Awaryjne uwolnienia substancji palnych do środowiska · Biblioteka SGSP

(1)

Awaryjne uwolnienia substancji palnych

do środowiska

(2)

(3)

Rafał Porowski

Awaryjne uwolnienia substancji palnych

do środowiska

Warszawa 2017

Szkoła Główna Służby Pożarniczej

(4)

dr hab. inż. Witold Nocoń, prof. Politechniki Śląskiej

dr hab. Marek Konecki, prof. Szkoły Głównej Służby Pożarniczej

Przygotowanie do druku Agnieszka Wójcik Okładka i łamanie Kamil Gorlicki Fotografia na okładce Dariusz Olcen

Wydano na licencji Creative Commons:

Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska Wydanie pierwsze

Warszawa 2017

ISBN: 978-83-88446-86-3

Wydawca

Szkoła Główna Służby Pożarniczej 01-629 Warszawa

e-mail: wydawnictwo@sgsp.edu.pl www.sgsp.edu.pl

tel. 22 561 73 83

(5)

Książkę tę dedykuję mojej wspaniałej Żonie – Iwonie, bez której to wszystko nie miałoby sensu, jak również trójce naszych fantastycznych dzieci – Gabrysi, Jakubowi i Blance.

(6)

(7)

PODZIĘKOWANIA

Powstanie tej monografii nie byłoby możliwe, gdyby nie wsparcie merytoryczne oraz organizacyjne, jakie uzyskałem od wielu osób. Dziękuję przede wszystkim jej recenzentom – Panu dr. hab. Markowi Koneckiemu, prof. SGSP oraz Panu dr. hab. inż. Witoldowi Noconiowi z Politechniki Śląskiej – za wszystkie cenne uwagi merytoryczne oraz sugestie poprawy treści.

Na serdeczne podziękowania za całokształt współpracy w badaniach nauko-wych, jak również cenne wskazówki oraz okazaną pomoc i dobre serce zasługują: prof. Joseph Shepherd z California Institute of Technology, prof. John H.S. Lee z McGill University, dr Mike Kuznetsov z Karlsruhe Institute of Technology, dr Andre V. Gaathaug z University College of Southeast Norway, prof. dr hab. inż. Andrzej Teodorczyk z Politechniki Warszawskiej, prof. dr hab. Kazimierz Lebecki

z WSZOP w Katowicach, prof. dr hab. inż. Jerzy Warych z Politechniki Warszawskiej, dr hab. inż. Adam Markowski prof. Politechniki Łódzkiej, dr hab. inż. Jerzy Gałaj prof. SGSP, dr inż. Waldemar Wnęk z SGSP, prof. dr hab. inż. Stanisław Biedugnis z SGSP, Jan Kielin z CNBOP-PIB, Daniel Małozięć z CNBOP-PIB, Katarzyna Zielińska z Politechniki Warszawskiej, jak również koleżanki i koledzy z Zakładu Technicznych Systemów Zabezpieczeń SGSP oraz Instytutu Techniki Cieplnej Wydziału MEiL Politechniki Warszawskiej.

Chciałbym również wspomnieć o tym, jak wielki wpływ na pojmowanie przeze mnie idei bezpieczeństwa procesowego oraz kształtowanie wiedzy technicznej w tym obszarze miała dotychczasowa służba w Państwowej Straży Pożarnej, dzięki której otrzymałem możliwość uczestniczenia w czynnościach związanych z zapo-bieganiem awariom przemysłowym oraz ustalaniem ich przyczyn i przebiegu. Na tej drodze rozwoju zawodowego spotkałem wielu ludzi, dzięki którym zdobyłem niezbędne doświadczenie. Dziękuję Wam za to.

(8)

(9)

SPIS TREŚCI

CEL I ZAKRES PRACY ��13 1. PODSTAWY TEORETYCZNE UWOLNIEŃ SUBSTANCJI PALNYCH ��17

1.1. ScenariuSzerozwojuzdarzeńpodczaSuwolnieniaSubStancjipalnych ...18

1�1�1� Pożar błyskawiczny typu Flash Fire ��20 1�1�2� Pożar strumieniowy typu Jet Fire ��24 1�1�3� Wybuchy fizyczne typu BLEVE ��32 1�1�4� Wybuchy chemiczne typu VCE �� 37 1.2. analizaStatyStycznauwolnieńSubStancjipalnychdośrodowiSka ...39

2. PRZEGLĄD AWARII, KTÓRE SPOWODOWAŁY ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA �� 47 2.1. Flixborough (1974) ... 47

2.2. bunceField (2005) ...54

2.3. czechowice-dziedzice (1971) ...63

2.4. janków przygodzki (2013) ...68

3. ODDZIAŁYWANIE POŻARÓW I WYBUCHÓW NA ŚRODOWISKO �� 71 3.1. oddziaływanieFalinadciśnienia ... 71

3.2. oddziaływaniepromieniowaniacieplnego ... 77

3.3. emiSjatokSycznychproduktówSpalaniapodczaSpożarów ... 81

3.4. oddziaływanieodłamkówz inStalacjii urządzeń ...88

4. MECHANIZMY POWSTAWANIA WYBRANYCH ZJAWISK UWOLNIEŃ SUBSTANCJI PALNYCH �� 91 4.1. Samozapłonwodoru ... 91 4�1�1� Wyładowania iskrowe ��97 4�1�2� Zapłon dyfuzyjny �� 100 4�1�3� Sprężanie adiabatyczne �� 100 4�1�4� Efekt Joule’a-Thomsona �� 102

(10)

4�1�6� Badania doświadczalne własne �� 103 4.2. rozkładcząStekdymupodczaSpożarów ... 108

4�2�1� Badania rozkładu cząstek dymu podczas spalania

materiałów drewnopochodnych �� 109 4�2�2� Badania rozkładu cząstek dymu podczas spalania

materiałów polimerowych �� 123 4.3. zapłoni wybuchmieSzaninpyłowych ... 132 4�3�1� Badania doświadczalne własne �� 145 4.4. wybuchparcieczyw podwyżSzonychtemperaturach ... 159 4�4�1� Badania doświadczalne własne �� 160 4.5. propagacjapłomieniaw gazach ... 165 4.6. przejściedodetonacjiw uwarStwionejmieSzaniniewodoru ... 171 4�6�1� Badania doświadczalne własne �� 176 4.7. temperaturowegranicepalnościcieczy... 187 4�7�1� Badania doświadczalne własne �� 195 5. METODY OGRANICZANIA SKUTKÓW UWOLNIEŃ

SUBSTANCJI PALNYCH �� 211 5.1. detekcjaSpalaniapłomieniowegoi bezpłomieniowego ... 211 5�1�1� Badania doświadczalne własne �� 212 5.2. dodatekwodypodczaSwybuchówparcieczy ... 227 5�2�1� Badania doświadczalne własne �� 234 5.3. redukcjaStężeniaSubStancjipalnychw środowiSku

poprzezwyładowaniegazu ... 262 5�3�1� Badania doświadczalne własne �� 266 5.4. tłumieniewybuchówi detonacjigazowych ... 273 6. MODELOWANIE NUMERYCZNE UWOLNIEŃ

SUBSTANCJI PALNYCH �� 291 6.1. zaStoSowaniebezwymiarowychmodeliocenySkaliSkutków ... 291 6.2. Symulacjeprzejściadodetonacjiw mieSzaninachgazowych ... 301 6�2�1� Badania numeryczne własne �� 302

(11)

PODSUMOWANIE I WNIOSKI �� 311 BIBLIOGRAFIA �� 319 SPIS RYSUNKÓW �� 329 SPIS TABEL �� 341

(12)

(13)

13

CEL I ZAKRES PRACY

Oddziaływanie każdego elementu realizacji procesów przemysłowych, w tym tech-nologii przetwarzania substancji niebezpiecznych, nie jest środowisku obojętne, może być ono tylko mniej lub bardziej szkodliwe. Środowisko, które umownie na-leży podzielić ze względu na stan skupienia na: atmosferę, hydrosferę i geosferę, jest obciążone skażeniami, które rozróżnia się jako (Lewandowski i Aranowski, 2016):

• naturalne – w wyniku eksplozji wulkanów, wydobywania się gazów z ziemi, pożarów lasów, burz pyłowych czy spalenia się meteorytów w atmosferze Ziemi; • antropogeniczne – w wyniku działalności procesów przemysłowych, transportu

towarów, gospodarki komunalnej oraz spalania różnych paliw.

Nierozłącznym elementem antropogenicznych zanieczyszczeń środowiska w wyniku prowadzenia procesów technologicznych w przemyśle, jest powstawa-nie stanów awaryjnych, które w konsekwencji mogą doprowadzić do awaryjnego uwolnienia substancji niebezpiecznych, w tym palnych do środowiska. Oczywistym zatem wydaje się, że zjawisko uwolnienia substancji palnych do środowiska stanowi jeden z zasadniczych problemów inżynierii środowiska w kontekście bezpieczeń-stwa ekologicznego poprzez zachowanie bezpiecznych warunków składowania, produkcji oraz przetwarzania, a także transportu substancji niebezpiecznych. Za-pobieganie lub ograniczanie uwolnień substancji niebezpiecznych w przemyśle stanowi również fundament zarządzania bezpieczeństwem w instalacjach prze-mysłowych, zgodnie z Dyrektywą SEVESO III oraz wytycznymi powszechnie stosowanymi w zakładach produkcyjnych, opracowanymi przez amerykańską or-ganizację Center for Chemical Process Safety działającą w ramach American Institute

of Chemical Engineers (AIChE)1. Definicja uwolnienia substancji do środowiska 1 http://www.aiche.org/ccps, dostęp: 10.10.2017.

(14)

określona została w wielu międzynarodowych publikacjach naukowych (Pasman, 2015; CCPS, 2007) oraz w krajowym systemie prawnym poprzez ustawę – Prawo ochrony środowiska. W myśl tej ustawy uwolnienie substancji niebezpiecznej to „wprowadzane substancje bezpośrednio lub pośrednio, w wyniku działalności czło-wieka, do powietrza, wody, gleby lub ziemi”. W analizach ryzyka wykonywanych na potrzeby procesów przemysłowych najczęściej przyjmuje się, że konsekwencją uwolnienia substancji palnych do środowiska może być zatem rozprzestrzenianie się substancji palnej w otoczeniu, a w przypadku jej inicjacji od efektywnego źródła zapłonu będzie to pożar lub wybuch. Publikacje naukowe oraz inne opracowania branżowe podają natomiast następującą definicję uwolnienia: „niekontrolowana

emisja, pożar lub wybuch jednej lub kilku substancji niebezpiecznych, powodujące zagrożenia życia lub zdrowia ludzi” (Markowski, 2017). Na potrzeby tej monografii

zakres szeroko pojętego uwolnienia substancji niebezpiecznych został ograniczony tylko do substancji palnych oraz związanych z tym zjawisk, takich jak pożary czy wybuchy wraz z ich oddziaływaniem na środowisko, jak również określeniem metod i sposobów ich ograniczania. Mechanizm uwolnienia substancji palnych definiowany jest na potrzeby tej monografii jako sekwencja zjawisk powiązanych ze sobą w celu dokonania identyfikacji uwolnienia substancji palnych oraz oceny dynamiki przebiegu tego zjawiska. W analizach ryzyka instalacji przemysłowych przedmiotową sekwencję zjawisk określa się mianem scenariusza awaryjnego, a jego konsekwencje przedstawia się w postaci wyników obliczeń numerycznych czy zaawansowanych symulacji komputerowych w zakresie oddziaływania skut-ków pożarów lub wybuchów na ludzi, środowisko naturalne czy też konstrukcje przemysłowe oraz obiekty budowlane. Myślą przewodnią towarzyszącą tej mono-grafii jest zatem próba odpowiedzi na pytania, które pojawiają się w kontekście tego, że aby skutecznie ograniczyć zanieczyszczenia środowiska spowodowane przez pożary czy wybuchy substancji palnych, należy szczegółowo poznać pro-cesy zachodzące przy powstawaniu tego typu zjawisk. Ma to zatem bezpośredni związek z dziedziną nauki, jaką jest inżynieria środowiska. Warto podkreślić, że zjawiska, o których mowa, powstają podczas awaryjnych stanów pracy instalacji procesowych, dlatego też uwolnienia substancji palnych opisane w tej monografii, to tzw. uwolnienia awaryjne, których konsekwencje prowadzą do negatywnego oddziaływania na środowisko.

Celem tej monografii jest opis najważniejszych badań doświadczalnych oraz symulacji numerycznych w obszarze awaryjnych uwolnień substancji palnych,

(15)

w tym pożarów i wybuchów oraz metod ograniczania tego typu uwolnień do środowiska, którym niewątpliwie jest zarówno środowisko naturalne, w tym m.in. powietrze, jak również bezpośrednie otoczenie miejsc pracy, jako tzw. środowisko pracy. Monografia składa się z sześciu głównych rozdziałów, w tym wprowadzenia opisującego podstawy zjawisk dotyczących uwolnienia substancji palnych w kon-tekście inżynierii środowiska, przeglądu wybranych zdarzeń w przemyśle, podczas których doszło do oddziaływania substancji palnych na środowisko, oceny emisji zanieczyszczeń do środowiska w wyniku spalania substancji, analizy procesów powstawania pewnych krytycznych zjawisk związanych z uwolnieniem substancji palnych do środowiska, w tym samozapłon wodoru, rozkład cząstek dymu podczas spalania różnych materiałów oraz wybuchy par cieczy palnych i detonacje w miesza-ninach gazowych. Dodatkowo przedstawiono kilka metod i sposobów ograniczania skutków uwolnień substancji palnych, jak również przegląd metod modelowania numerycznego przebiegu uwolnień substancji palnych do środowiska w postaci pożarów oraz wybuchów. Monografię kończy rozdział zawierający podsumowanie zaprezentowanych wyników badań oraz wnioski, jak również bibliografia.

(16)

(17)

17

1. PODSTAWY TEORETYCZNE UWOLNIEŃ SUBSTANCJI PALNYCH

W czasie gdy przemysł przetwórczy wznosił się na szczyt swojego rozwoju technolo-gicznego oraz ekonomicznego, problemy związane z bezpieczeństwem użytkowania substancji palnych i innych w wyniku realizowanych procesów, były nieprzerwanie ważną kwestią. W wyniku awaryjnych uwolnień substancji do środowiska z in-stalacji procesowych, zdarzały się, z niewiadomych przyczyn, wypadki związane z fizycznymi i chemicznymi aspektami używanych substancji. W XIX wieku, duże przedsiębiorstwa, takie jak DuPont, zainicjowały produkcję czarnego prochu, póź-niej używanego do nitrowania bawełny. W tym czasie ich proces produkcyjny był prowadzony przy użyciu niewielkiego oprzyrządowania oraz małych środków ochrony (Knegtering i Pasman, 2009). W konsekwencji dosyć często miały miejsce wybuchy i pożary. Głównym problemem zarządzania bezpieczeństwem ekologicz-nym było oczywiście zniszczenie instalacji i utrata produkcji.

W pierwszej połowie XX wieku wprowadzono nowe praktyki w odniesieniu do systematycznej analizy instalacji i wykrywania potencjalnych sytuacji niebezpiecz-nych. W drugiej połowie ubiegłego wieku rozwój przemysłu petrochemicznego oraz powiększenie liczby i rozmiarów instalacji petrochemicznych sprawiły, że zaczęto rozwijać i do dziś szeroko stosować takie metody analizy ryzyka uwolnień substancji niebezpiecznych do środowiska, jak: ocena zagrożeń i zdolności ope-racyjnych HAZOP (Hazard and Operability Study), analiza drzewa zdarzeń ETA (Event Tree Analysis) czy też jedna z powszechnie do dziś stosowanych metod oceny ryzyka – analiza warstw zabezpieczeń LOPA (Layers of Protection Analysis) (Markowski, 2017). Zasadniczą zaletą tych metod analizy ryzyka jest ich jasny techniczny zasięg oraz możliwość koncentracji osób dokonujących takiej analizy na fizycznej i chemicznej ocenie parametrów procesu i związanych z nim stanów awaryjnych. To drugie może pomóc w ocenie parametrów procesowych, których

(18)

przekroczenie spowoduje awaryjne uwolnienie substancji palnej do środowiska i w konsekwencji pożar lub wybuch. Typowy przykład dotyczy utraty kontroli nad reakcją w instalacji procesowej, która prowadzi do powstania nadciśnienia. To z kolei skutkować będzie rozerwaniem zbiornika, po którym następuje powietrzny wybuch gorących produktów rozkładu.

Warto zauważyć, że wspólnym składnikiem zanieczyszczeń środowiska pocho-dzenia przemysłowego, jak również transportu, są produkty spalania powstające w wyniku różnych procesów technologicznych. Istnieje ścisła korelacja pomiędzy uprzemysłowieniem kraju, ilością produkcji, a zanieczyszczeniem środowiska. Przykładowo, w Polsce w bilansie zużycia nośników energii około 68% przypada na stałe substancje palne, głównie węgiel kamienny (Lewandowski i Aranowski, 2016). Nie dziwi zatem fakt, że Polska, pomimo tylu wdrożonych środków na redukcję zanieczyszczeń do środowiska, nadal należy do najbardziej zanieczyszczonych krajów świata (Lewandowski i Aranowski, 2016).

1.1. ScenariuSzerozwojuzdarzeńpodczaSuwolnienia SubStancjipalnych

Scenariusz awaryjny podczas uwolnienia substancji palnych do środowiska to sekwencja zdarzeń rozpoczynająca się od zdarzenia inicjującego oraz kończąca się na skutkach (stratach) schematu:

Jest to ogólny schemat powstawania określonych skutków uwolnienia substancji palnej do środowiska, spowodowanego zdarzeniem inicjującym. Każde zdarzenie inicjujące może wywołać inne skutki i wówczas będzie to inny scenariusz awaryjny. Przykład logiczny rozwoju zdarzenia awaryjnego podczas uwolnienia substancji palnej do środowiska przedstawia się następująco:

„Nadciśnienie w zbiorniku ciśnieniowym spowodowało pęknięcie spawu, wyciek substancji palnej i jej pożar strumieniowy wywołujący zniszczenie instalacji procesowej”.

Zdarzenie

(19)

19 1.1. ScenariuSzerozwojuzdarzeńpodczaSuwolnieniaSubStancjipalnych

W scenariuszu awaryjnym, czyli sekwencji zdarzeń inicjujących, mogą wystę-pować dodatkowo pewne zdarzenia warunkujące warunki środowiskowe, które muszą wystąpić albo być obecne, aby zdarzenie inicjujące wywołało odpowiednie skutki oddziaływania na ludzi lub środowisko naturalne. Mogą to być tzw. zdarze-nia wewnętrzne lub zewnętrzne. Do typowych zdarzeń warunkujących powstanie określonych skutków zalicza się:

• wystąpienie zapłonu uwolnionej do środowiska substancji palnej, • przebywanie danej osoby w strefie skutków tego zdarzenia,

• narażenie na efekty fizyczne (promieniowania cieplnego czy fali nadciśnienia) wywołujące skutek śmiertelny włączając w to możliwość ewakuacji lub działań ochronnych,

• powstanie określonych strat finansowych,

• wystąpienie dostatecznych warunków pogodowych towarzyszących uwolnie-niom substancji palnych do środowiska.

Uwolnienia substancji palnych do środowiska w postaci gazów palnych mogą stwarzać określone konsekwencje w postaci pożarów lub wybuchów. Na rys. 1 przed-stawiono algorytm możliwych zdarzeń i zjawisk fizycznych, jakie mogą powstać w wyniku wycieku gazu.

Rysunek 1. Potencjalne scenariusze zdarzeń podczas awaryjnego uwolnienia substancji palnych do środowiska (Mazur i inni, 2016)

(20)

W przypadku uwolnienia substancji gazowej do środowiska wraz z natych-miastowym zapłonem występuje zjawisko pożaru strumieniowego (jet fire). Taki pożar może utrzymywać się przez długi czas, jeśli wyciek następuje z dużego zbiornika lub sieci gazociągów przesyłowych, charakteryzując się przy tym dużym zagrożeniem dla środowiska na skutek bezpośredniego oddziaływania płomienia i promieniowania cieplnego. Tego typu pożar jest szczególnie niebezpieczny, gdy ma tak usytuowane swoje źródło, że powoduje samoistne ogrzewanie zbiornika lub ogrzewanie zbiornika sąsiedniego. W innych przypadkach, gdy istnieje moż-liwość kontrolowania tego zjawiska (np. przez chłodzenie zbiornika), prowadzi do całkowitego wypalenia gazu i nie następuje eskalacja zagrożenia. W pierwszych dwu przypadkach może jednak doprowadzić do niebezpiecznego wybuchu typu BLEVE2 z uformowaniem się kuli ognia (tzw. Fireball).

1�1�1� Pożar błyskawiczny typu Flash Fire

Podczas awaryjnego uwolnienia substancji palnej do środowiska, pary cieczy pal-nych mogą się spalać na wiele różpal-nych sposobów. Jednym z takich sposobów jest pożar błyskawiczny typu Flash Fire, który występuje, jeżeli zostanie zainicjowana reakcja spalania w określonej objętości mieszaniny palnej. W okolicznościach, gdy chmura sięga do pierwotnego punktu uwolnienia, może nastąpić pożar wraz z na-wrotem do źródła uwolnienia, zwykle powodując pożar strumieniowy lub pożar rozlewiska – w zależności od okoliczności. W przypadku obecności dostatecznych przeszkód na drodze uwolnienia substancji palnej do środowiska płomień może przyspieszać, powodując znaczące nadciśnienia i nieograniczony wybuch.

Modele pożarów błyskawicznych typu Flash Fire, które są używane w analizach ryzyka uwolnienia substancji palnych do środowiska z instalacji procesowych, po-legają na modelowaniu dyspersji gazu i określeniu prawdopodobieństwa zapłonu (Mannan, 2014). Podczas awaryjnego uwolnienia substancji palnej do środowiska, granica występowania płomienia jest definiowana wymiarami chmury wzdłuż i w poprzek kierunku wiatru. Do oceny skali oraz potencjalnego przebiegu poża-rów typu Flash Fire wymagana jest wiedza o procesach fizycznych i chemicznych występujących podczas wzajemnego oddziaływania płomienia z wiatrem, co tak

(21)

naprawdę jest obecnie przedmiotem wielu badań naukowych (Mannan, 2014). Wzajemne oddziaływanie płomienia z wiatrem prowadzi do przyspieszenia,

zwol-nienia lub zaprzestania propagacji płomienia, w zależności od wiatru, charaktery-styki geometrii źródła uwolnienia substancji palnej, lokalizacji zapłonu, warunków rozprzestrzeniania się substancji palnej w środowisku itd. Związki pomiędzy róż-nymi kierunkami wiatru i szybkością propagacji płomienia mogą być uzyskane przede wszystkim z danych eksperymentalnych. Propagacja płomienia zależy od własności termofizycznych i chemiczno-kinetycznych chmury gazu, turbulencji i wyporności (Porowski i inni, 2011). W ostatnim czasie osiągnięto znaczące po-stępy w rozumieniu i modelowaniu takich procesów.

Podczas uwolnienia substancji palnej do środowiska, gdy pary cieczy palnej zostaną zainicjowane od źródła zapłonu, mogą się spalać na wiele różnych spo-sobów. Jeżeli chmura pary znajduje się w pobliżu obiektu i choć znaczna część tej chmury jest nadal powyżej górnej granicy wybuchowości, to zmieni się w ognistą kulę Fireball, w której początkowy płomień szybko rozchodzi się po obwodzie chmury przed wypaleniem pozostałego paliwa. Ten typ płomienia charaktery-zuje się intensywnym strumieniem promieniowania cieplnego oraz stosunkowo krótkim czasem trwania. Jeżeli pary cieczy palnej są dobrze wymieszane z po-wietrzem, tworząc mieszaninę o stężeniu bliskim stechiometrii oraz następuje turbulizacja płomienia na skutek przeszkód na drodze uwolnienia substancji do środowiska, może to spowodować scenariusz awaryjny w postaci wybuchu. Efektem takiego zjawiska będzie destrukcyjne oddziaływanie fali nadciśnienia oraz promieniowania cieplnego na ludzi i środowisko. Wybuch par cieczy palnych w warunkach przemysłowych wymaga dużych turbulencji na drodze uwolnienia substancji palnej do środowiska, co może spowodować znaczące nadciśnienie podczas zjawiska eksplozji.

Pożar błyskawiczny typu Flash Fire występuje, jeżeli zapłon uwolnionej sub-stancji palnej powstanie wewnątrz obszaru uwolnienia, zazwyczaj w określonej od-ległości od źródła. Stężenie wewnątrz obszaru uwolnienia substancji palnej będzie się znacznie różnić, na krawędzi – poniżej granicy wybuchowości, a w niektórych punktach w pobliżu centrum może być powyżej górnej granicy wybuchowości. Zjawisko propagacji płomienia w mieszaninie uwolnionej substancji z powietrzem, będzie przebiegało przy stosunkowo małej prędkości, z uwagi na brak dostatecznej jednorodności mieszaniny albo gdy spalanie zachodzić będzie w wąskim obszarze, w którym powietrze ulegnie dyfuzji do chmury, a wówczas stężenie substancji palnej

(22)

będzie się gwałtownie zmieniało. Dynamika pożaru typu Flash Fire zależy od wielu czynników związanych zarówno z uwolnieniem substancji palnej do środowiska, jak i z propagacją płomienia (Porowski i inni, 2011).

Rysunek 2. Propagacja płomienia w stechiometrycznej mieszaninie wodorowo-powietrznej (Porowski i inni, 2011)

Awaryjne uwolnienie substancji palnej z instalacji procesowej, powoduje znacz-ną zmianę środowiska, w tym turbulencje w pobliżu źródła uwolnienia. Jeśli turbu-lencje te przedłużą się wystarczająco daleko w kierunku wiatru, to może wówczas zwiększyć się prawdopodobieństwo cofnięcia płomienia do źródła uwolnienia. Czas uwolnienia substancji palnej do środowiska znacznie wpływa na kształt i wielkość uwolnionej chmury substancji palnej. W przypadku uwolnienia do środowiska

(23)

skroplonych substancji palnych, takich jak LNG3, ciepło pobierane z gleby zwiększa lotność chmury palnej, a zatem zwiększa jej skłonność do odrywania się. Chropo-watość terenu uwolnienia również będzie modyfikować zarówno profil prędkości wiatru, jak i jego właściwości gazodynamiczne (Porowski, 2007).

Podczas uwolnienia substancji palnej do środowiska w postaci gazu, który jest cięższy od powietrza, rozprzestrzenianie się substancji palnej będzie się odbywało jako płaska, stosunkowo szeroka chmura. Palne substancje skroplone, takie jak LNG, rozprzestrzeniać się będą jako ciężka chmura gazu, ze względu na niską temperaturę, która następnie pochłaniać będzie gwałtownie ciepło z powietrza i gleby. Unoszenie się takiej chmury gazu zwiększać będzie prawdopodobieństwo tego, że chmura ta napotka efektywne źródło zapłonu, a jej płaski kształt będzie znacznie wpływać na sposób propagacji płomienia (Porowski, 2007). Uwolniona do środowiska substancja palna, która jest równomiernie wymieszana z powietrzem, o stężeniu w granicach palności, będzie powodowała samopodtrzymujący się pro-ces propagacji płomienia. Turbulencja atmosfery jest jednym z najważniejszych czynników podczas uwolnienia substancji palnej do środowiska. Turbulencja taka powstaje na skutek warunków atmosferycznych lub może być modyfikowana prze-szkodami mechanicznymi, w tym elementami instalacji procesowych, na drodze uwolnienia substancji palnej. Aczkolwiek, w przypadku gazu ciężkiego, wzajemne oddziaływanie pomiędzy chmurą i atmosferą może powodować tłumienie turbulen-cji, a stopień tego tłumienia będzie zależał od lokalnego stężenia gazu w chmurze. Ponadto istotny jest także czas występowania turbulencji, a także ich wzajemne oddziaływanie na propagację płomienia (Porowski i inni, 2011).

Substancje palne spalają się z różną prędkością, np. propan szybciej niż metan (Porowski, 2007). Wynika z tego, że pewne substancje spalają się bardziej gwał-townie, a w konsekwencji proces ich spalania jest mniej zależny od parametrów atmosfery. Na podstawie badań doświadczalnych udowodniono, że prędkość wiatru podczas awaryjnego uwolnienia substancji palnych do środowiska może wzmacniać lub tłumić propagację płomienia (Mannan, 2014). Warto tu zaznaczyć również, że wilgotność atmosfery także ma znaczny wpływ na propagację płomienia.

Prędkość propagacji płomienia waha się w zależności od stężenia substancji palnej w mieszaninie, a maksymalna jej wartość występuje, gdy mieszanina jest bliska stechiometrii. W granicach wybuchowości, szczególnie DGW, prędkość

(24)

propagacji płomienia jest znacząco poniżej jej maksymalnej wartości i wpływa na potencjał propagacji płomienia wewnątrz obszaru uwolnionej substancji palnej. Ponadto, energia potrzebna do zapłonu będzie wzrastać wraz z zbliżeniem się do DGW, tzn. wraz ze zmniejszaniem się stężenia substancji palnej w mieszaninie.

W przypadku optymalnego (stechiometrycznego) składu mieszaniny palnej, własności przepływu są dobrze poznane. Dla większych stężeń nadmiar paliwa powoduje, że powietrze musi być dobrze wymieszane z uwolnioną substancją palną, zanim nastąpi całkowite spalanie. W skrajnym przypadku, gdy mieszanina jest bogata (duży nadmiar substancji palnej w porównaniu do powietrza), będzie to skutkować płomieniem dyfuzyjnym z bardzo różnymi właściwościami zjawiska spalania. Dla chmury o niejednorodnym stężeniu, płomień, który został zainicjo-wany w obszarze uwolnionej substancji palnej, będzie rozprzestrzeniał się począt-kowo jako płomień turbulentny, ale może w pewnym momencie ulec przemianie do bardziej intensywnego płomienia dyfuzyjnego.

1�1�2� Pożar strumieniowy typu Jet Fire

Awaria instalacji procesowej podczas użytkowania substancji palnych lub jej od-działywanie na rurociągi przemysłowe wysokiego ciśnienia zwiększają znacznie prawdopodobieństwo wywołania pożaru strumieniowego, tzw. Jet Fire. Taki pożar może utrzymywać się przez długi czas, jeśli wyciek następuje z dużego zbiorni-ka lub sieci przesyłowej, charakteryzując się przy tym dużym zagrożeniem dla otoczenia na skutek oddziaływania promieniowania cieplnego. Wielkoskalowe pożary strumieniowe (średnica wycieku gazu: 20 mm, ciśnienie: około 60 bar) w pewnym zakresie zostały już dobrze zbadane (Lowesmith i Hankinson, 2012). Ocenie poddano również mieszaniny gazu ziemnego z innymi węglowodorami, takimi jak propan, butan oraz nafta (Lowesmith i inni, 2007). Bazując na tych da-nych, jak również na ich porównaniu z danymi eksperymentalnymi, opracowano przewodnik dla przemysłu, dotyczący charakterystyki pożarów strumieniowych (rozmiar pożaru, promieniowanie oraz obciążenia cieplne) (Molkov, 2012). Warto-ści charakterystyk pożarowych podane w tym przewodniku określone zostały dla czerech kategorii awarii, w zależności od strumienia masy uwalnianej substancji: małej (0,03–0,3 kg/s), średniej (0,3–3kg/s), dużej (3–30 kg/s) oraz większej awarii (>30 kg/s).

(25)

W ostatnich latach prowadzone były również badania pożarów strumieniowych powstałych wskutek uwolnienia wodoru. Mogi i Horiguchi (2009) badali pożary strumieniowe powstałe wskutek uwolnienia wodoru przez otwór o średnicy do 4 mm oraz pod ciśnieniem 400 bar, lecz z maksymalną prędkością wycieku równą około 0,1 kg/s. Schefer i inni (2006, 2007) prowadzili analogiczne badania dla prędkości wycieku 0,36 kg/s oraz ciśnienia do 413 bar. Gaz pod wysokim ciś-nieniem uwolniony został w kierunku pionowym i wskutek zapłonu wywołany został horyzontalny pożar strumieniowy. Oddziaływaniem pożaru objęta została rura o średnicy 900 mm, przy której dokonywano pomiaru obciążenia cieplnego. Wygląd płomienia rejestrowany był przez kamerę cyfrową. Mierzono ponadto

pole promieniowania cieplnego powstałe wskutek pożaru. Przeprowadzono także serię trzech testów pożarowych, w tym 3 obejmujące uwolnienie gazu ziemnego i 3 z udziałem mieszaniny 24% wodoru z gazem ziemnym. Zawartość wodoru w mieszaninie na poziomie 24% określona została na podstawie ilości, jaką przy-jęto w projekcie NATURALHY na etapie transformacji w kierunku energetyki wodorowej. W obu przypadkach, dla każdego z trzech testów symulowano uwol-nienie gazu z otworu o średnicy kolejno: 20, 35 i 50 mm oraz po ciśuwol-nieniem 60 bar, otrzymując w ten sposób realistyczne prędkości uwolnienia wynoszące w przybli-żeniu: 3–20 kg/s. Poziom rury został określony jako miejsce zlokalizowane w połowie odległości od płomienia. Stąd poziom rury usytuowany został w jego linii środkowej na poziomie 9,45, 15,45 i 21,61 m od miejsca uwolnienia dla kolejnych średnic: 20, 35 i 50 mm. Eksperymenty zostały przeprowadzone w GL Noble Denton w miejscowo-ści Kumbria w Wielkiej Brytanii (Lowesmith i Hankinson, 2013). Doświadczenie wykonane zostało na dużym podziemnym zbiorniku połączonym z rurociągiem wysokiego ciśnienia oraz systemem uwalniania gazu. Rura wykorzystana w czasie eksperymentu umiejscawiana była w różnej odległości od punktu uwolnienia gazu. Schematyczny układ stanowiska przedstawiono na rys. 3.

Gaz ziemny (składający się w przybliżeniu w 93% z metanu, 5% etanu, 0,3% propanu i 1,7% azotu) wykorzystywany w testach dostarczany był cysternami w po-staci ciekłej jako LNG (ang. Liquefied Natural Gas), a następnie zamieniany w parę i magazynowany w zbiornikach pod ciśnieniem. W testach, w których badaniom poddawana była mieszanina gazu ziemnego oraz wodoru, wykorzystywano wodór dostarczany w wysokociśnieniowych butlach, wstrzykiwany następnie do zbiornika. Kolejno do zbiornika dodawano gaz ziemny w ilości zapewniającej otrzymanie pożądanej mieszaniny. Sieć wysokiego ciśnienia (o średnicy 300 mm i 150 mm),

(26)

połączona z systemem kontroli przepływu, którego zadaniem było utrzymanie stałej prędkości uwalniania gazu, stanowiła połączenie zbiornika gazu z miejscem uwol-nienia. Sieć o średnicy 150 mm powyżej punktu uwolnienia wyposażona została w kryzę dławiącą w celu dokonywania pomiaru prędkości wycieku gazu. Również z tej sieci próbki pobierane były przed wykonaniem testu, jak i po każdym badaniu z udziałem mieszaniny gazu ziemnego z wodorem. Punkt wycieku stanowił kwa-dratowy otwór w stalowym kołnierzu o grubości 65 mm umiejscowiony na końcu rury o średnicy 150 mm. Gaz był uwalniany horyzontalnie na wysokości 3,25 m powyżej poziomu gruntu i zgodnie z kierunkiem wiatru (w kierunku wschodnim). Rura utrzymana została poziomo z linią środkową w kierunku normalnym do kierunku uwolnienia gazu i na wysokości 3,25 m powyżej poziomu gruntu, co sta-nowi tę samą wysokość. na jakiej umiejscowione było miejsce wycieku. Odległość ta stanowiła połowę spodziewanej długości płomienia. Natężenie przepływu gazu kontrolowane było poprzez przepływomierz. Celem było osiągnięcie ustalonego nadciśnienia w punkcie uwolnienia na poziomie 60 bar. Ustalone natężenie prze-pływu gazu osiągano w 30. sekundzie i dalej utrzymywano na stałym poziomie. Okres między 30. a 60. sekundą stałego wycieku został wskazany, aby zapewnić, że czas był wystarczająco długi, aby bez względu na wahania atmosferyczne zapewnić otrzymanie średnich wartości danych. Prędkość masowego natężenia przepływu wyznaczana była poprzez pomiary ciśnienia i temperatury prowadzone na kryzie dławiącej zainstalowanej na układzie rurociągów o średnicy 150 mm (rys. 3). Ciś-nienie statyczne mierzone było przed i za kryzą dławiącą przy pomocy nadajników serii OPTX 1400, natomiast zmiany ciśnienia mierzono przy użyciu nadajnika serii STX 2100. W zależności od natężenia przepływu, dla którego prowadzone było badanie, przyjmowano określoną wartość mierzonego ciśnienia lub zmiany ciśnienia lub różnicy między ciśnieniem przed i za kryzą dławiącą. Pomiar tempe-ratury prowadzony był przy użyciu termopary Typu T połączonej z nadajnikiem. Ciśnienie gazu mierzono natomiast 476 mm powyżej miejsca wycieku dla zakresu 0–160 bar. Dokładność pomiarów wynosiła ±0,15%. Mierzono również tempera-turę całkowitą przy pomocy termopary połączonej z nadajnikiem o dokładności +/-0,5°C. Mając na względzie otrzymane dane oraz średni współczynnik wypływu, masowe natężenie wypływu można zmierzyć w celu porównania z pomiarem kryzy dławiącej. Ostatecznie, największą zgodność otrzymano przyjmując współczynnik wypływu na poziomie 0,9. Zapis wideo płomieni prowadzony był w celu dokonania szczegółowej analizy oraz określenia w jej efekcie długości płomienia (pozioma

(27)

odległość w kierunku uwolnienia od miejsca uwolnienia do końca widocznego płomienia), jak również miejsca jego oderwania (odległość od miejsca uwolnienia do początku widocznego płomienia). Promieniowanie cieplne padające wokół po-żaru strumieniowego mierzono przy użyciu 12 czujników gęstości promieniowania cieplnego. Dane dotyczące temperatury otoczenia i względnej wilgotności dostar-czane były do miejsca prowadzenia badań przez stację meteorologiczną. Prędkość i kierunek wiatru mierzone były dla lokalnego kierunku wiatru. Prędkość wiatru mierzona była na wysokości 3,25; 5,05 oraz 8,55 m powyżej poziomu gruntu przy pomocy wiatromierza. Prędkość wiatru oraz jego kierunek były ponadto mierzone na wysokości 10,85 m powyżej poziomu gruntu przy użyciu wiatromierza dźwię-kowego. Otrzymane w wyniku pomiarów dane zostały następnie przetworzone w celu otrzymania średnich wartości.

Rysunek 3. Schemat stanowiska badawczego oraz umiejscowienia urządzeń pomiarowych (dla średnicy otworu 20 mm) (Lowesmith i Hankinson, 2013)

(28)

Niezależnie od wielkości otworu, ogólny wygląd płomienia mieszaniny gazu ziemnego oraz wodoru był bardzo podobny do porównywanego płomienia gazu ziemnego. Płomień charakteryzował się przy tym dużymi prędkościami, turbu-lencją, żółtym kolorem, z pewnym widocznym uniesieniem na końcu (szczególnie dla większych średnic), jak również niezauważalnymi produktami spalania (rys. 4). W pobliżu miejsca uwolnienia, obszar oderwania był widoczny w miejscach rozprę-żenia płomienia, po którym zauważano płomień w kolorze niebieskim. Długość oraz oderwanie płomienia określono na podstawie analizy z kamery cyfrowej w czasie, w którym osiągnięto warunki ustalone.

Test 1: Gaz ziemny z otworu o średnicy 20 mm

Test 2: Gaz ziemny z otworu o średnicy 35 mm

(29)

Test 4: Mieszanina z otworu o średnicy 35 mm

Rysunek 4. Fotografie płomieni wykonane dla poszczególnych testów pożarów strumienio-wych podczas uwolnienia do atmosfery gazu ziemnego (w różnej skali) (Lowesmith i Hankin-son, 2013)

Na rys. 5 pokazano wartości promieniowania cieplnego padającego w funkcji odległości od płomienia skierowanego w kierunku północnym i południowym dla wszystkich przeprowadzonych testów. Z wykresów można odczytać niewiel-kie różnice między poziomem zmierzonym dla gazu ziemnego oraz porówny-wanej z nim mieszaniny wodorowo-metanowej. Należy tu zaznaczyć, że wzrost

(30)

promieniowania jest w przybliżeniu równy przyrostowi mocy uwolnienia do śro-dowiska gazu ziemnego oraz jest większy od wartości otrzymanych dla mieszaniny wodorowo-metanowej.

Rysunek 5. Promieniowanie padające z bocznym wiatrem przy średnicy uwolnienia: (a) 20 mm; (b) 35 mm; (c) 50 mm (Lowesmith i Hankinson, 2013)

(31)

Opisane powyżej badania doświadczalne wskazują, że większe obciążenie cieplne otrzymano w czasie testów z udziałem mieszaniny niż dla gazu ziemnego. Aczkol-wiek trudno różnice te określić ilościowo z powodu zmian w położeniu płomienia w czasie poszczególnych testów oraz długości zajętej rury. Bazując na otrzymanych danych można oszacować, że całkowite obciążenie cieplne jest o 15% większe dla mieszaniny gazu ziemnego z wodorem, aniżeli dla samego gazu ziemnego. Powyż-sze potwierdziły wyniki pomiarów zebrane w czasie badań z 8 termoelementów zamocowanych na stanowisku badawczym. Przyczyna takiego stanu rzeczy nie jest w pełni oczywista, natomiast może być spowodowana wyższą temperaturą płomienia otrzymywaną w efekcie spalania mieszaniny z dodatkiem wodoru oraz większymi prędkościami. Analiza przeprowadzonych badań doprowadziła do następujących wniosków (Lowesmith i Hankinson, 2013):

• Widoczne pojawienie się płomienia dla mieszaniny oraz gazu ziemnego na-stąpiło w podobnym czasie. Aczkolwiek, płomień otrzymany wskutek spa-lania mieszaniny gazu zimnego z wodorem, zawierającej 25% wodoru, był nieco krótszy od płomienia gazu zimnego dla jednakowego otworu, z którego nastąpiło uwolnienie gazu. Jest to potwierdzenie zredukowanego masowego natężenia przepływu dla uwalnianej mieszaniny oraz mniejszej mocy takiego płomienia. Długość płomienia dobrze zgadza się z istniejącą korelacją opartą na mocy uwolnienia wyznaczoną w wielkoskalowych pożarach strumieniowych węglowodorów.

• Nie zaobserwowano znaczących różnic w wielkości pola promieniowania z po-żaru dla dwóch różnych paliw, a frakcje wypromieniowanego ciepła dla dwóch różnych paliw okazały się jednakowe dla tych samych średnic uwolnienia. Ilość ciepła mieściła się w graniach 5–20 kW/m2_{i potwierdziła wyniki} wielkoskalo-wych badań przeprowadzonych z udziałem gazu ziemnego.

• Całkowite wartości obciążeń cieplnych otrzymane dla mieszaniny były wyż-sze od tych, osiągniętych w czasie badań z udziałem samego gazu ziemnego, a w przypadku pewnych powierzchni rury były one nawet większe niż w czasie wielkoskalowych badań eksperymentalnych. Oszacowane wartości obciążenia cieplnego były około 15% większe dla testów przeprowadzonych z wykorzysta-niem mieszanin wodorowo-metanowych.

(32)

1�1�3� Wybuchy fizyczne typu BLEVE

BLEVE to wybuch spowodowany wyzwoleniem energii związanej z gwałtownym odparowaniem cieczy, palnej lub nie, w momencie jej nagłego uwolnienia ze zbior-nika procesowego, przy ciśnieniu wyższym od atmosferycznego i temperaturze przekraczającej jej temperaturę wrzenia. Jeżeli w zbiorniku znajdował się gaz palny, wystąpi wtedy zjawisko kuli ognia. Energia uwolniona w trakcie gwałtownego odpa-rowania uwolnionej ze zbiornika cieczy może powodować powstanie fali ciśnienia, natomiast Fireball, czyli spalająca się chmura ,,paliwo-powietrze’’, emituje energię cieplną, przede wszystkim w formie promieniowania (około 200–450 kW/m2₎ (Porowski i Ziębaczewski, 2006). Powstające w czasie spalania siły wyporu gorących gazów powodują, iż chmura ta unosi się, rozszerza i przyjmuje sferyczny kształt. Fireball wytwarzając strefę promieniowania cieplnego, może spowodować zarówno dotkliwe oparzenia skóry, jak też wywołać zapłon materiałów palnych znajdujących się w jego bezpośrednim środowisku.

Wybuch określany w literaturze jako BLEVE (Lesiak i Porowski, 2012), to dyna-miczny proces fizyczny związany z rozerwaniem zbiornika i gwałtowną przemianą fazową zawartej w nim cieczy. W jednej chwili ogromna liczba substancji prze-chodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy, zwiększając znacznie i gwałtownie swoją objętość. Powoduje to powstanie fali ciśnienia, która rozchodzi się w atmosferze i ze względu na swoją moc, ma zdolność do powodowania określonych zniszczeń. Jest to nic innego jak swoista fala wybuchowa. Trzeba jednak pamiętać, że nie zawsze ciśnieniowe rozerwanie zbiornika powoduje w konsekwencji powstanie wybuchu o tak dużej sile. Sytuacja taka będzie miała miejsce jedynie wówczas, gdy wystąpią specyficzne warunki. Warunki te odnoszą się głównie do stanu, w jakim będzie się znajdowała magazynowana substancja w momencie zniszczenia zbiornika. Zgodnie z definicją BLEVE, jej temperatura w momencie awarii musi przekraczać temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym. Tuż przed rozerwaniem zbiornika powstaje więc pewna sytuacja, w której faza ciekła wewnątrz nie wrze, mimo iż jej temperatura przekracza wartości temperatury wrzenia, jakie podawane są zwykle w tablicach fizycznych lub np. w karcie charakterystyki substancji nie-bezpiecznej (czyli dla ciśnienia 101,3 kPa). Jak to wyjaśnić? Temperatura wrzenia jest to temperatura, w której ciecz zaczyna parować w całej objętości. Zależy ona od ciśnienia. Im wyższe ciśnienie, tym temperatura wrzenia jest wyższa. W zbiorniku ciśnieniowym, na przykład takim, w jakim magazynowane są gazy skroplone jak

(33)

propan czy butan, ciśnienie znacznie przekracza ciśnienie atmosferyczne. Dodat-kowo oddziaływanie ewentualnego pożaru może powodować wzrost temperatury płynu, a co za tym idzie wzrost ciśnienia wewnątrz. Przykładową krzywą obrazującą zmiany ciśnienia w szczelnym zbiorniku, w zależności od zmian temperatury płynu, można przedstawiać jak ta na rys. 6.

Rysunek 6. Ciśnienie w funkcji temperatury gazu skroplonego w zbiorniku (Porowski i Zię-baczewski, 2006)

Jeśli ciśnienie wewnątrz przekracza znacznie atmosferyczne, to temperatura wrzenia przyjmie wartości wyższe (odpowiadające temu ciśnieniu). Ponieważ w takim przypadku wartości temperatury wrzenia przekraczają wartości tempera-tury wrzenia w ciśnieniu atmosferycznym, to temperatura samej cieczy, rosnąc na skutek ogrzewania, też może je przekroczyć. Wynika z tego, że ciecz w zbiorniku może mieć temperaturę przekraczającą w znacznym stopniu tę, przy której wrza-łaby w otoczeniu. Co się jednak stanie, jeżeli ciecz wewnątrz znajdzie się w stanie opisanym powyżej, a ciśnienie gwałtownie spadnie, na przykład gdy pękną ściany zbiornika? Odpowiadając na to pytanie, należy zastanowić się, czy jest taka tem-peratura, przy której substancja nie może występować w fazie ciekłej w danym ciśnieniu? Czy istnieje temperatura, powyżej której nie można ogrzać cieczy, aby ta pozostawała w swoim stanie skupienia? Otóż jest taka temperatura, wyższa od temperatury wrzenia (w temperaturze wrzenia ciecz wrze całą objętością, jednak nie można powiedzieć, że substancja nie występuje w stanie ciekłym), a w literaturze przedmiotu określana jest mianem granicznej temperatury przegrzania. Graniczna temperatura przegrzania, podobnie jak temperatura wrzenia, jest funkcją ciśnienia. Przykładowy wykres tej funkcji przedstawiono na rys. 7.

(34)

Rysunek 7. Graniczna temperatura przegrzania (Porowski i Ziębaczewski, 2006)

Dla większości substancji palnych używanych w przemyśle przyjmuje ona w ciś-nieniu atmosferycznym (P_atm) wartości z przedziału T_gr = 0,89–0,90 wartości tem-peratury krytycznej (Porowski i Ziębaczewski, 2006). Temperatura krytyczna dla gazów występujących jako skroplone, takich jak propan, butan, podawana z reguły jest w kartach charakterystyk substancji niebezpiecznych. W celu dalszej analizy tego zjawiska, wykresy przedstawione na rys. 6 i 7 naniesione zostaną na jeden, co przedstawiono na rys. 8.

Rysunek 8. Ciśnienie w funkcji temperatury gazu skroplonego w zbiorniku (Porowski i Zię-baczewski, 2006)

(35)

Czerwona krzywa ilustruje zależność ciśnienia od temperatury gazu skroplo-nego wewnątrz zbiornika. W warunkach normalskroplo-nego użytkowania substancja znajduje się w temperaturze T₁ i pod ciśnieniem p₁. Jeżeli na zbiornik zacznie oddziaływać pożar, przekazując mu energię w postaci ciepła, nastąpi wzrost tem-peratury zawartego w nim płynu. Wraz z jej przyrostem, zgodnie z krzywą koloru czerwonego, wzrośnie ciśnienie. Punkt określający stan fazy ciekłej przemieszcza się ku górze, przechodząc kolejno przez punkty 2, 3, 4. Zbiornik może wówczas ulec rozerwaniu. Mimo iż każdy zbiornik ciśnieniowy służący do magazynowania lub transportu palnych gazów skroplonych jest zaprojektowany tak, aby wytrzymywał odpowiednio duże ciśnienie, o wiele większe od roboczego, to ciśnienia, które spo-woduje jego rozerwania w czasie awarii nie sposób przewidzieć. Nie można przecież pominąć faktu, iż oddziaływanie pożaru powoduje osłabienie ścian zbiornika. Sam scenariusz awaryjnego uwolnienia substancji palnej w tym przypadku może mieć również wpływ na zmniejszenie ich wytrzymałości, na przykład poprzez powsta-nie uszkodzeń mechanicznych. Istpowsta-nieje więc realne ryzyko rozerwania zbiornika w każdym momencie procesu przyrostu ciśnienia wewnątrz.

Rozważyć zatem należy sytuację, w której zbiornik ulegnie rozerwaniu, w mo-mencie gdy płyn nie osiągnie jeszcze granicznej temperatury przegrzania. Dla tej sytuacji, patrząc na wykres, stan fazy ciekłej określony będzie poprzez dowolny punkt leżący na krzywej pomiędzy punktami 1 i 3. Założyć należy, że jest to punkt 2. Pęknięcie ścian zbiornika spowoduje gwałtowny spadek ciśnienia do poziomu P_atm. Substancja palna będzie więc znajdowała się pod ciśnieniem atmosferycznym, pod którym temperatura wrzenia dla gazów skroplonych przekracza z reguły temperaturę otoczenia. Uwolniona faza ciekła zaczyna w takim przypadku gwałtownie wrzeć, tworząc rozlewisko, a jej pary, jeśli nastąpi zapłon, będą się po prostu spalać. Tempo przemiany fazowej nie będzie jednak na tyle duże, aby mogła powstać fala ciśnienia powodująca zniszczenia. Nie można więc mówić o wystąpieniu zjawiska wybuchu.

Następnie należy rozważyć sytuację, w której zbiornik zostaje rozerwany w chwili, gdy temperatura płynu przekroczy wartość granicznej temperatury przegrzania odpowiadającą P_atm. Przekroczy więc temperaturę, przy której nie może występo-wać w postaci ciekłej pod ciśnieniem atmosferycznym. Na wykresie (rys. 8) będzie to dowolny punkt leżący na krzywej pomiędzy punktami 3 i 5. Załóżmy, że jest to punkt 4. Ciśnienie zacznie gwałtownie spadać do atmosferycznego, jednak tem-peratura fazy ciekłej nie ulegnie znacznej zmianie. W pewnej chwili tego spadku ciśnienia dojdzie do sytuacji, w której temperatura cieczy stanie się równa granicznej

(36)

temperaturze przegrzania odpowiadającej temu trwającemu chwilę ciśnieniu. Dalszy spadek ciśnienia spowoduje, że substancja znajdzie się w warunkach, w których nie będzie występować w postaci ciekłej (ciśnienie i temperatura). Następuje wówczas gwałtowna przemiana fazy ciekłej w gazową. Przemianie tej towarzyszy znaczny wzrost objętości zajmowanej przez substancję. W ten sposób powstaje fala nadciś-nienia, która rozchodzi się w atmosferze. Może ona powodować obrażenia u ludzi oraz określone zniszczenia.

Co się jednak stanie, jeżeli przewożony lub magazynowany skroplony gaz jest palny? Otóż formująca się wówczas chmura może ulec zapłonowi (rys. 9). Taką spa-lającą się chmurę określa się w literaturze mianem ognistej kuli Fireball (Porowski i Ziębaczewski, 2006).

Spalanie przy powierzchni ziemi Unoszenie

Oderwanie Fireball od źródła

Rysunek 9. Fireball powstały w wyniku BLEVE – formowanie i spalanie się chmury (Porowski i Ziębaczewski, 2006)

(37)

Fireball powoduje skutki związane z oddziaływaniem strumienia ciepła o dużej gęstości (mocy przypadającej na jednostkę powierzchni). Ze względu na swoje roz-miary, towarzyszące mu zjawisko unoszenia oraz dużą wartość gęstości strumienia ciepła wypromieniowywanego z powierzchni, Fireball (rzędu 200–450 kW/m2₎ stwarza duże zagrożenie zarówno dla ludzi znajdujących się w okolicy wystąpienia zjawiska, jak i środowiska naturalnego (Węsierski i Porowski, 2011). Fireball wy-twarzając strefę promieniowania cieplnego, może spowodować dotkliwe oparzenia skóry i wywołać zapłon materiałów palnych znajdujących się w jego otoczeniu. Nie w każdym przypadku uszkodzenia zbiornika wypełnionego substancją palną dochodzi do powstania kuli ognistej. Jeśli wypełniony substancją palną zbiornik ulega uszkodzeniu i nie dochodzi do natychmiastowego zapłonu jego zawartości, lecz następuje wymieszanie się medium z powietrzem, skutkiem wystąpienia awarii nie musi być Fireball.

Podsumowując, należy podkreślić, iż skutki tego typu uwolnień substancji palnych do środowiska mogą być bardzo rozległe. W przypadku BLEVE zaobser-wować można trzy efekty:

• tworzenie się fali nadciśnienia w wyniku gwałtownej przemiany międzyfazowej ciecz-para,

• powstanie odłamków wskutek rozerwania zbiornika, • powstanie kuli ognistej Fireball.

Typowe efekty wybuchu BLEVE, tj. fala nadciśnienia i tworzenie się odłamków w wyniku rozerwania zbiornika, zależą bezpośrednio od rodzaju substancji palnej oraz parametrów istniejących w zbiorniku, jak również kształtu zbiornika, który wpływa na sposób jego rozerwania (Porowski i Ziębaczewski, 2006).

1�1�4� Wybuchy chemiczne typu VCE

Jeśli wypełniony substancją palną zbiornik procesowy ulega uszkodzeniu mecha-nicznemu oraz nie dochodzi do natychmiastowego zapłonu jego zawartości, lecz następuje wymieszanie się substancji palnej z powietrzem podczas uwolnienia do środowiska, skutkiem wystąpienia takiego zdarzenia awaryjnego może być pożar błyskawiczny typu flash fire lub wybuch chemiczny typu VCE4, a w szczególnym

(38)

przypadku wybuch na wolnej przestrzeni typu UVCE5 (Porowski i Ziębaczewski, 2005).

Kształt płomieni podczas pożaru błyskawicznego przybiera formę chmury sprzed zapłonu. Pożary tego typu powstają, gdy gaz nie do końca wymieszał się z powietrzem w konsekwencji uwolnienia substancji palnej do środowiska. Siły generowane w wyniku spalania powodują turbulencje, które dodatkowo wspo-magają spalanie, bez gwałtownego wzrostu ciśnienia. Przyjmuje się, że na brzegu konturu mieszaniny panuje stężenie gazu palnego równe co najmniej dolnej granicy wybuchowości. W takiej chmurze następuje spalanie deflagracyjne, czyli czoło płomienia rozchodzi się poprzez molekularno-dyfuzyjny transport ciepła oraz turbulentne mieszanie substratów i produktów spalania (Lesiak i Porowski, 2012). Osoby znajdujące się wewnątrz chmury ponoszą skutki śmiertelne, natomiast osoby na zewnątrz chmury narażone są na określony poziom promieniowania cieplnego w zależności od odległości.

Z wybuchem w typu VCE lub UVCE mamy do czynienia, gdy gaz miesza się z powietrzem do czasu utworzenia się mieszaniny palnej, której średnie stężenie substancji jest wyższe niż dolna granica wybuchowości. Podczas detonacji czoło reakcji jest rozprzestrzeniane z kolei przez silną falę uderzeniową, która spręża mieszaninę, powodując zainicjowanie reakcji spalania. Właśnie ta reakcja spala-nia podtrzymuje falę (jest z nią sprzężona). Dla stechiometrycznych mieszanin węglowodorów z powietrzem prędkość rozchodzenia się fali detonacyjnej wynosi 1700–2100 m/s, co odpowiada wartości nadciśnienia rzędu 18–25 bar. Można stwierdzić, że w przypadku wystąpienia detonacji generowane są znacznie więk-sze ciśnienia, a skutki tego typu wybuchów są znacznie bardziej destrukcyjne niż w przypadku deflagracji. Intensywność wybuchu zależy głównie od ilości substancji biorącej udział w rekcji oraz mocy źródła zapłonu (Porowski i Ziębaczewski, 2005). Zjawisku wybuchu, a w szczególności wybuchu typu BLEVE, towarzyszy bar-dzo niebezpieczne dla ludzi oraz środowiska zjawisko tzw. odłamkowania, czyli rozrzucenia elementów rozerwanego zbiornika lub innych elementów stałych znajdujących się na drodze rozchodzenia fali nadciśnienia. Oszacowanie skutków związanych z rozrzuceniem odłamków zbiornika po jego rozerwaniu jest bardzo trudne, ponieważ duża liczba czynników, często o charakterze losowym, wpływa na

5 UVCE – z ang. Unconfined Vapor Cloud Explosion – wybuch chmury gazu lub par cieczy w przestrzeni nieograniczonej.

(39)

39 1.2. analizaStat ycznauwolnieńSubStancjipalnychdośrodowiSk a

ich powstawanie i ruch w czasie trwania wybuchu. Mogą one jednak powodować obrażenia u ludzi, jak też zniszczenia różnego typu elementów konstrukcyjnych i technologicznych i co za tym idzie wywołać tzw. efekt domina (Węsierski i Po-rowski, 2011).

1.2. analizaStatyStycznauwolnień SubStancji palnychdośrodowiSka

Uwolnienia substancji palnych do środowiska powstałe w wyniku awaryjnych stanów pracy w instalacjach przemysłowych są szczegółowo analizowane pod kątem liczby takich zdarzeń oraz ich potencjalnych przyczyn. Przykładowo, Ame-rykańska Rada Bezpieczeństwa Chemicznego i Badania Zagrożeń (CSB)6 prowadzi stały monitoring awarii przemysłowych na terenie Stanów Zjednoczonych oraz zapewnia tzw. dochodzenia poawaryjne, które mają na celu określenie przyczyn i skutków takich zdarzeń. W Polsce nie ma specjalistycznej organizacji realizującej tego typu zadania, a kwestie te prowadzone są z podziałem kompetencji przez takie instytucje, jak Państwowa Straż Pożarna, Inspekcja Ochrony Środowiska czy też Państwowa Inspekcja Pracy. Analizy awarii przemysłowych w kraju i na świecie pokazują niestety, że wciąż zdarzenia takie mają miejsce, a ich skutki związane są bezwzględnie z zagrożeniem życia i zdrowia ludzi negatywnym oddziaływaniem na środowisko. Przykładem uwolnień substancji palnych do środowiska w Polsce są wybuchy gazów podczas ich użytkowania w przemyśle. Gazy techniczne są w po-wszechnym stosowaniu z zauważalną tendencją wzrostową z r. na rokoło Jako gazy techniczne określa się gazy lub ich mieszaniny mające różnorodne zastosowanie w warunkach przemysłowych. Należą do nich acetylen, amoniak, argon, dwu-tlenek węgla, metan, hel, sprężone powietrze, tlen, dwu-tlenek węgla, wodór, propan--butan czy gazy spawalnicze. Ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne,

stanowią one poważne zagrożenie w przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi lub wystąpienia niekorzystnych warunków podczas ich magazynowania, np. pożar pomieszczenia, w którym przechowywane są butle. W konsekwencji może to spowodować awaryjne uwolnienie tego typu substancji do środowiska oraz pożar lub wybuch. Większość gazów technicznych stanowią gazy palne, które w połączeniu z powietrzem tworzą mieszaniny palne lub gwałtownie spalają się

(40)

w postaci pożarów błyskawicznych (flash fire) lub strumieniowych (jet fire). Ma-gazynowanie w zbiornikach ciśnieniowych niesie za sobą zagrożenie uwolnienia do środowiska poprzez rozerwanie zbiornika pod wpływem zwiększającego się ciśnienia wewnętrznego, czyli wystąpienia wybuchu fizycznego. Dane statystyczne Państwowej Straży Pożarnej (PSP) pokazują, że średnio rocznie podejmowanych jest około 391 tys. interwencji (średnia za lata 2000–2014), z czego liczba miejsco-wych zagrożeń kształtuje się średnio na poziomie około 234 tys., a pożarów 157 tys. (Mazur i inni, 2016). W okresie 2000–2016 odnotowano około 40 tys. interwencji, w których zarejestrowano uwolnienia substancji palnych do środowiska, z czego w blisko 3,1 tys. to wybuchy gazów, par cieczy. Do wybuchu gazów dochodziło blisko tysiąc razy, gdzie 251 wybuchów dotyczyło zbiorników z gazami techniczny-mi (najwięcej z udziałem LPG). Całkowita liczba poszkodowanych w wybuchach gazów, par cieczy podczas interwencji jednostek straży pożarnej w analizowanym okresie w Polsce wynosi ponad 2 tys. osób, w tym ponad 160 ofiar śmiertelnych oraz 2 tys. rannych (Mazur i inni, 2016). W wybuchach gazów technicznych łącznie odnotowano 48 ofiar śmiertelnych oraz 945 rannych. Wśród ofiar śmiertelnych nie odnotowano ratowników, natomiast wśród rannych stanowili oni blisko 9%7. Analiza stopnia poszkodowania wykazała, że najczęściej dochodziło do poparzeń lub uszkodzeń ciała w wyniku uderzeń odłamkami zbiorników lub elementów konstrukcyjno-budowlanych budynku lub obiektu, w którym magazynowane były gazy techniczne. Analiza danych jednoznacznie wskazuje, że problem zagrożenia ze strony gazów technicznych jest istotny, a liczba ofiar, w tym ratowników, wy-maga działań prewencyjnych w sensie zwiększenia świadomości oraz pogłębiania wiedzy technicznej na temat zagrożeń powstałych w wyniku uwolnień substancji palnych do środowiska, szkoleń personelu zakładów przemysłowych, jak również poprawy jakości ochrony osobistej ratowników.

W latach 2000–2016 w Polsce odnotowano blisko 40 tys. interwencji podczas awaryjnego uwolnienia gazów palnych typu: acetylen, wodór, metan, propan--butan (Mazur i inni, 2016). Około 10 tys. z nich zakwalifikowano jako pożary (P), a 22 tys. jako inne miejscowe zagrożenia (MZ). W przypadku około 1 tys. miał miejsce wybuch. Czy to dużo? Okazuje się, że średnio w ciągu r. dochodzi do oko-ło 2100 interwencji z obecnością jednego z ww. gazów, zaś w 67 przypadkach do

7 Wartości statystyk zamieszczonych w akapicie opracowano na podstawie danych statystycz-nych PSP.

(41)

41 1.2. analizaStat ycznauwolnieńSubStancjipalnychdośrodowiSk a

wybuchu. Szczegółowa analiza danych statystycznych wykazuje, że spośród różnych powszechnie stosowanych w przemyśle awaryjnych uwolnień gazów do środowiska, podczas działań ratowniczo-gaśniczych ratownicy najczęściej napotykali na LPG (23,7 tys.), z czego w 827 przypadkach dochodziło do wybuchów. Rocznie daje to średnio blisko 1600 interwencji i 55 wybuchów. Na drugim miejscu plasuje się gaz ziemny (metan) – obecny w blisko 7,3 tys. interwencji, wśród których 129 razy wy-buchał. Daje to średnio 490 interwencji i 9 wybuchów rocznie. Mniej liczną grupę stanowią takie substancje palne, jak wodór i acetylen. Do awaryjnego uwolnienia pierwszego z nich statystycznie doszło 454 razy, z czego 12 razy doszło do wybu-chu, co daje średnio 30 interwencji oraz jeden wybuch w r. Awaryjne uwolnienie do środowiska acetylenu zarejestrowano natomiast 826 razy, w konsekwencji przy 36 wybuchach, co przekłada się na średnio 55 interwencji rocznie z jego obecnością oraz dwa wybuchy (Mazur i inni, 2016).

Mając wyobrażenie na temat częstości awaryjnego uwolnienia gazów palnych do środowiska i w konsekwencji wybuchów gazowych, warto statystycznie uzasad-nić istotną dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa w tego typu instalacjach: Jaki odsetek stanowią wybuchy związane są z przestrzeniami gazowo--powietrznymi? oraz Jak często obserwuje się wybuchy zbiorników, instalacji lub mieszanin powietrzno-gazowych podczas awaryjnych uwolnień substancji palnych do środowiska? Udzielenie odpowiedzi na te pytania jest niezwykle czasochłon-ne, ponieważ wymaga analizy blisko 900 raportów PSP, a następnie dokonania klasyfikacji rodzajów uwolnień substancji palnych do środowiska w rozbiciu na wybuchy mieszanin powietrzno-gazowych oraz zbiorników, butli czy też instalacji procesowych.

Wyniki przeprowadzonych badań (Mazur i inni, 2016) wskazują, że w Polsce straż pożarna najczęściej ma do czynienia z wybuchami mieszanin powietrzno-gazowych (517) oraz zbiorników, butli, instalacji (221) z propanem-butanem. Sumarycznie daje to liczbę 738 wybuchów gazów palnych w latach 2000–2014, co nieznacznie różni się od danych przedstawionych na rys. 10 (827). Powyższe wynika z faktu, że na rys. 10 dane obarczone są pewnym błędem, określonym jako poziom ufności, który dla wybuchów LPG wyniósł blisko 0,88. Otrzymana wartość 738 wybuchów mieści się zatem w zakładanym 12% błędzie. Drugim z kolei gazem technicznym pod względem liczby awaryjnych uwolnień do środowiska oraz w konsekwencji wybuchów jest metan, tj. 92 wybuchy mieszanin powietrzno-gazowych oraz 13 zbior-ników, butli lub instalacji. W przypadku awaryjnego uwolnienia do środowiska

(42)

acetylenu w 16 przypadkach dochodziło do wybuchów zbiorników, butli lub instalacji, a 9 mieszanin powietrzno-gazowych, zaś dla awaryjnego uwolnienia do środowiska wodoru 1 do 5 na korzyść mieszanin powietrzno-gazowych (rys. 11).

Rysunek 10. Liczba interwencji straży pożarnej podczas awaryjnego uwolnienia oraz wybu-chami wybranych gazów technicznych w latach 2000–2014 w Polsce (Mazur i inni, 2016)

Rysunek 11. Liczba interwencji podczas awaryjnych uwolnień do środowiska oraz wybu-chami wybranych gazów technicznych według rodzaju uwolnienia w latach 2000–2014 (Mazur i inni, 2016)