her er kun en introduktion til begrebet. Generelt er for gasser opsat følgende tommelfingerregler, Daniel A. Crowl [3]; 

For de fleste gasser findes MIE til mellem 0,10 mJ og 0,25 mJ. Enkelte gasser har dog væsentlig lavere MIE.



For blandinger af brændbare gasser og luft findes laveste MIE tæt ved den støkiometriske blanding (Dog ikke nødvendigvis ved den støkiometriske blanding)



Ved stigende temperatur findes lavere MIE



Ved faldende temperatur findes højere MIE



Ved tilførsel af inert gas findes højere MIE

Nedenfor er vist en udpluk af MIE for en række gasser. Tabel 2 Minimum Ignition Energy MIE (mJ) Gas Acetylen

C2H2

Minimum Ignition Energy MIE (mJ) 0,020

Ethan

C2H6

0,240

Hydrogen

0,018

Metan

CH4

0,280

Metanol

CH3OH

0,140

Propan

C3H8

0,250

For sammenligning kan nævnes, at et menneske kan afgive op til 20 mJ ved statisk elektrisk afladning. Fysiske tændkilder Listen over fysiske tændkilder varierer voldsomt i forhold til aktuelle, og listen er næsten uudtømmelig. Nedenfor er anført eksempler på mulige kilder: 

Åben ild / Varmt arbejde o



El installationer o



Svejsning, skærebrænder, tagdækning (brænder) rygning, gasbrændere. Ved slutning og brydning af strømkredse kan opstå gnister og/eller varme overflader.

Mekaniske dele o

Gnist, som reelt er glødende metalfliser der slås eller river af ved slag, slibning, skæring osv.

Statisk elektricitet der kan opstå ved gnidning (friktion) af faste materialer eller omrøring, aftapning eller strømning af pulver og væsker.



Varme overflader o

Alle former for varme overflader der overstiger antændelsestemperaturen for de stoffer, der betragtes.



Kemiske tændkilder o

Kemisk selvantændelse kan opstå ved oplag af nogle produkter som f.eks. korn, mel, organiske olie, kulstøv osv. Ved oplag i siloer e. lign. kan opstå temperaturer, der medfører selvantændelse.

Kemisk antændelse ses ikke i oplag, produktion og ved brug af gasser, og vil derfor ikke blive omhandlet yderligere i denne rapport.

2.3 EKSPLOSIONSTEORI En eksplosion kan beskrives som en kemisk proces, der leder til en kraftig og meget hurtig trykstigning. Når eksplosionen sker i gas, sker denne som en forbrænding, der får den brændende gas til at udvide sig, presse den uforbrændte gas foran sig, og dermed skabe en trykbølge der accelererer væk fra eksplosionens centrum. Eksplosioner kan opdeles i 3 hovedgrupper.   

Nukleare Mekaniske (karakteriseret ved en gradvis opbygning af tryk i en beholder, indtil beholderen svigter med katastrofale følger, og der sker en eksplosion som f.eks. en BLEVE) og Kemiske, som er en hurtig ændring af et fast eller flydende stof i form af f.eks. væsker eller gasser, der brænder med en flammehastighed, der accelereres via turbulens. Rapportens fokus ligger i eksplosioner i gasser, mens eksplosiver ligger uden for rapportens studier.

En eksplosion kan forløbe som enten en deflagration eller som en detonation. De fleste gaseksplosioner sker som deflagrationer, dog kan gaseksplosioner udvikle sig og overgå til detonationer. Dette kaldes en DDT, Deflagration to detonation. En trykbølge forplanter sig fra eksplosionens centrum med sub- eller supersonisk hastighed i forhold til den uforbrændte gas umiddelbart foran trykbølgen. Trykbølgens hastighed afhænger af trykforholdet foran trykbølgen. Stigende tryk giver øget hastighed. Deflagration er en eksplosion, der i forhold til den uforbrændte gas foran trykbølgen, bevæger sig med subsoniske trykbølger, altså langsommere end lydens hastighed. En supersonisk eksplosion, med supersoniske trykbølger, altså hurtigere end lydens hastighed, kaldes en detonation. En deflagration som følge af en gaseksplosion skaber flammehastigheder op til 500 m/s og tryk mellem få mbar og flere bar. Detonationer skaber en flammehastighed op mod 2000 m/s og et overtryk tæt på 20 bar [3].

Figur 6 Trykkurver for forskellige eksplosionsstyrker. [3]

I) Detonation II) Stærk deflagration III) Svag deflagration (forpufning) Trykbølgens form afhænger af, hvordan og hvornår energi frigives i eksplosionen og afstanden fra eksplosionens centrum. For stærke eksplosioner f. eks detonationer er tryk stigningen typisk I). Svage eksplosioner giver en trykstigning som III), men trykbølgen kan accelerer og ende som kategori I) altså en DDT, afhængig af forholdene.

Figur 7 Trykbølge efterfulgt undertryk, henholdsvis deflagration og detonation.

Eksplosionen kan forløbe som vist i Figur 7 med en pludselig trykstigning efterfulgt af et trykfald, der kan lede til undertryk som følge af den vind, der bevæger sig væk fra eksplosionens centrum. Slutteligt vil trykket stabilisere sig ved ambient tryk. Ved fastsættelse af tryk i forhold til trykbølger som konsekvens af en eksplosion arbejdes der med to typer: Side-on tryk og reflekteret tryk. Se Figur 8 Side-on tryk, samt reflekteret tryk. Side-on tryk måles vinkelret på trykbølgens udbredelsesretning. Side-on trykket er det statiske tryk bag trykbølgen. Det reflekterede tryk måles, når trykbølgen rammer en obstruktion, f.eks. en væg.

Figur 8 Side-on tryk, samt reflekteret tryk

En vigtig parameter i forhold til konstruktioner, der udsættes for tryk er varigheden af overtrykket, som udtrykkes ved integralet af trykket, kaldet impuls. Impuls er resultatet af en tryk-tid kurve som vist i Figur 9 Impuls som funktion af tryk og tid. Varigheden af trykket bestemmes at gasskyens størrelse og det maksimale overtryk. Fastsættelse af tryk-tid kurven kan ikke umiddelbart udføres ved simple metoder korrekt nok til beregning af impulsen. Avancerede simuleringsprogrammer som f.eks. FLACS [1] bør bruges. Se afsnit 4.4 CFD Simulering. Simplificerede metoder er dog beskrevet i afsnit 4.1.1 Empiriske modeller. .

Figur 9 Impuls som funktion af tryk og tid

2.3.1 Eksplosiver Eksplosiver/sprængstoffer er stoffer, som ved kemisk reaktion i et materiale hurtigt og voldsomt skifter til gasform, ledsaget af høje temperaturer, ekstrem trykstigning og høj støj. Sprængstoffer vil ikke blive omhandlet yderligere i denne rapport, men deres effekt kan på mange måder i forhold til risiko sidestilles med gaseksplosioner. En model til beregning af gaseksplosioner tager udgangspunkt i erfaringer med TNT, som er et kendt eksplosiv. Se afsnit 4.1 Modeller. 2.3.2 IED, Improvised Explosive Device Improvised Explosive Device - improviserede eksplosive anordninger. IED er en eksplosiv anordning placeret eller fabrikeret på en improviseret måde ved pyrotekniske materialer, gasser, væsker eller kemikalier og har til formål at ødelægge bygninger, køretøjer eller andet, samt forårsage personskade eller død. IED kan være militært fremstillet, men kan også være udviklet fra ikke militære komponenter af civile. Et for tiden kendt IED er vejsidebomber brugt i krigen i Afghanistan.

Blandt større hændelser kan nævnes sprængningerne i World Trade Center i 1993 og 2001. Rapporten vil ikke beskæftige sig med konsekvenserne af IED, men de bør nævnes, da dimensionering af konstruktioner i bygninger, hvor det kan formodes eller forventes, at der er en øget risiko for terror, bør indeholde en analyse af konsekvenserne af en eksplosion. Trykbølgen fra IED kan være af anden karakter, end den der vil opstå som følge af en eksplosion i gas. Da IED kan produceres af en bred sammensætning af materialer, kan aflastningen af tryk vanskeligt fastsættes, i modsætning til f.eks. gaseksplosioner. Forebyggelsen adskiller sig derimod ved planlægning, der skal sikre, at det er sværere at bringe IED til sprængning på steder, hvor disse kan medfører stor skade på bygninger, forsyningslinjer, mennesker eller lignende. 2.3.3 Gasser Eksplosioner forårsaget af en gas er kendetegnet ved, at flammehastigheden accelereres til hastigheder, der langt overstiger flammehastigheden ved almindelig forbrænding. Eksplosioner sker med flammehastigheder op til 1000 m/s. Denne acceleration af flammehastigheden sker, når flammefronten møder obstruktioner som f.eks. rør og inventar. Når flammefronten presses omkring f.eks. et rør udvikles turbulens nedstrøms obstruktionen. Se Figur 10.

Figur 10 Turbulens omkring rør.

Figur 10 viser flow omkring en cylinder for forskellige grader af turbulens. Forholdet beskrives med Reynolds tal Re, som er en dimensionsløs enhed. For en lav Re og lav strømningshastighed er strømningen omkring en cylindrisk form, f.eks. et rør, laminar. For højere Re vil hvirvler udvikle sig i kølvandet af røret, og flowet vil blive turbulent [11]. Reynolds tal forudsiger om strømningen er laminar, længst til venstre, eller turbulent, længst til højre. Turbulens forårsager en stigning af forbrændingshastigheder på grund af sammenblanding af luft (oxygen), den uforbrændte gas og en stigning i flammefrontens areal. [3]

Figur 11 Turbulens ved trykstigning i mellem flere rum.

Gentagende flow omkring obstruktioner, som f.eks. rør, konstruktioner, eller flere rum som i Figur 11, vil accelerere flammehastigheden til et niveau, hvor deflagration eller de-

tonation vil ske. Hvis udbredelsen ikke længere obstrueres i en grad, der skaber turbulens, vil flammehastigheden igen falde til normale flammehastigheder. [12] 2.3.4 Væsker Som beskrevet i afsnit 2.2.2 væsker sker forbrændingen af væsker ved, at væsken overgår til damp (gasform). Eksplosioner kan derfor ske i dampskyen, hvis væsker afdamper i tilstrækkelig tid til at denne dannes. Antændes dampene umiddelbart efter væsken er spildt, vil der ikke være opbygget en tilstrækkelig stor dampsky til at skabe en eksplosion. Væsker kan også eksplodere, hvis væsken forstøves tilstrækkeligt. Dette vil typisk være tilfældet, hvis væske sker som udslip fra en tryksat beholder. NFPA 68 [3] foreslår LEL for aerosoler fra HnCn tåge til 40 – 50 g/m3. Eksplosioner i dampe fra brandfarlige væsker er behandlet af bl.a. Crowl [3] 2.3.5 Støv Eksplosioner i støv fra f.eks. træ, mel, sukker, kul, letmetaller osv. kan give eksplosioner med trykstigning, udbredelse af brand og voldsomme skader i samme stil som eksplosioner i gas. Ved gasser afhænger antændelsen af LEL og UEL. For støv kan det eksplosive område, med risiko for antændelse, findes som partikelstørrelse og partikelkoncentration, mens forhold som fugt, aflejring på overfalder og fordeling af luften også spiller en væsentlig rolle. Selv om støv og gasser umiddelbart kan virke ens i forhold til deres egenskaber, er der flere grundlæggende forhold der gør, at støveksplosioner forløber anderledes end gaseksplosioner. Støveksplosioner vil ikke blive behandlet yderligere i denne rapport. Som for gasser findes en del NFPA publikationer om støvforbrænding og –eksplosioner, som bør iagttages. Tilsvarende kan anbefales Eckhoff Dust explosions in process Industries, Oxford 1997, Butterworth-Heinemann. 2.3.6 BLEVE BLEVE er forkortelse for Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, hvilket på dansk kan oversættes til Eksplosion i ekspanderende kogende væskedampe. BLEVE sker, når en beholder med et stof i væskeform brister som følge af stigende tryk i beholderen pga. opvarmning af beholderen. Ved svigt i beholderen, og det pludselige tryktab i beholderen medfører en voldsom overgang af indholdet fra væske til gas. Trykstigningen udenfor beholderen sker som en kombination af trykstigningen fra faseovergang af materialet fra væske til gas og antændelsen af gassen. BLEVE kan dog også ske i en beholder, hvor væsken ikke er brændbar. Forløbet af hændelsen er tilsvarende beskrevet ovenfor, dog sker der ikke en antændelse af gasserne ved udslip. 2.3.7 Hændelsesforløb For at kunne forhindre eller begrænse skader fra en eksplosion kræves et grundlæggende kendskab til forløbet op til eksplosioner. På Figur 12 ses forløbet som konsekvens af et udslip af gas. Derefter sker en af følgende tre ting, som har væsentlig betydning for det videre forløb. 

Hvis ikke gassen antændes, vil ventilering sikre, at gaskoncentrationen falder til under LEL og dermed ikke længere udgør en risiko.



Hvis gassen antændes umiddelbart, vil der endnu ikke være en tilstrækkelig opblandet brændbar gas-luft blanding, og der vil afhængigt af trykket i beholderen eller røret, dannes en flamme ved udslipkilden med risiko for antændelse af øvrige dele og opvarmning af gasfyldte beholdere.



Hvis antændelse ikke sker umiddelbart, men efter at en gas-luft sky dannes med blandingsforhold mellem LEL og UEL, og denne antændes, er risikoen for en eksplosion stor. For at antændelsen udvikler sig til eksplosioner, er der flere forhold, der gør sig gældende.

Ingen antændelse

Gasudslip

Øjeblikkelig antændelse

Brand

Ingen eller meget begrænset skade

Beskadigelse af konstruktioner og personer Formation af gassky (opblandet)

Forsinket antændelse

Gaseksplosion Brand

Brand of sekundære eksplosioner/BLEVE

Figur 12 Hændelsestræ ved gasudslip [12]

Et litteraturstudie af emnet kan anbefales, hvis en dybere forståelse, interessen eller behovet for viden strækkes sig ud over den indledende introduktion, og følgende anbefales. Forbrændingsteori kan findes i blandt andet;  Glassman, I [6]  Sørensen, Lars Schiøtt [13] Turbulens;  Westerterp, Jeroen W. Bolk and K. Roel [11], Og eksplosionsteori;  Dag Bjerkedt, Jan Roar Bakke, Kees van Wingerden [12]  Crowl, Daniel. A [3].

3. S TR AT EG I FO R H Å N DT ER I N G A F E KS PLO S IO NER 3.1 LOVGIVNING 3.1.1 Generelt Opførelse og drift af bebyggelse hvor der opbevares, håndteres eller produceres brændbare gasser, er reguleret af flere love, lovbekendtgørelser og reglementer. Følgende afsnit beskriver den grundlæggende lovgivning, standarder og vejledninger omhandlende eksplosionssikring af bygninger. Da der kun findes begrænset litteratur på dansk om eksplosionssikring, vælges ofte de Nordamerikanske standarder, da der her findes omfattende litteratur om brandsikring, herunder om eksplosionssikring. Lovgivning for opførelse af nyt byggeri hører under Erhvervs- og Byggestyrelsen, der er placeret under Økonomi- og Erhvervsministeriet. Bygninger, der opføres for oplag eller produktion, opføres som industribygninger og er omfattet af byggeloven [14] og dertil hørende bygningsreglement (BR10) [15]. Bygninger, der opføres som industribygninger til oplag eller produktion af brandfarlige væsker eller gasser, er tillige omfattet af beredskabsloven med tilhørende bekendtgørelser om tekniske forskrifter for henholdsvis brandfarlige væsker [4] og for gasser [5]. Følgende afsnit vil give en kort oversigt over gældende dansk lovgivning, samt de europæiske og nordamerikansk standarder, der normalvis bruges i design for eksplosionssikring af bygninger. Regelsæt oplistes og refereres kort, mens stillingtagen til enkelte afsnit og punkter vil ske, hvor modellering i rapportens case berøres af disse. Figur 13 viser de ministerier, der har ansvaret for lovgivning om eksplosionssikring, som er omhandlet i nærværende rapport, mens Figur 14 givet et overblik over gældende lovgivning. Uddybende forklaring af lovgivning på området, henvises til bilag VI.

Økonomi- og erhvervsministeriet

Forsvarsministeriet

Beskæftigelsesministeriet

Byggeloven

Beredskabsloven

Arbejdsmiljøloven

Erhvervs- og byggestyrelsen

Beredskabsstyrelsen

Sikkerhedsstyrelsen

Arbejdstilsynet

BR10

TF Gasser og TF Brandfarlige væsker

Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr

ATEX

Figur 13 Overordnet lovgivning vedrørende eksplosionssikring af bygninger.

Byggeloven •Bygningsreglement •DS/EN •Eurocodes

Beredskabsloven •TF Gasser og TF Brandfarlige væsker •TF Gasser og TF Brandfarlige væsker •Vejledning om klassifikation af eksplosionsfarlige områder

EU •Seveso II Direktivet •Eurocodes •Atex-direktivet •Ikke bindeende vejledning om ATEX •Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr

Vejledninger •Branchevejledninger •NFPA •SFPE

Figur 14 Oversigt over gældende lovgivning (Se også bilag VI)

3.1.2 Manglende danske præskriptive regelsæt Funktionsbaseret tilgang til eksplosionssikring er i Danmark ikke et udbredt fænomen. Som den øvrige projektering af brandsikring i Danmark lider den funktionsbaserede tilgang under manglende erfaring og historik. Først de senere år er den funktionsbaserede tilgang til brandsikring blevet bredt accepteret i Danmark, hvorimod den f.eks. i Sverige, Storbritannien og Nordamerika er vidt udbredt. I Nordamerika findes blandt andet SFPE - Society of Fire Protection Engineers der er en sammenslutning af brandingeniører og teknikere, med det fælles formål at fremme forskning og udførelse af brandsikring. SFPE udgiver The SFPE Handbook of fire protection and engineering [16]. NFPA er som SFPE en Nordamerikansk organisation. NFPA - National Fire Protection Association som beskrives som ”Missionen for den internationale nonprofit organisation NFPA, der blev oprettet i 1896, er at reducere de globale konsekvenser af brand og andre farer ved at udarbejde konsensus koder og standarder, forskning, og uddannelse.” [17] Både The SFPE Handbook of fire protection and engineering [16]og flere af NFPA’s standarder bruges ofte i brandteknisk dimensionering, da disse er veldokumenterede og anerkendte som referencer. SFPE Handbook Håndbogen [16]fra SFPE er udarbejdet med bidrag fra brandingeniører fra hele verden og giver et omfattende indblik i grundlæggende viden og Best practice indenfor brandsikkerhed og teknik. Sektion2, kapitel 2-5 skrevet af Robert G. Zalosh [s. 2-88 – 2-105] omhandler Explosion Protection. Kapitlet omhandler eksplosioner generelt, gaseksplosioner, støveksplosioner, BLEVE, ventilering samt eksplosionsundertrykkelse. NFPA NFPA blev dannet tilbage i 1896 af en samling forsikringsselskaber, der ønskede en standardisering af Sprinklersystemer. I dag består NFPA af mere end 6000 frivillige medlemmer fra brandvæsner, forsikringsselskaber, industrien, offentlige myndigheder mv. NFPA har udgivet og vedligeholder mere end 300 forskellige standarter om sikring mod bl.a. brand og eksplosioner, her iblandt NFPA 68, Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting [18] og NFPA 69, Standard on Explosion Prevention Systems [10]

3.2 SKADESBEGRÆNSNING PÅ KONSTRUKTIONER OG MENNESKER For at kunne fastsætte det maksimale tilladelige tryk i forhold til eksplosioner skelnes mellem det maksimale tryk for mennesker, og det maksimale tryk for konstruktioner. For sammenligning af de tryk der optræder, er i Tabel 3 opsat konvertering mellem trykbenævnelser.

Tabel 3 Konvertering af enheder Pascal (pa) 100.000

Kilopascal (kPa) 100

Atmosfære 0,986923

KiloNewton (kN)/m2 100

Bar

Torr

750,062

For fastsættelse af acceptkriterier vælges det maksimale tilladelige tryk, hvor mennesker eller konstruktioner ikke tager væsentlig eller uoprettelig skader. Acceptkriteriet for personer kan angives i bar eller kPa, mens det for konstruktioner ofte angives i kPa eller kN. For scenarier med eksplosioner i det fri giver det ofte ikke mening at fastsætte acceptkriterier for konstruktioner, mens det for lukkede rum uden personer ikke giver mening at fastsætte acceptkriterier for mennesker. Hvis scenariet, som beskrevet i rapportens case, både kan give skader på konstruktioner og mennesker, skal vælges det mindste tilladelige overtryk. 3.2.1 Acceptkriterier for mennesker og konstruktioner Skader på mennesker som følge af en pludselig trykstigning sker som oftest som sprængte trommehinder, skader på lunger og mave-tarm region. Overlæge Hans Gøtze fra Hærens kampskole har tidligere beskrevet skader som følge af eksplosioner således: ”Traditionelt inddeles den biologiske virkning af eksplosioner i: 1. Primære skader, der er resultat af den rene trykvirkning. 2. Sekundære virkninger fremkommer ved kontakt mellem en person og sprængstykker og andre objekter (f.eks. glassplinter), der slynges af sted ved eksplosionen. Effekten kan sammenlignes med skudlæsioner. 3. Tertiære skader er resultat af, at personen kastes omkuld af lufttrykket. Påvirkningen kan være så voldsom, at arme eller ben rives af (traumatiske amputationer). Øvrige kvæstelser opstår ved legemets kontakt med og opbremsning mod faste flader. Der er typisk tale om lukkede kvæstelser af samme karakter som andre former for ulykker. ” [19]

Mens acceptkriterierne opsættes som maksimalt tilladt overtryk, skal det nævnes, at eksplosioner med de konsekvenser og efterfølgende skader også kan give andre skader. Blandt disse skader kan nævnes:  

Sammenstyrtning eller væltende bygningsdel Forbrændinger og/eller røgforgiftning

Ovennævnte forhold skal derfor også belyses ved forebyggelse og sikring mod eksplosionsskader. Nedenfor i Tabel 4 er opsat konsekvens af et givet overtryk i forhold til skader på mennesker udgivet af Miljøministeriet, der har udførte et studie i acceptkriterier for udvalgte EU lande. Tabel 4 Effekt af overtryk på mennesker Effekt Små effekter Helbredelige effekter Uhelbredelige effekter Dødsfald

mbar <30 30-50 50-140 >140

Bar 0,03 0,03-0,05 0,05-0,14 > 0,14

kPa 3 3-5 5-14 >14

Miljøministeriet har gennem Miljøstyrelsen i 2008 udarbejdet en Arbejdsrapport om acceptkriterier [20] i forbindelse med miljø- og beredskabsbehandlingen af risikovirksomheder. 25

US Department of Defense [21] har udgivet en lignende tabel, hvor der dog er nogle væsentlig forskellige værdier for maksimalt overtryk. Tabel 5 Effekt af overtryk på mennesker og bygninger Effekt på personer Mindre skader fra fragmenter kan forekomme Skader fra fragmenter kan forekomme Signifikante skader på personer vil forekomme og dødsfald kan forventes

Effekt på bygninger og konstruktioner Typisk tryk for brud på glas

mbar

Bar

kPa

<68

0,068

6,8 kPa

137

0,136

13,7 kPa

206

0.206

20,6

Mindre skader på bygninger. Vinduer og døre blæses ud, og enkelte lette konstruktionsdele kan skades Nedre grænse for signifikante konstruktionsskader

I Tabel 5 kan ses effekt på personer og bygninger iht. til US Department of Defense. I rapporten opsummeres et udpluk af US & EU landes tidligere acceptkriterier, og der gives forslag til acceptkriterier i Danmark. I Tabel 6 sammenlignes acceptkriterier for udvalgte EU lande og USA. Værdierne varierer fra 2 – 13,7 kPa. Tabel 6 Acceptkriterier i EU & USA

mbar

Frankrig 20/50

Tyskland 100

Italien 30

USA 137 (2 psi)

I Tabel 4 kan det ses, at overtryk < 50 mbar/5 kPa har lille eller ingen effekt, og eventuelle skader er helbredelige, mens samme effekt først findes ved 137 mbar/13,7 kPa i Tabel 5. Der er altså ingen entydig værdi for et maksimalt tilladt overtryk, hvis kravet er ubetydelige eller ingen effekt på mennesker. Som beskrevet i afsnit 3.1 skal konstruktioner dimensioneres, så progressivt kollaps undgås, mens svigt i enkeltdele kan tillades [22]. At fastsætte acceptkriterier for en given konstruktion sker derfor ikke ved at finde konstruktionernes styrke for derefter at fastsætte det maksimalt tilladte overtryk. Acceptkriterierne for konstruktioner fastsættes som impulsen af det maksimale tænkelige overtryk fra eksplosion i eller ved bygningen. Konstruktionerne skal kort sagt kunne modstå det dimensionerende overtryk og varigheden af dette. Beregning af overtryk og impuls er beskrevet i kapitel 4. Tabel 7 Effekt af overtryk på konstruktioner [23] Effekt Typisk tryk for brud på glas Mindre begrænset konstruktionsskader Mindre skader på bygningskonstruktioner Delvis ødelæggelse af bygninger Delvis kollaps af vægge og tage Nedre grænse for signifikante konstruktionsskader Tæt på total ødelæggelse af bygninger

mbar 10,3 27,6 48,0 69,0 138 158 345-482

kPa 1,03 2,76 4,8 6,9 13,8 15,8 34,5-48,2

I henhold til Eurocode 1 [22], kan svigt i enkelt dele accepteres, mens progressivt kollaps skal undgås. Derfor kan både i forhold til EU og US værdier vælges et overtryk på maksimalt 138 mbar/13,8 kPa for konstruktioner alene. For mennesker kan findes en væsentlig forskel på værdier der bør eller kan accepteres som maksimalt overtryk for mennesker. Hvis der kun sjældent er personer i lokalet kan vælges et maksimalt over tryk på < 100 mbar/10 kPa, mens et maksimalt overtryk < 50 mbar/5 kPa bør vælges, hvis lokaltet er arbejdsplads.

3.3 FOREBYGGELSE AF EKSPLOSIONER Forebyggelse af eksplosioner sker som følge af en risikoanalyse af faciliteter og processer. I forhold til Eurocodes skal virksomheder i konsekvensklasse 3 [24]via deres risikoanalyse af bærende konstruktioner identificere alle hazards, som f.eks. ulykkeslaster som brand og eksplosion. Risiko og konsekvens af de identificerede hazardscenarier bør tages i betragtning ved design af bærende konstruktioner. Direktivet 1999/92/EC har til formål at sikre personer mod skader ved antændelse af en eksplosiv atmosfære. Med baggrund i direktivet skal risiko for og konsekvens af en eksplosion vurderes, og en ATEX-APV skal udarbejdes. ATEX APV’en skal sikre følgende generelle principper: ” - forhindre, at der dannes eksplosive atmosfærer, eller hvis det på grund af aktivitetens særlige aktivitet ikke er muligt, - undgå antændelse af eksplosive atmosfærer, og - begrænse de skadelige virkninger af en eksplosion for at sikre arbejdstagernes sundhed og sikkerhed.” Der skal derfor jævnfør overstående foretages en vurdering af de forventede konsekvensers omfang for konstruktioner og mennesker. 3.3.1. Gassky Dannelse af en gassky med et blandingsforhold mellem den brændbare gas og oxygen i luften inden for gassens brændbare grænser bør til enhver tid undgås. Detektering af gas ved detektorer, der via f.eks. centralanlæg lukker sikkerhedsventiler, kan begrænse eventuelt udslips varighed og dermed mængde. Detektering kan ydermere starte ventilering af lokalerne der bortleder gasskyen. Se afsnit 3.3.3. 3.3.2 Tændkilder Kan dannelse af en eksplosiv gassky ikke forhindres, bør mulige tændkilder identificeres og om muligt mindskes eller fjernes. Som beskrevet i afsnit 2.2.4 findes fysiske og kemiske tændkilder. Omfang og type af tændkilder, er bestemmende for metoderne, der bør betragtes for minimering af risiko for antændelse. der findes flere retningsliner og vejledninger, bl.a. [25] [26] der beskriver dette. 3.3.3 Ventilering Konstant ventilerede lokaliteter kan ved udslip sikre en hurtig bortventilering af den eksplosive gas. Bortledning fjerner ikke nødvendigvis eksplosionsfaren, den flytter den blot til nye områder, som bør betragtes tilsvarende. Ved naturlig ventilation kan der ikke regnes med konstante forhold, og vind har her stor indflydelse på varigheden af tiden til gasskyen er bortventileret. Ved beregning af naturlige ventilationsforhold kan bruges CFD, f.eks. FLACS [1], mens mekanisk ventilering kan beregnes ved enkle håndberegninger, som vist f.eks. i DS 447 [27] Ved design af ventilering skal gas densitet og udslipkilders placering kendes for korrekt placering og bedst mulig effekt af ventilationsåbninger. 3.4 AFLASTNING OG DÆMPNING AF EKSPLOSIONER Hvis ikke de forebyggende tiltag er tilstrækkelige, eller der indtræffer en hændelse, der ikke er identificeret i risikoanalysen, og der opbygges en gassky, og antændelse finder sted, kan eksplosionen aflastes eller dæmpes for at sikre, at de besluttede maksimale overtryk ikke overskrides. Nedenfor er beskrevet metoder som sprinkling, inertisering, aflastning og ventilering, af gasskyen, til dæmpning af eksplosioner. 27

3.4.1 Water deluge Dæmpning af eksplosioner kan ske ved water deluge. Et deluge system er overordnet designet som et sprinklersystem med den forskel, at alle sprinklerhoveder er åbne, og ved aktivering sprayes fra alle hoveder. Systemet aktiveres f.eks. via automatisk optisk, termisk eller gasdetektering. Anlægget kan dog også aktiveres manuelt. Sprinklersystemer er ikke behandlet i denne rapport, og kun de væsentligste træk ved deluge systemet er beskrevet. Water deluge har fordele og ulemper. Vandet skal kvæle/slukke forbrændingen ved fordampning af vanddråberne og fortrængningen af ilt. Samtidigt kan frigivelsen af vand under tryk ved aktivering skabe turbulens i de uforbrændte gasser med et øget overfladeareal til følge, og dermed højere forbrændingshastighed [28]. Der er ikke tradition for denne type eksplosionssikring i Danmark, og Beredskabsstyrelsen har ikke kendskab til nogen anlæg i Danmark. Water deluge kan via simulering i FLACS [1] vurderes i forhold til eksplosionssikring i rapportens case. Water deluge er ikke yderligere omhandlet, og er ikke vurderet i FLACS. 3.4.2 Inertisering Ved at sikre at gaskoncentrationen ved udslip holdes eller bringes under LEL, kan en antændelse af gasskyen undgås. Ved inertisering fortrænges den atmosfæriske luft med en inert gas, som f.eks. CO2. [29]. Dermed fortrænges ilt og gasskyen, hvilket dog kan give samme problematikker som beskrevet 3.2.3 Ventilering. 3.4.3 Ventilering Som ved inertisering kan gasskyens koncentration holdes eller bringes under LEL ved at fjerne udslippet, eller ved at fortynde koncentrationen ved at udlufte lokalet eller bygningen, hvori udslippet er sket. Ventileringen kan ske enten mekanisk eller naturligt. Den mekaniske ventilation kan opdeles i to metoder, overtryk og undertryk. Ved overtryk blæses atmosfærisk luft ind i lokalet eller bygningen, og dermed fortrænges gassen. Ved undertryk suges gassen ud. Ventilationen bør være automatisk aktiveret, f.eks. ved detektering, suppleret med en manuel aktivering. Opmærksomheden skal dog specielt rettes mod, at hvis indblæsning af atmosfærisk luft, når gaskoncentrationen er over UEL, og gassen og den atmosfæriske luft opblandes, vil koncentrationen af gas falde, og bevæge sig gennem området mellem UEL og LEL, hvor en antændelse kan finde sted. Dette forhold skal tages i betragtning ved design af ventilationsanlæg. Bruges bygningens komfortventilation til gasventilering, skal anlægget designes til formålet, f.eks. skal tændkilder i rørføringer fjernes, og det skal sikres, at gassen ikke kan flyttes til andre områder i bygningen. Naturlig ventilation sker ved samme principper som mekanisk ventilation. Gassen udskiftes med atmosfærisk luft. Ventilationen kan ske ved, at bygningens vinduer og døre designes, så de aktivt kan indgå i det automatiske ventilationssystem, der åbner facaderne, så vinden kan udskifte luften i bygningen. Dette er dog meget afhængigt af vejrforholdene. Ved brug af ventilation skal områderne udenfor bygningen, hvor gassen ledes hen, betragtes som eksplosionsfarlige områder, og dermed vurderes for tændkilder, mulighed for gas ophobning mv. Både mekanisk og naturlig ventilation kan skabe turbulente forhold i bygningen, der ved antændelse kan bidrage til opbygning af overtryk. Ventilation som eksplosionssikring er via simulering i FLACS [1] vurderet i rapportens case.

3.4.4 Aflastning Aflastning af eksplosioner sker ved tidligt i forløbet at ventilere overtrykket. Aflastningen kan ske ved membraner der brister, vinduer, lemme og tage der åbner, eller konstruktioner der trykkes ud ved overtryk. Vigtigt er dog hastigheden af aflastningen. Da eksplosioner sker på få millisekunder, må aktiveringstiden og varigheden af åbnefunktionen af aflastningen ikke være af længere varighed. Omfang og placering af aflastningsarealer er via håndberegning og simulering i FLACS [1] vurderet i forhold til eksplosionssikring i rapportens case.

4. S I MP E L MO D EL L ER I NG A F O VE RTR YK VE D H Å N D BE RE G N I NG 4.1 MODELLER Modellering af gaseksplosioner kan ske ved brug af tre forskellige metoder. Empiriske modeller, som er baseret på begrænsede eksperimentelle data, og er den mest simplificerede metode til fastsættelse af trykket fra en gaseksplosion. Som empiriske modeller kan nævnes:      

CAM – Congestion Assessment Method Sedgwick Loss Assessment Method Baker-Strehlow Method TNO Method Multi-Energy Concept TNT Equivalency Method

Blandt de empiriske modeller er i rapporten brugt TNT modellen, TNO modellen og BakerStrehlow modellen. Fænomenologiske modeller, er forenklede fysiske modeller der tilstræber at favne de væsentligste fysiske egenskaber ved gaseksplosioner. Blandt disse modeller kendes SCOPE (Shell Code for Overpressure Predicition in gas Explosions) udviklet af Shell i 1994, og beregninger er 1 dimensionelle. Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller, der ved partielle differentialligninger løser explosionsprocessen, som det også kendes fra f.eks. brandforløb. Her kan nævnes f.eks. AutoReaGas baseret på TNO modellen, samt FLACS, baseret på bl.a. flow. Det efterfølgende afsnit beskriver et udpluk af de nævnte modeller 4.1.1 Empiriske modeller TNT TNT Ækvivalens metoden, som er en empirisk model, er baseret på den antagelse, at eksplosionskraften fra en gassky kan omsættes til den mængde TNT der vil producere den samme eksplosionskraft. Denne model muliggør en sammenligning af eksplosionsstyrke for eksplosioner fra forskellige typer gasser. Ved omregning af gassens energi til den tilsvarende energi fra TNT kan eksplosionens styrke fastsættes. Gennem forsøg med kontrollerede eksplosioner med TNT er energimængden for TNT fastlagt til ca. 4602 kJ/kg [3] Ud fra formel (4.1) nedenfor kan den ækvivalente mængde TNT udregnes: (4.1) Hvor, W η m Ec ETNT

er er er er er

den ækvivalente masse TNT [kg] den empiriske eksplosionseffekt % massen af den brændbare gas [kg] brændbare gas varmekapacitet [kJ/kg] TNT´s varmekapasitet [4602 kJ/kg] [3]

Denne enkle model kræver dog en empirisk eksplosionseffekt, som kan være vanskelig at fastsætte. Daniel A. Crowl [3] forslår dog værdier mellem 1% til 10% for de hyppigeste kulbrintebaserede, normalt reaktive gasser, hvor f.eks. propangas kan sættes til 5% og for acetylen, der er en høj reaktivgas, til 15%. Når W er fundet, findes ved (4.2) Z, som er den skalerede afstand, og ud fra Figur 15 kan nu aflæses det skalerede overtryk, samt den skalerede impuls. (4.2)

Figur 15 Skaleret overtryk og impuls [3]

Ved beregning beskriver Daniel A. Crowl [3] følgende arbejdsgang. 1. Beregn eller antag gasmængden. 2. Vurder eksplosionseffektiviteten og beregn den ækvivalente TNT mængde ved ligning (4.1) 3. Fastsat derefter overtrykket ved ligning (4.2) og Figur 15. Ligningerne (4.1) og (4.2) er beskrevet af Daniel A. Crowl [3]. Modellen har dog følgende begrænsninger:    

Svage eksplosioner er ikke vel repræsenteret og resultaterne for disse kan være misvisende. Modellen tager ikke hensyn til graden af flammeacceleration som resultat af konstruktioner og installationer/forhindringer der giver anledning til turbulens. Gasskyens geometri tages ikke i betragtning. Trykbølger som resultat af gaseksplosioner ligner ikke trykbølger fra TNT eksplosioner.

Dog er modellen i vid udstrækning brugbar til estimering af eksplosionsscenarier, hvor der findes ringe eller ingen kendskab til geometrien af omgivelserne. TNO TNO Multi-Energy Method, er som TNT en empirisk model, og bruges til at fastslå overtryk og varighed ved eksplosion i lukkede og semilukkede rum med en relativ tæthed af strukturer og installationer. Ved beregning og opslag i empiriske kurver findes overtryk i en given afstand fra eksplosionens centrum og varigheden af overtrykket. Ved beregning beskriver Daniel A. Crowl [3] følgende arbejdsgang. 1. Beregn eller antag gasskyens placering og omfang. Vurder om der er lukkede eller semilukkede område, hvor gasskyen kan antages at samles. Tag hensyn til gassens egenskaber (Tungere eller lettere end luft)

2. Vurder om der er særlige område, der kan give anledning til potentiel stærkere eksplosion ved flammeacceleration. 

Tæt pakkede område med f.eks. procesudstyr, rørføringer, konstruktioner, oplag af paller e. lign. Smalle passager, f.eks. under tæt parkerede biler, mellem konstruktioner, kloakker, gennemløb, e. lign. En turbulent brændstofblanding som resultat af en lækage af gas under stort tryk.

 

Den resterende gassky formodes, at forbrænde med mindre overtryk. 3. Estimer energien fra tilsvarende brændstofblandinger, der kan antages at blive påvirket af initialeksplosionen.    

Vurder hver eksplosionskilde enkeltvis Antag, at den samlede gasblanding der er tilstede, bidrager til eksplosionen. Estimer volumen af gasblandingerne der er tilstede i samtlige områder udpeget ovenfor. Beregn forbrændingsenergien E (Joules) for hver potentiel eksplosion i de udpegede områder, ved 3,5 J/m3 x 106 J/m3. Det kan antages, at den gennemsnitlige Heat of combustion er 3,5 MJ/m3 for støkiometrisk blanding af kulbrinter og luft.

4. Estimer styrken på hver enkelt eksplosion på en skala fra 1 til 10, hvor 10 er den stærkeste. 

For en sikker og konservativ betragtning kan vælges en maksimal styrke på 10 (detonation). Men et mere repræsentativt bud baseret på erfaringer, vil være en styrke på 7. Ydermere er der, for side-on overtryk på omkring 0,5 bar, ikke væsentlig forskel på styrke mellem 7 til 10. Eksplosioner fra den resterende gassky der sker ved fri forbrænding uden forhindringer, kan antages at have en lav styrke. For inaktive, stillestående dele af skyen, kan antages en styrke på 1, mens mere aktive dele, med lav turbulens, kan antages at have en styrke på 3.



5. Når forbrændingsenergien E og den initiale eksplosionsstyrke er fundet, kan Sachsscaled side-on overtryk og varighed ved en give afstand findes ved aflæsning af eksplosionskurverne i Figur 16 efter beregning af Sachs-scaled distance ̅

(4.3) (

Hvor

)

er er er er

den dimensionsløse skalerede afstand fra eksplosionens centrum distancen fra eksplosionens centrum (m) forbrændingsenergien (J) det ambiente tryk (Atmosfærisk tryk 101.325 )

Som også kan skrives som,

(4.4) (

Hvor

⁄

)

løses som den gennemsnitlige forbrændingsværdi for de fleste kulbrinte gasser på ⁄

, Hvor V er volumen af gasskyen.

Figur 16 Overtryk for eksplosionsstyrke 1-10

Figur 17 Varighed

Derefter beregnes varigheden af side-on overtrykket ved Sachs-scaled ̅

(4.5)

̅ [

( ⁄ )

Hvor er ̅ er er er ̅ er er er

]

(4.6)

side-on overtrykket (Pa) Sachs-scaled side-on overtryk det ambiente tryk (Atmosfærisk tryk 101.325 ) varigheden af den positive fase (s) den Sachs-scaled varighed af den positive fase (dimensionsløs) forbrændingsenergien i (J) den ambiente lydens hastighed (m/s)

Ligningerne (4.3) til (4.6) er alle beskrevet af Daniel A. Crowl [3]. Modellen har dog følgende begrænsninger: 

 

Estimering af styrken på hver enkelt eksplosion foretages ud fra konstruktioner og installationer/forhindringer, der giver anledning til turbulens, men der findes kun få, begrænsede retningslinjer for, hvordan dette gøres, hvilket betyder, at styrke 7 oftest vælges. Det fremgår ikke tydeligt, hvor flere samtidige eksplosioner, eller regioner med gasser, håndteres. Tager ikke komplicerede geometrier i betragtning.

Dog tager modellen flere forhold i betragtning, der ikke repræsenteres i TNT modellen, og er umiddelbart bedre egnet, når kendskab til geometrien af omgivelserne findes. Baker-Strelow-Tang Baker-Strelow-Tang, der er den sidste af de empiriske modeller, er meget lig TNO metoden, men hvor TNO alene tager udgangspunkt i forbrændingsenergien, tager BakerStrelow-Tang modellen ud over forbrændingsenergien også udgangspunkt i flammehastigheden, som opgives i Mach. Metoden er baseret på flammehastighed, der vælges ud fra tre faktorer: 1. Gassens reaktivitet, som enten lav, medium eller høj. Her beskrives gasserne Metan og karbonmonoxid som lav reaktivitet, mens Hydrogen, acetylen, ethylen, ethyloxid og propylenoxid betragtes som højreaktive. Alle andre brændbare gasser skal betragtes som medium [30]. 2. Muligheden for flammens udbredelse. Her betragtes geometrien af omgivelserne hvori flammeudbredelsen vil finde sted. Her skal betragtes forhold som rummet/det fri, indelukkethed, indretningen. Her opdeles som vist nedenfor i Tabel 8.

Tabel 8 Geometribeskrivelser for Baker-Strelow-Tang modellen [3] Dimension

Beskrivelse

Geometri

Frit volumen. Ingen forhindring, og fri ekspansion.

2,5D

Volumen omkranset af lette konstruktioner. Eksplosionsaflastede rum.

Proces/industri med væsentlige forhindringer, under f.eks. parkerede biler, delvist åbne rum.

Tunneler, skakte, korridorer, kloaker.

Mellem 2D og 3D

3. Sidst vælges niveauet af forhindringen der vil indvirke på turbulens og dermed flammehastigheden ved en forbrænding. Tabel 9 Beskrivelse af forhindringsniveau for Baker-Strehlow-Tang modellen [3] Type Lav

Procentvis forhindring < 10%

”Lag” af forhindringer Et eller to lag af forhindringer

Medium

>10% <40%

To eller tre lag af forhindringer

Høj

> 40%

Tre eller flere lag af forhindringer

Geometri

Når ovenstående er valgt, kan i Tabel 10 vælges en flammehastighed, og derefter aflæses i Figur 16. Sachs skalerede afstand R, som bruges i formel (4.3) på samme måde som ved beregning i TNO modellen. 1D flame Expansion er ikke medtaget her, da den kun dækker flamme udvidelser i rør, og sjældent bruges [3]. Tabel 10 Flammehastigheder angivet i Mach hastigheder [3]. 2D Flame Expansion Case Reactivity

Høj Medium Lav

2,5D Flame Expansion Case Reactivity

Høj Medium Lav

3D Flame Expansion Case Reactivity

Høj Medium Lav

Obstacle Density Høj DDT* 1,6 0,66

Medium DDT* 0,66 0,47

Lav 0,59 0,47 0,079

Obstacle Density Høj DDT* 1,0 0,50

Medium DDT* 0,55 0,35

Lav 0,47 0,29 0,053

Obstacle Density Høj DDT* 0,50 0,34

Medium DDT* 0,44 0,23

Lav 0,36 0,11 0,026

Figur 18 Skaleret overtryk [3]

Figur 19 Skaleret impuls [3]

Modellen Baker-Strelow-Tang er nem og hurtig at bruge, og har flere fordele:   

Kan håndtere flere antændelseskilder Tager hensyn til indelukketheden i modellen Resultatet at overtrykket er konservativt.

4.1.2 Fænomenologiske modeller Fænomenologiske modeller, også kaldet fysiske modeller, er metoder der modellerer de væsentligste processer, der sker ved en eksplosion i brændbare gasser. De enkle modeller forenkler geometrien og omsætter denne til en geometri, der kan beregnes i modellen. Fænomenologiske modeller kan være effektive til en vis grad, hvis geometriens struktur kan ligestilles med en struktur af gentagene rækker af forhindringer. SCOPE og CLICHE er Fænomenologiske modeller. SCOPE (Shell Code for Overpressure Prediction in Gas Explosion model) er udviklet af Shell Research, yderligere litteratur kan finde i J.S. Puttock et al. [31]. CLICHE er udviklet af British Gas, yderligere litteratur kan finde i R. P. Cleaver et al. [32]. De Fænomenologiske modeller bruges ikke i denne rapport, og gennemgås ikke yderligere.

4.1.3 Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller CFD er modeller, der ved partielle differentialligninger løser eksplosionsprocessen, som det også kendes fra f.eks. brandforløb. Her kan nævnes f.eks. AutoReaGas baseret på TNO modellen, samt FLACS, baseret på bl.a. flow. Nedenfor beskrives de to mest udbredte af de nævnte modeller. I kapitel 6 Avanceret modellering af eksplosioner med FLACS er brug FLACS for design af case. AutoReagas AutoReaGas er en 3D CFD-baseret software til modellering af gaseksplosioner og efterfølgende trykforløb. Det er især designet til scenarier i procesindustrien med lukkede og semilukkede lokaler eller områder med stor grad af rørføringer eller andre forhold der kan give anledning til øget turbulens, som har væsentlig indvirkning på flammeacceleration og dermed det resulterende overtryk.

Figur 20 AutoReaGas screendump

AutoReaGas er forholdsvis udbredt i en stor del af verden blandt rådgivere, konsulenter og forskere, der arbejder med sikkerhed og risikoanalyse i kemiske virksomheder. [33] FLACS FLACS er blandt de førende værktøjer til eksplosions-, udslips-, og ventileringssimulering på industrielle olie-og gasinstallationer og har været førende i mere end et årti.

Figur 21 FLACS tryksimulering

FLACS er bredt valideret mod eksperimenter. Se bl.a. [1] [12] [28] .

4.2 SIMPEL MODELLERING OG DIMENSIONERING Rapporten har en case der tager udgangspunkt i en dansk fabrik opført efter præskriptive regler. Formålet med case beregningerne er, at vise brugen af de tidligere beskrevet modeller. Rapporten giver ikke en introduktion til risikostyring, men alene de forhold der gør sig gældende for Strandmøllen. Strandmøllen har i vurderingen af mulige scenarier, bl.a. kigget på muligheden for svigt på rørsystem. Fra Strandmøllens risikoanalyse: ”Der sprænges en slange der er tilkoblet en flaske på fylderampen. Slangen sprænger under påvirkning fra et træk, slag eller andet under håndtering i området. Dvs. det sker i arbejdstiden.” Dette scenarie danner grundlag for rapportens case. 4.2.1 Case beskrivelse. Rapporten har Strandmøllens acetylen fabrik som case. Fabrikken er vist i Figur 21 nedenfor. Fabrikken er beliggende i den østlige del af en større indhegnet industrigrund i udkanten af Holbæk. Der er på ejendommen flere bygninger: 1. Tidligere lager og produktionshal der pt. står tom 2. Tidligere lager og produktionshal der pt. står tom 3. Karbidlager 4. Kompressor bygning 5. Fyldningshal 6. Overdækket lagerområde

Figur 22 Luftfoto af Strandmøllen, Holbæk

Figur 23 Facadeudsnit med vinduesbånd delvist åbent

Figur 24 Plantegning af fyldningshal.

Fælles for bygningerne er, at de er opført i teglstensvægge med bjælkekonstruktioner af spændbeton. Interne skillevægge er teglstensskillevægge med enkelt undtagelser. Bygningerne har let tagkonstruktion der er designet som aflastning i tilfælde af en eksplosion. Taget er fastgjort, så det vil blive trykket ud ved et overtryk på 0,5 kPa. Tilsvarende funktion er tillagt vandret vinduesbånd i begge langsgående facader. Vinduerne åbnes ved aktivering af gasdetekteringsanlæg ved 50% af LEL i fyldningshallen. Vinduerne kan dog åbnes manuelt. I fyldningshallen er indrettet et kontor med teglvægge. Tabel 11 Dimensioner for bygning Overflader Gulvareal Væg overflader Vinduesbånd Døre Volumen 3.293 m3

Areal (m2) 682 541 96 23

Andel %

Bemærkning

17,7 4,25

Samlet åbningsareal 22 %

Acetylen kan fremstilles ved en kemisk eller en termisk proces. Fabrikken producerer acetylen ved en kemisk proces. Dette sker ved, at calciumkarbid tilsættes vand i bygning 4. Den kemiske reaktion (

)

(4.8)

har slutprodukterne acetylen og calciumkarbonat (Hydratkalk). Acetylenen tryksættes derefter i bygning 4 og fyldes på flasker i bygnings 5, fyldninghallen. Langs facaderne i bygning 5, Fyldningshallen, er et vinduesbånd, der er designet til at fungere som ventilation og eksplosionsaflastareal. Vinduerne, se Figur 23, er dog ikke automatiske, og skal betjenes manuelt ved udslip af gas i hallen. For beregning af en eksplosion i fyldningshallen opstilles følgende med udgangspunkt i ovenstående arbejdsgangsbeskrivelse af beregningsforløbet. Gasskyen antages som følge af vurdering i virksomhedens risikoanalyse at være på 7,5 m 3 ren acetylen, hvilket giver en gassky på 97 m3 med støkiometrisk blandingsforhold og eksplosionens centrum antages at være midt i hallen tættest på kontoret i gulvniveau. For beregningen af størrelse og forbrændingsenergi af acetylengassky i fyldningshal henvises til bilag I.

Figur 25 Acetylen-luft sky på 97,02 m2.

Der er ved håndberegningerne antaget en gassky på 97 m 3 og en afstand til ydervæg på 9,0 m fra gasskyens centrum. Der er ikke medtaget det volumen flaskerne har, og dermed forøger gasskyens udbredelse. Håndberegningsmodellerne er begrænset i forhold til dette, mens f.eks. FLACS input er gasskyens volumen, altså her de 97 m3. FLACS kalkulerer objekter i volumen, tillægger dette volumen af gassen, og finder den samlede udbredelse af gasskyen.

Figur 26 Flaske opstilling fyldningshal.

4.2.2 TNT TNT har som beskrevet i afsnit 4.1.1 begrænsninger i forhold til svage eksplosioner og i forhold til forhindringers effekt på flammeaccelerationen. Uanset disse begrænsninger opsættes beregningen af scenariet beskrevet i 4.2.1 ved ligning (4.9). (4.9) Hvor, W η m Ec ETNT

er er er er er

den ækvivalente masse TNT [kg] den empiriske eksplosionseffekt % som for acetylen sættes til 15% [34] massen af den brændbare gas [kg] brændbare gas varmekapacitet 4991,17 kJ/kg [34] TNT’s varmekapacitet 4602 kJ/kg [3]

Når W er fundet, findes ved (4.10) Z, som er den skalerede afstand, og ud fra Figur 16 kan nu aflæses det skalerede overtryk, samt den skalerede impuls i en afstand på 5 meter fra centrum. (4.10)

P0= 3,04 kPa Tabel 31 i bilag V kan aflæses for beregning af alle afstande, med interval på 0,5 meter. 4.2.3 TNO Ved beregning af overtryk og varighed, beskriver Daniel A. Crowl [3] arbejdsgangen som er brugt i afsnit 4.2 ”Simple modeller”. For beregning af en eksplosion i fyldningshallen opstilles følgende med udgangspunkt i ovenstående arbejdsgangsbeskrivelse af beregningsforløbet. 1. Gasskyen fastsættes som beskrevet i 4.2.1 til 97 m3 2. Det vurderes at særlige områder, der kan give anledning til potentiel stærkere eksplosion ved flammeacceleration, kan findes blandt flaskerne og rørføringer. 3. Forbrændingsenergien E (Joules) for eksplosionen i de udpegede områder Figur 25, ved 4,16 x 106 J/m3 x 97 m3. 4. Styrken på eksplosionen vurderes på skalaen til 8, grundet acetylens reaktivitet, samt at skyen antages at være med støkiometrisk blandingsforhold. 5. Beregning af Sachs-scaled distance ̅, ved en afstand fra centrum på 5 m ved ligning (4.4) og opslag i Figur 15, beregnes PS

̅ (

)

̅ 0,31 ̅ til 2,0 og overtrykket

Så findes i Figur 16,

kan beregnes

̅ (

)

Tilsvarende beregningen, som den lavet for for de 5 meter, kan beregninger for alle afstande, som i Tabel 32 med interval på 0,5 meter. Tilsvarende kan opstilles ved valg af eksplosionsstyrke 9 i Tabel 33 i bilag V. 6. Derefter beregnes varigheden af side-on overtrykket ved(4.11) og opslag i Figur 17 Varighed, at ̅ [

( ⁄ )

(4.11)

]

Hvor ̅ findes ved opslag i Figur 17,

Varighed 0,35

Varighed ms

0,30 0,25 0,20 0,15

td, TNO styrke 8

0,10

td, TNO, styrke 9

0,05 0,53

0,50

0,47

0,44

0,41

0,38

0,35

0,31

0,28

0,25

0,22

0,00 Skaleret distance

Figur 27 Varighed som funktion af afstanden fra eksplosionscentrum.

4.2.4 Impuls Varigheden af eksplosionsovertrykket har indflydelse på effekten af eksplosionen og skaderne fra denne. Impuls beskriver det integrerede areal under trykkurven for eksplosionen, og skrives som [35]: ∫

()

(4.12)

som også, ved konstant tryk, kan skrives som (4.13) Hvor:

P(t) PSO t0 ta c

er trykket som funktion af tiden er maksimalt overtryk er varigheden af overtrykket er ankomsttiden for overtrykket er værdien der bruges til at beskrive trykvariationen i forhold til tiden. Værdien kan sættes til 0,2 – 0,5. Konservativt kan værdien sættes til 0,5.

Impuls 100

is kPa

80 60 TNO 8 40

TNO 9

TNT 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0

0 Meter fra centrum af eksplosion

Figur 28 Impuls som funktion af afstand fra centrum

Ved de givne overtryk i Figur 29 kan ved ligning (4.12), findes impuls som vist i Figur 28.

4.2.5 Baker-Strehlow-Tang metoden Samme beregning kan udføres med Baker-Strehlow-Tang metoden, der ligner TNO på mange punkter. Se afsnittet 4.1.1 Empiriske modeller. Samme forudsætninger er gældende, da beregningen sker ved samme forhold. For Baker-Strehlow-Tang skal vælges Geometri, omslutningsgraden og flammehastigheden. Geometrien fastsættes i Tabel 10 til 2D, mens omslutningsgraden i Tabel 9 findes til Medium. Det kan argumenteres for en omslutning på High pga. af tætheden af flaskerne, men da der over flaskerne er langt mellem rør og konstruktioner, vælges altså Medium. Sidst vælges ud fra Tabel 10 en flammehastighed for acetylen på DDT. Det kan derfor antages, at der er stor sandsynlighed for, at en acetylengassky i dette tilfælde kan detonere. 4.3 SAMMENLIGNING AF MODELLER Ved sammenligning af resultaterne i Figur 29 nedenfor ses en signifikant forskel på overtrykket, afhængig af den valgte model, samt valg af eksplosionsstyrke. Når der samtidigt, ved brug af Baker-Strehlow-Tang metoden angives en mulig DDT, giver det et klart billede af forskellene i modellerne. Forudsætninger og begrænsninger for de enkelte modeller bør derfor kendes, og valg af model kræver indgående kendskab til både model, gasart, bygningens geometri og layout. For TNT, TNO styrke 8 og TNO styrke 9 kan Tabel 34 i bilag V, vises som nedenfor i Figur 29.

Overtryk 600,00

Overtryk i kPa

500,00 400,00 300,00

TNT

200,00

TNO 8

100,00

TNO 9

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

0,00 Meter fra centrum af eksplosion

Figur 29 Overtryk som funktion af afstanden fra eksplosionscentrum.

Når det også er kendt, at obstruktioner i gasskyen giver større turbulens, hvilket medfører større overtryk, kan det antages, at der sker en stigning i hastighed og tryk, så længe forbrændingen sker i den del af rummet, der er obstrueret af flasker og rør, mens hastighed og tryk må antages at falde, når forbrændingen sker i den frie del af rummet. Dette afspejles ikke i modellerne, da disse ikke tager højde for ændringer i obstruktionsgraden i rummet, men alene en middelværdi. I et rum, som det er beskrevet i rapportens case, er dette forhold ikke så udtalt, men ved store faciliteter, hvor der arbejdes med frie område for at nedbringe eksplosionsstyrken, vil dette have væsentlig betydning. I Figur 28 ses samme tendens som i Figur 29 Overtryk som funktion af afstanden fra eksplosionscentrum. Afhængigt af den valgte model, og eksplosionsstyrke, findes signifikant forskel på impulsen. Tabel 12 Opsummering af fordele og ulemper ved empiriske modeller [36] Model TNT Equivalency Method

Fordele Nemt tilgængelig Hurtig. Nem sammenlignelig.

Begrænsninger og svagheder Svage gaseksplosioner vises ikke korrekt. Kun informationer om positive fase. Ikke velegnet til gaseksplosioner, da trykkurver for TNT og gas er forskellige.

TNO Method

Hurtig og nem at anvende. Resultatet at overtrykket er konservativt. TNO er som udgangspunkt som ME, dog med den forskel, at TNO antager, at hele gasskyen bidrager til eksplosionsovertrykket, og ikke kun den del der begrænses af den indelukkede og pakkede del.

Bestemmelse af den totale forbrændingsenergi kan være besværlig. Svage og kun delvist indelukkede gaseksplosioner vises ikke korrekt. Estimering af styrken på hver enkelt eksplosion fortages ud fra konstruktioner og installationer/forhindringer der giver anledning til turbulens, men der findes kun få, begrænsede retningslinjer for hvordan dette gøres, hvilket betyder, at styrke 7 oftest vælges. Det fremgår ikke tydeligt, hvor flere samtidige eksplosioner, eller regioner med gasser håndteres. Tager ikke komplicerede geometrier i betragtning.

BakerStrehlow Method

Kan håndtere flere antændelseskilder Tager hensyn til indelukketheden i modellen Resultatet at overtrykket er konservativt.

Resultatet at overtrykket er signifikant konservativt.

Med baggrund i ovenstående beregninger, og at TNO er det bedst egnede til beregning af eksplosioner, da TNT ikke er egnet for gaseksplosioner, er i de følgende kapitler er valgt resultaterne fra TNO Method med eksplosionsstyrke 8, for sammenligning med ventilerings- og simuleringsresultater. Eksplosionsstyrke 8 er valgt, da acetylen er en højreaktiv gas, men dog ikke helt på niveau med f.eks. brint.

5. S I MP E L MO D LL E RI N G A F A FL A ST N I N G V ED H Å N DB ER EG N I N G 5.1 AFLASTNING Beregning af aflastningsarealer for sikring mod overskridelse af det maksimalt tilladelige overtryk fra gaseksplosioner kan ske ved brug af forskellige metoder f.eks. Rasbashs [34] metode, Runes [34] metode, Harris’ [34] metode og NFPA 68’s [18] metode. De to mest brugte er Rasbashs [34] metode og NFPA 68’s [18] metode. Begge metoder gennemgås nedenfor. 5.1.1 Rasbashs metode Ved beregning af det nødvendige ventilationsareal ved brug af Rasbash beregnes arealet Av som: (

Hvor

)

(5.1)

findes som: (5.2)

og hvor (5.3) og Pred Pv f Su w V Ac Av

er er er er er er er er

det maksimalt tilladte overtryk (kPa) aktiveringstryk for aflastningsarealer (kPa) turbulensfaktor flammehastigheden (m/s) vægten af aflastningselementerne (kg/m2) rummets volumen (m3) arealet af det mindste tværsnit i rummet (m2) arealet af eksplosionsaflastning(m2)

Turbulensfaktoren er beskrevet af Rasbash [34], som værende mellem 1.5 og 5 ved bygninger med en vis grad af obstruktioner. 5.1.2 NFPA 68 Ved beregning af det nødvendige ventilationsareal ved brug af NFPA 68 [18]beregnes arealet Av som: (5.4) Hvor Av C AS Pred

er er er er

ventilationsarealet (m2) ventilationskonstanten, der kan findes ved ligning (5.5) de omkransende overflader der trykpåvirkes, dog ikke lofter og gulve (m 2) det maksimale ventilerede overtryk (bar)

Ventilationskonstanten C (bar1/2) findes ved: ( )

( )

(5.5)

Hvor Su er flammehastigheden (cm/s) Ved beregning af ventilationsarealet skal følgende betragtes:  

 

Gælder for deflagration, ikke for detonation For AS gælder at L/D ≤5 For Pred gælder at det ventilerede overtryk ikke må overstige 0,1 bar Flammehastigheden Su må ikke overstige 0,6 m/s

5.2 SIMPEL MODELLERING OG DIMENSIONERING 5.2.1 Case beregning For beregning af aflastningsarealer i fyldningshallen er nedenfor beskrevet beregningerne efter Rasbash, mens NFPA er begrænset til gasser med flammehastigheder < 0,6 m/s. og derfor ikke kan bruges for Acetylen. Ventileringsarealet er bestemt til at omfatte vinduesbånd i begge facader, se Figur 23, og Tabel 11, i alt 96 m2. Elementerne fastsættes til at bryde ved 0,0 bar, da det forudsættes, at vinduerne er automatisk eller manuelt åbnet. Vægten af aflastningselementet er i NFPA ikke beskrevet i forhold til om det er hele elementet inkl. indbygning, eller kun en del der udløses. Det må dog antages, at der kunne medregnes den del der påvirkes af trykket. Gennemsnitsvægten på elementerne vurderes, at have en vægt på 2,5 kg pr. m2. 5.3.3 Rasbash og NFPA metoder Vinduesbånd som aflastning Her skal nævnes, at NFPA ikke vises i Figur 30 nedenfor jf. overstående begrænsning i NFPA 68. Rasbash I Tabel 11 er givet bygningens dimensioner, og ved brug af ligning 5.2 og 5.3 findes hhv. og . Nedenfor er ligningerne 5.2 og 5.3 indsat i ligning 5.1, hvor ved det maksimale overtryk i fyldningshallen findes som:

((

Pred Pv f Su w V Ac Av

er er er er er er er er

)

overtrykket i kPa aktiveringstryk for aflastningsarealer 0,0 kPa turbulensfaktor på 1,5 [34] flammehastigheden for acetylen på 1,66 (m/s) vægten af aflastningselementerne 2,5 kg/m2 rummets volumen 3069 m3 arealet af den mindste tværsnit 19 m x 5 m = 95 m2 arealet af eksplosionsaflastning 96 m2

Af ovenstående beregning, kan det ses, at overtrykket overstiger acceptkriteriet på < 5 kPa (0,05 bar), og hallens eksplosionsaflastningsarealer ikke er tilstrækkelige, alene ved brug af vinduesbåndet.

Vinduesbånd og tag som aflastning Med i ovenstående beregning er ikke medtaget, at bygningens tag er et let stålpladetag, der et tiltænkt aflastningsfunktion ved eksplosioner. Tagets areal er 799 m2. Medregnes lokalets tag og døre, vil aflastningsarealet være 913 m2. Det antages, at aflastningstrykket for arealerne er 0,5 bar, da taget er dimensioneret for dette tryk [37]. I ligningen er samtlige arealer fastsat til aktiveringstryk på 0,5 kPa.

((

)

Dette vil ifl. Rasbash, ligning 5.1 give et maksimalt overtryk i lokalet på 2,7 kPa, når aktiveringstrykket bestemmes til 0,5 kPa. Det samlede aflastningsreal i fyldningshallen er derfor tilstrækkeligt. Maksimalt overtryk 2,7 kPa < Acceptkriterium 5 kPa. I tagfladen findes et aflastningsareal på 7,7 m2, arealet er en åbning der løber langs med bygningen i hele bygningens længde i rygningen af taget. Ved svigt i åbning af vinduer og tagflade, vil dette areal sikre en aflastning med et maksimalt overtryk beregnet med ligning 5.1 på 181 kPa. Dog er den primære funktion af denne åbning ventilering.

Overtryk beregnet Acceptkriterie 10 kPa

913

Acceptkriterie 5 kPa 310

40 35 30 25 20 15 10 5 0

150

Overtryk i kPa

Overtryk som funktion af aflastningsareal

Areal i m2 Figur 30 Overtryk som funktion af aflastningsareal

Ved beregning ved Rasbash, kan overtrykket som funktion af arealet opsættes som vist i Figur 30. Det kan aflæses, at effekten ved forøgelse af aflastningsarealerne falder ved større areal. NFPA Beregningen foretaget ved NFPA 68, ligning 5.4 foretages ikke, da NFPA kun er gældende for overtryk < 0,1 bar / 10 kPa, og gasser med flammehastighed ≤ 60 cm/s

Mindste aflastningsareal Lokalets acceptkriterier for maksimalt overtryk kan, jf. ovenstående, ikke overholdes alene ved ventilering af lokalerne via vinduesbånd. For beregning af mindste aflastningsareal Av, bruges ligning 5.1 med 5.2 og 5.3 i ( (

) )

Ved beregning af det nødvendige ventileringsareal ved brug af Rasbash fås et nødvendigt areal på 310 m2 ved acceptkriterium på 5 kPa, mens acceptkriterium på 10 kPa kræver 150 m3 aflastningsareal. Til sammenligning vil en gas som f.eks. propan med flammehastighed på 60 cm/s [18] iflg. Rasbash, ligning 5.1, skabe et maksimalt overtryk i bygningen på 5,6 kPa, ved 96 m2 aflastningsareal. 5.3 SAMMENLIGNING AF MODELLER Ovenstående gennemgang af modellerne viser, at NFPA 68 ikke kan bruges på beregningerne med f.eks. acetylen, da denne gas har en flammehastighed > 0.6 m/s. Rasbashs model er derfor eneste beregning af overtryk i en ventileret bygning ved en gas med flammehastighed > 0,6 m/s. En direkte sammenligning på baggrund af ovenstående er derfor ikke mulig. En opsummering af Rasbash er beskrevet nedenfor, og for nærmere studier kan anbefales Lee's loss prevention in the process industries: hazard identification [34] I Rasbashs model betragtes følgende forhold som relateres til eksplosionen og bygningen der aflastes.     

Aktiveringstryk for og vægt af aflastningsarealer Turbulensfaktor der beskriver rummets/omgivelsernes indretning. Flammehastigheden der beskriver gassens reaktivitet Rummets volumen og delvis form ved mindste tværsnit Arealet af eksplosionsaflastning.

I Rasbashs model betragtes følgende forhold ikke:     

Rummet geometri og eventuelle delvis adskillende vægge og konstruktioner. Gasmængde, blandingsforhold og placering, og dermed udvidelsesmuligheder. Antændelsesstedet. Aflastningsarealernes placering i forhold til eksplosionen, Ventilationsarealer der er åbne ved antændelse af gasskyen.

Ved komplicerede bygninger, bygningsafsnit eller rum, specielt sammenhængende rum og rum med store volumener vil resultaterne fra Rasbash ikke være valide. For dimensionering af denne type bygninger, bør efterfølgende kapitel 6 betragtes.

6. A V A NC ERE T MO DEL LER I N G AF EK SPL O S IO NE R ME D CF D 6.1 AVANCERET MODELLERING OG DIMENSIONERING Som nævnt i 1.3 Baggrund findes kun begrænset mulighed for at sikre fleksibilitet og funktionalitet i bygninger designet efter Tekniske forskrifter for gasser [5], som overordnet er formuleret som præskriptive krav. Kravene er dog et indirekte fastsat sikkerhedsniveau, der kan danne grundlag for en funktionsbaseret designtilgang. De præskriptive regler giver ikke en dybere forståelse for eksplosioners opståen og udvikling. For en dybere forståelse af de enkelte variable parametres indflydelse er i nærværende kapitel sammenlignet beregninger, dels fra kapitel 4 og 5, dels fra varierende avancerede modelleringer beskrevet i bilag III. For funktionsbaseret design af bygninger for eksplosioner kan f.eks. bruges Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller, som det også kendes fra brandteknisk dimensionering. Der findes som nævnt i afsnit 4.1.3 flere modeller, og der er i denne rapport brugt FLACS, se afsnit også afsnit 4.1.3 Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller. 6.2 FLACS FLACS software er en CFD model for simulering af udslip, spredning og eksplosioner i gas. FLACS består af 3 moduler. CASD, Runmanager og Flowvis, se Figur 31. Nedenfor er en kort beskrivelse af modulerne og beskrivelse af modellen. En step-by-step guide til oprettelse af scenarie i FLACS kan findes i appendiks. Uddybende information kan findes på http://www.gexconus.com/doc//olav/FLACS-Brochure.pdf samt i FLACS user’s manual [38]. FLACS indeholder ydermere en del utility programmer. Disse vil dog ikke blive gennemgået i rapporten.

Pre-processor "CASD" - opsætning og definering af geometri - opsætning og definering af gassky, herunder størrelse og placering

Processor "FLACS" -

Gaseksplosions-

simulering

Post-processor "Flowvis" - Tryk, dynamisktryk, impuls - tid kurve - 2D & 3D grafiskpræsentation i form af billeder og animation

- opsætning og definering af antændelse - opsætning og definering af moniteringpoints for output data

Figur 31 FLACS Modul oversigt

Grundlæggende fysiske og kemiske modeller i FLACS gennemgås ikke i rapporten, men for nærmere studier henvises der til Chapter 8 Technial Reference i Gexcon, FLACS v. 9.0 user’s manual [38]

6.2.1 Beregningsforløb Ved beregninger i FLACS oprettes en model af bygningen eller bygningerne, der vil indgå i analysen. Derefter opsættes scenarier i CASD. For en detaljeret fremgangsmåde henvises til appendiks, der indeholder opsætning og benchmark af FLACS software. I rapporten er oprettet én bygningsmodel, der er gennemgående i alle analyser, hvor intet andet er beskrevet. 6.2.2 Opsætning af software Validering Benchmarking af softwaren er af væsentlig betydning for validiteten af resultaterne.

Figur 32 FLACS validerings forsøg (Foto: http://www.gexcon.com/FLACSvalidation)

Da hverken eksperimenter eller fuldskala forsøg har været mulige i forbindelse med udarbejdelsen af denne rapport, er grundlæggende benchmarking test af softwaren ikke mulig, og for nærmere studier henvises der generelt til nedenstående litteratur og til Gexcons hjemmeside http://www.gexcon.com/FLACSvalidation. Nedenfor er referencelisten [39] over validerede eksperimenter for FLACS.             

1993-1996 50 methane explosion experiments with varying congestion, confinement and ignition location (JIP report 1995) 1993-1994 Extensive grid dependency study for explosion modeling (JIP report 1994) 1994-1995 Blast propagation in the far field, 10 tests (JIP report 1995) 1993-1996 >50 experiments with water deluge GexCon and BG experiments (JIP report 1996) 1994-1997 ~50 BFETS 2 & 3A large-scale explosion tests, variation in ignition point, congestion and more (JIP report 1998) 1994-1998 Ventilation studies vs wind measurements at various oil platforms (e.g. OsebergC, Beryl-B, Nelson) 1997-1999 MOGELEG, GexCon labscale experiments on the effect of nitrogen and CO2 dilution (JIP report 1998) 1996-1999 SMEDIS, EU project on evaluation of dispersion modeling (JIP report 1999) 1998-2000 GexCon 50m3 and BFETS 3B large scale dispersion and explosion tests (JIP report 2001) 2001-2004 100 lab-scale (GexCon)+ 25 large-scale (Sandia) hydrogen experiments (JIP report + ICHS-paper 2005) 2002-2004 Validation against Kit Fox, MUST and Prairie Grass atmospheric dispersion tests (Hanna Atm Env 2004) 2005-2008 15 large scale LNG dispersion experiments Burro&Coyote, Maplin Sands (Hansen, LPS 2007) 2004-2009 Various HySafe hydrogen dispersion and explosion studies (Several papers by Hansen & Middha)

I appendiks er opsat en simpel og kort validering, der alene viser brugen af FLACS samt simple eksempler på validering/kalibrering. Der findes i modsætning til andre CFD programmer en grundlæggende brugermanual, der her suppleres med en step-by-step manual [40].

Case Bygningen i rapporten er oprettet som CASD_DB geometry database.

Figur 33 Fyldningshal i FLACS CASD

Figur 33 viser modellen af fyldningshallen i FLACS pre-processor CASD. Her vist med vinduesbånd 75 % åbent og taget fjernet. Der aflastes kun i facaderne ikke i gavlene. Den øvrige del af bygningsmassen vurderes ikke at have væsentlig indflydelse på eksplosionsforløbet i fyldningshallen.

Figur 34 Betydning af indretning i FLACS

I rapporten er installationer i fyldningshallen ikke gengivet i deres fulde omfang. Der er optegnet trykflasker og hovedrørføringer, da disse antages at bidrage tilstrækkeligt til turbulens i lokalet. Dog kan overtrykket forventes højere ved total optegning af alle rørføringer, som det også fremgår af billeder fra Gexcon [12] Definering af beregningsdomænet Ved beregning af strømningerne og trykstigningerne, der ikke begrænser sig til bygningens indre, må beregningsdomænets udstrækning dække det områder udenfor bygningen, hvor det må forventes, at strømningerne og trykforskellene vil ske. Beregningsdomænet er derfor udstrakt til at dække i en afstand af mindst 10 meter fra bygningens facader, hvor der er aflastningsarealer, samt mindst 2 meter der, hvor der ikke er aflastningsarealer. Valg af modeltid I FLACS skal ikke vælges en modeltid, som det er kendt fra andre CFD simulering i f.eks. FDS. FLACS vil fortage beregninger af flow og tryk til brændstofmængden er nul. Der kan vælges en antændelsestid, der kan have indflydelse på gasskyen størrelse, koncentration og placering. Hvis ikke antændelsestid vælges, vil tiden være lig med start af simulering. Dette har kun relevans, hvis der vælges vind i modellen, og simuleringen er vindfølsom, samt ved bevægelse af gassky som følge af massefylde.

Valg af inputdata Der er i FLACS valgt input i scenarieopsætningen som beskrevet i bilag VII Ved simulering i FLACS er ikke medtaget forhold omkring:   

Initial turbulens, der f.eks. er skabt af trykket i udslipskilden, åbning af døre og vinduer. Vindforhold som følge af de åbne døre og vinduer. Styrken af antændelseskilden

Forhold som initial turbulens og vindforhold kan have både en negativ og en positiv indflydelse på eksplosionens styrke. Valg af outputdata Outputdata findes via monitering points. Der er opsat monitering point midt i de 6 døråbninger 1,5 meter over gulv. Monitering points er opsat til at give følgende output; tryk, flammespredning og hastigheder. Der fokuseres i rapporten på maksimalt overtryk i fyldningshallen, og ikke på enkeltpunkter i monitering points. Resultaterne i rapporten er derfor vist som data for maksimalt overtryk.

Figur 35 Tryk skala for FLACS

I Figur 35 er vist en skala for den grafiske fremstilling af overtryk i billeder fra FLACS Flowvis, hvor mørkeste blå er atmosfæriske/ambient tryk, og bevægende mod rød stiger trykket. Overtryk på 0,5 bar og derover er vist med rødt. Denne fremstilling bruges, medmindre andet er beskrevet i analyserne nedenfor. Valg af beregningsgrid Gexcon, FLACS v. 9.0 user’s manual [38] anbefaler et grid ikke større end 3 celler pr. 4 meter, altså 1 1/3 meter pr. celle. Der er i validering i appendiks fundet konvergens i trykkurver ved gridstørrelse  0,5 meter for den meget simple model. Gridstørrelse i simulering er derfor valgt til 0,5 meter. Aflastning I alle simuleringer, er en dør holdt åbent, da det antages, at fyldningshallen aldrig er helt lukket. Vinduer i vinduesbånd er valgt som helt lukket, eller helt åbent. Tagfladerne er udført som aflastningselementer (Pressure Relief Panel) med et aktiveringstryk på 5 kPa/0,05 bar. Tagfladerne medtages ikke i alle simuleringer, da de har signifikant indflydelse på resultatet og dermed slører effekten af de øvrige parametre. I afsnit 6.3.3 Aflastningsgrad analyseres effekten af aflastning, både med og uden at medtage tagfladerne.

6.3 CFD SIMULERING Ved opsætning af scenarier for undersøgelse af indflydelsen af input parametre forsøges følgende input parametres effekt belyst:       

Gasskyens størrelse Gasskyens placering Tændkildens placering o midt i gasskyen o kant af gasskyen Aflastnings placering o Jævnt fordelt o Strategisk placeret Aflastnings areal Geometri, placering af blastwall Indretning, antal af flasker

Se bilag III for beskrivelse af simuleringer/Jobs. I de følgende afsnit 6.3.1 – 6.3.6 er effekten for nedenstående afsnit opsat med gennemgang af simuleringen, som efterfølgende er analyseret og kommenteret. 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6

Gasskyens størrelse Gasskyens placering Antændelsessted Aflastningsgrad og -placering Indretning Geometri

Alle resultater i efterfølgende afsnit er resultater fra simuleringer i FLACS ® [1] præsenteret i Microsoft Excel diagrammer.

6.3.1 Gasskyens størrelse Gasskyens størrelse er lig mængden af brændstof. Det må derfor være en fornuftig antagelse, at eksplosionens styrke er stigende i takt med gasskyens størrelse. I FLACS er opsat 5 job, 110100, 110150, 110400, 110450 og 110500, der er beskrevet i bilag III, med henholdsvis 48, 70, 97, 120 & 145 m3 gassky, der antændes i midten af skyen, og gældende for alle 5 jobs er opstilling med alle flasker samt vinduesbånd lukket.

Effekt af gasskyens størrelse 3,5 3

barg

2,5 Gassky 48 m3

Gassky 70 m3

1,5

Gassky 97 m3

Gassky 120 m3

0,5

Gassky 145 m3 0,00 0,07 0,12 0,13 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,38 0,41

0 Sekunder Figur 36 Overtryk som funktion af gasskyens størrelse

I Figur 36 kan ses et klart billede af, at jo større gassky, des større overtryk og længere varighed. Dog er det maksimale overtryk for hhv. 48 m3 og 70 m3 gassky ens, mens der er variation i varigheden.

TNO & FLACS 350 300

Overtryk i kPa

250 200

TNO 8 FLACS

150 100 50

45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145

0 Volumen af gassky m3

Figur 37 Sammenligning af resultat fra TNO og FLACS

I Figur 37 sammenlignes resultater fra beregninger med TNO og FLACS. Beregning med TNO giver en lineær stigning i overtryk, mens FLACS viser en tendens til eksponentiel 56

stigning. TNO flader dog ud ved en gassky på omkring 160 – 165 m3 og et overtryk på 203 kPa. Modellen har altså en begrænsning i forhold til skyskyens størrelse i dette tilfælde. Tabel 13 Forløb af overtryk som funktion af gasvolumen

Gassky

0,09 sek.

0,12 sek.

0,13 sek.

48 m3

70 m3

97 m3

120 m3

145 m3

I ovenstående I Figur 37 sammenlignes resultater fra beregninger med TNO og FLACS. Beregning med TNO giver en lineær stigning i overtryk, mens FLACS viser en tendens til eksponentiel stigning. TNO flader dog ud ved en gassky på omkring 160 – 165 m3 og et overtryk på 203 kPa. Modellen har altså en begrænsning i forhold til skyskyens størrelse i dette tilfælde. Tabel 13 er vis udpluk af de simuleringer, hvor gasskyens størrelse varierer. Kolonnerne har ens timestep, og de tre timestep i hver kolonne viser henholdsvis første tegn på udvikling af overtryk i rummet, anden kolonne viser tiden med maksimalt overtryk 57

fundet i simulering med gassky på 145 m3, mens tredje kolonne viser tiden, hvor overtrykket er aftaget eller aftagende. Øverste række viser den mindste gassky, 48 m 3, og nederste række den største, 145 m3. Første kolonne viser, at gasskyens størrelse har en klar effekt på den indledende fase af eksplosionen. Mens overtryk og den aftagende fase tilsvarende er mest dominerende ved gasskyen på 145 m3, ses en generelt tendens til, at områderne langs vægge skaber højere overtryk end det der skabes midt i rummet. Dette kan tilskrives den turbulens der skabes omkring obstruktioner og lang væggenes overflader. Turbulens langs vægge kan jævnfør ovenstående tillægges større effekt i dette tilfælde, end den turbulens der skabes blandt flaskerne i tilfældet ovenfor. Overstående viser, at gasskyens størrelse som forventet har indflydelses på eksplosionens styrke. Tabel 14 sammenligning af overtryk og varighed ved differenceret gasmængde

Gasskyens størrelse i m3 48 70 97 120 145

Maksimalt overtryk i barg 0,59 0,61 1,07 1,58 3,01

Varighed i sekunder 0,16 0,24 0,31 0,21 0,43

Tabel 14 giver et overblik over sammenligningen af overtryk og varighed af eksplosionerne i gasskyerne varierende fra 48 m3 til 145 m3. Mens der er en klar stigning i overtryk, ses ikke en så klar stigning i varighed. Figur 37 Sammenligning af resultat fra TNO og FLACS tegner et billedet af, at TNO´s styrke 8 er konservativ for beregning af acetylen i forhold til resultaterne fra FLACS, indtil gasskyen når en vis volumen, hvorefter den beregner styrken af eksplosionens overtryk væsentligt lavere end FLACS. Gasskyens volumen bør derfor også betragtes ved valg af eksplosionsstyrke i TNO beregningen.

6.3.2 Gasskyens placering Acetylen er, med en relativ massefylde i forhold til luft på 0,907, lettere end luft. Ved udslip af acetylen i nedre del af lokalet vil acetylenskyen med tiden bevæge sig op mod loftet og det ventilerende vinduesbånd. I FLACS er opsat 7 job, 110400, 110410, 110420, 110430 og 110440, 110460 og 110470 der er beskrevet i bilag III, med afstand til gulv fra 0,0 m til 3,0 m med 0,5 m interval, der antændes i midten af skyen, og gældende for alle 7 jobs er opstilling med alle flasker samt vinduesbånd 100% åbent.

Figur 38 Gasskyen hævet 1 m over gulv

Figur 39 Gasskyen hævet 2 m over gulv

Der er i Figur 38 og Figur 38 vist, hvor gasskyen placeres i lokalet i et perspektiveret tværsnit i FLACS CASD for hhv.1 m og 2 m over gulv. Effekten af blandt andre de to gasskyer er vist i Figur 40. I Figur 40 er vist overtrykket som funktion af afstanden fra gasskyens underkant til gulv i intervallet 0,5 m til 3,0 m med 0,5 m interval.

Effekt af gasskyens placering 0,30 0.5 m over gulv

0,25

1 m over gulv barg

0,20

1.5 m over gulv

0,15

2 m over gulv

0,10

2.5 m over gulv 3 m over gulv

0,05

0,00 0,08 0,13 0,18 0,24 0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,96

0,00 Sekunder Figur 40 Effekt af gasskyens placering

Ved at hæve gasskyen fra gulv kan skyen udvide sig i 3D frem for 2D, en parameter der også betragtes i BST modellen omtalt i 4.1.1 Empiriske modeller. Samtidigt vil gasskyen komme tættere på aflastningsarealerne, der har underkant 3,0 m over gulv. Gasskyen er ved 3,0 m over gulv placeret direkte ud for aflastningsarealerne.

Der er i simuleringen ikke taget i betragtning, at ved en gassky placeret i vindueshøjde, vil vindforhold have væsentlig indflydelse på opblanding, fortynding og bortventilering af gasskyen. I simuleringen er gasskyen antaget homogen og ens i form og størrelse. Tabel 15 Forløb af overtryk som funktion af gasskyen højde over gulv

Højde over gulv i meter

0,08 sek.

0,12 sek.

0,13 sek.

0,5

1,0

1,5

I Tabel 15 er alene vist illustrationer af overtrykket for de 3 simuleringer med en afstand til gulv på hhv. 0,5 m, 1,0 m og 1,5 meter. For simuleringer med afstand til gulv over 1,5 m fra underkant af gasskyen er overtrykket af en så lille størrelse, at dette ikke vil fremgå af illustrationerne ovenfor. Nedenfor er vist overtryk for de 7 sammenlignelige simuleringer med afstande varierende far 0,0 m til 3,0 m. Der er en klar sammenhæng mellem den stigende afstand til gulv og dermed også den falden afstand til aflastningselementerne og det faldende overtryk i fyldningshallen. Tabel 16 Sammenligning af overtryk og varighed ved differenceret afstand til gulv

Afstand over gulv i meter 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Maksimalt overtryk i barg 1,07 0,26 0,12 0,07 0,03 0,02 0,02

Varighed i sekunder 0,39 0,27 0,29 0,33 0,61 0,72 0,97

Ved sammenligning med simulering, hvor der ikke aflastes, og gasskyen placeres langs gulvet, findes et signifikant laveret overtryk i fyldningshallen. Største overtryk dannes samme steder langs vægge som vist i Tabel 13 Forløb af overtryk som funktion af gasvolumen. Det skal bemærkes ved afstand  2,0 m findes overtryk < 0,03 bar/3 kPa, hvilket ikke giver anledning til nævneværdige skader på hverken mennesker eller konstruktioner.

6.3.3 Antændelsessted I de tidligere omtalte simple modeller har placering af antændelse af gasskyen ingen indflydelse, da dette ikke tages i betragtning. En undersøgelse af indflydelsen af placeringen, kan derfor kun ske ved forsøg eller ved simulering ved f.eks. FLACS. I FLACS er opsat 3 job, 110200, 110300 og 110400, der er beskrevet i bilag III, med henholdsvis antændelse i kanten af skyen tættest på væggen, antændelse i kanten af skyen længst fra væggen og midt i skyen, og gældende for alle 5 jobs er opstilling med alle flasker samt vinduesbånd lukket.

Effekt af antændelsessted 2,5

barg

1,5 Kant af gassky, væk fra væg Kant af gassky, tæt på væg

Midt i gassky 0,5

0,00 0,06 0,09 0,12 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,22 0,24 0,25 0,26 0,28 0,29 0,31 0,33 0,35 0,37

0 Sekunder Figur 41 Overtryk som funktion af antændelsessted

I Figur 41 er det tydeligt, at antændelse i kanten af gasskyen giver det højeste overtryk, uanset om antændelsen sker tættest på væggen eller længst fra væggen. Ved antændelse midt i skyen sker en hurtigere udvikling, og det maksimale overtyk nås tidligere. Den hurtigere udvikling kan tilskrives, at forbrændingen af gassen kan ske i 360, mens antændelse i kanten kun giver mulighed for udbredelse i 180 . I Tabel 17 nedenfor kan det ses af illustrationerne, at området med det maksimale overtryk i de to simuleringer med antændelse i kanten af gasskyen, sker i modsatte side af, hvor antændelsen sker.

Figur 42 Maksimalt overtryk ved antændelse midt i gasskyen

Ved antændelse midt i gasskyen findes samme tendens, hvor det maksimale overtryk, se Figur 42, optræder længst fra antændelsesstedet, langs væggene og i hjørnerne. Tabel 17 Forløb af overtryk som funktion af antændelsessted

Sted

0,11 sek.

0,16 sek.

0,17 sek.

Tættest på væg

Længst fra væg

Midt i gassky

Tabel 17 viser, at når overtrykket er størst i de to simuleringer, hvor antændelsen sker i kanten, er eksplosionen aftagende i den simulering, hvor antændelsen sker i midten. Fælles er at trykket bevæger sig gennem fyldningshallen fra antændelsesstedet og mod den modstående gavl. Tabel 18 Sammenligning af overtryk og varighed ved skiftende antændelsessted

Antændelsessted Tættest på væg Længst fra væg Midt i skyen

Maksimalt overtryk i barg 1,76 1,97 1,07

Varighed i sekunder 0,39 0,41 0,39

Mens varigheden af de simulerede eksplosioner er forholdsvis ens, sker der næsten en fordobling af trykket fra 1,07 barg til 1,97 barg, se Tabel 18 ovenfor. Stedet for antændelse har stor indflydelse på eksplosionens styrke og hvor det maksimale overtryk skal findes. I praksis vil det dog ofte være svært at lokalisere ét område, der kan bestemmes som eneste mulig kilde til antændelse. Men kan det f.eks. lokaliseres som et sted på gavlen, kendes retningen på eksplosionens udbredelse, og konsekvenserne kan lettere minimeres ved forebyggelse.

6.3.4 Aflastningsgrad og -placering I de tidligere omtalte simple modeller i kapitel 5 har arealet, men ikke placering af aflastningen indflydelse, da dette ikke tages i betragtning. En undersøgelse af placeringens indflydelse, kan derfor kun ske ved forsøg eller ved simulering ved f.eks. FLACS. I nærværende afsnit er først udført 4 simuleringer med stigende aflastningsareal, og derefter 6 simuleringer med varierende placeringer af aflastningsarealer. Aflastningsgrad I FLACS er indledningsvis opsat 4 job, 110600, 110700, 110800 og 110900, der er beskrevet i bilag III, med henholdsvis 25%, 50%, 75% og 100% åbent vinduesbånd, og gældende for alle 4 jobs er opstilling med alle flasker, og at gasskyens underkant er 2,0 m over gulv.

Effekt af aflastningsareal 0,03 0,025

barg

0,02 25% åbent

0,015

50% åbent 75 % åbent

0,01

100% åbent 0,005

0,00 0,06 0,09 0,12 0,14 0,17 0,18 0,19 0,19 0,20 0,22 0,23 0,26 0,28 0,29 0,31 0,32 0,34 0,35 0,37 0,39

0 Sekunder Figur 43 Effekt af aflastningsarealet

Nedenfor i Tabel 19 er anvendt en anden farveskala for visning af overtryk i illustrationerne fra FLACS, da overtrykket er så lavt, at det ikke ville blive vist med det tidligere nævnte skala. Farveskemaet er vist nedenfor i Figur 44

Figur 44 Tryk skala for FLACS (for aflastning)

Tabel 19 Forløb af overtryk som funktion af aflastningsarealet

Aflastnings grad

0,13 sek.

0,15 sek.

0,37 sek.

25%

50%

75%

100%

Der kan i Tabel 19 og Figur 43 ses et forholdsvis ens forløb og overtryk første gang de fire simuleringer peak’er. Men ved 25 % og 50 % aflastning, sker efterfølgende ydermere et højere peak, hvor trykket her er aftagende for de to øvrige simuleringer. Det generelle forløb for de fire simuleringer er forholdsvis ens. De peak’er højt første gang, falder i tryk, peak’er anden gang med et lidt mindre overtryk, for at slutte med et væsentligt mindre overtryk. Tabel 20 Sammenligning af overtryk og varighed ved øget aflastningsareal

Aflastningsgrad

Maksimalt overtryk i barg

0% 25% 50% 75% 100%

1,07* 0,028 0,028 0,025 0,025

Varighed i sekunder 0,39 0,57 0,56 0,59 0,58

* Gassky underkant 0,0 m.

Overtryk som funktion af aflastningsareal 30

Overtryk i kPa

25 20 15 Overtryk beregnet 10

FLACS

5 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 801

0 Areal i m2 Figur 45 Overtryk som funktion af aflastningsareal fra Rasbash og FLACS

I Figur 45 sammenlignes resultater fra beregninger med Rasbash model og FLACS. Beregning med Rasbash tillægger ikke aflastningsarealet væsentlig effekt for de første m 2, mens FLACS viser en klar effekt allerede fra de først m2. Rasbash er meget konservativ i forhold til overtrykkets styrke ved mindre aflastningsarealer i dette tilfælde, da denne metode giver et væsentligt højere overtryk. Placering af aflastningsarealer For undersøgelse af effekten af aflastningsarealernes placering, er i FLACS opsat 6 job, 111800 og 111900, 112000, 112100, 112200 og 112300, der er beskrevet i bilag III, med skiftende placering af aflastningsarealer og opstilling med alle flasker.

Figur 46 Henholdsvis 50 % og 100 % af tagarealet som Pressure relief panel Fyldningshallen har ikke mulighed for umiddelbart at aflaste overtryk i gavle, da bygningen støder op til andre bygninger. Fyldningshallen er aflastet via vinduesbånd og tag. I de nedenfor nævnte simuleringer, er gavl modstående gasskyens placering taget i brug som aflastning med to vinduer som i facaden på 2 x 5,5 m. Følgende aflastningsmuligheder undersøges: Tabel 21 Oversigt over aflastningsarealer

Aflastningsplacering Facade, vinduesbånd Gavl ved 2x 5,5 vinduer Gavl og 50 % facade vinduesbånd Gavl, 100 % facade vinduesbånd 50 % Tag ved Pressure relief panels 100 % Tag ved Pressure relief panels

Areal 134 22 89 156 329 657

m2 m2 m2 m2 m2 m2

Effekt af aflastningens placering 1,2 Aflastninger i facade

barg

1 0,8

Aflastning i gavl

0,6

Aflastning i gavl og 50% i facader

0,4

Aflastning i gavl og 100% i facader

0,2

Aflastning via 50% Pressure relief panels i tag 0,00 0,07 0,10 0,13 0,16 0,18 0,19 0,20 0,21 0,23 0,26 0,28 0,30 0,32 0,33 0,35 0,37

Aflastning via 100% Pressure relief panels i tag

Sekunder Figur 47 Effekt af aflastningens placering

Aflastning kan her opdeles i to grupper. Aflastning vandret via facader og gavl, og aflastning lodret via tag. Af Figur 47 kan det ses, at ved gruppering af de vandrette aflastninger topper overtrykket omkring 1,0 barg, mens overtrykket ved de lodrette aflastninger topper omkring 0,8-0,9 barg. Eneste undtagelse er ved 100 % aflastning i facade, hvor overtrykket topper ved godt 0,8 barg. Ved aflastning i både facade og gavl eller i gavlen alene opstår et højere overtryk end ved aflastning alene i facade. Om dette sker som konsekvens af øget turbulens eller er et enkeltstående tilfælde for de få simuleringer fortaget her, giver data fra simuleringerne ikke svar på. Dorofeev skrev i 1995 om accelererende turbulens som følge af pludselig ventilering [41]. Studierne er dog på et indledende stadie, og giver ikke klare konklusioner, der kan fastlægge de udløsende parametre for ventileringens indflydelse på øget turbulens. Men fælles for eksperimenterne i Dorofeevs arbejde er, at ventileringen sker som følge af overtryk, pressure relief panels, og ikke som i fyldningshallen ved ventileringsarealer, der er åbne ved eksplosionens start. I Tabel 22 nedenfor kan det ses af illustrationerne, at opbygningen af tryk sker først i den ende, hvor antændelse af gasskyen finder sted. Der opbygges et højt tryk langs gavlen tættest på gasskyen, og der sker en trykstigning ned mod den gavl, hvor aflastningen kan ske. Som der fremgår af resultaterne i 6.3.2 Gasskyens placering, har den placeringen af gasskyen i forhold til aflastningsarealerne, og dermed afstanden, hvor udbredelse kan ske, indflydelse på eksplosionsstyrken. Placeres der aflastningsarealer i gavlen tættest på gasskyen, vil det være en fornuftig antagelse, at disse vil have en større effekt end aflastningsarealer i modstående ende af fyldningshallen. Det er ikke muligt at aflaste i gavlen ved gasskyen, da den støder op til kompresserummet på virksomheden.

Tabel 22 ForlĂ¸b af overtryk som funktion af aflastningens placering

Sted

0,11 sek.

0,16 sek.

0,17 sek.

Facade

Gavl

Gavl og 50 % af facaden

Gavl og 100 % af facaden

50 % tag

100 % tag

Nedenfor i Tabel 23 er en sammenligning af overtryk og varighed af simuleringerne udfĂ¸rt med varieret placering af aflastningsarealerne.

Tabel 23 sammenligning af overtryk og varighed ved ændret placering af aflastning

Aflastningsgrad Facade Gavl Gavl, 50 % facade Gavl, 100 % facade 50 % Tag 100 % Tag

Maksimalt overtryk i barg

Varighed i sekunder

0,83 1,04 1,01 1,00 0,85 0,89

0,24 0,32 0,25 0,23 0,22 0,23

Ved udførelse af simuleringerne i Tabel 22 og Tabel 23 blev sidste simulering udført med 3 gentagelser, hvor hele taget var udført som Pressure Relief Panels i FLACS. De 3 simuleringer blev gennemført med samme areal og placering af Pressure Relief Panels. Ved oprettelse af Pressure Relief Panels skal vælges flere parametre der har indflydelse på egenskaberne for panelerne. Der er i simuleringerne valgt typen ”POPOUT”, der har egenskaber som enkelteelementer monteret i rammer. Elementerne presses ud ved et foruddefineret over- eller undertryk. For panelerne vælges subsize som definere størrelsen af de elementer, rammerne er opdelt i. Nedenfor i Tabel 24 er vist aktiveringstider Tmax, aktiveringstryk Paktivering, og maksimalt overtryk Pmax for de 3 simuleringer der er udført med aflastning ved Pressure relief Panels. Forskellen på de 3 simuleringer er underopdelingen, subsizes, der er opdelt som beskrevet nedenfor i Tabel 24. Tabel 24 Aktiveringstider for Pressure Relief Panels i FLACS

Job Tmax Paktivering Pmax

50 % af tagplader 100 % af tagplader 100 % af tagplader 100 % af tagplader i 1 fordelt på 12 paneller fordelt på 24 paneller fordelt på 2 paneler panel 0,197282 s 0,194601 s 0,121467 s 0,118800 s 0,85 barg 0,18 barg 0,15 barg 0,85 barg 0,89 barg 0,89 barg 0,89 barg

Tiden Tmax er tiden til, at alle paneler er presset ud, Paktivering er det overtryk, hvor alle paneler er presset ud og Pmax er det maksimale overtryk i fyldningshallen. I alle 3 simuleringer har panelerne samme underopdeling (Subsize) på 1m x 1m, mens panelernes størrelse varierer. I Bilag VI, FLACS input er vist input for Pressure Relief Panels. For de 3 simuleringer er i Tabel 24 de forskelle de forskellige valg giver. Tmax for simuleringen med 50 % aflastning i tag er medtaget for at sammenligne tiden til fuldt åbent areal. Hvis arealet er opdelt i 24 paneler på 3m x 9m som vist i kolonne II er aktiveringstiden Tmax 1,6 gang længere end ved et panel der dækker hele tagfladen. Paktivering er væsentligt højere, når arealet opdeles i flere felter, mens P max er ens. Ved opdeling, opnås maksimalt tryk i den ende af fyldningshallen, hvor antændelse af gasskyen sker, mens de sidste paneler der aktives skal findes i modsatte ende af hallen. Ændring af antallet af paneler kan altså have en indflydelse på aktiveringstiden, mens Pmax ikke umiddelbart påvirkes af opdelingen. Generelt kan af overstående konkluderes, at aflastningsarealernes placering har indflydelse på overtrykket fra en eksplosion i fyldningshallen. Overtrykket ved ventilering i facaderne er mindre end ved ventilering i gavl, og områderne med overtryk > 0,5 barg er mindre, hvilket fremgå af illustrationerne i Tabel 22 Forløb af overtryk som funktion af aflastningens placering. Dette skyldes, at afstanden hvormed trykket kan udbrede sig igennem bygningen, inden det forlader bygningen, er mindre.

6.3.5 Indretning I de tidligere omtalte simple modeller har indretning forskellige grader af indflydelse. I BST vælges eksempelvis i Tabel 9 Beskrivelse af forhindringsniveau for Baker-Strehlow-Tang modellen graden af forhindringer, mens der i Rasbash fastsættes en turbulens faktor f mellem 1.5 og 5 ved bygninger med en vis grad af obstruktioner. En detaljeret beregning af indflydelsen af indretningen kan derfor ikke ske med de simple modeller. En mere detaljeret undersøgelse af indflydelsen af indretning, kan derfor kun ske ved forsøg eller ved simulering ved f.eks. FLACS. Tidligere har Gexcon udført flere storskala forsøg, blandt andet også med træer og buske som undersøgelse af Buncefield ulykken [42]. I FLACS er opsat 5 job, 110400, 111000 og 111100, 111200 og 111300 der er beskrevet i bilag III, med mængden af flasker varierende fra 0 % til 100 % og vinduesbånd lukket.

Effekt af indretning 1,2 1 0,8 barg

100% af flaskerne 0,6

75 % af flaskerne 50% af flaskerne

0,4

25 % af flaskerne Ingen flasker

0,2

0,00 0,06 0,09 0,12 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,22 0,23 0,26 0,28 0,30 0,31 0,33 0,35 0,36 0,38 0,41

0 Sekunder Figur 48 Effekt af antallet af flasker

I Figur 48 viser en klar sammenhænge mellem antallet af flasker og overtrykket som følge af en eksplosion. Der er vist resultater for simuleringer med 100 %, 75 %, 50 %, 25 % og 0 % obstruktioner i form af flasker. Som det også ses i Figur 49 nedenfor er overtrykket stort set lig med antallet af flasker procentvis.

Overtryk og flaskeprocentdel 1,2

Overtryk

1 0,8 0,6

Overtryk i barg

0,4

Procendel flasker

0,2 0 100

Procent Figur 49 Sammenligning af overtryk og antallet af flasker

Tilsvarende er overtrykket ved anden trykstigning efter 0,20 – 0,23 sek. faldende ved faldende antal flasker og dermed mindre obstruktioner. Tabel 25 Forløb af overtryk som funktion af indretningen

Antal flasker

0,08 sek.

0,12 sek.

0,13 sek.

100 %

75 %

50 %

25 %

Ovenfor i Tabel 25 fremgår det af illustrationerne, at allerede i den indledende fase, har mængden og tætheden af flaskerne indflydelse på udbredelsen af og overtrykket fra eksplosionen. Som i de tidligere analyser, findes det største overtryk langs vægge, specielt ved væg længst fra antændelsen og tæt ved gasskyen. Ved nederste række i Tabel 25, kan overtrykket ikke vises, da det er lavere end 0,05 barg.

Tabel 26 Sammenligning af overtryk og varighed ved ændret indretning

Flaske mængde 100 % 75 % 50 % 25 % 0%

Maksimalt overtryk i barg 1,07 0,84 0,48 0,24 0,03

Varighed i sekunder 0,39 0,27 0,30 0,34 0,66

Indflydelsen af obstruktioner i gasskyen er tydelig i de ovenstående tabeller og illustrationer. Des flere obstruktioner, des højere overtryk. Ved analyser af offshore anlæg for udvinding af olier og gas, projekteres med områder der ikke indeholder obstruktioner, for at mindske afstand flammer kan udbrede sig gennem obstruerede områder [40].

Figur 50 Foto fra : http://www.nexusfp.no/upload/Nexus%20FPSO%20-%20ovenfra.jpg

Pilene i Figur 50 viser områder på FPSO (Floating production storage and offloading) der er friholdt for obstruktioner for reduktion af afstanden, hvor flammeudbredelsen kan skabe accelererende turbulens. Områderne kaldes Flame deceleration zones.

6.3.6 Geometri I foregående afsnit er beskrevet muligheder for at mindske den afstand flammer kan udbrede sig gennem obstruerede områder ved at introducere flammedecelererende zoner. Afstanden kan tilsvarende mindskes ved at introducere blastwall. En Blastwall er en væg, hvis funktion er at beskytte vigtige eller svage område mod overtryk. De tidligere simple modeller til beregning af overtryk har ikke parametre, der synliggør effekten af blastwalls. I FLACS er opsat 6 job, 110400, 111400 og 111500, 111600, 111700 og 111750, der er beskrevet i bilag III, med alle flasker og vinduesbånd lukket. Der er opsat modeller, hvor der introduceres blastwalls i længderetningen af fyldningshallen og på tværs af fyldningshallen. Disse modeller sammenlignes med simulering 110400, der er den defaultmodel, der er opsat som grundmodel. Det er udført 2 simuleringer med langsgående blastwalls med åbninger ved gavle på 1, 5 m og fra gulv til loft, hvor der i den ene er en åbning midt i væggen fra gulv til loft. Der er udført 3 simuleringer med tværgående blastwalls, med åbninger i begge sider mod facaden på 1,5 m i bredde og fra gulv til loft. I de 3 simuleringer er væggen placeret henholdsvis i midten af fyldningshallen Y-retning, ved kanten af gasskyen Y-retning mod gavl 1, og i modsat ende af fyldningshallen Y-retning mod gavl 2.

Effekt af geometri 3 2,5

barg

Default indretning X retning

1,5

X-retning, med åbning Y-retning

Y-retning, mod gavl 1 0,5

Y-retning, mod gavl 2

0,00 0,06 0,09 0,12 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,22 0,23 0,26 0,28 0,30 0,31 0,33 0,35 0,36 0,38

0 Sekunder Figur 51 Effekt af ændret geometri og introduktion af blastwall

I Figur 51 kan de 6 simuleringer grupperes som default indretning uden blastwall, blastwall i fyldningshallens længderetning, og blastwall på tværs af fyldningshallen. Default indretning uden blastwall har et masimalt overtryk på 1,07 barg, hvilket er næsten uændret ved introduktion af blastwall i Y-retning og Y-retning mod gavl 2. De 2 simuleringers maksimale overtryk er 1,04 barg. Simuleringer med blastwalls i X retning med og uden åbninger, se række 2 og 3 i Tabel 27, giver samme resulterende overtryk i fyldningshallen. Overtrykket er dog væsentligt højere, mere end dobbelt så højt, som ved simulering uden blastwalls og blastwalls i Y retning midt i fyldningshallen og Y-retning mod gavl 2. Simuleringen med en blastwall ved kanten af gasskyen, isolerer gasskyen og området, hvor flamme kan udbredes. Dette giver ikke trykstigningen plads til udvidelse, og generelt skabes der et signifikant højere overtryk i den isolerede del af fyldningshallen.

Tabel 27 Forløb af overtryk som funktion af fyldningshallens geometri

Retning

0,08 sek.

0,15 sek.

0,17 sek.

Default

X med åbning

Y mod gavl 1

Y mod gavl 2

Tabel 27 viser, at introduktion af blastwalls ikke har indflydelse på den indledende fase af eksplosionen umiddelbart efter antændelsen. I række 5, i Tabel 27, Y retning mod gavl 1 ses, at eksplosionen og overtrykket isoleres på den eneste side af væggen, mens overtrykket på modsatte side er væsentligt lavere i forhold til simuleringen i række 1 uden

blastwall. Som nævnt tidligere er overtrykket dog signifikant højere i den isolerede del af fyldningshallen. I 2. og 3. rækker med blastwalls i længderetningen, X retning og X retning med åbning ses effekt af turbulens skab af obstruktioner og vægge, da overtrykket er størst her, og bevæger sig som en trykbølge ned gennem den todelte fyldningshal. Det kan også i de 2 simuleringer ses, at trykket modsat de øvrige simuleringer med blastwalls, er højest på modsatte side af antændelsen. Tabel 28 sammenligning af overtryk og varighed ved ændret geometri

Placering af væg Default X retning X retning med åbning Y retning Y retning, mod gavl 1 Y retning, mod gavl 2

Maksimalt overtryk i barg 1,07 2,32 2,35 1,04 2,81 1,04

Varighed i sekunder 0,39 0,27 0,27 0,26 0,26 0,26

Blastwalls giver uanset placering og retning et højere overtryk på den isolerede del af fyldningshallen, og et lavere overtryk på den modsatte side af væggen. Dette kan bruges som beskyttelse, f.eks. af værdifuldt, trykfølsomt eller område, der kan give anledning til sekundærer eksplosioner eller brande. Placeringen af blastwalls i forhold til lokalet indretning og især i forhold til aflastningsarealer skal nøje overvejes og bør analyseres ved hjælp af CFD.

Figur 52 Principielle indretninger af lokale / bygning

Blastwalls, bygningsdele, flasker og tanke bør ikke opsættes på en sådan måde, at de dækker for aflastningsarealer eller åbninger i facaden. I Figur 52 er vist principper for indretning af lokaler og bygninger. De 2 øverste plantegninger viser opsætte konstruktioner og cylindere tæt ved eller direkte foran åbninger i facaden. De 2 nederste viser samme konstruktioner og cylindere i den retning en eventuel eksplosion må forventes at forløbe. Det bør tilsvarende tilstræbes, at rørføringer ikke føres gennem område, hvor større turbulens kan forventes, eller foran aflastningsarealer.

7. S A MME N LI G N I N G O G KO N KL U S IO N Efter en præsentation af teori for forbrænding og eksplosion, gennemgang af strategien for håndteringen af eksplosioner, blev simple modeller demonstreret i teori og i forhold til rapportens case. Samme case blev opsat i den avanceret modellering i CFD. Resultaterne i rapportens beregninger med simple og avancerede modeller giver et billede af egnethed og begrænsninger i modellerne og muligheder for en funktionsbaseret designtilgang til eksplosionssikring af bygninger. I nærværende kapitel er opsummeret rapportens resultater, og der gives principper for design af bygninger for eksplosioner. 7.1 MODELLER I kapitel 4 Simpel modellering af overtryk ved håndberegning, er kort gennemgået flere metoder og modeller og fastsættelse af overtrykket i lukkede rum. De 3 modeller TNT, TNO og Baker-Strehlow-Tang demonstreres og deres grundlæggende forudsætninger, svagheder og styrker oplistes. Beregningerne af overtrykket i rapportens case viser signifikant forskel på resultaterne fra de forskellige modeller, men også TNO giver store forskelle, afhængigt af de parametre der vælges ved brug af modellen. Resultaterne varierer fra et overtryk under acceptkriterierne til detonation. Kendskab til modellernes forudsætninger er derfor mindst så lige betydningsfuld som kendskab til bygning, gas, tændkilde(r), indretning osv. Kapitel 5 Simpel modellering af aflastning ved håndberegning er opbygget som kapitel 4, med en gennemgang af simple modeller. I kapitlet gennemgås Metoderne fra NFPA 68 og Rasbash for fastsættelse af nødvendige aflastningsarealer. NFPA 68 har begrænsninger i forhold til acetylens flammehastighed, og er derfor ikke valideret til brug for fastsættelse af aflastningsarealerne i rapportens case. Rasbash er derfor eneste brugbare model. Rasbash giver et klart billede af effekten af at aflaste eksplosionen. Overtrykket er tæt på 100 gange højere ved beregningen med TNO i forhold til den aflastning, der gives i rapportens case. Fra simpel modellering af eksplosioner og aflastning i kapitlerne 4 og 5, giver FLACS et mere nuanceret billede af de trykforskelle, der opstår i bygningen, og de parametre der har indflydelse på overtrykket. 7.2 METODER Hvilken metode skal vælges til beregninger af overtryk og eventuelle aflastningsarealer? Er de præskriptive bestemmelser i eksempelvis tekniske forskrifter nok, skal simple modeller anvendes, eller er byggeriet af en karakter, der nødvendiggør avancerede modeller som f.eks. FLACS? Sammenlignet med funktionsbaseret brandteknisk dimensionering, kunne retningslinjerne for metodevalg bestemmes således, at ved afvigelser fra de præskriptive regler, skal sikkerhedsniveauet dokumenteres ved f.eks. simple beregninger af overtryk og aflastning. Hvorledes er forholdet de bygninger som opføres helt i overensstemmelse med de præskriptive regler, men har en geometri og indretning som bidrager til en voldsom forøgelse af overtrykket i bygningen? I forhold til valg af metode, bør en konkret vurdering af både gas, bygningens geografi og indretning indgå i beslutningerne.

7.3 ANBEFALINGER Varierende parametre indflydelse på eksplosionens styrke og omfang er gennemgået og analyseret i rapporten. Analyserne leder til anbefalinger og konklusioner for design af bygninger beskrevet i nærværende kapittel. De parametre der har indflydelse på eksplosionens styrke og omfang kan beskrives i 2 gruppe.  

Eksplosionens opståen, styrke og omfang o Gasskyen og antændelsen af denne Begrænse konsekvenserne af eksplosionen o Aflastning o Indretning og geometri

Nedenfor er opsummeret i to afsnit, og efterfølgende opsat de samlede anbefalinger. 7.3.1 Eksplosionens opståen, styrke og omfang Indflydelsen af gasskyens volumen og placering er beskrevet i først i kapitel 4 og dernæst i kapitel 6, afsnit 6.3.1. og afsnit 6.3.2, mens antændelse skal findes i afsnit i 6.3.3. De tre afsnit viser et klart billede af, at gasskyens volumen, placering og antændelsessted har væsentlig indflydelse på eksplosionens styrke og omfang. Afsnittene viser klart, at overtrykket er mindst, når gasskyen er tættest på aflastningensarealerne, og er af begrænset volumen. Antændelsesstedets betydning ses ved, at overtrykket varierer med op mod 100 %, hvor højeste overtryk opstår, når antændelsen sker i kanten af gasskyen. Som nævnt tidligere, vil det praksis ofte være svært at lokalisere ét enkelt punkt, der kan bestemmes som eneste mulig kilde til antændelse. Men kan det f.eks. lokaliseres som et bestemt område, kendes retningen på eksplosionens udbredelse, og konsekvenserne kan nemmere minimeres ved forebyggelse. 7.3.2 Begrænsning af konsekvenserne af eksplosionen For begrænsning af konsekvenserne fra en eksplosion er i rapporten fokuseret på de bygnings- og konstruktionsmæssige forhold. Effekten af disse forhold er beskrevet i kapitel 5 og kapitel 6 afsnit 6.3.4, der forklarer effekterne af aflastningsgrad og –placering, afsnit 6.3.5 der beskriver effekten af obstruktioner/indretning, og afsnit 6.3.6 der beskriver effekten af fyldningshallens geometri. Rapporten har gennemgået placeringen og omfanget af aflastningen, opdeling af fyldningshallen med blastwalls og trykflasker opstillet i hallen, og hvilken indflydelse disse elementer har på eksplosionens styrke og omfang.. Gasskyens placering og placeringen af aflastningsarealer giver samme billede af indflydelsen på eksplosionen styrke og omfang. Jo større afstand fra gassky til aflastning, des større overtryk. Aflastning i tag giver ikke et lavere overtryk end det der fremkommer ved aflastning i facaden. Tilføjelse af ekstra aflastningselementer i gavl giver ikke anledning til ændringer i eksplosionens styrke og omfang. Generelt kan konkluderes, at aflastningsarealernes placering har indflydelse, på overtrykket fra en eksplosion i fyldningshallen. Dette skyldes, at afstanden hvormed trykket kan udbrede sig igennem bygningen, inden det forlader bygningen, er mindre. Ændringer i bygningens geometri som f.eks. ved blastwalls kan ses, at uanset placering og retning, givet dette et højere overtryk på den isolerede del af væggen, og et lavere overtryk på den modsatte side af væggen. Placeringen af blastwalls i forhold til lokalet, indretningen og især i forhold til aflastningsarealer skal nøje overvejes og bør analyseres ved hjælp af CFD.

Indflydelsen af obstruktioner i gasskyen er tydelig. Jo flere obstruktioner, des højere overtryk. Områder det ikke indeholder obstruktioner, mindsker den afstand flammer kan udbrede sig gennem obstruerede områder og dermed accelerer. Dette kan mindske styrken og omfanget af en eksplosion. 7.3.3 Anbefalinger Det anbefales, at det ved dimensionering tilstræbes, at analysere gasskyens egenskaber for at kunne bestemme dens placering i rummet. Lette gasarter bør ventileres og aflastes højt i rummet. Tunge gasser lavt i rummet. Kan områder med antændelse identificeres bør aflastningen ske i umiddelbar nærhed af disse områder. Aflastningsarealerne bør fordeles jævnt, og maksimalt muligt areal bør tilstræbes. Blastwalls, bygningsdele, flasker og tanke bør ikke opsættes på en sådan måde, at de dækker for aflastningsarealer eller åbninger i facaden og udføres parallelt med eksplosions retning. Det bør tilsvarende tilstræbes, at rørføringer ikke føres gennem område, hvor større turbulens kan forventes, og ikke foran aflastningsarealer. 7.4 VIRKSOMHEDEN FØR OG NU Ved første besøg på Strandmøllen i forbindelse med research til rapporten, var der opsat gasdetektorer i fyldningshallen, der ved 10 % af LEL afgav akustikalarm. Nedlukning af proces og fyldning af flasker, samt åbning af vinduesbånd skete efterfølgende manuelt. Efter dialog med Strandmøllen og ved analyse af bygningen, er gasdetektering nu styrende for akustiskalarm ved 10 % af LEL, nedlukning af proces og flaskefyldning ved 25 % af LEL, og alarmering af det lokale brandvæsen ved 50 % af LEL. 7.5 FORTSATTE STUDIER Alle studierne i denne rapport er udført ved håndberegning og simuleringer. Fuldskalaforsøg eller nedskalerede forsøg udført og simuleret ville være interessante forsatte studier. Der er tidligere nævnt andre mulige løsninger for nedbringelse af eksplosions styrke og omfang, her iblandt inertisering og water deluge. Disse metoder er ikke gennemgået, men kunne være et interessant studie, der delvist kunne udføres som forsøg og delvist som modellering i FLACS.

REF ERE N CE R [1]. Gexcon. FLACS. [CFD] s.l. : Gexcon, 2010. [2]. Beredskabsstyrelsen. statistikbanken. statistikbank.brs.dk. [Online] 16. August 2010. [Citeret: 16. August 2010.] https://statistikbank.brs.dk/sb#page=a0342. [3]. Crowl, Daniel. A. Understanding Explosions. NY : American Institute of Chemical Engineers, NY, 2003., 2003. [4]. Beredskabsstyrelsen. Beredskabsstyrelsens bekendtgørelse nr. 28 af 4. januar 2010 om tekniske forskrifter for brandfarlige væsker. Denmark : Beredskabsstyrelsen, 2010. [5]. —. Beredskabsstyrelsens bekendtgørelse nr. 1444 af 15. december 2010 om tekniske forskrifter for gasser. Denmark : Beredskabsstyrelsen, 2010. [6]. Glassman, I. Combustion 3rd ed. USA : Academic press, 1996. [7]. wikipedia.org. Wikipedia. Wikipedia. [Online] [Citeret: 27. 10 2010.] http://da.wikipedia.org/wiki/Fil:Bunsen_burner_flame_types_.jpg. [8]. H., Le Chatelier. Estimation of Firedamp by Flammability Limits. Ann. Mines. 1891, 19, s. 388-395. [9]. Zabetakis, M. G., S. Lambiris, et al. Flame Temparatures of Limit Mixtures. Seventh Symposium on Combustion. Butterworths, 1959. [10]. NFPA. NFPA 69, Standard on Explosion Prevention Systems. USA : National Fire Protection Association, 1997. [11]. Westerterp, Jeroen W. Bolk and K. Roel. Effect of Tube Size and Obstacles on Explosion Limits in Flowing Gases. AIChE Journal. November 1999. [12]. Dag Bjerkedt, Jan Roar Bakke, Kees van Wingerden. Gas Explosion Handbook. Norway : CMR research program on Gas Safety, Gexcon, 1992. [13]. Sørensen, Lars Schiøtt. Brandfysik og brandteknisk design af bygninger, . Denmark : Polyteknisk, 2004. [14]. Erhvers- og byggestyrelsen. Bekendtgørelse af byggeloven. Denmark : Økonomiog Erhvervsministeriet, 2010. [15]. EBST, Erhvers- og byggestyrelsen. Bygningsreglementet 2010. Denmark : Erhvers- og byggestyrelsen, 2010. [16]. National Fire Protection Association. The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. USA : National Fire Protection Association, 1990. [17]. NFPA. NFPA. About NFPA. [Online] 4. August 2010. [Citeret: 4. August 2010.] http://www.nfpa.org/categoryList.asp?categoryID=143&URL=About%20NFPA 04-08-2010 17:41. [18]. —. NFPA 68, Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting. USA : National Fire Protection Association, 2007. [19]. Overlæge Hans Gøtze. www.explosives.dk. Dansk Sprængteknisk Forening. [Online] juni 2001. [Citeret: 4. november 2010.] http://www.explosives.dk/skader_blastinjuries.aspx. [20]. Dujium, Nijs Jan. Acceptkriterier i Danmark og EU. Denmark : Miljøstyrelsen, 2008. Nr. 08. [21]. R. Karl Zipf, Ph D., P.E. Effects of blast pressure on structures and the human body. USA : US Department of Defense, 2007. [22]. EU-kommisionen. Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-7: General actions Accidental actions, DS/S-1990, 4. April 2010EN 1127-1: Explosive atmospheres Explosion prevention and protection, European Standard, 2007. Denmark : EU, 2010. [23]. V.J., Clancey. Diagnostic Features of Explosion Damage. Scotland, Edinburgh : 6th International Meeting on Forensic Sciences, 1972. [24]. EU-kommisionen. Eurocode 0: Actions on structures - Part 1-7. Denmark : EU, 2007. [25]. EU-kommisionen, Beskæftigelse & Sociale anliggender. Ikke-bindende vejledning for god praksis med henblik på gennemførelsen af direktiv 1999/92/EF ”ATEX”. Denmark : EU-kommisionen, Beskæftigelse & Sociale anliggender, 2003. [26]. Arbejdstilsynet. At-Vejledning, Stoffer og Materialer C.0.9. Denmark : Arbejdstilsynet, 2005.

[27]. Dansk Standard. DS 447 Norm for mekaniske ventilationsanlæg. Danmark : Dansk Standard, 2005. DS 447:2005. [28]. Wingerden, Kees van. Mitigation of gas explosions using water deluge. Process Safety Progress. 2000, 19, s. 173-178. [29]. Dansk Standard. Vejledning om inertisering til forebyggelse af eksplosioner. Denmark : Dansk Standard, 2006. DS/CEN/TR 15281. [30]. Wiekema, J.P. Zeeuwen and B.J. The measurement of relative reactivities og combustible gases. 1978. [31]. J.S. Puttock, M.R. Yardley, and T.M. Cresswell. Prediction of vapor cloud explosion using SCOPe model. Loss Prevention in Process Industry 13. USA : Loss Prevention in Process Industry, 2000. [32]. R. P. Cleaver, C.E. Humphreys, J.D. Morgan and C.G. Robinson. Development of a model to predict the effect of explosions in compact congested regions. [forfatter] Journal of Hazardous Materials. Journal of Hazardous Materials 53. USA : s.n., 1997. [33]. PhilonNet Engineering Solutions - ANSYS. [Online] [Citeret: 08. Januar 2011.] http://www.philonnet.gr/products/ansys/autoreagas/index.html. [34]. Sam Mannan, Frank P. Lees. Lee's loss prevention in the process industries: hazard identification, assessment, and control. New York : ELSEVIER, 2005. [35]. Bangash. Explosion Resistant Buildings. [36]. C.J.Lea. A Review of the State-of-the-Art in Gas Explosion Modelling. GB : Health & Safety Laboratory, 2002. [37]. Strandmøllen, A/S. Klampenborg, November 2010. [38]. Gexcon AS. FALCS v9.0 User's Manual. Norway : Gexcon AS, 2009. [39]. Gexcon. Gexcon US. [Online] Gexcon. [Citeret: 16. Februar 2011.] http://gexconus.com/index.cfm?id=230350. [40]. Wingerden, Kees van der. Industrial seminar. Rome : GEXCOM, 2010. [41]. S.B., Dorofeev. Transition to detonation in vented hydrogen-air explosions. Russia : The Combustion Institute, 1995. [42]. Nygaard, Sune. IT Brand. Denmark : DTU, 2010. [43]. Forsvarsministeriet. Beredskabsloven, LBK nr 660. Denmark : Forsvarsministeriet, 2009. [44]. —. Bekendtgørelse nr. 590 af 26. juni 2003 om klassifikation af eksplosionsfarlige områder. Denmark : Forsvarsministeriet, 2003. [45]. EU-kommisionen. Rådets direktiv 96/82/EF af 9. december 1996 om kontrol med risikoen for uheld med farlige stoffer. Denmark : EU, 1996. [46]. Miljøministeriet. Bekendtgørelse om kontrol med risikoen for uheld med farlige stoffer. Denmark : Miljøministeriet, 2006. Bek. 1666. [47]. Arbejdstilsynet. Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr. Denmark : Beskæftigelsesministeriet, 1998. [48]. Euro-parlamentet og Rådet. Direktiv 97/23/EF, Inbyrdes tilnærmelse af medlemsstaterens lovgivning om trykbærendeudstyr. EU : Euro-parlamentet og Rådet, 1997. [49]. European Industrial Gases Association. Code of practice Acetylene. Brussels : European Industrial Gases Association, 2004. [50]. Beredskabsstyrelsen. Vejledning om klassifikation af eksplosionsfarlige områder. denmark : Beredskabsstyrelsen, 2003. [51]. Metal- og maskinindustrien. ATEX, Sådan gør du i praksis. Denmark : Industriens branchearbejdsmiljøråd, 2006. [52]. Træ- og møbelindustrien. Klar til ATEX. Denamrk : Industriens branchearbejdsmiljøråd, 2006. [53]. Quintiere, J. Principles of fire behavior. USA : DELMAR, 1998. [54]. Karlsson, B. and Quintiere, J. Enclosure Fire Dynamics. USA : CRC Press, 2000. [55]. V. S. Babkin, A. A. Korzhavin, and V. A. Bunev. Propagation of Premixed Gaseous Explosion Flames in Porous Media. USSR : Institute of Chemical Kinetics and Combustion , 1991. [56]. Wingerden, Kees van. Prediction of pressure and flame effects in the direct surroundings of installations protected by dust explosion venting. Norway : Christian Michelsen Research AS, 1993.

[57]. Sikkerhedsstyrelsen. Gasreglement. Denmark : Sikkerhedsstyrelsen, 1991. [58]. Kinney, Gilbert F. og Graham, Kenneth J. Explosiove Shocks in Air. 2. edition. USA : Springer-Verlag New York inc., 1985. [59]. Puttock, J.S. Fuel Gas Explosion Guidelines - the Congestion Assessment Method. USA : Shell Research Limited, 1995. [60]. Health and Safety Executive. The New Safety Report Assessment Manual. England : Health and Safety Executive, 2006. [61]. Dansk Standard. Rapport vedrørende eksplosionslast, Supplement til DS 410. Denmark : Dansk Standard, 1995. DS/INF 104:1995. [62]. —. DS 428 Norm for brandtekniske foranstaltninger ved ventilationsanlæg. Denmark : Dansk Standard, 2009. DS 428:2009. [63]. http://www.kemikalier-og-sikkerhed.dk/blad.cfm?bladid=26&afsnitnr=1. Kemikalier og sikkerhed. [Online] Nyt Teknisk Forlag , februar 2011. [Citeret: 22. februar 2001.] http://www.kemikalier-og-sikkerhed.dk/blad.cfm?bladid=26&afsnitnr=1.

AP PE N DI KS O. FLACS FLACS software er en CFD model for simulering af udslip, spredningen og eksplosioner i gas. FLACS består af 3 moduler. CASD, Runmanager og Flowvis, se Figur 31. Nedenfor er en kort beskrivelse af modulerne, og beskrivelse af modellen. En step-by-step guide til oprettelse af scenarie i FLACS kan findes i appendiks. Uddybende information kan findes på http://www.gexconus.com/doc//olav/FLACS-Brochure.pdf, samt i FLACS user’s manual [38]. FLACS indeholder ydermere en del utility programmer. Disse vil dog ikke blive gennemgået i rapporten.

Pre-processor "CASD" - opsætning og definering af geometri - opsætning og definering af gassky, herunder størrelse og placering

Processor "FLACS" -

Gaseksplosions-

simulering

Post-processor "Flowvis" - Tryk, dynamisktryk, impuls - tid kurve - 2D & 3D grafiskpræsentation i form af billeder og animation

- opsætning og definering af antændelse - opsætning og definering af moniteringpoints for output data

Figur 53 FLACS Modul oversigt

1. BENCHMARK AF GEXCON FLACS ® For at sikre FLACS´ korrekte virkemåde udføres benchmarking, hvor en simpel model oprettes og enkle kendte simulering gennemføres som grundlag for vurdering af softwarens validitet. Hensigten med dette er, at sammenligne resultaterne fra simulering af enkle modeller med forventede eller kendte resultater. For meget simpel benchmarking af FLACS er opsat en simpel boks-konstruktion på 1 x 1 x 1 meter, med forskellige grader af obstruktioner i boksen, forskellige gastyper, forskellige aktiveringstryk for aflastningselementer og forskellige grid cellestørrelser. Nedenfor er en kort beskrivelse af modulerne, og derefter er beskrivelse af modellen, samt en step-by-step guide til oprettelse af scenarie i FLACS. I. CASD CASD er FLACS´ pre-processor. I CASD bygges modellen op, enten ved import fra CAD geo import, eller ved oprettelse af en database i Geometry database.

Figur 54 Screendump af CASD

I CASD vælges grid, model og scenarie. I afsnit IV. Simplificeret brugermanual til GexCon FLACS ® er en kortfattet beskrivelse af fremgangsmåden for fastsættelse af beregningsvolumen, grid, output data (moniteringspoints), gas-sammensætning og volumen, og antændelse.

Opsætning af grid og beregningsdomæne

Geometry Database

Opsætning af scenarie

Figur 55 CASD Værktøjslinje

FLACS user’s manual, chapter 3 [38] beskriver funktionerne i CASD. II. Runmanager Runmanager er FLACS´ beregningsprocessor / CFD simulator.

Tilføj bibliotek

Porcalc

Start simulering

Løbende simuleringsresultat

Figur 56 Screendump af Runmanger

I Runmanager startes og administreres simuleringsjobs. Her kan CASD og Flowvis startes ved genvejsknapperne i værktøjslinjen.

CASD

Flowvis

Command Window

Figur 57 Runmanager værktøjslinje

Run manager er beskrevet i FLACS user’s manual, chapter 4 [38] III. Flowvis Flowvis er FLACS´post-processor. Flowvis kan grafisk præsentere resultaterne fra Run manager som f.eks. vist i Figur 58 og Figur 59 nedenfor, som henholdsvis 2D konturplot af tryk og trykkurver for monitoringpoints.

Figur 58 Screendump af Flowvis

Figur 59 Screendump af Flowvis

Flowvis kan præsentere:          

Scalar time 2D cut plane 3D cut plane Volume Scalar line Monitor Points Panels Particle Traces Annotation ST Annotation

For nærmere præsentation af præsentationsmuligheder I Flowvis, henvises til FLACS user’s manual, chapter 5 [38]. IV. Simplificeret brugermanual til GexCon FLACS ® I nedenstående er en simplificeret, kort manualt, der viser arbejdsgangen for opsætningen af modellen i valideringen. Sammen manual kan bruges, hvis der skal valideres ved brug af de eksempler der er installeret sammen med FLACS. Hav kan filnavn 400100.caj udskiftes med f.eks. C:\Programmer\GexCon\FLACS_v9.0\doc\examples\110101.caj. Denne fil er en model som vist i Figur 21. Hvis der opstår fejlmeddeles om manglende Geometry database, kan denne tilføjes via GEOMETRY DATABASE i CASD værktøjslinjen, se Figur 55. Filen er placeret i samme mappe som *.caj filen og er navngivet CASD.caj. Når denne er valgt, åbnes denne via <Open Database> i Geometry database, og der returneres til CASD vinduet. I manualen, er tekst som skal indtastes markeret med fed, mens skrive kommandoer er markeret med kursiv og vælg der skal klikkes på med venstre musetast er med <BLOKBOGSTAVER>.

Tabel 29 FLACS bruger manual

Kommando Åben Runmanager.exe

Forklaring Starter processoren

Klik på: Startmenu > programmer >GexCon> FLACS v9.0 > FLACS Runmanager

Tilføj mappe <ADD DIRECTORY> find den mappe, hvor arbejdsfiler ønskes placeret

Vælger sagsmappe for filplacering

Åben CASD

Åbner pre-processoren CASD

Klik på: RUNMANAGER > TOOLS > CASD

Åben GEOMETRY i CASD Find filen med geometry Vælg 400100.caj Hvis fejlmeddelelser, klik <OK>

Valideringsmodel Ignorer fejlmeddelelser

Lav et simuleringsgrid, udregn porøsiteter Vælg SIMULATION_VOLUME i GRID menu Indtast - 1<TAB>-1 <TAB> -1 <TAB> 4 <TAB> 4 <TAB> 4 <OK> Åben DIRECTION X i GRID menu Vælg REGION i GRID menu og indtast 8 <OK> Gentag kommandoerne for Y retning og vælg REGION 8 Gentag kommandoerne for Z retning og vælg REGION 8 Åben INFORMATION i GRID menu, <OK> til at lukke vindue I FILE menu vælg SAVE Åben CALCULATE i POROSITIES menu Vælg DISPLAY OFF i GRID menu Definer simuleringssenarium Vælg MONITOR _POINTS i SCENARIO menu eller scen mon <CR> Marker <ADD>,<EDIT> og 1.5 <TAB> 1.5 <TAB> 0.5 <OK> og gentag det for monitor point 2 (1.5, 1.8, 0.5) Klik <OK> Vælg SINGLE_FIELD_SCALAR fra SCENARIO menu Marker <P>, og vælg alle monitoring points, <OK> Gentag for<PIMP> og <DRAG> Klik <OK> og vælg SINGLE_FIELD_3D fra SCENARIO menu Marker <P>, CTRL-<PROD>, CTRL<VVEC>, <OK>

Volumen er defineret, kontroller og godkend 8 grid celler valgt (0,5 m grid str.) 8 celler i Y retning 8 celler i Z retning Kontroller grid dimension er 0,5 m som beregnet, og forholdet er 1 Gemmer geometry og grid filer Beregner porøsitet Skjuler grid

Vælger placering af monitoring points Tilføjer og definerer placering af monitor point 1 For at redigere en ikke markeret monitor klik på dets nummer Lukker MONITOR POINTS vindue Definerer output for monitoring points Fastsætter tryk (Pressure) for begge monitoring points. Fastsætter tilsvarende impuls og dynamisk tryk. Definerer output for contour plots Vælger tryk, flamme og hastighedsvektorer. Ved valg af flere tryk CTRL ( NB! Fravælger ved rullepanel) 87

Vælg SIMULERING i SCENARIO menu eller scensim<CR> Vælg <NPLOT>, indtast 50 <OK>, <OK> Vælg GAS_COMP… i SCENARIO menu eller scengas_c<CR> Vælg <POS…>, 1 <TAB> 1 <TAB> 1 <OK> Vælg <DIM…> 0.8 <TAB> 0.8 <TAB> 0.8 <OK> Vælg <VOL…>, <PROPANE> 100 <OK><OK> Vælg <EQUI…> 1.00 <TAB> 0 <OK><OK> Vælg IGNITON i scenario menu <POS…> 1.5 <TAB> 1.2 <TAB> 0.2 <TAB><OK><OK> Eller scenign pos 1.5 1.2 0.2 OK <CR> Vælg SAVE fra FILE menu Minimer CASD

Vælger output og simuleringsparametre Øger antallet af konturer, returnerer til hovedmenu Definerer gasskyens location, størrelse, sammensætning og koncentration Angiver position af gassky Dimensionerne af gassky Definerer gas sammensætning Gassens blandingsforhold fastsættes til ER=1.00 Støkiometrisk blanding Angiver position af antændelsen Gemmer alle filer til at køre FLACS

Starter FLACS simulering Vælg job i Run Manager og klik SIMULATE (hvis job ej vises tilføj mappe, eller hvis mappe allerede er tilføjet højreklik og RESCAN), kontroller opstart (klik log file) Undersøg resultater i postprocessor Flowvis: Klik på Run Manager -> Tools >Flowvis (eller klik FLACS postprocesser ikon) Vælg ADD fra side menuen (eller CTRL+A) Klik <RIGHT> , vælg PLOT_TYPE and SCALAR_TIME plot Vælg 400100 og P med <LEFT>, vælg begge monitoring points (drag mouse) <OK> <RESCAN> plot

Klargøre første side Viser variable

(Kurve)

Vælger tryk (P) for begge moniteringpoints Opdaterer (rescan) hvis simulering kører

Vælg MODIFY i sidemenuen, indtast <TAB> 1 <TAB > 2 <OK> Vælg lower frame, derefter <RIGHT>,PLOT_TYPE,ANNOTATION_ST ADD side og gentag for DRAG og PIPMP variables

Deler siden i 2 plots

Vælg ADD i sidemenu (eller CTRL+a), klik <RIGHT>, PLOT_TYPE, 2D Vælg 400100, P, <OK> Klik <RIGHT>, vælg PLOT_DOMAIN, ændre k-index til 5 <OK> Klik <RIGHT>, vælg VARIABLE_SPEC…, ændre Value Range Setting til FIXED steps

Klargøre 2D kontur plot

Viser numerisk værdier fra trykplots

Viser trykkontur Vælger XY-snit i vandret plan Vælger et brugerdefineret fixed scale for all time

Vælg mindste værdi som 0.05 og højeste værdi som 2.0

Angiver trykskalaen

Tidsintervaller kan nu ændres ved at flytte scroll bare i bunden at det åbne vindue mod højre, siden kan ændres ved at benytte scroll bar i højre side Gentag denne metode for PROD og VVEC variabler (alle i samme plot)

Visualiserer flamme og hastigheds vektorer

Prøv at vise PRESSURE og PROD på samme side vha. PAGE MODIFY (brug en fixed scale til PROD fra 0.15 til 0.2 og ændre mindste farve index til 9 og højeste til 10) I FLOWVIS, brug volumen plottet til at undersøge flammens udvikling (PROD) og tryk (P) Brug PLOT DOMAIN til at indsnævre view vinduet og se op under loftet

V. Validering For generel validering af FLACS CFD simulering henvises til 4.1.3 Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller. Validering skal give overblik over hvilke parametre der har indflydelse på de analyse der foretages i simuleringsjobs. For simpel validering og introduktion til FLACS, er opsat en boks som beskrevet i Benchmark af GexCon FLACS ® ovenfor, samt vist i Figur 60 til Figur 68 nedenfor. I valideringen er gennemført simuleringer som vist i Tabel 30. Tabel 30 Valideringssimuleringer

Job 400100 400200 400300 400400 400500 400600 400700 400800 400900

Grid celle str. 1,0 0,5 0,25 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Gastype

Obstruktion

Aktiveringstryk (bar)

Propan Propan Propan Propan Propan Propan Propan Acetylen Hydrogen

0% 0% 0% 50 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,10 0,20 0,05 0,05

Grid cellestørrelse 1 m

Figur 60 Grid med cellestørrelse på 1x1x1 meter

Grid cellestørrelse 0,5 m

Figur 61 Grid med cellestørrelse på 0,5 x 0,5 x 0,5 meter

Grid cellestørrelse 0,25 m

Figur 62 Grid med cellestørrelse på 0,25 x 0,25 x 0,25 meter

Moniteringpoint 1

Moniteringpoint 2

Figur 63 Monitering point M1 og M2

Aflastningselement (Pressure relief panel)

Figur 64 Indsættelse af Pressure relief panel

Gassky

Figur 65 Gasvolumen på 0,8 x 0,8 x 0,8 m

Antændelse

Figur 66 Placering af antændelsessted

50% obstruktion

Figur 67 Indsættelse af 50 % obstruktioner

100% obstruktion

Figur 68 Indsættelse af 100 % obstruktioner

VI. Valideringssimuleringer De forhold der skal undersøges i simuleringer for validering er:    

Grid uafhængighed Funktion af aflastningselementer (Pressure relief panels) Effekt af obstruktioner Effekt af gastype

VII. Grid uafhængighed ”Resultaternes konvergens undersøges gennem resultatsammenligning for forskellige grid. Normalt ved halvering af gridstørrelsen indtil resultatet er uændret (Grid uafhængigt)” [42]

Grid cellestørrelse 0,07 0,06 0,05 Barg

Job 400100, Grid cellestørrelse 1.0 m 0,04 0,03

Job 400200, Grid cellestørrelse 0.5 m

0,02

Job 400300, Grid cellestørrelse 0.25 m

0,01 0,30

0,28

0,26

0,24

0,23

0,21

0,19

0,16

0,12

0,08

0,04

0,00

0 Sekunder Figur 69 Effekt af grid cellestørrelse på overtryk

I Figur 69 ses resultaterne af Job 400100, 400200 og 400300, hvor scenarierne er ens, og grid størrelsen er henholdsvis 1 meter, 0,5 meter og 0,25 meter. FLACS brugermanual [38] chapter 7, Best practice examples, anbefaler et grid ikke større end 3 celler pr. 4 meter, altså 1 1/3 meter pr. celle. Der sammenlignes derfor på gridstørrelse på 1 meter og derunder. I de tre job fylder gasskyen rummet 100% og er ikke opdelt, men svarer til en cellestørrelse. FLACS brugermanual [38] 3.5.18.1 Gas explosion simulations fastsætter, at mindre rum som f.eks. rør, kanaler og lignende altid skal løses med et grid på minimum på 5-6 celler i den mindste retning. Så selv her vil uanset, at der er konvergens ved 2-3 deling af volumet, skulle deles yderligere. Her ses at ved grid henholdsvis 0,5 meter og 0, 25 meter er ens – Job 400200 og Job 400300. Heraf kan så vælges et grid på 0,5 meter til simulering af case model. Grid bør altid undersøges og vælges for den konkrette simulering.

VIII. Funktion af aflastningselementer (Pressure relief panels)

Aktiveringstryk for pressure releif panels 0,25 0,2 Job 400500, Aktivering ved 0.05 barg

Barg

0,15

Job 400600, Aktivering ved 0.10 barg

0,1

Job 400700, Aktivering ved 0.20 barg

0,05

0,00 0,04 0,08 0,11 0,13 0,15 0,16 0,18 0,19 0,21 0,22 0,23 0,25 0,26 0,27

0 Sekunder Figur 70 Effekt af aktiveringstryk

I afsnit 5.2 er beskrevet et aktiveringstryk for aflastning på 0,05 barg. Der undersøges derfor i Figur 70 for effekt for 0,05 barg og derover. Aktiveringstid for panel er givet til:   

Job 400500 (0,05 barg) =0,09 sekunder Job 400600 (0,10 barg) =0,11 sekunder Job 400700 (0,02 barg) =0,12 sekunder

Det ses i Figur 70 at aktiveringstryk for aflastningselementer (pressure relief panels) har signifikant indflydelse på det maksimale overtryk. Dette er i klar overensstemmelse med tidligere studier, bl.a. [18] [16] og som også kan aflæses i ligning 5.1 [34].

IX. Effekt af obstruktioner

Obstruktionsgrad 0,12 0,1

Barg

0,08

Job 400500, 100% obstruktionsgrad

0,06

Job 400400, 50% obstruktionsgrad

0,04 Job 400200, 0% obstruktionsgrad 0,02 0 0,00 0,02 0,05 0,08 0,11 0,13 0,15 0,17 Sekunder Figur 71 Obstruktionsgradens effekt på overtrykket

I Figur 71 ses effekten af obstruktionsgraden. Der er i boksen opsat søjler som vist i Figur 66 og Figur 68. Ved stigning af obstruktionsgraden, stiger overtrykket. Dette er en klar tendens og i overensstemmelse med det der kan udledes af f.eks. Baker-Strehlow-Tang metoden [3] og flere tidligere studier [3] [1] [12] [40]. X. Effekt af gastype

Effekt af gas komposition 0,12 0,1

Barg

0,08 Job 400500, Propan

0,06

Job 400800, Acetylen Job 400900, Brint

0,04 0,02

0,00 0,02 0,03 0,05 0,06 0,06 0,07 0,08 0,08 0,09 0,09 0,10 0,11 0,11 0,12

0 Sekunder Figur 72 Effekt af gastype

I Figur 72 er plottet simuleringsjob 400500, 400800 og 400900 for henholdsvis Propan, Acetylen og Brint. Der tre gasser har følgende overtryk:   

Job 400500, Propan: 0,06 barg Job 400800, Acetylen: 0,08 barg Job 400900, Brint: 0,11 barg

Som det ses, er der er tendens der stemmer overens med det forventede i forhold til gassernes flammehastighed og dermed overtryk, se Figur 1 ForbrĂŚndingshastigheder for gasser . Varigheden af eksplosionerne er tilsvarende stigende, og der ses en hurtigere reaktion for Acetylen og Brint.

B IL A G Bilag I, Acetylen, Heat of combustion beregning For beregningen af størrelse og forbrændingsenergi af acetylen gassky i fyldningshal, vides at; - Støkiometrisk blanding ved 7,72 % ved 20°C - 1 mol acetylen er 24,2 l. - 1 m3 giver 77,3 l acetyle.

1 mol acetylen vejer 26,038 g

Acetylen har en forbrændingsværdi på 49,9 MJ/kg

(

)

Ved støkiometrisk blanding, findes 77,3 l på m3. En flaske acetylen indeholder 7,5 m3 acetylen, hvilket giver; gassky med acetylen-luft blanding på 7,72% V/V

Bilag II, TNO beregning af overtryk of varighed

> (

0,31

)

Så findes i figur X.X,

̅ til 2,0 og overtrykket

kan beregnes

(

)

Derefter beregnes varigheden af side-on overtrykket ved

( ⁄

̅ [

)

]

(X.X)

Hvor ̅ findes ved opslag i figur X.X, til 0,28

[

(

⁄

)

2,85 ms

Bilag III, Scenarier for CFD simulering Tabel X.X. Scenarier for simulering i CFD Job Gassky Tændkilde Indretning

Aflastning

Placering 48 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

70 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Kant sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110300

97 m

Kant sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110400

97 m3

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110410

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110100 110150 110200

110420 110430 110440 110450

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110470

97 m

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

110500

145 m3

Midt sky

Alle flasker

Fuldt lukket bygning

97 m

Midt sky

Alle flasker

25 % åbent

97 m

Midt sky

Alle flasker

50 % åbent

97 m

Midt sky

Alle flasker

75 % åbent

97 m

Midt sky

Alle flasker

100 % åbent

97 m

Midt sky

75 % flasker

50 % åbent

97 m

Midt sky

50 % flasker

50 % åbent

111200

97 m

Midt sky

25 % flasker

50 % åbent

111300

97 m3

Midt sky

0 % flasker

50 % åbent

111400

97 m

Midt sky

Blastwall X

50 % åbent

97 m

Midt sky

Blastwall Y

50 % åbent

97 m

Midt sky

Blastwall X

75 % åbent

111700 111750 111800

97 m 97 m3 97 m3

Midt sky Midt sky Midt sky

Blastwall Y Blastwall Y Alle flasker

75 % åbent 75 % åbent Aflastning i facade

111900

97 m3

Midt sky

Alle flasker

Aflastning i gavl

112000

97 m3

Midt sky

Alle flasker

112100

97 m3

Midt sky

Alle flasker

Aflastning i gavl og 50 % åben facade Aflastning i gavl og 100 % åben facade

112200

97 m3

Midt sky

Alle flasker

Aflastning 50 % tag

112300

Midt sky

Alle flasker

Aflastning 100 % tag

110460

110600 110700 110800 110900 111000 111100

111500 111600

Job

120 m

97 m

Beskrivelse

Bemærkning 3

110100

Grundlæggende job, dog med kun 48 m gassky, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

Effekt af at gasskyens størrelse halveres.

110150

Grundlæggende job, dog med kun 70 m3 gassky, antæn-

Effekt af at gasskyens størrel-

delse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

se halveres.

110200

97 m3, antændelse i kanten af skyen, tættest på væggen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

Tændkilde i kant af skyen med længst afstand til modstående gavlvæg

110300

97 m3, antændelse i kanten af skyen, længst fra væggen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

Tændkilde i kant af skyen med kortest afstand til modstående gavlvæg

110400

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

Tændkilde i midt med mulighed for 360 udbredelse

110410

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 0,5 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110420

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 1,0 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110430

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 1,5 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110440

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 2,0 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110450

120 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket

Volumen af gas forøges med 25 %

110500

145 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket.

Volumen af gas forøges med 50 %

110460

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 2,5 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110470

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd lukket. Underkant gassky 3,0 meter over gulv

Afstand til gulv øges, udbredelse af tryk i alle retninger, nedsættelse af afstand til aflastning

110600

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 25 % af vinduer i vinduesbånd åbnes.

Ventilationsgrad med kun udnyttelse af 25 %

110700

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 50 % af vinduer i vinduesbånd åbnes.

Ventilationsgrad med kun udnyttelse af 50 %

110800

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 75 % af vinduer i vinduesbånd åbnes.

Ventilationsgrad med udnyttelse af 75 %

110900

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 100 % af vinduer i vinduesbånd åbnes.

Ventilationsgrad med alle vinduer åbne

111000

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 75 % flasker og 50 % åbne vinduer

Indretning med obstruktioner i rækker, 75 % flasker

111100

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 50 % flasker og 50 % åbne vinduer

Indretning med obstruktioner i rækker, 50 % flasker

111200

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 25 % flasker og 50 % åbne vinduer

Indretning med obstruktioner i rækker, 25 % flasker

111300

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 0 % flasker og 50 % åbne vinduer

Indretning med obstruktioner i rækker, 0 % flasker

111400

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 100 % flasker og 100 % åbne vinduer. Gassky i gulvhøjde

Mulighed for udbredelse. Dels i alle retninger inde i bygningen, samt ud ad vinduer.

111500

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 100 % flasker og 50 % åbne vinduer, og en blastwall i bygningens tværretning

Opdeling af bygningen på tværs. Mindre volumen. Mindre max afstand.

111600

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 100 % flasker og 75 % åbne vinduer, og en blastwall i bygningens længderetning

Opdeling af bygningen på langs. Mindre volumen. Mindre udluftning

111700

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med 100 % flasker og 75 % åbne vinduer, og en blastwall i bygningens tværretning

111800

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og vinduesbånd åbent.

Opdeling af bygningen på tværs. Mindre volumen. Mindre max afstand. Mindre udluftning Aflastning i facader

111900

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker. Vindue i gavl

Aflastning i gavl, længderetningen.

112000

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 50 % åbne vinduer. Vindue i gavl

Suppleret aflastning i gavl, længderetningen.

112100

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker og 100 % åbne vinduer. Vindue i gavl

Suppleret aflastning i gavl, længderetningen.

112200

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker. Aflastning ved 50 % pressure relief panels i tag.

Aflastning i tag. Aktiveringstryk 0,05 barg

112300

97 m3, antændelse i midten af skyen, opstilling med alle flasker. Aflastning ved 100 % pressure relief panels i tag.

Aflastning i tag. Aktiveringstryk 0,05 barg

100

Bilag IV, Acetylen Kemisk reaktion (Forenklet) ( )

(x)

Laminar forbrændingshastighed: 1,55 m/s [Industrial seminar in Rome by GEXCOM, Kees van der Wingerden, 2010] Heat of combustion -1299,6 kJ/MOL [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] LEL 2,5 VOL% [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] UEL 82,0 VOL% [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Flammepunkt-18 °C [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Antændelsestemperatur 305 °C [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Massefylde 0,6 (-80 °C ) [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Dampmassefylde 0,9 (-80 °C ) [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Damptryk 4.200 kPa [http://www.kemikalieberedskab.dk/ikkort/10/ik.kort.[1001].7.html] Minimum ignition energy 0,020 mJ [I. Glassman, Combustion 3rd ed., 1996, Academic press] Gasvolumen I flaske: 7,5 m3

10 1

Bilag V, Tabeller Tabel 31 TNT Beregninger Volumen (m3) 7,5

Gasmasse (kg) 0,62

W (kg)

R (meter)

Po (kPa)

0,101

1,0

2,14

2,5

253,31

101,33

7,5

0,62

0,10

1,5

3,22

7,5

0,62

0,10

2,0

4,29

0,6

60,80

7,5

0,62

0,10

2,5

5,36

0,38

38,50

7,5

0,62

0,10

3,0

6,43

0,18

18,24

7,5

0,62

0,10

3,5

7,50

0,13

13,17

7,5

0,62

0,10

4,0

8,58

0,09

9,12

7,5

0,62

0,10

4,5

9,65

0,05

5,07

7,5

0,62

0,10

5,0

10,72

0,03

3,04

7,5

0,62

0,10

5,5

11,79

0,02

2,03

7,5

0,62

0,10

6,0

12,86

0,01

1,01

7,5

0,62

0,10

6,5

13,94

0,00

7,5

0,62

0,10

7,0

15,01

0,00

7,5

0,62

0,10

7,5

16,08

0,00

7,5

0,62

0,10

8,0

17,15

0,00

7,5

0,62

0,10

8,5

18,22

0,00

7,5

0,62

0,10

9,0

19,30

0,00

Tabel 32 TNO Eksplosionsstyrke 8 Gassky volumen m3

Afstand (meter)

Î&#x201D;Ps

Ps (kPa)

1,0

0,06

202,65

1,5

0,09

202,65

2,0

0,13

202,65

2,5

0,16

202,65

3,0

0,19

202,65

3,5

0,22

202,65

4,0

0,25

202,65

4,5

0,28

202,65

5,0

0,31

202,65

5,5

0,35

202,65

6,0

0,38

1,95

197,58

6,5

0,41

1,9

192,52

7,0

0,44

1,8

182,39

7,5

0,47

1,7

172,25

8,0

0,50

1,6

162,12

8,5

0,53

1,5

151,99

9,0

0,57

1,4

141,86

102

Tabel 33 TNO Eksplosionsstyrke 9 Gassky volumen m3

Afstand (meter)

ΔPs

Ps (kPa)

1,0

0,06

506,63

1,5

0,09

506,63

2,0

0,13

506,63

2,5

0,16

506,63

3,0

0,19

506,63

3,5

0,22

506,63

4,0

0,25

506,63

4,5

0,28

506,63

5,0

0,31

4,95

501,56

5,5

0,35

4,9

496,49

6,0

0,38

4,8

486,36

6,5

0,41

4,7

476,23

7,0

0,44

4,6

466,10

7,5

0,47

4,5

455,96

8,0

0,50

4,4

445,83

8,5

0,53

4,3

435,70

9,0

0,57

4,2

425,57

Tabel 34 TNO Eksplosionsstyrke 8 og 9, beregnet varighed R (Skaleret dist.)

td TNO styrke 8 (ms)

td TNO styrke 9 (ms)

0,25

0,31

0,22

0,28

0,29

0,24

0,31

0,28

0,24

0,35

0,27

0,23

0,38

0,26

0,21

0,41

0,25

0,20

0,44

0,24

0,19

0,47

0,23

0,18

0,50

0,22

0,17

0,53

0,21

0,14

0,57

0,22

0,16

Bilag VI, Lovgivning Byggeloven Byggelovens [14] formål er bl.a. at sikre, ”at bebyggelse udføres og indrettes således, at den frembyder tilfredsstillende tryghed i brand- og sikkerheds- og sundhedsmæssig henseende, ……” Dette gøres ved at udarbejde et bygningsreglement [15] fastsat i §5. Bygningsreglementet skal fastsætte regler for bl.a. sikkerheds-, brand- og sundhedsmæssige forhold, jf. § 6. Udfærdigelsen af bygningsreglementet er forankret i Erhvervs- og byggestyrelsen under Økonomi- og erhvervsministeriet.

10 3

Bygningsreglementet BR10, 5.1.1 [15]:” Bygninger skal opføres og indrettes, så der opnås tilfredsstillende tryghed mod brand og mod brandspredning til andre bygninger på egen og på omliggende grunde. Der skal være forsvarlig mulighed for redning af personer og for slukningsarbejdet....” Forhold vedrørende brand er samlet i kapitel 5, Brandforhold, men bestemmelsen, der skal sikre bygninger mod eksplosioner, skal findes i kapitel 4, konstruktioner. BR10 [15], Afsnit 4.2 Dimensionering af konstruktioner fastsætter kravet til dimensionering af konstruktioner i henhold til bl.a. Eurocode DS/EN 1991-1-7 Ulykkeslast [22], med DS/EN 1991-1-7 DK NA. [22] DS/EN Dansk standard implementerer Eurocodes og de nationale annekser til disse. Eurocodes udgives på dansk som DS/EN. Eurocode 0, projekteringsgrundlag for bærende konstruktioner, DS/EN 1990 [24] afløser den tidligere danske standard DS 409, Norm for projekteringsgrundlag for konstruktioner, mens Eurocode 1, Last på bærende konstruktioner, DS/EN 1991 [22], afløser den tidligere danske standard DS 410, Norm for Last på konstruktioner Eurocodes Eurocodes inklusiv de nationale Annekser (NA) [22] er grundlaget for byggeri omfattet af bygningsreglementet BR10 [15]. BR10, kapitel 4.2 stk. 1 angiver, at ved dimensionering af konstruktioner skal Eurocodes med danske Nationale annekser benyttes. Eurocode 0, Projekteringsgrundlag for bærende konstruktioner [24], er det grundlæggende projekteringsdokument, mens bestemmelserne for design for sikkerhed ved risiko for eksplosion skal findes i Eurocode 1, Last på bærende konstruktioner - Del 1-7: Generelle laster [22], hvor der i kapitel 5 Indvendige eksplosioner er beskrevet, at ved design af bygninger, hvor der opbevares, afbrændes eller transporteres eksplosive materialer som f.eks. eksplosive gasser, skal eksplosioner tages i betragtning. Principperne i Eurocode 1 [22], kapitel 5, Indvendige eksplosioner, kan ridses op som følgende: 

Konstruktioner skal dimensioneres, så de kan modstå progressivt kollaps.



Svigt i enkelt del tillades.



Begrænsning af følgerne fra en eksplosion kan ske ved: o

Design af konstruktioner for optagelse af maksimalt eksplosionstryk.

Aflastning, adskillelse og/eller afgrænsning.

Undgå spredning af tryk.



Eksplosionstrykket virker samtidigt på alle omkransende flader.



Fastsættelse af aflastningselementer i forhold til mulige antændelseskilder. Elementer må være lette og bryde ved lavest mulige tryk.



Over- samt undertryk skal medtages i beregningen.

Eurocode 1 [22], kapitel 5 finder ikke anvendelse på eksplosioner forsaget af eksplosiver, eller eksplosioner i flere sammenhægende rum. Beredskabsloven Forsvarsministeren kan i medfør af §33 i beredskabsloven [43] fastsætte regler for placering, indretning og brug af virksomheder, der opbevarer, anvender eller fremstiller bl.a. gasser og brandfarlige væsker. Reglerne i medfør §33 i beredskabsloven [43] fastsættes af Beredskabsstyrelsen i medfør af §1 i BEK nr. 1557 af 11/12/2009 om henlæggelse af beføjelsen til at fastsætte regler til 104

Beredskabsstyrelsen og om klageadgang vedrørende bekendtgørelse om tekniske forskrifter for brandfarlige væsker [4] og bekendtgørelse om tekniske forskrifter for gasser [5] Tekniske forskrifter Mens BR10 lægger op til en funktionsbaseret designtilgang, gælder for begge forskrifter, at de bygger på præskriptive regler, der beskriver detaljerede metoder til design af bygninger. Dog er der også her mulighed for en overordnet funktionsbaseret tilgang i 1.3.1, der i sin intension ligger tæt op ad BR10 [15]. TF 1.3.1 [5] :”Oplag af og anlæg med gasser skal placeres, indrettes og benyttes på en sådan måde, at risikoen for at brande opstår, at brande breder sig, at skade på personer, ejendom og miljø finder sted, at store værdier ødelægges, og at der i forbindelse med brand opstår anden skade formindskes mest muligt, og at der herved sikres forsvarlige rednings- og slukningsmuligheder.” Eftervisning af brandsikkerheden, hvor projektet afviger fra de tekniske forskrifter, kan ske ved f.eks. brug af NFPA Standarder eller SFPE Handbook. Bekendtgørelsen om tekniske forskrifter for gasser [5] 1.3.20 stiller krav om klassifikation af eksplosive områder: ”Områder, hvor der kan forekomme eksplosiv atmosfære, skal være klassificeret og afmærket i overensstemmelse med bestemmelserne i Indenrigs- og Sundhedsministeriets (nu Forsvarsministeriets) bekendtgørelse om klassifikation af eksplosionsfarlige områder [44].” Klassificering af eksplosionsfarlige områder skal ske på grundlag af frekvens og varighed, og klassificeres i zoner derefter. Bygninger og områder, hvor der er risiko for, at der kan opstå en eksplosiv atmosfære, er tillige omfattet af ATEX direktivet [25] under Arbejdstilsynet. Det betyder, at virksomhederne skal udarbejde en særlig arbejdspladsvurdering, der omhandler risikoen for eksplosion på arbejdspladsen (ATEX apv). Seveso II Direktivet Rådets direktiv 96/82/EF af 9. december 1996 om kontrol med risikoen for uheld med farlige stoffer [45], i daglig tale kaldet Seveso direktivet, fastsætter, at virksomheder, der opbevarer eller anvender eksplosive eller giftige materialer i væsentligt omfang, skal udarbejde en beredskabsplan, der kan iværksættes ved uheld på virksomheden. Tilsvarende skal myndighederne udarbejde en ekstern beredskabsplan, der fastsætter borgernes og myndighedernes roller i forbindelse med uheld. Udarbejdelse af disse planer sker i samarbejde mellem virksomhederne og myndighederne. Planerne skal forebygge uheld og redegøre for de tiltag, der skal sikre virksomheden og omgivelserne i tilfælde af uheld. De ansvarlige myndigheder i Danmark er de lokale myndigheder, de lokale brandmyndigheder, politiet, Miljøstyrelsen, arbejdstilsynet og beredskabsstyrelsen. Bekendtgørelse om kontrol med risikoen for uheld med farlige stoffer [46] ,også kaldet Risikobekendtgørelsen, indeholder de bestemmelser, der gennemfører rådets direktiv. Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr [47] er udarbejdet på grundlag af Europaparlamentets og rådets direktiv 97/23/EF [48]. Bekendtgørelsen fastsætter bestemmelser om konstruktioner af trykbærende udstyr med et tilladt maksimalt tryk på mere end 0,5 bar. Bekendtgørelsen indeholder generelle bestemmelser om indretning, ombygning og reparation af udstyr til brug af f.eks. gasser, men omhandler ikke tryksatte væsker, som f.eks. damp i turbiner eller lignende. For kendte gasser kan bruges European Industrial Gases Association’s branchevejledninger. For Acetylen kan nævnes Code of practice Acetylene [49] Vejledninger Der findes en del vejledninger om arbejde i forbindelse med eksplosiv atmosfære. Fælles for disse vejledninger er dog, at de ikke omhandler forebyggelse og eksplosionssikring af bygninger. Vejledningerne er ikke bindende.

10 5

Disse vejledninger har det tilfælles, at de alle er rettet mod drift. Nedenfor er et udpluk af disse vejledninger: 

Ikke-bindende vejledning for god praksis med henblik på gennemførelsen af direktiv 1999/92/EF ”ATEX” EU-kommisionen, Beskæftigelse & Sociale anliggender, April 2003 [25]



Vejledning om klassifikation af eksplosionsfarlige områder, Beredskabsstyrelsen, juni 2003 BRS. [50]



Branchevejledninger: 

Metal- og maskinindustrien, Industriens branchearbejdsmiljøråd, 2006 [51]



Træ- og møbelindustrien, Industriens branchearbejdsmiljøråd, 2006 [52]



At-Vejledning, Stoffer og Materialer C.0.9, Arbejdstilsynet 2005 [26]



Code of practice Acetylene, European Industrial Gases Association, 2004 [49]

NFPA 68 NFPA 68 [18], Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting angiver løsningsmuligheder for design, placering, installation, vedligeholdelse og brug af udstyr, der bruges ved ventilering af forbrændingsgasser og tryk som følge af en forbrænding i bygninger, så skader på konstruktioner minimeres. Dele af denne standard vil blive uddybet i afsnit 4Modellering af eksplosioner, samt i afsnit 5, Aflastning af eksplosioner. NFPA 69 NFPA 69 [10], Standard on Explosion Prevention Systems angiver løsningsmuligheder for design, opførelse, drift, vedligeholdelse og afprøvning af systemer og udstyr for nedsættelse af eksplosionsrisikoen ved: (a) kontrol af oxidant koncentration (b) kontrol af brændbart koncentration (c) eksplosionsbekæmpelse (d ) isolering af deflagrationstryk (e) gnistslukningsanlæg.

Standarden omhandler ikke detonationer. Øvrige NFPA standarder Udover de ovenfor nævnte NFPA standarder kan nævnes følgende omhandlende eksplosioner, se Tabel 35, ydermere findes flere standarder om fremstilling, håndtering og distribution af gasser, se Tabel 36.

Tabel 35 NFPA standarder omhandlende eksplosioner

Nummer

Titel

NFPA 61

Standard for the Prevention of Fires and Dust Explosions in Agricultural and Food Processing Facilities

NFPA 68

Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting

NFPA 69

Standard on Explosion Prevention Systems

NFPA 654

Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids

NFPA 655

Standard for Prevention of Sulfur Fires and Explosions

106

NFPA 664

Standard for the Prevention of Fires and Explosions in Wood Processing and Woodworking Facilities

NFPA 921

Guide for Fire and Explosion Investigations

NFPA 8502

Standard for the Prevention of Furnace Explosions/Implosions in Multiple Burner Boilers

Tabel 36 NFPA standarder omhandlende gasser

Nummer

Titel

NFPA 37

Standard for the Installation and Use of Stationary Combustion Engines and Gas Turbines Standard for Gaseous Hydrogen Systems at Consumer Sites

NFPA 50A NFPA 51 NFPA 52

Standard for the Design and Installation of Oxygen-Fuel Gas Systems for Welding, Cutting, and Allied Processes Vehicular Gaseous Fuel Systems Code

NFPA 54

National Fuel Gas Code

NFPA 55

Compressed Gases and Cryogenic Fluids Code

NFPA 57

Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicular Fuel Systems Code

NFPA 58

Liquefied Petroleum Gas Code

NFPA 59

Utility LP-Gas Plant Code

NFPA 59A

Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG) Standard for Exhaust Systems for Air Conveying of Vapors, Gases, Mists, and Noncombustible Particulate Solids Standard for Fire Testing of Passive Protection Materials for Use on LP-Gas Containers Standard for the Control of Gas Hazards on Vessels

NFPA 91 NFPA 290 NFPA 306 NFPA 328 NFPA 329 NFPA 497

Recommended Practice for the Control of Flammable and Combustible Liquids and Gases in Manholes, Sewers, and Similar Underground Structures Recommended Practice for Handling Releases of Flammable and Combustible Liquids and Gases Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas

Bilag VI, FLACS input Der er i FLACS valgt input i scenarieopsætningen som beskrevet nedenfor: 

Volume of calculation domain: o total = 45692.400 m3 o blocked = 898.941 m3



Length o o o



Mean blockage ratios: o x-direction 0.026 o y-direction 0.026 o z-direction 0.017 o volume 0.020



# GASDATA_MODEL = C:\Program Files\GexCon\FLACS_v9.1\bin\files\gasdata2.2.8\ (DEFAULT)

of calculation domain: x-direction 78.000 y-direction 58.000 z-direction 10.100

10 7



Gas concentration, equivalence ratios (ER): o RICH 1.000 o LEAN 0.000



Gas composition, volume %: o ACETYLENE 100.00 %



Air composition, volume %: o O2 20.95 % o N2 79.05 %



Gas composition, volume % of total: o ACETYLENE 7.73 % o O2 19.33 % o N2 72.94 %

 

Ambient temperature = 20.00 C Ambient pressure = 1000.00 mbar (=hPa)



Maximum laminar burning velocity: o SLAM 1.550



Laminar burning velocity in given mixture: o SLAM 1.440



Laminar burning velocity dependence on T = 20.00 C: o SLAM,TFAC 1.440 1.000



Laminar burning velocity dependence on P = 1000.00 mbar: o SLAM,PFAC 1.440 1.000

Figur 73 Opsætning af pressure relief panel

108

FI G U R L IS T E Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur

1 Forbrændingshastigheder for gasser [3]. ........................................................ 13 2 Propagerende flamme i delvist lukket rum. ..................................................... 13 3 Reaktionszone ved diffusion .......................................................................... 13 4 Flammetyper ved bunsenbrænder. [7] ........................................................... 14 5 Antændelsesgrænser. [3] ............................................................................. 14 6 Trykkurver for forskellige eksplosionsstyrker. [3]............................................. 18 7 Trykbølge efterfulgt undertryk, henholdsvis deflagration og detonation. ............. 18 8 Side-on tryk, samt reflekteret tryk ................................................................. 19 9 Impuls som funktion af tryk og tid ................................................................. 19 10 Turbulens omkring rør. ............................................................................... 20 11 Turbulens ved trykstigning i mellem flere rum. .............................................. 20 12 Hændelsestræ ved gasudslip [12] ................................................................ 22 13 Overordnet lovgivning vedrørende eksplosionssikring af bygninger. ................. 23 14 Oversigt over gældende lovgivning (Se også bilag VI) .................................... 24 15 Skaleret overtryk og impuls [3] ................................................................... 32 16 Overtryk for eksplosionsstyrke 1-10 ............................................................. 34 17 Varighed ................................................................................................... 34 18 Skaleret overtryk [3] .................................................................................. 37 19 Skaleret impuls [3] .................................................................................... 37 20 AutoReaGas screendump ............................................................................ 38 21 FLACS tryksimulering ................................................................................. 38 22 Luftfoto af Strandmøllen, Holbæk ................................................................. 39 23 Facadeudsnit med vinduesbånd delvist åbent ................................................ 39 24 Plantegning af fyldningshal.......................................................................... 39 25 Acetylen-luft sky på 97,02 m2. .................................................................... 41 26 Flaske opstilling fyldningshal. ...................................................................... 41 27 Varighed som funktion af afstanden fra eksplosionscentrum. ........................... 43 28 Impuls som funktion af afstand fra centrum .................................................. 44 29 Overtryk som funktion af afstanden fra eksplosionscentrum. ........................... 45 30 Overtryk som funktion af aflastningsareal ..................................................... 49 31 FLACS Modul oversigt ................................................................................. 51 32 FLACS validerings forsøg (Foto: http://www.gexcon.com/FLACSvalidation) ....... 52 33 Fyldningshal i FLACS CASD ......................................................................... 53 34 Betydning af indretning i FLACS ................................................................... 53 35 Tryk skala for FLACS .................................................................................. 54 36 Overtryk som funktion af gasskyens størrelse ................................................ 56 37 Sammenligning af resultat fra TNO og FLACS ................................................ 56 38 Gasskyen hævet 1 m over gulv Figur 39 Gasskyen hævet 2 m over gulv ......... 59 40 Effekt af gasskyens placering ...................................................................... 59 41 Overtryk som funktion af antændelsessted .................................................... 62 42 Maksimalt overtryk ved antændelse midt i gasskyen ...................................... 62 43 Effekt af aflastningsarealet .......................................................................... 64 44 Tryk skala for FLACS (for aflastning) ............................................................ 64 45 Overtryk som funktion af aflastningsareal fra Rasbash og FLACS ..................... 66 46 Henholdsvis 50 % og 100 % af tagarealet som Pressure relief panel ................ 66 47 Effekt af aflastningens placering .................................................................. 67 48 Effekt af antallet af flasker .......................................................................... 70 49 Sammenligning af overtryk og antallet af flasker ........................................... 70 50 Foto fra : http://www.nexusfp.no/upload/Nexus%20FPSO%20-%20ovenfra.jpg 72 51 Effekt af ændret geometri og introduktion af blastwall .................................... 73 52 Principielle indretninger af lokale / bygning ................................................... 75 53 FLACS Modul oversigt ................................................................................. 83 54 Screendump af CASD ................................................................................. 84 55 CASD Værktøjslinje .................................................................................... 84 56 Screendump af Runmanger ......................................................................... 85 57 Runmanager værktøjslinje .......................................................................... 85 58 Screendump af Flowvis ............................................................................... 86 59 Screendump af Flowvis ............................................................................... 86 60 Grid med cellestørrelse på 1x1x1 meter ........................................................ 90 61 Grid med cellestørrelse på 0,5 x 0,5 x 0,5 meter............................................ 90

Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur

62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73

Grid med cellestørrelse på 0,25 x 0,25 x 0,25 meter ..................................... 90 Monitering point M1 og M2 .......................................................................... 91 Indsættelse af Pressure relief panel .............................................................. 91 Gasvolumen på 0,8 x 0,8 x 0,8 m ................................................................ 91 Placering af antændelsessted ...................................................................... 91 Indsættelse af 50 % obstruktioner ............................................................... 92 Indsættelse af 100 % obstruktioner ............................................................. 92 Effekt af grid cellestørrelse på overtryk ......................................................... 93 Effekt af aktiveringstryk .............................................................................. 94 Obstruktionsgradens effekt på overtrykket .................................................... 95 Effekt af gastype........................................................................................ 95 Opsætning af pressure relief panel ............................................................. 108

TA BE L L IST E Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel

1 Antændelsesgrænser for udvalgte gasser ....................................................... 14 2 Minimum Ignition Energy MIE (mJ) ................................................................ 16 3 Konvertering af enheder .............................................................................. 25 4 Effekt af overtryk på mennesker ................................................................... 25 5 Effekt af overtryk på mennesker og bygninger ................................................ 26 6 Acceptkriterier i EU & USA ............................................................................ 26 7 Effekt af overtryk på konstruktioner [23] ....................................................... 26 8 Geometribeskrivelser for Baker-Strelow-Tang modellen [3] .............................. 36 9 Beskrivelse af forhindringsniveau for Baker-Strehlow-Tang modellen [3] ............ 36 10 Flammehastigheder angivet i Mach hastigheder [3]. ...................................... 36 11 Dimensioner for bygning ............................................................................ 40 12 Opsummering af fordele og ulemper ved empiriske modeller [36] ................... 45 13 Forløb af overtryk som funktion af gasvolumen ............................................. 57 14 sammenligning af overtryk og varighed ved differenceret gasmængde ............. 58 15 Forløb af overtryk som funktion af gasskyen højde over gulv .......................... 60 16 Sammenligning af overtryk og varighed ved differenceret afstand til gulv ......... 60 17 Forløb af overtryk som funktion af antændelsessted ...................................... 63 18 Sammenligning af overtryk og varighed ved skiftende antændelsessted ........... 63 19 Forløb af overtryk som funktion af aflastningsarealet ..................................... 65 20 Sammenligning af overtryk og varighed ved øget aflastningsareal ................... 65 21 Oversigt over aflastningsarealer .................................................................. 66 22 Forløb af overtryk som funktion af aflastningens placering .............................. 68 23 sammenligning af overtryk og varighed ved ændret placering af aflastning ....... 69 24 Aktiveringstider for Pressure Relief Panels i FLACS ......................................... 69 25 Forløb af overtryk som funktion af indretningen ............................................ 71 26 Sammenligning af overtryk og varighed ved ændret indretning ....................... 72 27 Forløb af overtryk som funktion af fyldningshallens geometri .......................... 74 28 sammenligning af overtryk og varighed ved ændret geometri ......................... 75 29 FLACS bruger manual ................................................................................ 87 30 Valideringssimuleringer .............................................................................. 89 31 TNT Beregninger ..................................................................................... 102 32 TNO Eksplosionsstyrke 8 .......................................................................... 102 33 TNO Eksplosionsstyrke 9 .......................................................................... 103 34 TNO Eksplosionsstyrke 8 og 9, beregnet varighed........................................ 103 35 NFPA standarder omhandlende eksplosioner ............................................... 106 36 NFPA standarder omhandlende gasser ....................................................... 107