CC BY
185
st. kpt. inz. Piotr LESIAK
st. kpt. mgr inz. Rafa! POROWSKI
Zespol Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpozarowej im. Jdzefa Tuliszkowskiego -Panstwowy Instytut Badawczy
OCENA SKUTKOW AWARII PRZEMYSLOWEJ W INSTALACJACH PROCESOWYCH, W TYM EFEKTU
DOMINO - CZ^SC 1
Assessment of physical effects for major hazard accidents in the process industries including domino effect - Part 1
Streszczenie
Zwi^kszanie mocy produkcyjnych w zakladach przemyslowych powi^zane jest z ich stopniow^. rozbudow^. Skutkuje, to generowaniem procesow inwestycyjnych i budow^. nowych instalacji procesowych, ktore bardzo cz^sto napotykaj^. na ograniczenie zwi^zane z rozmiarami dzialek budowlanych. Poci^ga to za sob^. niekorzystn^. tendenj w ktorej inwestorzy i biura projektowe staraj^. si§ maksymalnie zagospodarowac teren pod inwestycje, zachowuj^c jak najmniejsze odleglosci pomi^dzy aparatami procesowymi, zbiornikami, itp. W przypadku zajscia zdarzenia awaryjnego na jednej instalacji przemyslowej, moze dojsc do przeniesienia i eskalacji skutkow awarii na s^siedni^. instalacji i wyst^pienia tzw. efektu Domino. Zdarzenia tego typu s^. bardzo niebezpieczne i w konsekwencji mog^. prowadzic do olbrzymich zniszczen na terenie calego zakladu lub jego cz^sci, a takze poza jego terenem. W zaleznosci od rozwoju sekwencji zdarzen w scenariuszu awaryjnym, koncowym efektem skutkow moze byc np. wybuch BLEVE-Fireball, wybuch przestrzenny, pozar powierzchniowy, pozar strumieniowy, itp. Towarzyszyc temu mog^. rozne formy oddzialywania fizycznego, w postaci odlamkowania, promieniowania cieplnego, czy fali nadcisnienia. Ich zasi^g i potencjal niszcz^cy ma zasadnicze znaczenie przy okreslaniu tzw. bezpiecznych odleglosci pomi^dzy blokami instalacji juz na etapie ich projektowania.
Artykul ten zostal podzielony na cztery cz^sci. W cz^sci pierwszej autorzy przeanalizowali zdarzenia awaryjne, w ktorych wyst^pil efekt Domino. Zwrocono tutaj uwagi na skal§ zjawisk zachodz^cych podczas tego typu awarii oraz towarzysz^ce im skutki. Opisano takze kompleksowo definicje efektu Domino, ktore powstaly w wyniku badan tego zjawiska. W ostatniej cz^sci artykulu przeanalizowano zagrozenia jakie towarzysz^ zdarzeniom awaryjnym oraz przedstawiono rodzaje pozarow i wybuchow.
Summary
Production development in the process industries makes it larger wide-world. It makes a large number of investments and brand-new technological installations limited by land-use planning procedures. Investors and architects try to use minimum distances between particular vessels and apparatus to fulfill a regime of limited land-use planning. In case of failure events of installation it is possible to make an interaction of accidental results which can lead to domino effect. Such events are dangerous and can lead to huge damages of industrial plant or some part of installation, including external areas. Depend on failure event development it can result in BLEVE-Fireball, vapor cloud explosion, pool fire, jet fire, flash fire, etc. Physical effect in such scenario could be a generation of blast wave, thermal radiation or even fragmentation. The range of physical effects is prior in determination of safety distances in the process industries at the designing phase. This paper is divided into 4 parts. The first one includes the analysis of failure events where domino effect took place, including a scale of phenomena involving major-hazard accident. Complex definition of domino effect was described. At the last part of this paper some possible effects are assessed and several types of fires and explosions are showed.
S!owa kluczowe: strefy zagrozen, substancje niebezpieczne, modelowanie awarii;
Keywords: dangerous zones, hazardous substances, industrial accident modeling;
Wprowadzenie
Od ponad stu lat nast?puje staly wzrost zapotrzebowania ludzi na wszelkie dobra, glownie konsumpcyjne. Aby zaspokoic popyt, zwi?kszane s^ zdolnosci produkcyjne zakladow i wytarzanie roznego rodzaju surowcow sluz^cych do wyrobu produktow, poczynaj^c od najprostszych przedmiotow codziennego uzytku, po bardzo skomplikowane urz^dzenia. Wraz z rosn^c^ produkj wzrasta rownolegle zapotrzebowanie na projektowanie i budow? roznego rodzaju instalacji przemyslowych, ktorych liczba zwi?ksza si? z roku na rok na calym swiecie, zwlaszcza w krajach rozwijaj^cych si?. Ponadto, zmniejszaj3.ce si? zasoby surowcow nieodnawialnych powoduj^ koniecznosc stosowania coraz bardziej zlozonych procesow technologicznych w celu osi3gni?cia maksymalnej wydajnosci produkcyjnej. Sytuacja taka wi^ze si? z zastosowaniem w zakladach przemyslowych wyszukanych metod prewencji i zlozonych systemow zabezpieczen w celu zminimalizowania mozliwosci wyst^pienia zdarzen awaryjnych lub zminimalizowania skutkow tych zdarzen. Celem niniejszej pracy jest proba opisania najbardziej przydatnej w praktyce metody analizy ryzyka i oceny skutkow awarii, w tym efektow domina dla wybranej instalacji mog^cej znalezc si? w zakladzie o duzym ryzyku wyst^pienia powaznej awarii przemyslowej. Wyniki pracy mog3 zostac wykorzystane w cz?sci analitycznej raportu o bezpieczenstwie, w ktorym ocena skutkow awarii, w tym efektow domino stanowi najwazniejsz^ jego cz?sc.
W drugiej polowie XX wieku zwi?kszyla si? liczba awarii przemyslowych nios^cych ze sob^ katastrofalne skutki, co zwrocilo uwag? opinii publicznej na zagrozenie ze strony duzych zakladow przemyslowych. Nalezy wspomniec o awarii w Anglii (1974 r.) w miejscowosci Flixborough lub we Wloszech w miejscowosci Seveso (1976 r.).
Doswiadczenia poczynione na gruncie tych zdarzen staly si? przyczyn^. do tego, aby w krotkim czasie stworzyc instrumenty prawne za pomoc^, ktorych mozna bylo skuteczniej nadzorowac zaklady chemiczne, stosuj^ce substancje niebezpieczne. Wspolnota Europejska uchwalila Dyrektyw? nr 82/501/EWG z 24 czerwca 1982 r. dotycz^c^. zapobiegania awariom przemyslowym, zwan^. Dyrektywy Seveso I, nakladaj^c^ na zaklady chemiczne dodatkowe obowi^zki, wsrod ktorych najwazniejszym bylo przygotowywanie dla zakladu analizy bezpieczenstwa uzytkowanej instalacji przemyslowej. 9 grudnia 1996 r. na gruncie nowych doswiadczen zwi^zanych m.in. z wyst^pieniem awarii przemyslowych w Indiach w miejscowosci Bhopal oraz w Meksyku w Mexico City w 1984 r. zostala dokonana przebudowa i rozszerzenie Dyrektywy Seveso I o nowe postanowienia. Znowelizowana dyrektywa, zwana Dyrektywy Seveso II, nalozyla na prowadz^cych zaklady przemyslowe obowi^zki polegaj^ce m.in. na wykonywaniu oceny ryzyka mozliwosci wyst^pienia zdarzen awaryjnych, wprowadzaniu ponadnormatywnych zabezpieczen oraz przygotowaniu si? do dzialan zapobiegawczych oraz ratowniczych na wypadek wyst^pienia zagrozen ze strony prowadzonych procesow przemyslowych. W dyrektywie tej wprowadzono takze rozwi^zanie maj^ce na celu zminimalizowanie zagrozen z tytulu bliskiej lokalizacji zakladow nalez^cych do roznych podmiotow, tzw. grup zakladow narazonych na wyst^pienie efektu Domino. Obowi^zek identyfikacji takich grup zakladow zostal nalozony na wladze nadzoruj^ce wprowadzanie w danym Panstwie Czlonkowskim postanowien Dyrektywy Seveso II. Odpowiednie zapisy zawarte zostaly w art. 8, w ktorym zobowi^zano wlasciwe organy do tego, ze wykorzystuj^c informacje otrzymane od prowadz^cych zaklad zidentyfikuj^. zaklady lub grupy zakladow, w ktorych prawdopodobienstwo lub skutki powaznych awarii mog^. byc wzmozone ze wzgl?du na ich lokalizacj?.
Obecnie caly czas tocz^ si? prace nad doskonaleniem zapisow dyrektywy dotycz^cej przeciwdzialaniu powaznym awariom przemyslowym. Maj^ce miejsce awarie w Europie - 13 maja 2000 r. w Enschede w Holandii oraz 21 wrzesnia 2001 r. w Tuluzie we Francji pokazaly niedoskonalosci srodkow prawnych sluz^cych do ograniczania lokalizacji obiektow cywilnych w stosunku do zakladow przemyslowych. Istotnym kolejnym krokiem w podnoszeniu jakosci wspomnianych przepisow bylo wprowadzenie ograniczenia w lokalizacji budownictwa mieszkalnego oraz obiektow uzytecznosci publicznej
w s^siedztwie zakladow- odpowiednie zaplsy zawarto w art. 12 znowellzowanej Dyrektywy Seveso II. Wlasnie bezposrednie s^sledztwo mleszkalne stalo si? przyczyn^. wyst^pienia llcznych ofiar wsrod ludzl oraz zniszczen mlenla podczas awarii wymlenlonych powyzej. Podsumowuj^c mozna stwlerdzlc, ze dyrektywa przechodzlla powazne zmlany, ktore stopnlowo zostawaly wprowadzane do jej zapisow. Posilkuj^c si? doswiadczeniami opartyml na zdarzenlach historycznych wdrozono istotne zaplsy dotycz^ce warunkow budowy zakladow we wzajemnym s^siedztwie, ograniczaj^ce zabudow? obiektow cywllnych oraz nakazuj^ce wzajemn^. wymlan? informacjl pomi?dzy s^siednimi zakladaml.
Pomlmo, ze oszacowanle wzajemnego oddzlalywanla s^siednich instalacji przemyslowych w przypadku awarii jest obowi^zkiem prawnym, nle zostalo ostatecznle zdefinlowane poj?cle efektu Domino. W oblegu jest wlele definicji tego poj?cia, jednak nle zostaly okreslone jednollte kryteria, ktorymi mozna by si? poslugiwac przy szacowanlu tego zjawlska. Ponizej oplsano rozne definicje efektu Domino posluguj^c si? podejsciem roznych krajow obj?tych obowi^zkiem realizacji Dyrektywy Seveso II:
• Efekt domino to szereg nast?puj^cych po sobie zdarzen, w ktorych skutki wczesniejszego zdarzenia powi?kszane s^ przez nast?puj^ce po sobie kolejno zdarzenia wtorne, prowadz^c w konsekwencji do zdarzen koncowych.
• Efekt domino to efekt zachodz^cy wskutek istnienia rownoleglych b^dz szeregowych zdarzen zwi^zanych z uwolnieniem substancji niebezpiecznych lub okreslonego oddzialywania fizycznego na instalacji wtornej, ktore powstaje w wyniku wyst^pienia efektow fizycznych na instalacji pierwotnej, znajduj^cej si? w bezposrednim otoczeniu instalacji wtornej.
W obu wyzej wymienionych przypadkach stopniowe zwi?kszanie potencjalu strat moze byc czasowe (tzn. rozci^gni?te w czasie oddzialywanie skutkow, np. uwolnienie substancji toksycznej) lub przestrzenne (tzn. oddzialywanie skutkow awarii ma wymiar fizyczny, np. oddzialywanie fali nadcisnienia lub strumieniowania cieplnego). Naukowcy prowadz^cy badania nad przedmiotowym zjawiskiem, efekt domino definiuj^ nast?puj^co:
• czynnik wzi?ty do obliczen ryzyka, ktore moze si? zdarzyc w przypadku, gdy uwolnienie niewielkiej ilosci substancji moze prowadzic do eskalacji skutkow posrednio lub bezposrednio przez to uwolnienie [1],
• utrata pewnego poziomu bezpieczenstwa instalacji, ktora prowadzi do eskalacji wypadkow na s^siednich instalacjach [2],
• zdarzenie polegaj^ce na uwolnieniu pewnej substancji niebezpiecznej do otoczenia, ktore zakloci prace innych instalacji tak, ze nast^pi eskalacja zdarzen i rozprzestrzenienie si? dalszych uwolnien [3].
Awarii przemyslowych z mozliwym wyst^pieniem efektu Domino bylo znacznie wi?cej w okresie rozwoju przemyslu chemicznego, tj. na przestrzeni 100 lat. Z danych zbieranych na cele statystyczne, zawartych m.in. w:
• Major Accident Reporting System - MARS, European Commission, Joint Research Centre, Ispra [5];
• Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) [6];
• FACTS Database for Industrial Safety, PC - Friends, TNO [7];
• A Fuzzy Approach to Accessing Accident Databases [8];
• Health and Safety Executive (HSE), United Kingdom [9];
wynika, ze zdarzen tego typu mozna wytypowac ok. 100. Za kazdym razem niosly one za sob^ powazne zniszczenia oraz wielokrotnie dochodzilo do powstania duzej liczby rannych i zabitych. Jesli chodzi o wyst?powanie samych zdarzen awaryjnych w okreslonych przedzialach czasu to przestawione to zostalo na Ryc. 1 [10].
1551-1960 1931-1970 1971-19&0 S9S1-1990 1991-2000 ??000
LATA
(years)
Ryc. 1. Liczba zdarzen awaryjnych w okresie od 1951 - do czasow wspolczesnych. [10] Fig. 1. Number of failure events in the process industries between 1951 up to todays. [10]
Z powyzszego wykresu wynika pewna tendencja, ktora spowodowana jest kilkoma czynnikami. Z jednej strony w pocz^tkowej fazie wzrostu ilosci zdarzen awaryjnych nast?powala jednoczesna poprawa dost?pu do informacji, co mozna przelozyc na wzrost zdarzen awaryjnych, ktore zostaly zidentyfikowane. Z drugiej jednak strony nalezy miec na uwadze to, ze dynamicznie rosla liczba zakladow oraz ich rozmiar w zwi^zku ze
zwi?kszaniem si? zapotrzebowania na produkty po okresie II wojny swiatowej. Najwi?cej zdarzen awaryjnych odnotowano w latach 70-tych XX wieku. W okresie tym nast^pila najwi?ksza rozbudowa gal?zi przemyslu, co bezposrednio przelozylo si? na lepszy dost?p do informacji oraz zwrocilo uwag? na problematyk? zwi^zan^. z efektem Domino. W ci^gu dwoch ostatnich dziesi?cioleci poprawy bezpieczenstwa, rozwoju technik analiz ryzyka przemyslowego oraz tworzenia prawa reguluj^cego zagadnienia awarii przemyslowych doszlo do znacznego zmniejszenia liczby wypadkow w przemysle.
Bior^c pod uwag? grupy krajow, w ktorych w przeszlosci dochodzilo do zdarzen awaryjnych z udzialem substancji niebezpiecznych to mozna wyszczegolnic ich trzy kategorie:
• kraje Unii Europejskiej - 24% wszystkich zdarzen awaryjnych;
• Stany Zjednoczone, Kanada, Australia, Japonia, Nowa Zelandia - 57% wszystkich zdarzen awaryjnych;
• reszta swiata - 19% wszystkich zdarzen awaryjnych.
Ogolnie rzecz bior^c wyst^pienie zdarzen awaryjnych nie determinuje jeszcze wyst^pienia efektu Domino, jednak wi?kszosc awarii nie sklada si? z jednego zdarzenia inicjuj^cego tylko z kilku, kilkunastu etapow zachodz^cych rownolegle lub szeregowo. Mozna powiedziec, ze kazda awaria przemyslowa zachodzi wskutek wyst^pienia pojedynczych, lokalnych efektow Domino, ktore prowadz^ do eskalacji danego zdarzenia. Analiza danych zebranych przez HSE1 w zakresie zaleznosci wyst^pienia awarii przemyslowej oraz efektu domina wykazala, ze s^ to zjawiska wykazuj3.ce zaleznosc.
Z uwagi na zlozonosc procesow chemicznych oraz skomplikowan^ aparatur? przemyslowa najcz?sciej nie daje si? okreslic przyczyn niezaleznych - stanowi to ok. 35% wszystkich zdarzen. Drug3 w kolejnosci przyczyn^. s^ awarie stricte techniczne, zakres ten nalezy do dziedziny okreslaj^cej niezawodnosc urz^dzen. Przyczyny te najcz?sciej wynikaj^ z nieprawidlowego doboru materialu lub innych komponentow, np. uszczelki, zawory, pol^czenia i stanowi^. 22% wszystkich przyczyn awarii. Podobny udzial procentowy okreslony zostal dla zrodel nalez^cych od niezawodnosci ludzkiej i zalezy od popelnienia bl?du ludzkiego pocz^wszy od etapu opracowywania technologii produkcji poprzez projektowanie, montowanie i dobor urz^dzen instalacji, az po etapy przegl^dow i wyl^czenia instalacji - stanowi to 23% przypadkow. Wyst?puj3ce efekty Domino nalezy do mniej licznej
1 HSE - Health and Safe Executive jest to pozarz^dowa organizacja w Wielkiej Brytanii, ktora jest odpowiedzialna za wdrazanie i nadzorowanie przepisow dotycz^cych szeroko poj?tego bezpieczenstwa w pracy.
grupy przyczyn mog^cych spowodowac awari? przemyslowa Stanowi^. one maksymalnie do 15% wszystkich przyczyn awarii w przemysle. Przedostatni^ grup^. s^. tzw. zdarzenia warunkowane wewn^trznie i do tej grupy mozemy zaliczyc przyczyny naturalne, np. pioruny, powodzie, silne wiatry oraz zdarzenia niezaleznych jednostek np. zewn^trznej firmy transportowej (4%). Ostatnia grupa, najmniej liczna to sabotaze i dzialania wrogich jednostek (1%), co przedstawiono na Ryc. 2.
■ przyczynynieustalone (undetermined causes)
■ zawodnosc urz^dzen (equipmentfailure)
bl^d ludzki (human error)
■ ef ekt domino (domino effect)
■ zdarzenia zewn^trzne (external events)
dywersja (sabotage)
Ryc. 2. Udzial procentowy poszczegolnych przyczyn wyst^pienia awarii
przemyslowych. [11]
Fig. 2. Percentage of particular failure causes in the process industries. [11]
Bior^c pod uwag? instalacje, w ktorych wyst^pila awaria przemyslowa, wraz z efektem Domino mozna okreslic, ze mialy one miejsce w nast^puj^cych urz^dzeniach i aparatach procesowych:
• zbiorniki cisnieniowe,
• zbiorniki atmosferyczne,
• zbiorniki kriogeniczne,
• instalacje procesowe cisnieniowe
• ruroci^gi transportowe.
Na Ryc. 3 i 4 przedstawiono udzial zdarzen awaryjnych w poszczegolnych instalacjach w rozroznieniu na instalacje pierwotne, tj., takie, w ktorych zostala zapocz^tkowana awaria przemyslowa oraz (Ryc. 4.) instalacje wtorne, tj. takie, ktore s^. wrazliwe na oddzialywanie skutkow awarii pochodz^ce z instalacji pierwotnej - czyli takie, na ktorych moze dojsc do wyst^pienia efektu domino.
4% 1%
zbiomiki ci'Snieniowe (pressure vessel)
■ zCiomiki atmosferyczne (non-pressure vessel) zbiomiki knogentczne (cryogenic vessel)
mstalacje procesowe ciinieruowe (pressure installation)
■ rurociggi transport owe (pipelines)
Ryc. 3. Udzial poszczegolnych instalacji, w ktorych zostaje zapocz^tkowanie awaria
przemyslowa. [11]
Fig. 3. Fraction of particular installations with initiation of major accident. [11]
Z zestawienia wykonanego na Rysunku 3 widac, ze najwi?kszy udzial w instalacjach, w ktorych najcz?sciej dochodzi do wyst^pienia awarii s^. zbiorniki magazynowe - w sumie 58 % bior^c pod uwag? zbiorniki cisnieniowe, kriogeniczne oraz bezcisnieniowe. Sytuacja taka ma miejsce, gdyz w tego typu instalacjach gromadzona s^. duze ilosci substancji niebezpiecznych. Wniosek ten jest bardzo istotny z uwagi na przeprowadzon^ w dalszych cz?sciach artykulu ocen? ryzyka i oszacowanie skutkow awarii oraz efektu domina.
Z danych przedstawionych na Rysunkach 3 i 4 wynika, ze do instalacji przemyslowych najbardziej narazonych na oddzialywanie efektu Domino nalez^ instalacje zbiornikowe (87%), a tym samym nios^ ze sob^. najwi?kszy potencjal zagrozenia. Zarowno w przypadku mozliwosci wyst^pienia zdarzenia awaryjnego, jak i oddzialywania efektu Domino potwierdza si?, ze decyduj^cym czynnikiem jest ilosc substancji niebezpiecznej, a nie prowadzone procesy technologiczne. Oczywiscie, podczas omawiania wplywu czynnikow na „ci?zkosc” awarii przemyslowej nie mozna pomin^c istotnej kwestii dotycz^cej wlasciwosci
1%
c UMOfTHkl ClSrwnwwe (pressure vessel)
■ tttonmki atmotferyczne (non-pressure vessel)
■ zftomki knogeracne (cryogenic vessel)
mstalacje procesowe cr^nienowe (pressure installation) ■roroci^gi transportowe (pipelines)
Rysunek 4. Udzial poszczegolnych instalacji w wyst^pieniu efektu Domino. [11] Figure 4. Fraction of particular installation in Domino effect. [11]
chemicznych i fizycznych substancji niebezpiecznych, ktore w wysokim stopniu wplywaj^. na rodzaj skutkow zdarzen awaryjnych. Substancje te mozna podzielic na kilka grup:
• substancje toksyczne, np. srodki ochrony roslin, fosgen, chlor,
• ciecze palne, np. ropa naftowa, alkohole,
• gazy palne, np. w?glowodory,
• pozostale substancje, ktore nie zostaly zakwalifikowane do ww.
Dla kazdej wyzej przedstawionej grupy substancji okreslono w Tabeli 1. [10] jej udzial w maj^cych miejsce awariach przemyslowych z uwzgl?dnieniem ich udzialu w efekcie domino.
Tabela 1.
Udzial poszczegolnych zdarzeniach awaryjnych z uwzgl§dnieniem wystqpienia efektu
domino. [10]
Table 1.
______________Fraction of failure events, including Domino Effect. [10]________________
Rodzaj (type) Substancje toksyczne (toxic substances) Ciecze palne (flammable liquids) Gazy palne (flammable gases) Pozostale substancje (Other substances) Suma (amount)
Liczba awarii 45 43 50 69 207
Liczba awarii, z co najmniej jednym efektem domino 7 21 29 23 80
Liczba awarii, z co najmniej dwoma efektami domino 2 8 14 10 34
Z Tabeli 1. oraz rysunkow 3 i 4 wynika, ze rodzaj substancji niebezpiecznej oraz sposob skladowania/rodzaj instalacji maj^ istotny wplyw na liczb? awarii przemyslowych oraz efektow domina. Substancje nalez^ce do grupy gazow palnych, nios^ za sob^ najwi?kszy potencjal niebezpieczenstwa zdarzen awaryjnych. Wplywa na to rowniez fakt, iz skladowane s^. przede wszystkim, jako skroplone pod cisnieniem, co podnosi czynnik niebezpieczenstwa procesu technologicznego. Natomiast substancje toksyczne nie wplywaj^. w dominuj^cy sposob na liczb? efektow domino. Podsumowuj^c, mozna zauwazyc, ze w przypadku mniej wi?cej rownej liczbie awarii przemyslowych udzial gazow palnych jest dominuj^cy, jesli chodzi o liczb? powstalych efektow domino. W odniesieniu do substancji toksycznych udzial ten si? zmniejsza do ok. 15% udzialu, czyli mozna przyj^c, ze jest niewielki wobec ponad
50% udzialu gazow palnych w mozliwosci utworzenia si? efektu domino we wszystkich analizowanych zdarzeniach awaryjnych.
Analiza statystyczna pokazuje, ze cz?stotliwosc wypadkow z efektem Domino spadla w ci^gu ostatnich dwoch dekad. Najbardziej charakterystyczne zdarzenia awaryjne zwi^zane s^ z pozarem i wybuchem, a przyczyny ich wyst^pienia uwarunkowane s^ bl?dami czlowieka oraz uszkodzeniami mechanicznymi.
Charakterystyka zagrozen zwi^zanych z wyst^pieniem awarii przemyslowych
Zagrozenia w zakladach przemyslowych powstaj^ wskutek uwolnienia niebezpiecznych substancji chemicznych do srodowiska. Rodzaje zagrozen, a tym samym rodzaj efektow fizycznych oraz skutkow zalez^ od kilku skladowych. Przede wszystkim od ilosci i wlasciwosci fizykochemicznych uwalnianej substancji, charakteru prowadzonego procesu, rodzaju uwolnienia oraz warunkow atmosferycznych. Rozroznia si? trzy rodzaje zagrozen powoduj^cych eskalacj? skutkow awarii przemyslowych:
• pozar - niekontrolowana, egzotermiczna reakcja substancji palnej z utleniaczem, zainicjowana zrodlem zaplonu;
• wybuch - proces spalania pol^czony z gwaltownym wzrostem cisnienia, powoduj^cy powstanie rozprzestrzeniaj^cej si? fali spalania;
• skazenie toksyczne - wzrost st?zenia substancji toksycznej w srodowisku naturalnym (woda, powietrze, gleba) i wywolanie narazenia otoczenia na dany czynnik chemiczny.
S3, to trzy najwazniejsze czynniki, ktore mozna podzielic na mniejsze podgrupy, to jest zjawiska fizyczne, ktore mog3 si? utworzyc w specyficznych warunkach. Wi?kszosc z nich zostala zestawiona w Tabeli 2.
Tabela 2.
Zestawienie glownych typow zagrozen
Table 2.
Major types of hazards in the process industries
Rodzaj (type) Typ zagrozenia (type of threat) Interpretacja (interpretation) Zdarzenie szczytowe (event peak) Efekt fizyczny (physical effect)
1 2 3 4 5
Pozar Pozar Deflagracvjne Wyciek cieczy przegrzanej Strumien promieniowania
blyskawiczny spalanie mieszaniny lub gazu skroplonego,
(flash fire) FF palnej bez wytworzenia niszcz^cej fali cisnienia powstanie chmury parowej i jej zaplon
Pozar powierzchniowy (pool fire) PF Spalanie par substancji ze swobodnej powierzchni cieczy Wyciek lotnej cieczy palnej z aparatow, ruroci^gow
(fire) Pozar strumieniowy (jet fire) JF Plomien w ksztalcie strumienia powstaj^cy u wylotu gazu wyplywaj^cego ze zbiornika cisnieniowego przez maly otwor Oslabienie wytrzymalosci scianki lub przekroczenie dopuszczalnego cisnienia w zbiorniku cieplnego oraz produkty toksyczne
Pozar kulisty (fire ball) FB Spalanie chmury palnej, tworz^c kulisty przestrzen plomienia Powstanie chmury palnej wskutek p?kni?cia zbiornika z gazem skroplonym i jej zaplon
Wybuch (explosion) W ograniczonej przestrzeni (vapour cloud explosion) VCE Heterogeniczne, zwykle deflegracyjne spalanie mieszaniny palnej w ograniczonej przestrzeni Wyplyw gazu, gazu skroplonego lub przegrzanej cieczy ze zbiornika cisnieniowego Fala cisnienia, promieniowanie cieplne
W otwartej przestrzeni (unconfined vapour cloud explosion) UVCE Heterogeniczne spalanie mieszaniny palnej z powstaniem fali cisnienia lub fali uderzeniowej Dyspersja oraz zaplon opozniony Fala cisnienia, promieniowanie cieplne
Ekspanduj^cej pary z wrz^cej cieczy (BLEVE) Wybuchowe samoodparowanie cieczy palnej o temperaturze powyzej temperatury wrzenia Zewn?trzny pozar typu pf lub jf, obejmuj^cy swoim zasi?giem zbiornik z gazem skroplonym Fala cisnienia, promieniowanie cieplne, odlamki
Wykipienie cieczy wrz^cej ze zbiornika (boilover) BO Gwaltowny wyplyw cieczy o temperaturze powyzej temperatury wrzenia Gwaltowne odparowanie cieczy znajduj^cej si? wewn^trz cieczy wlasciwej w postaci emulsji Promieniowanie cieplne
Wyrzut wrz^cej cieczy ze zbiornika Gwaltowny wyrzut wrz^cej cieczy o temperaturze powyzej temperatury wrzenia Gwaltowne odparowanie cieczy znajduj^cej si? ponizej poziomu cieczy wlasciwej Promieniowanie cieplne
Pylowy (dust explosion) DE Gwaltowne spalanie ( zwykle deflegracyjne ) mieszaniny pylowo-powietrznej Zaplon mieszaniny pylowej wewn^trz instalacji procesowej lub na zewn^trz po jej uwolnieniu Fala cisnienia, promieniowanie cieplne, odlamkowanie
Cieplny (thermic explosion) TE Gwaltowne wydzielenie si? energll cleplnej ze wzrostem cisnienia Strata szczelnosci wskutek niekontrolowanego rozkladu cieplnego materialu Fala cisnienia, odlamki
Fizyczny (physical explosion) PHE Wzrost cisnienia wewn^trz aparatu bez udzlalu reakcji chemicznej Przekroczenie dopuszczalnego cisnienia w urz^dzeniu Fala cisnienia, odlamki
Boilover Wykipienie zawartoscl zbiornika wskutek gwaltownego wrzenia Zewn?trzny pozar lub reakcja chemiczna w zbiorniku Fala cisnienia
Skazenie toksyczne (toxic contamination) Ci^gle (toxic release Continuous) TRC Ci^gly wyplyw toksycznego gazu lub cieczy Utrata szczelnoscl zbiornika lub rurocl^gu Wzrost st?zenia substancji w srodowisku (skazenie)
Chwilowe (toxic release instantaneous) TRI Chwilowy wyplyw duzej iloscl toksycznego gazu lub cieczy Utrata szczelnosci zbiornika lub rurocl^gu, wyplyw w krotkim czasle
Pozar powierzchniowy (pool fire) powstaje w wyniku uwolnienia si? substancji palnej i utworzenia rozlewiska na powierzchni podloza. Wyst^pienie zaplonu powoduje powstanie pozaru pary cieczy nad jej powierzchni^, ktory jest podtrzymywany glownie przez staly doplyw par palnych, powstaj^cych w wyniku dostarczanego ciepla od plomieni do powierzchni cieczy. Pozar powierzchniowy moze prowadzic do pozarow zbiornikow lub w skrajnym przypadku do pozaru BLEVE. Glownym efektem fizycznym tego zagrozenia jest promieniowanie cieplne oraz produkty spalania, ktore w niektorych przypadkach mog^. byc toksyczne.
Dla obliczen skutkow pozarow powierzchniowych najistotniejszym zagadnieniem jest okreslenie zaleznosci promieniowania cieplnego od odleglosci. Ze wzgl?du na sferyczny ksztalt rozprzestrzeniania si? promieniowania cieplnego, odleglosc t? okresla si?, jako promien sfery, na ktorym moze wyst?powac dany rodzaj skutkow, np. 100% ofiar smiertelnych wsrod calej narazonej na oddzialywanie populacji. Im blizej powierzchni czola plomienia nad rozlewiskiem, tym skutki s^. powazniejsze. Podczas okreslania skutkow nalezy uwzgl?dnic wartosci progowe wplywu strumienia promieniowania cieplnego na obiekty, czlowieka oraz okreslic wymagane prawem bezpieczne odleglosci. Bezpieczna odleglosc jest to minimalna odleglosc zapewniaj^ca takie oddzialywanie skutkow awarii, ktore nie spowoduj^. nieodwracalnych skutkow zdrowotnych, a takze strat maj^tkowych i srodowiskowych. Zagadnienie to jest szczegolnie wazne ze wzgl?du na lokalizacj?
poszczegolnych instalacji w zakladach oraz przy planowaniu przestrzennym, z uwagi na mozliwosc wyst?powania efektu domino i przenoszenia si? zagrozen na inne instalacje. Ponizej na fotografii 1 przedstawiono pozar powierzchniowy.
Sandia National Laboratories’ Open Pool Thermal Test Facility Fuel Types: JP-4 and Others by special order Maximum Weight: 100-tons
Fot. 1. Pozar powierzchniowy. [14] Pict. 1. Example of pool fire. [14]
Pozar blyskawiczny (flash fire), powstaje przy zaplonie mieszaniny chmury palnego gazu i tlenu. Ksztalt plomien zalezy od miejsca zaplonu i przybiera postac, chmury przed jej zaplonem. Ogolnie mozna powiedziec, ze ten rodzaj pozaru wyst?puje wtedy, gdy palne pary i lub gaz nie do konca wymieszal si? dokladnie z utleniaczem. Powoduje to sytuacj?, w ktorej sily generowane w wyniku spalania powoduje turbulencje, ktore dodatkowo wspomagaj^ spalanie, bez gwaltownego wzrostu cisnienia. Pozar ten moze byc skutkiem utworzenia rozlewiska, jego parowania, dyspersji do srodowiska i nast?pnie zaplonu opoznionego przemieszczaj^cej si? chmury. W specyficznych warunkach moze prowadzic do wybuchu przestrzennego (UVCE lub VCE).
Ocena zagrozen zwi^zanych z pozarem blyskawicznym pol^czona jest z okresleniem dyspersji mieszaniny i nast?pnie jej zaplonem. Zazwyczaj zaklada si?, ze na brzegu konturu mieszaniny panuje st?zenie gazu palnego rowne, co najmniej dolnej granicy wybuchowosci. Osoby znajduj^ce si? wewn^trz chmury ponosz^ skutki smiertelne, natomiast osoby na zewn^trz chmury narazone s3 na okreslony poziom promieniowania cieplnego w zaleznosci od odleglosci.
Wyjasniaj^c bardziej szczegolowo mechanizm pozaru blyskawicznego mozna si? odniesc do bardziej szczegolowego modelu. Wyst^pienie zaplonu na kraw?dzi chmury powoduje pozar blyskawiczny i spalanie zachodzi w w^skiej warstwie, gdzie powietrze moze dyfundowac do obloku i obnizac st?zenie paliwa ponizej gornej granicy wybuchowosci. Proces spalania jest kontrolowany przez zdolnosc migracji powietrza do obszaru spalania.
Poniewaz grubosc warstwy plomieni nie jest zbyt duza, to i ilosc energii wypromieniowanej jest mala, a strefa zagrozenia zwykle posiada te same wymiary jak wymiary obloku parowego. Na fotografii 2 przedstawiono przyklad pozaru blyskawicznego.
Fot. 2. Pozar blyskawiczny. [15] Pict. 2. An example of flash fire. [15]
Pozar strumieniowy (jet fire) powstaje, gdy uwalniaj^ca si? z ruroci3gu lub zbiornika ciecz lub gaz palny ulegnie zaplonowi. Zwykle wyplyw ten zachodzi z malego otworu, a substancja znajduje si? pod cisnieniem. Powstaje wtedy dlugi ci3gly plomien, ktory w przypadku malej pr?dkosci wyplywu substancji powstaje blisko punktu wyplywu, a przy duzych pr?dkosciach nast?puje oderwanie plomienia i jego stabilizacja w pewnym oddaleniu od zrodla wyplywu. Strumien substancji, opuszczaj^cy ruroci3g lub zbiornik w wyniku ich rozszczelnienia, porywa duze ilosci powietrza, wskutek czego paliwo to spala si? z utworzeniem bardzo jasnych plomieni, oraz wydzielaj^ si? niewielkie ilosci dymu. Przy modelowaniu tego zjawiska trudno jest oszacowac rozmiary plomienia, poniewaz powstaje zjawisko oderwania si? plomienia od zrodla, a dodatkowym czynnikiem, ktory ma tutaj wplyw jest pr?dkosc i kierunek wiatru. Z uwagi na powyzsze trudnosci, analiza pozarow strumieniowych pomija wplyw tych parametrow i opisuje pozar strumieniowy w postaci widzialnego plomienia w warunkach idealnych, w nieruchomym powietrzu. Pozar strumieniowy moze inicjowac inne powazne zagrozenia np. wybuch BLEVE. Na fotografii 3. przedstawiono pozar strumieniowy.
Fot. 3. Pozar strumieniowy. [16] Pict. 3. An example of jet fire. [16]
Pozar kulisty (fire ball) powstaje wskutek gwaltownego uwolnienia duzej ilosci palnego gazu lub par i objawia si? w postaci kuli ognistej. Pocz^tkowo przed zaplonem chmura przybiera postac polkuli, a po zaplonie szybko si? zmienia w kul? ognist^, w wyniku oddzialywania cieplnych sil wyporu mieszaniny. Jesli wyplyw skierowany jest do gory, to kula ognista tworzy si? natychmiast po zaplonie chmury. Pozar kulisty stanowi najcz?sciej drugi etap wybuchu BLEVE. W literaturze przedmiotu dosc cz?sto bl?dnie w sposob rownorz?dny rozpatruje si? pozar kulisty oraz zjawisko BLEVE. Przy modelowaniu skutkow awarii przemyslowych, nalezy rozpatrywac te dwa zjawiska odr?bnie, jesli chce si? uzyskac wyniki zblizone do rzeczywistych. Na fotografii 4. przedstawiono pozar kulisty.
Fot. 4. Pozar kulisty. [17]
Pict. 4. An example of fire ball. [17]
BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion) skrot ten jest akronimem wybuchu ekspanduj^cej pary wrz^cej cieczy. Zjawisko to moze wyst^pic podczas ogrzania zbiornika z substanj niebezpieczn^ (najcz?sciej skroplonym gazem) w wyniku pozaru zewn?trznego, co moze byc przyczyn^. p?kni?cia scianki zbiornika, a w konsekwencji spowodowac
gwaltowny wyciek zawartosci zbiornika i jego rozerwanie, czyli tzw. wybuch BLEVE czyli zjawisko fizyczne. W konsekwencji czego mog^. powstac nast?puj^ce efekty fizyczne:
• promieniowanie cieplne;
• fala nadcisnienia;
• odlamkowanie.
O ile pierwsze dwa zagrozenia rozchodz^ si? sferycznie od zrodla to odlamkowanie moze byc niesymetryczne i rozprzestrzeniac si? z roznymi pr?dkosciami. Na fotografii 5. przedstawiono wybuch BLEVE w momencie rozerwania zbiornika ze skroplonym propanem.
Fot. 5. Wybuch BLEVE. [18] Pict. 5. An example of BLEVE. [18]
W przypadku, gdy chmura paliwa o ksztalcie kuli jest ograniczona ze wszystkich stron przez powietrze, spalanie chmury przebiega trzyetapowo:
• zapalenie si? na granicach chmury,
• rozcienczenie chmury przez powietrze,
• rozprzestrzenianie si? plomienia w chmurze.
Tworz^ca si? w pierwszym okresie po awarii chmura pary tworzy z powietrzem mieszanin? bogat^. (st?zenie skladnika palnego jest bardzo duze). Granice palnosci par cieczy generuj^cych zjawisko Fireball s^. bardzo w^skie (dla wi?kszosci substancji 1,5 - 9,0 % obj.). St^d tez po odparowaniu, st?zenie skladnika palnego w mieszaninie jest wyzsze od 10 % obj.
i paliwo nie spala si?. Sklad ilosciowy mieszaniny palnej w ksztalcie kuli nie jest staly, lecz jest funkj czasu i odleglosci od miejsca wycieku. Na granicach chmury, gdzie styka si? ona z powietrzem, dyfunduj^ce do niej powietrze rozciencza mieszanin? do st?zen okreslonych
zakresem palnosci skladnika palnego. Jesli ulegnie ona zapaleniu w tej cz?sci chmury, spala si? daj^c produkty spalania. Gor^ce produkty spalania rozni^ si? g?stosci^ od niezapalonej mieszaniny z powodu roznicy w ich nagrzewaniu. Powstale w ten sposob sily wyporu powoduj^. pionowe przyspieszenie pal^cej si? chmury i coraz szybsze wci^ganie do niej powietrza. W ten sposob zaczyna si? spalac coraz wi?ksza obj?tosc chmury. Proces ten zapewnia ci^glosc spalania chmury (im wi?cej powietrza wplywa do chmury, tym wi?cej spala si? paliwa). Jesli st?zenie powietrza wci^ganego do chmury b?dzie wystarczaj3.ce do calkowitego spalenia chmury, plomien rozprzestrzeni si? na cal^. obj?tosc chmury, powoduj^c jej calkowite spalenie. W zjawisku BLEVE-Fireball praktyczne znaczenie ma przede wszystkim:
• wysokosc tworz^cego si? plomienia,
• czas calkowitego spalania,
• maksymalna srednica powstalego pozaru.
Czynniki te decyduj^. o calkowitej mocy strumienia ciepla generowanego podczas Fireball. Tabela 3 przedstawia oddzialywanie strumieni cieplnych na ratownikow w wyniku przejscia wybuchu BLEVE w kul? ognist^. podczas wycieku LPG.
Tabela 3.
Oddzialywanie strumieni cieplnych na ratownikow. [12]
Table 3.
__________________________Effects of heat fluxes on rescuers. [12]___________________________
Masa uwolnionego LPG z cysterny (mass of LPG released from the tank) [kg] Charakterystyka powstalej kuli ogniowej (characteristics of the resulting offireball) Strumien ciepla [kW/m2] w funkcji odleglosc od srodka kuli ogniowej (thermal radiation as a function of distance from the center of the fireball) [m] Skutki oddzialywania strumienia ciepla (oparzenia) (Effects of heat flux (burns))
7 000 Wysokosc fireball - 48,2 m Srednica - 96,4 m Czas spalania - 13,5 s G?stosc promieniowania cieplnego powierzchni plomienia - 450 kW/m2 49,0 27.4 9,6 1.4 130.2 165,4 235,7 423.2 Oparzenia III stopnia Oparzenia II stopnia Oparzenia I stopnia Prog bolu
10 000 Wysokosc fireball - 54,2 m Srednica - 108,3 m Czas spalania - 14,9 s G?stosc promieniowania cieplnego powierzchni plomienia - 450 kW/m2 49,0 27.4 9,6 1.4 144.0 185.0 265.1 468.2 Oparzenia III stopnia Oparzenia II stopnia Oparzenia I stopnia Prog bolu
Wysokosc fireball - 70,1 m Srednica - 140,2 m 49,0 187,3 Oparzenia III stopnia
22 000 Czas spalania - 19,3 s 27,4 238,1 Oparzenia II stopnia
G?stosc promieniowania 9,6 339,6 Oparzenia I stopnia
cieplnego powierzchni 1,4 593,5 Prog bolu
plomienia - 450 kW/m2
Kolejne zagrozenie to promieniowanie cieplne, ktore jest zwi^zane z wybuchem chemicznym (lub pozarem, jako nast?pstwem wybuchu). W Tabeli 4 przedstawiono dane umozliwiaj3.ce porownanie intensywnosci promieniowania cieplnego od wybuchu typu BLEVE i roznego rodzaju pozarow w?glowodorow.
Tabela 4.
Srednie intensywnosci promieniowania dla roznych typow pozarow gazow i cieczy. [12]
Table 4.
Mean intensity of heat radiation for different fires involving gases and flammable _____________________________________liquids. [12]____________________
Rodzaj pozaru (type of fire) Nat^zenie promieniowania cieplnego (the intensity of thermal radiation) [kW/m2] Temperatura plomienia (temperature of the flame) [K]
BLEVE
(wszystkie ciecze palne) 250 1500
Pozary strumieniowe
LPG/benzyna/nafta 350 1600
LNG/etanol 200 1600
Pozary powierzchniowe
LNG 200 1600
LPG 100 1600
Benzyna/nafta 75 1300
etanol 150 1550
Jak widac, jedynie pozar strumieniowy cieklych paliw w?glowodorowych przewyzsza wybuch typu BLEVE pod wzgl?dem nat?zenia generowanego promieniowania cieplnego. Przy ocenie obrazen ciala, jakie powoduje u ludzi intensywne promieniowanie cieplne przyjmuje si? dwie wartosci czasu narazenia, a mianowicie:
• 10 sekund - przy zalozeniu, ze w tym czasie osoba narazona znajdzie schronienie,
• 30 sekund - zakladaj^c przypadek braku srodkow ochrony lub braku mozliwosci
ucieczki.
Przy czasach ekspozycji w granicach 10 s, bol nie do wytrzymania pojawia si? przy strumieniach ciepla rz?du 7 kW/m2, zas przy czasach ekspozycji w granicach 30 s - przy
strumieniach ciepla rz?du З kW/m2. Przykladowe dane charakteryzuj^ce oddzialywanie intensywnego promieniowania cieplnego na ludzi przedstawiono w tabeli 5.
Tabela 5.
Oddzialywanie promieniowania cieplnego na ludzi. [12]
Table 5.
______________________Effects of heat radiation on humans. [12]________________________
Strumien cieplny (thermal radiation) [kW/m2] Rodzaj obrazen (type of injury)
35 100 % ofiar smiertelnych w cl^gu 1 mln; 1 % ofiar smiertelnych w cl^gu 1s
23 100 % ofiar smiertelnych w cl^gu 1 mln; znaczne urazy w cl^gu 10 s
12,6 1 % ofiar smiertelnych w cl^gu 1 min; I stopien oparzenia w cl^gu 10 s
4,7 Powoduje bol przy czasle narazenia dluzszym niz 20 s; uszkodzenia clala mozllwe przy czasle narazenia dluzszym niz З0 s
2,1 Wartosc progowa dla wywolania bolu przy czasle narazenia dluzszym niz 1 mln
1,2 Przy dlugich czasach narazenia nie stwarza dyskomfortu
Skutki wynikaj^ce z oddzialywania fali nadcisnienia po wybuchu na ludzi i konstrukcje budowlane przedstawione zostaly w tabeli 6 i 7 [13].
Tabela 6.
Wplyw wartosci nadcisnienia powstalego wskutek wybuchu na wielkosc i typ zniszczen
elementow konstrukcyjnych i instalacji. [13]
Table 6.
Influence of explosion overpressure on types and sizes of damages in constructions and _______________________________________elements. [13]________________________________________
Nadcisnienie (overpressure) [kPa] Skutki (effects)
0,14 Dokuczliwy halas, szum (137 dB)
0,21 P?kanie duzych szyb okiennych (szklo zwykle)
0,З0 Glosny huk (143 dB)
0,70 Rozrywanie ram okiennych
2,7 Wartosc bezpieczna dla budynku
2,8 Ograniczone uszkodzenia konstrukcji
4,8 Uszkodzenia konstrukcji budynku
6,9 Cz?sciowe zburzenie budynkow bez mozliwosci ich odbudowania
6,9 - 1З,8 Zniszczenie plyt gipsowo-kartonowych, elementow stalowych i aluminiowych, uszkodzenie mocowan i posadowien elementow konstrukcyjnych
9,0 Lekkie odksztalcenia ramowej konstrukcji budynku wykonanej ze stali
1З,8 Cz?sciowe zawalenie si? scian i dachow budynkow
1З,8 - 20,7 Rozpadanie si? nie wzmocnionych scian betonowych
15,8 Dolna granica nadcisnien powaznych uszkodzen konstrukcji budowlanych
17,2 Zburzenie 50% domow murowanych
20,7 Niewielkie uszkodzenia ci?zkich maszyn i urz^dzen (o masie do 1500 kg), znieksztalcenie i wyrwanie z posadowienia (fundamentu) ramowych konstrukcji stalowych
З4,5 - 48,0 Prawie calkowite zniszczenie budynkow
48,0 Wywrocenie zaladowanych wagonow towarowych
48,0 - 55,1 Zniszczenie scian murowanych o grubosci mniejszej lub rownej 0,3 m, wykonanych z cegly pelnej, zniszczenia zbiornikow magazynowych powoduj^cych masowe wyplywy substancji, granica wyst^pienia efektu domino - tj oddzialywania destrukcyjnego RZA na s^siedni^. instalacj?/obiekt
62,1 Calkowite zniszczenie zaladowanych, krytych wagonow towarowych
68,9 Calkowite zniszczenie budynkow, przesuni?cie i powazne uszkodzenia ci?zkich maszyn i urz^dzen (o masie do 3500 kg)
Tabela 7.
Wplyw wartosci nadcisnienia powstalego wskutek wybuchu na wielkosc obrazen
u ludzi. [13]
Table 7.
_________Influence of explosion overpressure on humans. [13]_______________
Nadcisnienie (overpressure) [kPa] Skutki (effects)
100 - 133 50% zniszczenia blony b?benkowej ucha (ponizej 20 roku zycia)
200 - 233 50% zniszczenia blony b?benkowej ucha (powyzej 20 roku zycia)
133 - 200 Znaczne uszkodzenia pluc
200 - 300 Graniczna wartosc wyst^pienia ofiar smiertelnych
350 - 500 50% ofiar smiertelnych
500 - 800 100% ofiar smiertelnych
Wybuch w przestrzeni nieograniczonej UVCE (Unconfined Vapour Cloud Explosion) wyst?puje wtedy, gdy substancja palna (gaz lub ciecz o wysokiej pr?znosci par) wyplywa na zewn^trz zbiornika i miesza si? z powietrzem do czasu utworzenia si? mieszaniny palnej, ktorej srednie st?zenie substancji jest wyzsze niz dolna granica wybuchowosci. Charakterystyczn^ cech^ wybuchu jest utworzenie si? fali nadcisnienia, stanowi^cej jedyny mechanizm przekazywania energii otoczeniu w miejsca wybuchu chmury gazowej. Zjawisko to posiada duzy potencjal powodowania zniszczen w otwartej przestrzeni zajmuj^cej duzy obszar. Intensywnosc wybuchu zalezy glownie od ilosci substancji bior^cej udzial w rekcji oraz mocy zrodla zaplonu. Na fotografii 6 przedstawiono wybuch UVCE.
Fot. 6. Wybuch UVCE. [21]
Pict. 6. An example of UVCE. [21]
Wybuch w ograniczonej przestrzeni VCE (Vapour Cloud Explosion) jest to wybuch chmury palnych par lub gazu z powietrzem, w ktorej srednie st?zenie substancji palnej jest
.iel
wyzsze niz dolna granica wybuchowosci. Roznica w porownaniu z UVCE polega na tym, ze wybuch ten przebiega w ograniczonej przestrzeni np. we wn?trzach aparatow przemyslowych budynkow. Oddzialywanie tego wybuchu generuje znacznie wi?ksze wartosci nadcisnien niz w przypadku UVCE, co przeklada si? na duze zniszczenia w konstrukcji obiektu, wewn^trz ktorego wybuch ma miejsce. Ponadto mozna si? tu spodziewac generowania sporej ilosci odlamkow analogicznie, jak w przypadku wybuchu fizycznego BLEVE. Na fotografii 7. przedstawiono wybuch VCE.
Fot. 7. Wybuch VCE. [22] Pict. 7. An example of VCE. [22]
Wybuch BOILOVER (wyrzut - cieczy wrz^cej ze zbiornika) nast?puje wtedy, gdy stopniowo zwi?ksza si? obj?tosc cieczy i w konsekwencji przeleje si? ona przez kraw?dz zbiornika magazynowego. Zjawisko wykipienia jest prawdopodobne w przypadku cieczy palnej o wysokiej lepkosci, zawieraj^cej nierozpuszczone substancje o niskiej temperaturze wrzenia. W przypadku magazynowanej ropy naftowej substancje te jest woda, ktorej zawartosc zwi^zana jest z procesem wydobywania ropy oraz dostarczaniem wody na skutek dzialan gasniczych. W pocz^tkowym okresie spalania, woda mniej lub bardziej rownomiernie rozlozona jest w obj?tosci zbiornika z rope naftow^. W wyniku zmniejszenia lepkosci gornej warstwy ropy na skutek ogrzewania i odparowywania lzejszych frakcji ropy, zawieszone krople wody stopniowo opadaje ku dolowi, zatrzymuj^c si? w gl?bszych warstwach cieczy
o stosunkowo duzej lepkosci (o nizszej temperaturze). Jednoczesnie woda nagrzewa si? i gdy osi^gnie temperatur? wrzenia odparowuje. Wytworzona para wodna przeplywa do gory zbiornika powoduje spienienie ropy, ktora pal^c si? intensywnie przelewa si? przez kraw?dz zbiornika. Na Fotografii 8 pokazano wykipienie ropy naftowej ze zbiornika magazynowego.
Fot. 8. Wykipienie ropy naftowej. [23] Pict. 8. An example of BOILOVER. [23]
Wyrzut ropy naftowej moze nastepic wtedy, gdy podczas spalania ropy w zbiorniku, na ktorego dnie zalega warstwa wody. Temperatura powierzchni ropy w trakcie pozaru jest rowna temperaturze wrzenia. Pod powierzchni^. ropy, w wyniku oddzialywania ciepla rozdestylowania ropy tworze si? 2 warstwy; gorna i dolna. Po pewnym czasie pozaru temperatura gornej warstwy ropy przewyzsza jej temperatur? wrzenia, grubosc tej warstwy zwi?ksza si? w czasie trwania pozaru. W drugiej dolnej warstwie temperatura szybko maleje w gleb od powierzchni rozdzialu z powodu wchodzenia jej w ochlodzone warstwy znajdujece si? blizej dna zbiornika. Charakter takiego zjawiska spowodowany jest silnymi predami konwekcyjnymi tworzecymi si? w obj?tosci cieczy wypelniajecej zbiornik magazynowy. W trakcie procesu spalania ropa skladajeca si? roznych frakcji w?glowodorow rozdestylowuje si? na frakcje lekkie i ci?zkie. Te drugie charakteryzuje si? wi?ksze g?stoscie od g?stosci, jake posiadaly przed pozarem. W wyniku tego przesuwa si? ona ku dolowi zbiornika, a na jej miejsce naplywa nieoddestylowana ropa. W momencie, gdy warstwa przegrzana ropy
0 temperaturze rz?du 300-350°C dotrze do dna zbiornika, gdzie znajduje si? woda nast?puje gwaltowne jej odparowanie. Wskutek zwi?kszenia obj?tosci wody okolo 1700 razy
1 gwaltownego jej przemieszczenia ku gorze zbiornika nast?puje wyrzut ropy ze zbiornika, ktora wraz z pare wodne wydostaje si? poza zbiornik. Z powodu znacznych sil wygenerowanych przy wyrzucie pary wodnej, tego typu awarie charakteryzuje si? duzym zasi?giem generowanych skutkow (glownie rozlewiska plonecej cieczy). Na fotografii
9. pokazano zbiornik z rope naftowe przed wyrzutem ropy naftowej.
Fot. 9. Wyrzut ropy naftowej. [24] Pict. 9. BOILOVER of crude oil. [24]
Zjawisko wybuchow mieszanin pylowo-powietrznych jest bardzo podobne do wybuchu gazow, czy par cieczy palnych, jednakze mimo wszystko istnieje kilka znacz^cych roznic pomi?dzy nimi. Wybuch pylu moze pojawic si? w momencie, gdy powstaje mieszanina pylowo-powietrzna. Wowczas nast?puje uwolnienie duzej ilosci ciepla spalania oraz gwaltowny wzrost cisnienia (zazwyczaj na poziomie 0,5-1,2 MPa). Wybuch mieszaniny pylowo-powietrznej zalezec zatem b?dzie w glownej mierze od:
• doplywu tlenu do procesu spalania,
• wlasnosci pylu (rozdrobnienie, wilgotnosc, cz?sci lotne, st?zenie, itp.),
• skladu i stanu mieszaniny wybuchowej,
• rodzaju przestrzeni wybuchu,
• cech inicjatora (energia, czas dzialania, temperatura, itp.).
Proces wybuchu mieszaniny pylowo-powietrznej skladac si? zatem b?dzie w uproszczeniu z nast?pujecych procesow [25]:
• transportu ciepla do powierzchni cz^stki, przejmowania go przez cz^stk? i jej nagrzewania,
• rozklad termiczny powierzchni cz^stki z dalszym jej nagrzewaniem oraz wydzielanie cz?sci lotnych,
• mieszania si? wydzielonych cz?sci lotnych z powietrzem wytwarzajecego mieszanin? palne i jej zapaleniu,
• transportu ciepla od plomienia do s^siednich cz^stek oraz ich utlenianie i zaplon.
Jedynie w niektorych, czy tez tylko poszczegolnych przypadkach, takich jak mlyny strumieniowe, wybuchowa mieszanina pylowo-powietrzna moze powstac na etapie procesu
technologicznego. W wi?kszosci przypadkow wybuchowe mieszaniny pylowo-powietrzne powstaje na skutek uniesienia lub dyspersji pylu nagromadzonego w warstwach. Proces nagromadzenia pylu moze zarowno stanowic cel zamierzony lub wymagany do celow przemyslowych, jak na przyklad w silosach, koszach samowyladowczych, czy w filtrach workowych, jak rowniez byc efektem ubocznym (niezamierzonym), przykladowo osadzanie si? pylu na zewn?trznych powierzchniach urzedzen procesowych, lub na scianach i podlogach pomieszczen magazynowych. Rozproszony pyl moze wytworzyc mieszanin? pylowo-powietrzne o st?zeniu zawartym pomi?dzy dolne i gorne granice wybuchowosci jedynie przez krotki czas.
Literatura
1. Lees F. P, Loss Prevention in Process Industries, Butterworths, 1980 r.;
2. Bagster D.F., Pitblado, R.M., The Estimation of Domino Incident Frequencies - An Approach, Trans I ChemE, Vol. 69, Part B, 1991 r.;
3. Health and Safety Commission, The Control of Major Hazards, Third Report of the HSC Advisory Committee on Major Hazards, HMSO, 1984 r.;
4. http://www.atest.com.pl/pictures/2002/ed0211b.jpg (17/08/2010);
5. 5 http://mahb.jrc.ec.europa.eu/;
6. http://www.atsdr.cdc.gov/;
7. http://www.factsonline.nl/;
8. Chung P. W. H., Jefferson M., A Fuzzy Approach to Accessing Accident Databases, September 1998.;
9. http://www.hse.gov.uk/;
10. Clini, R. M., Darbra and J. Casal, Historical Analysis of Accidents Involving Domino Effect F;
11. Kourniotis S.P., Kiranoudis C.T., Markatos N.C., 2000, Statistical analysis of domino chemical accidents, Journal of Hazardous Materials 71 239-252;
12. Praca zbiorowa pod redakcje Adama S. Markowskiego, Zapobieganie stratom w przemysle. Czqsc III - Zarzqdzanie bezpieczenstwem procesowym, Politechnika Lodzka, 2000;
13. CPR 16E - Methods for determination of possible damage, TNO, Holandia 1989;
14. http://www.sandia.gov/tp/images/pool.gif (17/08/2011);
15. http://darksideofrom.com/wp-content/uploads/2008/03/caddyshack02.jpg (12/08/2011);
16. 16; http://www.thermdyne.com/ (11/11/2011);
17. 17.http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:fD4uEvlvosAIgM:http://http://www.ctv.ca/servl et/ImageShrinker?http://images.ctv.ca/archives/CTVNews/img2/20100804/600_myne ws_propane_100804.jpg, 160,81&t= 1 (12/11/2011);
18. 18;http://2.bp.blogspot.com/_IzZ9zHM6YVU/SRbGGICFR2I/AAAAAAAAEl4/U5A BWU0NWLo/s400/BLEVE (15/09/2011);
19. http://www.enotes.com/w/images/d/d5/Bleve_explosion.png (15/09/2010);
20. http://www.safetycasemanagement.ltd.uk (21/08/2011);
21. http://www.bizkaia.org/Home2/Archivos/DPTO7/Temas/Fotos/fuego_diapositiva17.jp g (11/07/2009);
22. 22.http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:rMKHaOkjmV9a1M:http://www.lboro.ac.uk/de partments/cg/news/graphics/VapourCloudExplosion.jpg&t=1 (10/09/2011);
23. 23.http://www.gezamenlijke-brandweer.nl/media/images/fotos/boilover-1_large.jpg (13/08/2011);
24. 24.http://www.cbc.ca/gfx/images/news/photos/2007/11/29/enbridge-fire-cp-3965937.jpg (15/08/2009);
25. Teodorczyk A., Podstawy modelowania matematycznego wybuchu mieszaniny pylowo-gazowej, III Mi?dzynarodowa Szkola Wybuchowosci Pylow Przemyslowych, 1987;
st. kpt. inz. Piotr Lesiak w 2002 r. ukonczyl studia w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. W 2010 r. uzyskal dyplom inz. chemii w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Obecnie pelni sluzb? w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej Panstwowym Instytucie Badawczym w Jozefowie w Zespole Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci. Oficer PSP.
st. kpt. mgr inz. Rafa! Porowski w 2002r. ukonczyl studia w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. W 2010 roku ukonczyl studia podyplomowe w University of Ulster w Irlandii Polnocnej w kierunku inzynierii bezpieczenstwa wodorowego. W roku 2011 ukonczyl studia doktoranckie na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa
Politechniki Warszawskiej. W latach 2010-2011 stypendysta Fulbrighta w California Institute of Technology w Explosion Dynamics Laboratory (USA). Pelni funkcj? kierownika Zespolu Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej PIB w Jozefowie.
Recenzenci Dr Grzegorz Lyjak Dr Tomasz W^sierski
