CC BY
38
prof. dr hab. Melania POFIT - SZCZEPANSKA
WYKORZYSTANIE METODY TZW. SUBSTYTUTU TERMODYNAMICZNEGO /TS/ DO ILOSCIOWEGO SZACOWANIA SKUTKOW POZAROW I WYBUCHOW MIESZANIN WIELOSKLADNIKOWYCH
Streszczenie
W ustalaniu przyczyny powstawania i rozwoju pozarow i wybuchow, podczas wyciekow z instalacji chemicznych, mieszanin wieloskladnikowych o nieznanym skladzie ilosciowym, istnieje problem w szacowaniu skutkow pozarow i wybuchu. W artykule opisano metod? Johnsona zwan^ metod^ substytutu termodynamicznego, umozliwiaj^c^ ilosciowe szacowanie skutkow niebezpiecznych zjawisk, wykorzystuj^ wlasnosci palno-wybuchowe jednego ze skladnikow mieszaniny.
Summary
"Use of the method of thermodynamic substitute /TS/ to quantitative assessment of the fires and an explosions results during a spill of the multicomponent mixture"
This paper studies some problems in assessment of the consequences of the fire and an explosion during the multicomponent mixture unknown composition release.
Wprowadzenie
Istotn^. cz^sci^. raportow bezpieczenstwa [1] jest cz?sc analityczna, w ktorej analizuje si? zagrozenie pozarowo - wybuchowe i toksyczne, jak rowniez skutki wyciekow, roznych niebezpiecznych substancji do atmosfery. Jesli uwolniona awaryjnie substancja ma okreslony sklad chemiczny i znane s^. parametry procesowe, obliczenie skutkow emisji nie jest trudne. W pismiennictwie naukowym i naukowo-technicznym znalezc mozna opis procedur obliczen parametrow wybuchu czy emisji toksyn [2-4].
Natomiast jednym z najbardziej skomplikowanych problemow w ocenie skutkow pozaru i wybuchu jest okreslenie skladu jakosciowo - ilosciowego w warunkach awaryjnego wycieku mieszaniny wieloskladnikowej, o nieznanym skladzie, ktora wybucha lub spala si? w wysokoenergetycznym srodowisku pozaru. Jesli nie jest znany dokladny sklad mieszaniny uwalnianej w czasie awarii np. slopow (zrzutow technologicznych mieszanin cieczy i gazow), to w praktyce, do oceny skutkow pozarow i wybuchow, wykorzystuje si? metod? tzw. substytutu termodynamicznego, ktora okresla cal^. charakterystyk? wybuchu mieszaniny wieloskladnikowej do jednej substancji o scisle okreslonym skladzie [5-6].
Celem artykulu jest opis metody umozliwiaj^cej szacowanie skutkow pozarow i wybuchu podczas emisji mieszaniny niebezpiecznych substancji o nieznanym skladzie
ilosciowym, powstalej w wyniku nieszczelnosci (p?kni?cia) np. ruroci^gu czy innego elementu instalacji oraz opis zachowania si? mieszaniny par po emisji, przy pomocy tzw. substytutu termodynamicznego.
Metoda substytutu termodynamicznego.
W celu przyblizenia opisu metody, rozpatrzmy przykladowo sposób post?powania przy rozwi^zywaniu analizowanego problemu opisanego przez W. Johnsona [5]. W czasie awarii zbiornika zostaly wyemitowane:
• mieszanina w?glowodorów Ci - C5 /metan - -pentan/, a w innej awarii:
• czysty propan (C3).
W obu wypadkach awaria zbiornika nast^pila przy: p = 3 bary, t = 650C. Emisja obu paliw nast^pila przez otwór o srednicy 15 cm, zlokalizowany w bocznej scianie zbiornika. Strumien gazów uwalnial si? w obu przypadkach pod k^tem 450 w stosunku do terenu. Szybkosc emisji byla wzgl?dnie stala, poniewaz w duzym zbiorniku zarówno cisnienie jak i temperatura zmienia si? wolno w czasie. Wyniki obliczen Johnsona [5] uzyskane na podstawie opracowanego modelu dyspersji uwolnionych gazów C1 - C5 i C3 przedstawiono na rysunku 1 w postaci ksztaltu powstalych chmur. Graniczne wartosci st?zen obu typów gazów w chmurze (mieszaniny i jednorodnego gazu) byly równe ich dolnym granicom zapalnosci.
u n e r e
e z
o p
yr
h c
o k o s
-15 0 15 30 45 60 75 90 105 120 zasi?g rozprzestrzeniania si? chmury w kierunku wiatru [m]
Ryc. 1. Dyspersja gazów w atmosferze, w wyniku ich emisji w czasie awarii zbiornika; graniczne st?zenia gazów w chmurach s^. równe dolnej granicy zapalnosci (DGZ).
W tabeli 1 podano otrzymane przez Johnsona [5] wyniki obliczen zasi?gu rozprzestrzeniania si? chmury uwolnionych gazów, przy wykorzystaniu propanu jako substytutu termodynamicznego mieszaniny „metan - pentan".
Tab. 1.
Wyniki obliczeá szybkosci emisji i zasiggu chmur.
Wyznaczona wielkosc Mieszanina metan-pentan Propan
Szybkosc parowania [kg/s]. 15,8 15,7
Odleglosc od miejsca emisji do miejsca w którym st?zenie gazu w chmurze jest równe DGZ [m]. 30 30
Wysokosc powyzej terenu, na której st?zenie gazu w chmurze jest równe DGZ [m]. 30 30
Dane przedstawione w postaci graficznej (rys. 1.) jak i tabelarycznej (tab. 1.) wskazuj^, ze wykorzystanie propanu jako substytutu termodynamicznego mieszaniny „metan-pentan" swiadczy, iz przyj?ty model zachowania si? obu substancji: mieszaniny i skladnika jednorodnego, daje duz^ zgodnosc wyznaczonych danych ilosciowych i jest mozliwy do wykorzystania w szacowaniu skutków pozarów i wybuchów.
Wykorzystanie metody TS do analizy przebiegu pozaru i wybuchu, powstalych w warunkach rzeczywistych na instalacji slopów, na terenie rafinerii w Polsce.
Krótki ogólny opis zdarzenia, b?d^cego przedmiotem analizy. W warunkach nocnych póznej jesieni, na stacji nalewaków, trzy autocysterny czekaly na zaladowanie asfaltu (rys. 2.) Autocysterny znajdowaly si? w odleglosci kilkudziesi?ciu metrów od muldy, z rozmieszczonymi w niej na róznej wysokosci, ruroci^gami magistralnymi i slopowymi. Obok muldy zlokalizowane byly trzy zbiorniki stalowe (z dachami stalymi) o róznym stopniu napelnienia (najmniejszym zbiornik 3, najwi?kszym zbiornik 1) paliwami ci?zkimi i lekkimi. W wyniku nieszczelnosci jednego z ruroci^gów w muldzie, oznaczonego T-66 (fot. 1.), niewielki pocz^tkowo wyciek paliwa (slopu) o nieznanym skladzie jakosciowo-ilosciowym, utworzyl po kilkunastu godzinach chmur?, przemieszczaj^c^. si? w kierunku zaparkowanych autocystern. W wyniku zapalenia si? chmury powstal pozar (godz. 155 w nocy). Pal^ca si? chmura, cofn?la si? w kierunku zbiorników, powoduj^c powstanie w terenie zabudowanym (ruroci^gami i zbiornikami)
wybuchu niszcz^cego instalacjç i zbiorniki zlokalizowane na obszarze rozprzestrzeniania siç chmury (fot. 1-8.).
W celu obliczenia skutkow pozaru i wybuchu na instalacji slopow w wyniku ich awaryjnego uwolnienia, wykorzystano metodç TS, tzn. przyblizen skladu i charakterystyk fizykochemicznych mieszanin wieloskladnikowych, przez wybor skladnika jednorodnego, tzw. substytutu termodynamicznego o tej samej lub zblizonej gçstosci wzglçdnej i podobnej charakterystyce wybuchowosci, co mieszanina wieloskladnikowa. W praktyce stosuje siç trzy metody wyboru substytutu termodynamicznego:
• metodç porownania wlasciwosci mieszaniny i okreslonego czystego skladnika (pary),
• metody doboru w charakterze wzorca mieszaniny o scisle okreslonym skladzie jakosciowo-ilosciowym, jednorodnej substancji cieklej dla paliw o wyzszym ciçzarze cz^steczkowym,
• wybor w charakterze substytutu uwolnionej frakcji jednorodnej substancji gazowej dla paliw o malym ciçzarze cz^steczkowym.
W obliczeniach skutkow pozaru i wybuchu jako substytutu termodynamicznego analizowanych frakcji slopow wykorzystano n-butan i n-heksan. Jesli zalozyc, ze w uwolnionej mieszaninie (gazowej) slopow o skladzie C1 ^ C5 skladniki byly w stçzeniach rownowaznikowych, to dobrym substytutem takiej mieszaniny jest n-butan (gaz). Gçstosc wzglçdna n-butanu w stosunku do powietrza jest rowna 2, a gçstosc wzglçdna mieszaniny C1 ^ C5 - 1,9. Dolna granica zapalnosci butanu jest rowna 2,26 % obj., dolna granica wybuchowosci mieszaniny 2,36 %. Dla frakcji C6 ^ C9 (heksan - nonan) (ciecz) dobrym substytutem termodynamicznym jest n-heksan. Gçstosc wzglçdna n-heksanu w stosunku do powietrza jest rowna 3,0, a mieszaniny C6 ^ C9, w ktorej skladniki s^. w stçzeniach rownowaznikowych 3,4. Dolna granica wybuchowosci n-heksanu rowna siç 1,2 % obj., a mieszaniny C6 ^ C9 - 1,6 % obj.
Wybor substytutu termodynamicznego bçd^cego czystym, jednorodnym skladnikiem jest wyborem uproszczonej metody. W metodzie tej zaklada siç, ze substytut jest b^dz w stanie lotnym b^dz cieklym, podczas gdy wieloskladnikowa mieszanina jest ukladem ciecz - para, gdzie zaleznosci rownowagowe ciecz - para wplywaj^. bardzo istotnie na obliczane skutki pozarow i wybuchow.
Ryc. 2. Plan zagospodarowania terenu.
Oznaczenia na planie:
ZM1, ZM2, ZM3 -zbiorniki z paliwami,
1, 2, 3 - autocysterny czekaj^ce na zaladunek asfaltu,
5-6, EF - drogi wewn^trzzakladowe
Obliczenie parametrow wybuchu chmury, powstalej z uwolnionych slopow.
Do obliczenia parametrow wybuchu chmury wykorzystano metod§ Berga [11]. Metoda Berga oparta jest na zalozeniu, ze glown^. przyczyna wybuchow jest powstanie mieszaniny palnej, w ktorej ma miejsce silna turbulencja, spowodowana b^dz przeszkodami istniej^cymi na drodze rozprzestrzeniania si§ chmury na otwartej przestrzeni, b^dz tez spalaniem kinetycznym tej mieszaniny w ograniczonej przestrzeni. St^d tez wybuch chmur par na otwartej przestrzeni modelowany jest jako liczne „podwybuchy" maj^ce miejsce wewn^trz chmury.
Obliczenia przeprowadzono wariantowo przyjmuj^c jako substytut termodynamiczny dla slopow cieklych - n-heksan, a dla slopow gazowych - n-butan. Przyj^te w obliczeniach zalozenia:
• chmura spala si§ dyfuzyjnie (z niewielkim wzrostem cisnienia) czyli ma miejsce powstanie zjawiska tzw. flash fire,
• powstaly wybuch jest wybuchem deflagracyjnym,
• uwolniona awaryjnie z ruroci^gu mieszanina ulega dyspersji w dwoch typach otoczenia:
a. w otoczeniu, w ktorym na drodze dyspersji chmury znajduj^ si§ pionowe przeszkody tzn. instalacje, zbiorniki, obwalowania, ruroci^gi na estakadach itp. (jest to tzw. „otoczenie z przeszkodami"),
b. w otoczeniu, w ktorym dyspersja chmury zachodzi w przestrzeni otwartej, bez przeszkod,
• utworzona chmura tworzy pôlkolist^. strefç wybuchu,
• sklad poszczegôlnych mieszanin zaklada, ze skladniki w mieszaninie s^. w stçzeniach rôwnowaznikowych.
W warunkach rzeczywistych w terenie zabudowanym mieszanina zlokalizowana byla w przestrzeni tacy awaryjnej i miçdzy zbiornikami ZM3 i ZM2 a muld^, w ktôrej znajdowal siç ruroci^g T - 66 (fot. 1.). Na terenie otwartym mieszanina palna pokrywala powierzchniç objçta awari^. (okolo 5000 m ), tzn. powierzchniç: mulda - skrzyzowanie EF z 5-6, przestrzen poza skrzyzowaniem, przestrzen wokôl autocystern czekaj^cych na zaladowanie asfaltu. Chmura ta rozci^gala siç zgodnie z kierunkiem wiatru, SE na NW (rys. 2.).
2 3
Powierzchnia autocystern rôwna jest 162 m (18m x 3m x 3,5m), objçtosc okolo 567 m . Powierzchnia muldy przyjçta w obliczeniach byla rôwna 460 m (46m - odleglosc od miejsca uszkodzenia ruroci^gu T-66 do skrzyzowania 5-6 z EF/ szerokosc muldy - 10m). Niezabudowana (otwarta) powierzchnia awarii byla rôwna okolo 1500m . W tabelach 2-6 podano wyniki obliczen parametrôw wybuchu, tzn. maksymalnych cisnien wybuchu i czasu trwania nadcisnienia, przy uwzglçdnieniu ww. zalozen. Parametry wybuchu liczono w rôznych odleglosciach od przypuszczalnego miejsca wycieku (ruroci^g T-66). Przyjçte odleglosci: 10 m, 30 m, 48 m, 68 m, i 100 m znajduj^. uzasadnienie w nizej wymienionych lokalizacjach:
• 10m - najblizsza odleglosc od miejsca wycieku do tacy awaryjnej,
• 30m - odleglosc od miejsca rozszczelnienia ruroci^gu T-66 do zbiornika ZM3,
• 48m - odleglosc od miejsca rozszczelnienia ruroci^gu T-66 do skrzyzowania drôg EF/5-6,
• 68m - odleglosc od miejsca rozszczelnienia ruroci^gu T-66 do przypuszczalnego miejsca zaplonu chmury,
• 100m - odleglosc od miejsca rozszczelnienia ruroci^gu T-66 do punktu oddalonego okolo 30m poza skrzyzowanie EF/5-6 - od autocysterny nr 1.
Na podstawie dokumentacji zakladowej uwzglçdniono mozliwe w analizowanych warunkach ilosci wyciekôw awaryjnych:
• 6.000 kg,
• 10.000 kg oraz,
• 20.000 kg.
W tabelach 2-6 podano wyniki obliczen parametrôw wybuchu uwolnionych awaryjnie slopôw.
Tab. 2.
Parametry wybuchu uwolnionych slopôw w funkcji odleglosci od miejsca wycieku slopu,
przy zalozeniu, ze substytutem termodynamicznym uwolnionych awaryjnie slopôw wieloskladnikowej mieszaniny jest n-butan (teren awarii z przeszkodami __- zabudowany).__
Rzeczywista Powstale Czas trwania Energia spalania
odleglosc od miejsca nadcisnienie nadcisnienia podczas „wybuchu"
wycieku [m] [bar] [s] [MJ]
wyciek 6 000 kg
10 0,20 0,12 10,000
30 0,18 0,13 10,000
48 0,12 0,13 10,000
68 0,08 0,13 10,000
100 0,06 0,13 10,000
wyciek 10 000 kg
10 0,17 0,11 16,600
30 0,10 0,10 16,600
48 0,08 0,09 16,600
68 0,06 0,09 16,600
100 0,04 0,09 16,600
wyciek 20 000 kg
10 0,19 0,13 23,320
30 0,19 0,12 23,320
48 0,12 0,11 23,320
68 0,02 0,11 23,320
100 0,01 0,10 23,320
Tab. 3.
Parametry wybuchu uwolnionych slopôw w funkcji odleglosci od miejsca wycieku slopu,
przy zalozeniu, ze substytutem termodynamicznym uwolnionych awaryjnie slopôw wieloskladnikowej mieszaniny jest n-heksan (teren awarii z przeszkodami __- zabudowany).__
Rzeczywista odleglosc od miejsca wycieku [m] Powstale nadcisnienie [bar] Czas trwania nadcisnienia [s] Energia spalania podczas „wybuchu" [MJ]
wyciek 6 000 kg
10 0,20, 0,11 7,500
30 0,17 0,07 7,500
48 0,15 0,07 7,500
68 0,07 0,07 7,500
100 0,04 0,07 7,500
wyciek 10 000 kg
10 0,20 0,13 12,495
30 0,18 0,09 12,495
48 0,12 0,08 12,495
68 0,05 0,08 12,495
100 0,03 0,07 12,495
wyciek 20 000 kg
10 0,23 0,17 24,990
ЗО О,18 О,15 24,99О
48 О,12 О,12 24,99О
б8 О,О9 О,11 24,99О
1ОО О,ОЗ О,1О 24,99О
Tab. 4.
Parametry wybuchu uwolnionych slopów w funkcji odleglosci od miejsca wycieku slopu,
przy zalozeniu, ze substytutem termodynamicznym uwolnionych awaryjnie slopów wieloskladnikowej mieszaniny jest n-butan (teren otwarty -
nieza ïudowany).
Rzeczywista Powstale Czas trwania Energia spalania
odleglosC od miejsca nadcisnienie nadcisnienia podczas „wybuchu"
wycieku [m] [bar] [s] [MJ]
wyciek б ООО kg
1О
ЗО
48 О,ОО1 О,94 122,18б
б8
1ОО
wyciek 1О ООО kg
1О
ЗО
48 О,ОО1 1,11 2ОЗ,728
б8
1ОО
wyciek 2О ООО kg
1О
ЗО
48 О,ОО1 1,4О 4О7,45б
б8
1ОО
Tab. 5.
Parametry wybuchu uwolnionych slopów w funkcji odleglosci od miejsca wycieku slopu,
przy zalozeniu, ze substytutem termodynamicznym uwolnionych awaryjnie
slopów wieloskladnikowej mieszaniny jest n-heksan (teren otwarty -bez __przeszkód).__
Rzeczywista odleglosC od miejsca wycieku [m] Powstale nadcisnienie [bar] Czas trwania nadcisnienia [s] Energia spalania podczas „wybuchu" [MJ]
wyciek б ООО kg
1О
ЗО
48 О,ОО15 О,9б 91,72О
б8
1ОО
wyciek 1О ООО kg
1О ЗО О,ОО2 1,2О 152,791
48
68
100
wyciek 20 000 kg
10 0,019
30 0,018
48 0,008 1,58 305,582
68 0,008
100 0,008
Analiza otrzymanych wynikow parametrow wybuchu wyznaczonych metodQ Berga [17]
W oparciu o uzyskane wyniki obliczen sformulowac mozna nastçpuj^ce wnioski:
• wielkosc tworz^cych siç nadcisnien w czasie wybuchu chmury powstalej z odparowanych slopow zalezy od typu otoczenia, w ktorym mial miejsce wybuch; uzyskane maksymalne przyrosty nadcisnien pmax w tych samych odleglosciach od miejsca wycieku w przestrzeni miçdzy zbiornikami i zbiornikami a muld^, s^. dwa rzçdy wyzsze (0,2 bar) od maksymalnego cisnienia tworz^cego siç na otwartej przestrzeni (0,001 bar) - z wyj^tkiem pmax = 0,0019 bar, otrzymanego podczas wybuchu chmury utworzonej z wycieku 20 ton mieszaniny wieloskladnikowej, przy wykorzystaniu jako substytutu termodynamicznego n-heksanu.
• czas trwania pozytywnej „fazy wybuchu - nadcisnienia" w terenie zabudowanym, osi^gal w tej samej odleglosci od miejsca wycieku znacznie krotsze wartosci w porownaniu do czasow trwania fali wybuchowej rozprzestrzeniaj^cej siç na otwartej przestrzeni,
• zwraca uwagç znaczne zroznicowanie ilosci energii spalania powstalej w warunkach zaobserwowanego w czasie awarii wybuchu w zaleznosci od lokalizacji wybuchu chmury; w terenie zabudowanym, na drodze rozprzestrzeniania siç chmury, ilosc wydzielonej energii spalania jest znacznie nizsza w porownaniu z ilosciq, energii wydzielonej podczas spalania siç chmury w terenie otwartym (niewielki tylko wzrost cisnienia - 0,001 bar).
Obliczenie zasiçgu wybuchu chmury par, powstalej z awaryjnego wycieku wieloskladnikowej mieszaniny.
W obliczeniach uwzglçdniono energiç spalania chmury w czasie wycieku oraz cisnienie pocz^tkowe. Analityczne zaleznosci wykorzystane w obliczeniach podano w [711,17].
Zbiorcze zestawienie wyników obliczen zasiçgu wybuchu chmury podano w tabeli б i 7.
Tab. б.
Zbiorcze zestawienie wyników obliczeй zasiçgu wybuchu chmury (substytut _termodynamiczny n-heksan)._
Wyciek [kg] Energia spalania [MJ] Typ przestrzeni Zasiçg wybuchu [m]
б,000 10,000 20,000 7,500 12,495 24,990 zabudowa /z przeszkodami/ 42,03 49,83 б2,79
б,000 10,000 20,000 91,720 152,791 305,582 otwarta /bez przeszkód/ 9б,84 114,79 144,б3
Tab. 7. Zbiorcze zestawienie wyników obliczeй zasiçgu wybuchu chmury (substytut termodynamiczny n-butan).
Wyciek [kg] Energia spalania [MJ] Typ przestrzeni Zasiçg wybuchu [m]
б,000 10,000 20,000 10,000 1б,б00 23,320 zabudowa /z przeszkodami/ 4б,2б 54,78 б1,35
б,000 10,000 20,000 122,18б 203,728 407,45б otwarta /bez przeszkód/ 10б,55 12б,35 159,19
Przebieg analizowanego pozaru i wybuchu
W oparciu o przeprowadzone obliczenia parametrów pozaru i wybuchu tzn. gçstosci mocy strumieni ciepla, powstalych w czasie spalania na terenie awarii i terenach otaczaj^cych oraz maksymalnych cisnien wybuchu i czasu trwania fali nadcisnienia (pozytywnej fali wybuchu) w funkcji odleglosci od miejsca wycieku, przy uwzglçdnieniu dokumentacji technicznej instalacji mozna przyj^c nastçpuj^c^. przyczynç i przebieg zdarzenia.
Przypuszczalnie wyciek slopów, tzn. wieloskladnikowej mieszaniny wçglowodorôw o róznym skladzie cz^steczkowym i róznej gçstosci, mial miejsce w dluzszym okresie czasu -z tym, ze pocz^tkowo byl to niewielki wyciek przez istniej^c^. mal^ nieszczelnosc na ruroci^gu magistralnym T-бб (fot. 1.). Minimalna szczelina mogla powstac w wyniku wielu przyczyn, np. zmniejszenia wytrzymalosci scian ruroci^gu wskutek korozji, zmniejszenia przewodnictwa cieplnego scian i zmniejszenia wytrzymalosci scian, co moglo spowodowac, ze nawet przy zachowaniu parametrów procesowych, szczególnie wielkosci cisnienia oraz lokalnego wzrostu temperatury ponad 500C, mógl nast^pic maly wyciek. Wyciekaj^ca, niewielka masa slopów mogla w dluzszym czasie, wsi^kac (byc adsorbowana) przez otulinç
termoizolacji. Na dokumentacji fotograficznej wykonanej po awarii, cz?sc rurociigów nie jest pokryta termoizolacji, natomiast w czasie wizji na terenie awarii czesc rurociigów bylo osloni?te izolacji. Taki stan, niewielkiego wycieku, mógl byc „nierejestrowalny" przez aparatur? kontrolno pomiarowi. Natomiast, przy wi?kszym wzroscie cisnienia i zbyt duzym, w stosunku do zalozonych technologicznie ilosci, obci^zeniu rurociigu masi palni, nieszczelnosc powi?kszala si? sukcesywnie i zwi?kszala si? ilosc wyciekajicego slopu. Cz?sc slopów w zaleznosci od ich skladu opadala na betonowe dno muldy, adsorbujic si? na powierzchni betonu, natomiast frakcje lekkie ze wzgl?du na niskie temperatury wrzenia (ponizej zera), natychmiast przechodzily w stan lotny. Taki stan, mógl trwac przez dluzszy okres i byc niezauwazony ze wzgl?du na cz?sti eksploatacj? rurociigu T-66 tzn. procesy napelniania i pobierania slopów ze zbiorników ZM3, ZM2, ZM1.
Literatura przedmiotu podaje [3], ze powstanie chmury par z rozlewiska lub ze strumienia cieczy, wydobywaj icego si? pod cisnieniem z rurociigu jest mozliwe, jesli wycieknie minimum 100 kg paliwa o sredniej reaktywnosci, a do takich paliw zaliczaly si? zrzuty technologiczne powstajice przy przerobie ropy naftowej transportowane przez rurociigi magistralne i rurociigi slopowe istniejice na terenie awarii. Powstanie duzego rozszczelnienia rurociigu T-66 i T-115 (fot. 1, 2) przypuszczalnie nastipilo, w wyniku chwilowego zrzutu wi?kszej ilosci slopów np. przez nieprawidlowo ustawione zawory na rurociigach, bidz tez przez zrzut slopów o wyzszym cisnieniu niz cisnienie robocze rurociigu (200kp) lub tez slopów o temperaturze wyzszej niz temperatura robocza rurociigu (500C).
Na podstawie obliczonej masy slopów, która mogla wydostac si? na zewnitrz instalacji w czasie 0100 - 0158 , mozna przyjic, ze znacznie przekraczala mas? 100 kg. Przy uwzgl?dnieniu warunków procesowych (t = 500C) i temperaturze powietrza (- 2,70C) okolo
58
godz.1 w nocy w dniu, w którym mial miejsce pozar i wybuch, najlzejsze frakcje uwolnionych slopów, natychmiast przeszly w stan lotny, tworz^c chmur? par paliwa zawieszoni w powietrzu. W tym czasie wiatr wial w kierunku pld.-wsch. [SE] tzn. od strony muldy w kierunku skrzyzowania oznaczonego na planie sytuacyjnym (rys. 1) skrzyzowaniem EF z drogi 5-6. Powstala z wycieku niespalajica si? jeszcze chmura, ulegajic dyssypacji w otaczajicej atmosferze, przemieszczala si? w kierunku zgodnym z ruchem wiatru, tzn. w kierunku pln.-zach. [NW]. W rejonie skrzyzowania ustawione byly trzy autocysterny oczekujice na zaladunek asfaltu. Przypuszczalne zródlo zaplonu chmury zlokalizowane bylo w poblizu autocysterny pierwszej oznaczonej na rys. 1. nr 1, tzn. zaplon chmury nastipil od tzw. punktowego zaplonu, typu plomien palicej si? zapalki lub tez warstwy tlicego si?
tytoniu papierosa. Gçstosc przemieszczaj^cej siç chmury, byla zrôznicowana. W czçsci nie zmieszanej z powietrzem (srodkowa czçsc chmury) byla ponad 3-krotnie ciçzsza od powietrza. Na obrzezach, po wymieszaniu z powietrzem zmienila siç od 1,5 - 2,0 w zaleznosci od stopnia dyspersji par w powietrzu. Taka zmiana gçstosci powodowala rozny rozklad stçzen lotnego slopu zawartego w chmurze w funkcji wysokosci od powierzchni terenu i w konsekwencji zmianç ksztaltu przemieszczaj^cej siç chmury. Z chwil^. dotarcia do skrzyzowania EF/5-6, czçsc chmury scielila siç wzdluz powierzchni terenu. Byly, wiçc korzystne warunki do zaplonu chmury od rzuconej niezgaszonej zapalki czy tez niezgaszonego papierosa.
W chwili zaplonu istnialy dwie mozliwosci rozwoju sytuacji: moglo nast^pic spalanie siç chmury z minimalnym wzrostem cisnienia - tzw. „flash fire" (normatywne okreslenie obowi^zuj^ce w Unii Europejskiej) albo wybuch deflagracyjny, w czasie ktôrego powstale cisnienie byloby wielokrotnie (nawet o trzy rzçdy) wiçksze. Powstanie jednej czy drugiej ww. sytuacji uwarunkowane jest m.in. typem otoczenia (uksztaltowania i zabudowania terenu) otaczaj^cego chmurç. Najprosciej môwi^c na terenie otwartym, nie zabudowanym (rozprzestrzeniania siç chmury bez przeszkôd) szybkosc spalania siç chmury nie zmienila siç w czasie i chmura spalala siç kinetycznie, jednak z minimalnym wzrostem cisnienia. Natomiast w terenie „zabudowanym" instalacjami, zbiornikami a w szczegôlnosci pionowymi przegrodami (ruroci^gami na estakadach), szybkosc spalania znacznie zwiçkszala siç w wyniku turbulencji mieszaniny, co powodowalo w konsekwencji wybuchu chmury, generuj^c nawet o trzy rz^dy wyzsze cisnienie wybuchu w porôwnaniu z niewielkim wzrostem cisnienia, obserwowanym podczas spalania siç chmury w terenie otwartym (tab. 2-5).
Jak wygl^dala sytuacja na analizowanym terenie? W odleglosci ~ 68 ^ 70 m od miejsca wycieku stala autocysterna oznaczona na planie sytuacyjnym nr 1. W tej odleglosci nast^pil zaplon chmury. Inne typy inicjacji zapalenia chmury poprzez samozaplon, samozapalenie lub inn^. formç zaplonu, wykluczono z oczywistych powodôw:
• przed spalaniem brak bylo na terenie awarii warunkôw do samorzutnego wzrostu temperatury do okolo 260 - 3 000C (najnizsze temperatury samozaplonu najlzejszych frakcji),
• paliwa bçd^ce wçglowodorami nasyconymi nie ulegaj ц. w ogôle samozapaleniu
• inne typy wyladowan iskrowych, rozrzutôw spawalniczych, iskier mechanicznych w podanych warunkach technologicznych i czasu zdarzenia nie wystçpowaly.
Podane w tabelach 2-7 wyniki obliczen tzn. maksymalnych cisnien wybuchów i czasu trwania fali nadcisnienia w funkcji odleglosci od miejsca wycieku wskazuji, ze po zaplonie chmury na terenie awarii powstaly dwa zróznicowane obszary energetyczne, warunkuj^ce typ zaistnialych zdarzen i ich skutków po zapaleniu siç chmury. Autocysterny staly na terenie otwartym (pólotwartym). Na podstawie wizualnej obserwacji po zdarzeniach widac bylo wyraznie, ze chmura rozprzestrzenila siç kilkanascie metrów poza pozycjç zajmowan^ przez autocysternç nr 1. Maksymalny zasiçg rozprzestrzeniania siç chmury okreslony byl odleglosci^, w której stçzenie skladników palnych w chmurze spadalo ponizej dolnej granicy zapalnosci. Przesuwaj^c siç poza skrzyzowanie i nie znajduj^c na dalszym odcinku drogi „zródla zasilania", tzn. paliwa, spalaj^ca siç chmura cofnçla siç bardzo szybko do muldy i terenu ograniczonego ruroci^gami, zbiornikami i fundamentami betonowymi zbiorników i estakadami. Sytuacja zmiany kierunku rozprzestrzeniania spalaj^cej siç chmury zdarza siç czçsto w dynamicznym srodowisku pozarowym, ze wzglçdu na zmniejszon^ gçstosc spalaj^cej siç chmury w stosunku do gçstosci otaczaj^cego zimnego powietrza, zmianç szybkosci przeplywu i dzialaj^ce w tych warunkach na chmurç sily wyporu. Trzeba zaznaczyc, ze w chwili omawianego zdarzenia warunki atmosferyczne byly bardzo spokojne (F klasa stabilnosci atmosferycznej Pasquill'a), szybkosc wiatru 2 m/s, mgla. Warunki te powodowaly, ze kierunek wiatru mial zdecydowanie mniejsze znaczenie w powstalym srodowisku pozarowym w porównaniu z silami wyporu oddzialywuj^cymi na ruch chmury i turbulencjç.
Dane zawarte w tabelach 2-7 wskazuji, ze na terenie otwartym bez przeszkód, maksymalna wielkosc powstalego nadcisnienia w wyniku spalania siç chmury byla bardzo mala -О,ОО1 bar, przy maksymalnym czasie trwania fali nadcisnienia równym О,17 s, natomiast obliczone energie spalania chmury przy tak niewielkiej zwyzce cisnienia s^. ogromne od 91,72О MJ do 4О7,45б MJ. Oznacza to ze na terenie otwartym, tylko minimalna ilosc energii przeksztalcila siç w energiç fali wybuchowej. Reszta energii wydzielila siç w czasie powstalego w tych warunkach pozaru. Na potwierdzenie tej konstatacji mozna podac szereg okolicznosci:
• stoj^ca tuz za skrzyzowaniem EF/5-б tablica informacyjna pozostala nienaruszona (tylko lekko okopcona),
• w otaczaj^cym teren budynku w czasie awaryjnego zdarzenia zamknçly siç samorzutnie drzwi, a wiçc ruch drzwi spowodowany byl lekkim podmuchem, tzn. bardzo niskim nadcisnieniem powstalym na terenie otwartym,
• gdyby w tym obszarze nast^pil „klasyczny wybuch deflagracyjny" z wiçkszym nadcisnieniem, np.: 0,1 bar, autocysterny natychmiast zostalyby przewrôcone, a kierowcy zarôwno autocysterny nr 1 i nr 2 doznaliby obrazen; natomiast w analizowanych okolicznosciach tylko jeden kierowca (nr 1), stoj^c na drodze obok autocysterny nr 1, doznal bardzo powaznych obrazen termicznych, powstalych nie w wyniku oddzialywania fali wybuchowej, a strumienia ciepla promieniowania; drugi kierowca zd^zyl siç ewakuowac. Zamieszczone w tabelach 2-7 i podane wyzej zakresy energii spalania powstalej na otwartej przestrzeni wskazuj^. jednoznacznie, ze w wyniku braku turbulencji w przeplywie chmury, tzn. braku przeszkôd na drodze rozprzestrzeniania siç chmury, zagrozenie stwarzane na tym obszarze wynikalo przede wszystkim z powstalego w wyniku pozaru strumienia ciepla promieniowania. Przeprowadzone obliczenia wykazaly ze maksymalna gçstosc mocy strumienia ciepla promieniowania osi^gala bardzo wysok^. wartosc rôwn^. 150kW/m . W warunkach atmosferycznych istniej^cych w chwili zdarzenia (noc) byla silna mgla, co powodowalo, ze strumien ten ulegal bardzo szybkiemu oslabieniu. Tym niemniej nawet oslabiony pod wzglçdem gçstosci mocy strumien ciepla, zapewnial ci^glosc spalania na duzej powierzchni (az do chwili rozpoczçcia akcji gasniczej). Z chwil^ rozprzestrzeniania spalaj^cej siç chmury na muldç, co trwalo ulamki sekund, i uwzglçdniaj^c sposôb zabudowy terenu „mulda - tace awaryjne - zbiorniki ZM-1, ZM-2 i ZM-3 - betonowe fundamenty zbiornikôw" zmienily siç warunki transportu strumienia ciepla z terenu otwartego na ograniczony. Gôrna czçsc muldy stanowila nierôwn^. powierzchniç, ze zmienn^ wysokosci^. ulozenia poszczegôlnych ruroci^gôw. Ta zrôznicowana wysokosc lokalizacji poszczegôlnych elementôw zabudowy tej czçsci terenu objçtego awari^, miala istotny wplyw nie tylko na szybkosc dyssypacji par awaryjnie uwolnionej wieloskladnikowej mieszaniny w otaczaj^cym powietrzu i w konsekwencji na szybkosc generacji palnego obszaru chmury, ale przede wszystkim na szybkosc spalania. Turbulencja w tym ograniczonym obszarze awarii miala najistotniejszy wplyw na wybuch w tym obszarze. W tych warunkach otoczenia prawie cala zawartosc paliwa w chmurze zostala wykorzystana na generacjç fali wybuchowej, a w znacznie mniejszym stopniu na energie spalania. Dane zawarte w tabelach 2-7 wskazuj^, ze srednia wielkosc energii spalania, wydzielonej w czasie wybuchu na terenie otwartym byla 12-krotnie wiçksza od energii spalania wydzielonej w czasie wybuchu deflagracyjnego w terenie ograniczonym (z przeszkodami).
W celu analizy przyczyn powstania wybuchôw na terenie objçtym awari^, podczas ktôrych zniszczone zostaly zbiorniki ZM2, ZM3 i teren otaczaj^cy tace awaryjne, bardzo
dokladnie przeanalizowano zmiany poziomu cieczy w zbiornikach ZM3 i ZM2, na podstawie wskazan mierników poziomu cieczy zainstalowanych ww. zbiornikach przed wybuchem (od godz.22°° do 2°° w nocy). W oparciu o zmianç poziomu cieczy w zbiornikach ZM3 i ZM2 stwierdzono, ze w czasie wypadków zbiornik ZM3 byl eksploatowany, a zbiornik ZM2 nie. Po pierwszym wybuchu, wskutek trwajicego juz okolo 2 minut pozaru, na duzej przestrzeni istniejicej nad powierzchnii spalania powstalo bardzo zróznicowane termicznie srodowisko w ograniczonej przestrzeni: „mulda - obwalowanie tac awaryjnych - zbiorniki - rurociigi naziemne na estakadach". Stanowily one „przegrody" na drodze rozprzestrzeniania siç chmury stanowiicej mieszaninç palnej pary lotnej, produktów rozkladu termicznego, produktów spalania i powietrza. Ze wzglçdu na w^skie granice wybuchowosci slopów i niskie górne granice wybuchowosci (~ б-7 %), duza czçsc mieszaniny byla mieszanini niepalni w tych warunkach. Doplyw powietrza do mieszaniny byl zatem istotnym warunkiem generacji chmury palnej. W podanych wyzej temperaturach spalania, gçstosc mieszaniny
3
powstalej w wyniku pierwszego wybuchu, byla czterokrotnie nizsza (О,З kg/m3) w porównaniu z gçstoscii zimnego powietrza
(1,25 kg/m3). Ta róznica powodowala wciiganie powietrza do mieszaniny na zasadzie wyporu, rozcienczajic jej gçstosc do stçzen palnych (tzn. w zakresie zapalnosci skladników mieszaniny). Ekspansja mieszaniny miala miejsce w terenie ograniczonym, szczególnie w przestrzeni miedzyzbiornikowejZM3 i ZM2. Ten typ przestrzeni powodowal silni turbulencjç jej przeplywu, wykladniczy wzrost szybkosci spalania i w konsekwencji czas miçdzy pierwszym, a drugim wybuchem (wg swiadków okolo kilkudziesiçciu sekund miçdzy 2 a
2О4) byl czasem tworzenia siç mieszaniny wybuchowej. Zbiornik ZM1 z olejem plucz^cym, napelniony byl praktycznie w б5%. Powstaly w tych warunkach spalania strumien ciepla promieniowania (~ 15О kW/m ) i znacznie mniejsze nadcisnienia w przestrzeni miedzy zbiornikiem ZM2 a ZM1 spowodowaly znacznie mniejsze uszkodzenie zbiornika ZM1 i powstanie pozaru. Odleglosc miçdzy zbiornikami ZM2 i ZM3 wynosila 13m. W oparciu o posiadane dane technologiczne i analizç przebiegu pozaru poprzedzaj ^cego wybuch, mozna przyj^C nastçpuj^ci sekwencjç zdarzen: „pozar - wybuch - skutki", których l^czny czas trwal okolo 3-4 minut, do chwili podjçcia akcji gasniczej.
W momencie wybuchu chmury par nad muldi (okolo godz.200 - pierwszy wybuch), powstala fala nadcisnienia, oddzialywujica najsilniej na najmniej wypelniony zbiornik manipulacyjny ZM3, powodujic jego deformacjç (wgniecenie), przechyl zbiornika i wyciek okolo 53 m slopów na zewnitrz do tacy awaryjnej (fot. б-8). Stan napelnienia obu zbiorników ZM3 i ZM2 byl maly i wyniósl w ZM3 ~ 18% a w ZM2 ~ 2б% calkowitej
pojemnosci zbiornikôw. Zagrozenie wybuchem par bylo, wiçc bardzo duze. Oba zbiorniki ZM2 i ZM3 byly stalowymi zbiornikami cylindrycznymi z dachem stalym, wykonanymi ze stali ST 3S. W warunkach cieplnych ktôre powstaj^. na pocz^tku I fazy pozaru, juz w temperaturach okolo 2000C, miçdzy stal^. konstrukcyjn^. plaszcza zbiornika, a niejednorodn^ stal^. spawu, tworz^. siç naprçzenia termiczne powoduj^ce powstawanie nieszczelnosci i w konsekwencji wyciek paliwa na zewn^trz. W warunkach cieplno -przeplywowych powstalych wokôl zbiornika ZM3, temperatura spalania mogla osi^gn^c 1300° - 15000C. Na rys. 3 (wykonanym na podstawie rzeczywistych pomiarôw) dokladnie widac wyraznie wahniçcia poziomu cieczy w czasie 158 - 204. Pik powstaly na wykresie poziomu cieczy w zbiorniku ZM3, wskazuj^cy na wzrost poziomu cieczy o godz.200, wskazuje nie na rzeczywisty wzrost poziomu cieczy w tym czasie w zbiorniku ZM3, lecz na zarejestrowany przez miernik poziomu cieczy, umieszczony na dachu zbiornika wzrost spowodowany przechylem zbiornika ZM3, w wyniku deformacji.
czas lokalny
Ryc. 3. Zmiany poziomu cieczy w zbiorniku ZM3 bezposrednio przed wybuchem.
Deformacja zbiornika ZM3 mogla nast^pic w tych warunkach, bo powstale maksymalnie
nadcisnienie 0,2 bar bylo wystarczaj ^ce do spowodowania takiej deformacji.
Wnioski:
Ryzyko powstania duzych zagrozen przemyslowych jest silnie powi^zane z przebiegiem produkcji, zarôwno w fazie samego przebiegu procesu technologicznego jak i magazynowania oraz transportu. Aby zminimalizowac ryzyko powstania pozaru, oraz wybuchu czy awarii emisji substancji toksycznych, kraje nalez^ce do Unii Europejskiej
wprowadzily regulacje prawne , z ktorych najistotniejsze w analizie zagrozen s^. tzw. Dyrektywy Seveso, obowi^zuj^ce rowniez w Polsce.
Zgodnie z ww. wymaganiami, rozne zaklady przemyslowe, maji opracowane raporty bezpieczenstwa oraz plany operacyjno - ratownicze weryfikowane przez wlasciwe merytorycznie sluzby strazy pozarnych. W obu dokumentach zawarta jest charakterystyka fizyko-chemiczna, pozarowo-wybuchowa i toksyczna materialow niebezpiecznych, ktore wystçpuji na terenie danego zakladu, identyfikacja zrodel zagrozenia i przypuszczalne scenariusze mozliwych do powstania wypadkow jak rowniez ilosciowa ocena tych zagrozen dla ludzi i mienia. Jak podano powyzej, do obliczenia skutkow mog^cych powstac zagrozen w postaci pozaru czy wybuchu, potrzebne s^. przede wszystkim rozne dane wejsciowe. W przypadku braku tych danych istnieji rozne sposoby umozliwiaj^ce szacowanie skutkow zaistnialych, niebezpiecznych zdarzen. Podany w artykule przyklad obliczen ilustruje jedn^. z metod szacowania zagrozen, powstalych w wyniku awaryjnej emisji wieloskladnikowej mieszaniny o nieznanym skladzie jakosciowo-ilosciowym na instalacji przerobu ropy naftowej. W obliczeniach wykorzystano metodç tzw. substytutu termodynamicznego. W analizowanym przebiegu wypadku opisanego w artykule, ktory mialy miejsce w rzeczywistosci w jednej z rafinerii w Polsce, jako substytuty roznych zwi^zkow tworz^cych slopy, tzn. mieszaniny zrzutow technologicznych wykorzystano n-butan (dla gazow) i n-heksan (dla cieczy) i w oparciu o nie obliczono podstawowe parametry wybuchu i pozaru. Metoda substytutu termodynamicznego jest metod^, ktôrç coraz czçsciej wykorzystuje siç do szacowania skutkow niebezpiecznych awarii przemyslowych.
Fot. 2. Zniszczenie ruroci^gu T-115 wskutek wzrostu cisnienia wewn^trz ruroci^gu.
Fot. 4. Deformacja zbiornika ZM1.
Fot. 5. Deformacja zbiornika ZM2, widoczne oderwanie od fundamentow i przemieszczenie
na zewn^trz sciany betonowej.
Fot. 6. Deformacja zbiornika ZM3 po wybuchu z wyraznym przemieszczeniem od
fundamentow.
Fot. 7. Deformacja zbiornika ZM3.
Fot. 8. Zbiorniki ZM1, ZM2 i ZM3 po wybuchu.
Literatura
1. Rozporz^dzenie Ministra Gospodarki i Polityki Spolecznej w sprawie wymagañ, jakim powinien odpowiadac raporty o bezpieczeñstwie zakladu o duzym ryzyku. Dz. U. 104, poz. 970,2003.
2. Kontrola Glównych Zagrozeñ Przemyslowych. Poradnik. Mi^dzynarodowa Organizacja Pracy, Genewa 1993.
3. Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, CCPS. New York, 1989.
4. Guidelines for Use of Vapor Cloud Dispersion Models, Second Ed., CCPS, New York, 1996.
5. D.W. Johnson, J.D. Marx: Journal of Haz. Mat. 104 (2003), 51.
6. E. Bruynnson, M. Andries: Journal Applied Fire Science, 5, 1995-1996,285
7. CCPS. Data compilation tables of properties of pure compounds. New York, 1985.
8. B.J. Wiekema: Journal of Haz. Mat.,1984, 8, 195.
9. B. J. Wiekema: Vapor Cloud explosion, in methods for calculation of the physical effects of dangerous materials: liquids and gases, The Yellow Book.
10. Guidelines for evaluating the characteristics of vapor cloud explosions, flash fires and bleve's, CCPS, New York, 1994.
11. Van den Berg: Journal of Haz. Mat. 1985, 121.
12. M. Pofit-Szczepanska, W Piôrczynski: Obliczanie parametrôw wybuchu i pozarôw w czasie katastrof i awarii, SGSP, Warszawa, 1998.
13. Prawo Ochrony Srodowiska, Dz. U. 62, poz. 627, 2001, zmiany Dz. U 190, poz. 1865, 2003.
14. Rozporz^dzenie Ministra Gospodarki w sprawie rodzajôw i ilosci substancji niebezpiecznych, ktôrych znajdowanie siç w zakladzie decyduj^ce o zaliczeniu go do zakladu o zwiçkszonym ryzyku albo o duzym ryzyku wyst^pienia awarii przemyslowej, Dz. U. 58, poz. 539, 2002.
15. Rozporz^dzenie ministra Gospodarki i polityki Spolecznej w sprawie wymagan, jakim powinny odpowiadac plany operacyjno-ratownicze, Dz. U. 131, poz. 1219, 2003.
16. M. Pofit-Szczepanska: „Some problems in an assessment of fire and an explosion during the multi-component mixture unknown composition fire lease „Prism Seminar"
17. Tatranskie Matliare Slowacja, 27-28.05.2004. - Materialy Konferencyjne, M. Pofit-Szczepanska, J. Chodorowski, A. Mizerski, M. Sobolewski: Ekspertyza dotycz^ca przyczyn pozaru i wybuchu w awarii, SGSP, 2004.
