Zjawiska występujące podczas awaryjnych zdarzeń z LPG

28-02-2013 19:57:14

Od początku lat 90. ubiegłego wieku rynek skroplonych paliw gazowych węglowodorowych w Polsce charakteryzuje się niezwykle dużą dynamiką rozwoju. Niestety pociąga to za sobą wzrost liczby wypadków z udziałem LPG.

Atrakcyjność gazy płynnego wynika z faktu, że jest on dobrym nośnikiem energii, a ze względu na właściwości może być magazynowany w cienkościennych zbiornikach gazowych w fazie ciekłej, podczas gdy wykorzystywana jest faza gazowa. W miejscach, w których doprowadzenie gazu sieciowego jest niemożliwe bądź zbyt kosztowne, zastosowanie płynnego gazu w naczyniach ciśnieniowych jest rozwiązaniem prawie idealnym. Prywatyzacja sektora paliw płynnych i zasady wolnego rynku wpłynęły na konkurencyjność cen gazu płynnego jako nośnika energii. Wzrost zainteresowania propanem-butanem, będącym alternatywnym źródłem energii w Polsce, Dał impuls do rozbudowy sieci dystrybucji. Wzrost zużycia płynnych gazów węglowodorowych, liczby ich użytkowników oraz butli przeznaczonych do dystrybucji wpłynęły na zwiększenie liczby wypadków z udziałem LPG.

Awarie w czasie transportu, dystrybucji i magazynowania LPG, ze względu na właściwości fizyko-chemiczne tego paliwa, stwarzają poważne niebezpieczeństwo dla ludzi i infrastruktury. Przyczyną uwolnienia LPG ze zbiornika ciśnieniowego mogą być: oddziaływanie pożaru, korozja, zniszczenie mechaniczne, np. w wyniku uderzenia i inne. Jeśli z jakiś powodów zbiornik ulegnie uszkodzeniu, gwałtowny spadek ciśnienia może doprowadzić do uwolnienia dużych ilości odparowującego gazu i związanego z tym przekształcenia energii działającej destrukcyjnie na otoczenie. Działania ratownicze w trakcie zdarzeń z udziałem zbiorników z LPG wiążą się z występowaniem wielu zagrożeń zależnych od rozwoju sytuacji na miejscu akcji. W zależności od kształtu, rozmiaru i typu awarii kierownik działań ratowniczych przy podejmowaniu działań ratowniczo-gaśniczych powinien uwzględnić możliwość wystąpienia:

- niekontrolowanego wypływu gazu do atmosfery i utworzenia obłoku palnego gazu, z możliwością zapłonu powstałej mieszaniny gazu palnego z powietrzem;

- pożaru obłoku mieszaniny palnej substancji z powietrzem (ang. FlashFire-FF);

- wybuchu par w przestrzeni ograniczonej lub nieograniczonej (ang. VapourCloudExplosion-VCE i UnconfiedVCE-UVCE);

- pożaru strumieniowego (ang. JetFire-JF);

- wybuchu rozprężających się par wrzącej cieczy (ang. Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion-BLEVE);

- pożaru kulistego (ang. FireBall-FB);

- zjawisk wtórnych towarzyszących pożarom i wybuchom, czyli: strumienia ciepła, fali nadciśnienia oraz odłamkowania.

Zjawiska towarzyszące uwolnieniu LPG

Rozprzestrzenianie gazu w powietrzu zależy od właściwości fizycznych substancji, warunków meteorologicznych i topograficznych otoczenia. Głównymi czynnikami meteorologicznymi, mającymi wpływ na rozprzestrzenianie się substancji w powietrzu są: prędkość wiatru, pora dnia, temperatura oraz gradient temperatury od wysokości. Do czynników topograficznych należą: ukształtowanie terenu, jego pokrycie, zabudowa oraz inne przeszkody przestrzenne. Właściwością fizyczną mającą duży wpływ na zachowanie się gazu w powietrzu jest jego gęstość. Gazy lub pary o gęstości większej od powietrza mają naturalną tendencję do opadania w dół z prędkością tym większą, im większa jest różnica ich gęstości w stosunku do powietrza. Propan i butan są gazami półtora i dwukrotnie cięższymi od powietrza, stąd będą opadały w dół, jednocześnie mieszając się z powietrzem. Ciężkie gazy lub pary będą zalegać w zagłębieniach i rozprzestrzeniać się blisko ziemi. Po uwolnieniu propanu-butanu wszelkie kanały, przepusty i inne przestrzenie blisko poziomu gruntu lub poniżej staną się drogami transportu i szybkiego przemieszczania medium.

Podczas awarii zbiornika z LPG, bez powstania pożaru w jego pobliżu, może nastąpić wyciek substancji ciekłej z odparowaniem lub wyciek gazu. Mieszanina propan-butan jest nietoksyczna, więc nie stanowi zagrożenia dla ludzi czy środowiska. Zagrożeniem są natomiast pożar lub wybuch. Najbardziej niebezpieczne, szczególnie dla strażaków, jest uformowanie się chmury gazowej wstępnie zmieszanej z powietrzem, w której stężenie palnej mieszaniny zawierać się będzie pomiędzy dolną i górną granicą wybuchowości. Wówczas nawet najdrobniejszy czynnik zapłonowy może zapoczątkować pożar lub wybuch takiego obłoku palnego. Opóźniony zapłon uformowanego obłoku palnego najczęściej spowoduje wypalenie do źródła emisji. Zjawisko to w języku angielskim nosi nazwę FlashFire, co należy rozumieć jako pożar obłoku mieszaniny palnej substancji z powietrzem.

Flash Fire

Flash Fire - pożar obłoku mieszaniny palnej substancji z powietrzem

W nielicznych przypadkach podczas zdarzeń z LPG dochodzi do wybuchu chmury gazu. Aby nastąpił wybuch w przestrzeni nieograniczonej lub przejście pożaru chmury mieszaniny palnej w wybuch, niezbędny jest odpowiedni kształt, minimalna masa (tzw. krytyczna), obecność przeszkód, takich jak budynki, powodujących przyśpieszenie szybkości spalania oraz duża turbulencja wewnątrz obłoku. Fala powstająca w wyniku wybuchu w nieograniczonej przestrzeni charakteryzuje się względnie wolnym narastaniem ciśnienia do wartości maksymalnej i względnie dużym okresem trwania nadciśnienia (rzędu kilku dziesiątych sekundy). Wybuch chmury gazu lub pary w przestrzeni nieograniczonej daje nadciśnienie rzędu 1 bara i ma charakter deflagracyjny.

Wybuch lub pożar chmury palnej mieszaniny gazowo-powietrznej w przypadku wypływu ciągłego (nieprzerwane zasilanie chmury w substancję palną ze źródła, np. z uszkodzonego zaworu autocysterny z LPG) może spowodować wypalenie się propanu-butanu w kierunku źródła i powstanie pożaru strumieniowego. Pożar strumieniowy może również powstać w przypadku natychmiastowego zapłonu palnego gazu wydostającego się przez otwór w zbiorniku lub rurociągu. Średnia intensywność promieniowania cieplnego podczas pożarów strumieniowych dla LPG wynosi około 350 kW/m2, natomiast temperatura płomienia 1200 stopni C. Promieniowanie cieplne od płomienia powoduje duże obciążenie cieplne elementów konstrukcyjnych i sprzętu, zmniejszając ich wytrzymałość oraz narażając je na zniszczenie.

Jet Fire

Jet Fire - pożar strumieniowy cysterny w Chrzanowie - akcja ratownicza trwała 25 godzin. Strażacy pozwolili aby gaz się wypalił, w tym czasie schładzano płaszcz zbiornika wodą

Wybuch BLEVE

Ciągły i długotrwały proces nagrzewania płaszcza zbiornika powoduje wzrost temperatury wewnątrz i gwałtowny przyrost ciśnienia. Powoduje to osłabienie konstrukcji zbiornika, uplastycznienie stali, a w konsekwencji następuje rozszczelnienie zbiornika i katastroficzny wypływ do otoczenia. Zjawisko to nosi nazwę BLEVE. Termin BLEVE (z ang. Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) został zdefiniowany i wprowadzony przez Amerykańskie Stowarzyszenie Ochrony Przeciwpożarowej (NFPA). BLEVE oznacza wybuch rozprężających się par wrzącej cieczy. To gwałtowny proces fizyczny związany z szybką przemianą fazową zawartej w nim cieczy. W jednej chwili ogromna ilość substancji przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy, zwiększając znacznie i gwałtownie swoją objętość.

Pożar zlokalizowany pod zbiornikiem przyczynia się do wzrostu temperatury ścianki zbiornika. Akumulacja ciepła w zbiorniku jest powolna i zależy przede wszystkim od jego objętości. Duża objętość powoduje, że przyrost wartość temperatury i ciśnienia wewnątrz zbiornika jest powolny. Daje to czas na podjęcie odpowiednich kroków zmierzających do powstrzymania zbliżającego się zagrożenia, jakim jest wybuch BLEVE. Po przekroczeniu wartości ciśnienia skutkującej zadziałaniem zaworu bezpieczeństwa następuje uwolnienie gazu do atmosfery. Proces ten w konsekwencji powoduje obniżenie lustra cieczy w zbiorniku. W przypadku omywania przez płomienie części gazowej zbiornika następuje znacznie szybszy wzrost temperatury ścianki zbiornika oraz temperatury i ciśnienia w zbiorniku, co przyśpiesza powstanie zjawiska BLEVE.

BLEVE

BLEVE - wybuch rozprężających się par wrzącej cieczy (w tym przypadku podwójny wybuch)

Wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia w zbiorniku rośnie energia wewnętrzna układu. Po przekroczeniu parametrów wytrzymałościowych następuje uwolnienie zmagazynowanej energii w postaci wybuchu fizycznego oraz powstania i przemieszczenia odłamków. W przypadku wybuchu fizycznego mamy do czynienia ze zjawiskiem gwałtownego wyrównania różnicy ciśnień pomiędzy przestrzenią wnętrza zbiornika a otoczeniem, w jakim jest zlokalizowany. Dodatkowo w przypadku zjawiska BLEVE mamy do czynienia z przejściem fazy ciekłej w fazę gazową, któremu towarzyszy wzrost objętości zajmowanej przez substancję magazynowaną. Powoduje to powstanie fali nadciśnienia, która rozchodzi się w atmosferze i ze względu na swoją moc, ma zdolność do powodowania zniszczeń.

Część energii wewnętrznej przekazywana jest na ścianki zbiornika, co powoduje rozerwani i oderwanie fragmentów o zróżnicowanej wielkości i kształcie. W konsekwencji powstałe odłamki zostają z dużą prędkością rozrzucone w otoczeniu zbiornika. W przypadku przestrzeni otwartej strefa ta może mieć średnicę nawet jednego kilometra. Liczba odłamków powstałych podczas wybuchu BLEVE i podczas innych wybuchów jest nieprzewidywalna.

W przypadku zapłonu chmury gazu wybuchowi BLEVE towarzyszy zjawisko zwane z angielskiego FireBall, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza „kula ognista”. Pożar kulisty może powstać w przypadku uwolnienia substancji palnej. Parametrami charakteryzującymi tego typu pożar są wielkości strumienia ciepła funkcji odległości od centrum pożaru oraz czas trwania ognistej kuli.

Podsumowanie

W aspekcie bezpieczeństwa działań ratowniczo-gaśniczych najmniejsze zagrożenia stwarza sytuacja, gdy następuje wyciek i zapłon gazu bez ogrzewania płaszcza zbiornika. Natomiast najbardziej niekorzystne sytuacje to wyciek bez zapłonu oraz wyciek z zapłonem, w którym płomień ogrzewa płaszcz zbiornika. Podczas niekontrolowanego wypływu LPG ze zbiorników ciśnieniowych osoba prowadząca działania w celu likwidacji takiego zagrożenia musi brać pod uwagę bardzo wiele czynników wpływających na zjawiska towarzyszące uwolnieniu gazu. Pierwszym czynnikiem rzutującym na dalsze postępowanie jest ustalenie, czy nastąpił zapłon gazu. Gdy nastąpił, trzeba ustalić jakie jest oddziaływanie płomienia na zbiornik. W sytuacji, w której płomień będzie w pionie i nie będzie obejmował zbiornika, w celu likwidacji zdarzenia należy podjąć inne działanie niż w sytuacji, kiedy płomienie obejmują płaszcz zbiornika i go podgrzewają. Natomiast gdy płomienie nie obejmują zbiornika, należy unikać podawania wody na jego płaszcz. W takim przypadku rozprężający się gaz i parowanie fazy ciekłej powodują oszronienie i ochłodzenie płaszcza zbiornika do temperatury poniżej zera. Polewanie zbiornika wodą o temperaturze wyższej niż 0 stopni C, przewożoną w samochodach gaśniczych lub pobieraną z cieków wodnych albo sieci wodociągowej, powoduje ogrzewanie płaszcza zbiornika, co wiąże się z dostarczeniem większej ilości ciepła potrzebnego do parowania. Odstąpienie od takiego działania w tym przypadku przynosi wiele korzyści. Proces parowania polega na odbieraniu ciepła z otoczenia przez parującą ciecz.

Polewanie wodą zbiornika powoduje zwiększenie parowania, ilości wypływającego gazu i wysokości płomienia. Podczas takiego działania spadek ciśnienia wewnątrz zbiornika również będzie wolniejszy. Powolny spadek ciśnienia wewnątrz zbiornika powoduje, że czas jaki jest potrzebny do ustabilizowania się parametrów termodynamicznych gazu znacznie się wydłuża. Oczywiście w sytuacji rzeczywistego trwania pożaru trudno ustalić temperaturę faz ciekłej i gazowej. Ponadto trudno dokonać dokładnego odczytu ciśnienia w zbiorniku, który ma np. uszkodzony manometr.

Kształt płomienia jest cechą pożaru strumieniowego, która wskazuje, że przy niekontrolowanym wypływie gazu LPG temperatura fazy ciekłej osiągnęła graniczną wartość i ustabilizowała się oraz że ciśnienie w zbiorniku spadło już do najniższej wartości. Gdy płomień jest wysoki, prosty i bez żadnych odchyleń na boki, to znaczy, że temperatura fazy ciekłej jest wysoka, a w zbiorniku panuje duże ciśnienie. Gdy płomień jest coraz mniejszy, nie jest już taki stabilny i pomiata nim wiatr, oznacza to, że temperatura fazy ciekłej i ciśnienie w zbiorniku wkrótce osiągną możliwie najniższą wartość. Taki wygląd płomienia sugeruje, że należałoby przystąpić do likwidacji rozszczelnienia i przepompowania gazu.

Natomiast w przypadku drugiej sytuacji, gdy płomienie obejmują zbiornik, należy bezwzględnie ochładzać wodą płaszcz zbiornika, ponieważ płomienie mogą osiągnąć temperaturę nawet do 1200 stopni C, co może doprowadzić do wybuchu zbiornika. W tym przypadku chłodzenie zbiornika wodą pozwoli nie dopuścić do szybkiego wzrostu temperatury fazy ciekłej i gazowej, temperatury płaszcza zbiornika i powoduje szybszy spadek ciśnienia. Płomień, który obejmuje zbiornik, podgrzewa go, powodując duże zagrożenie dla życia i zdrowia strażaków oraz osób mogących znajdować się w pobliżu.

Oszacowanie czasu trwania wypływu gazu ze zbiornika do całkowitego opróżnienia jest bardzo trudne. Podczas trwania pożaru strumieniowego nie można sprawdzić, jaka jest średnica wypływu, która (jako jeden z kilku parametrów) jest potrzebna do określenia przewidywanego czasu pożaru. Poza średnicą wypływu potrzebna jest również wiedza, jaka ilość cieczy ulega odparowaniu, by można było prawidłowo określić przewidywany czas trwania wypływu. Dynamicznie zmieniające się warunki cieplne pożaru i transport ciepła do zbiornika uniemożliwiają dokładne obliczenie czasu trwania wypływu czy czasu do wybuchu BLEVE.

Magazyn W akcji, nr 2/2011, kpt mgr inż. Zdzisław Salamonowicz, Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie

Foto:

- www.butrousfoundation.com

- www.straz.gov.pl

- www.davepics.com

Powrót


stat4u