Virkningsgrad ved kjøling av varme metalloverflater med brannvann

Virkningsgrad ved kjøling av varme metalloverflater med brannvann

av PhD-student Joachim Søreng Bjørge, UiB og Q Rådgivning/PDS Protek

Helt fra starten av olje- og gassindustrien (O&G-industrien) på norsk sokkel har det blitt etablert nasjonale standarder og retningslinjene som regulerer industriens sikkerhetsarbeid. Dette gjelder både design og drift av anlegg og installasjoner på land og til havs.  Industrien må drifte og vedlikeholde sine anlegg og utstyr slik at ulykker, så som branner og eksplosjoner, forhindres. De skal drive sikkert.

I løpet av de siste 3-4 årtier har O&G-industrien opplevd mange alvorlige ulykker. Mye innsats er derfor satt inn for å begrense brann- og eksplosjonsrisikoen forbundet med håndtering av de svært brann- og eksplosjonsfarlige hydrokarbonproduktene. Likevel er det fortsatt alvorlige branner i hydrokarbonindustrien. Utstyr, hydrokarbonførende rør og tanker er ofte konstruert i forskjellige stållegeringer, som er sårbare for branner ved at de mister sin styrke ved høye temperaturer. Jetbranner fra utslipp av gassformige hydrokarboner under høyt trykk gir spesielt stor varmebelastning mot prosessutstyr, rørføringen og struktur grunnet høye flammetemperaturer og stor hastighet (lydhastighet ved utslippsstedet).

Betydelige beløp benyttes derfor til aktiv og passiv brannbeskyttelse som sentrale barrierer i O&G-industrien for å redusere konsekvenser ved antente gass- eller oljelekkasjer. Eksempel­vis vier NORSOK standard S 001 (Teknisk sikkerhet) 5 sider til aktiv brannbekjempelse. Skum­systemer kan ha meget god slokkeeffekt mot væskebranner, men har kort kastelengde. På land­anlegg, der det kreves betydelig kastelengde, må man ha store dråper (vann uten tilsetning) for å nå fram til branneksponert utstyr, bærende konstruksjoner, etc. Hvor godt vannet virker er imidlertid dårlig dokumentert. Dimensjoneringskriteriene er derfor meget enkle, f.eks. 10 liter/minutt m² i prosessområder. Dagens forenklede metoder ved bruk av standardiserte faktorer og konservative antagelser er kostnadsdrivende. Bedre forståelse av effekten til et brannbekjempelsestiltak kan medføre at installasjoner og anlegg kan bygges og driftes til en lavere kostnad.

Deler av dette doktorgradsprosjektet har som formål å studere effekten av vanndråper av forskjellig karakteristikk (diameter, hastighet, dråpestørrelse, tilsetningsstoffer osv.) på varme (branneksponerte) metalliske overflater. Resultatene gir innsikt og kunnskap om vannets virkningsgrad (kjøling) ved forskjellige temperaturområder for vanndråper som treffer varme overflater varme overflater. Kjenner man disse forholdene kan man bedre forstå brannvann som slukkemiddel, vannets effekt og eventuelle optimaliseringsbehov med hensyn til væske- og jetbranner.

Vann starter å koke ved en metalltemperatur på om lag 104 . Det vil fortsatt være direkte kontakt mellom dråpen og den metalliske overflaten. Ved økende metalltemperatur vil varmeoverføringen fra metallet og inn i dråpen øke til en kommer til et punkt som refereres til kritisk varmefluks. Ved dette punktet er varmetransporten inn til dråpen størst, dvs størst kjøleeffekt. Avhengig av metallets termiske egenskaper vil dette punktet nås ved temperatur i området 130 – 170°C. Varmere metalloverflate medfører at små damp-lommer dannes mellom dråpen og metallet. Dermed er det ikke lenger fullstendig kontakt mellom metallflaten og dråpen, hvilket resulterer i lavere varmetransport til dråpene, dvs minkende kjøleeffekt. Økes temperaturen på metallflaten ytterligere dannes en vedvarende damppute mellom metallflaten og dråpene. Dråpen svever på en damppute uten kontakt med metallflaten. Dette gir meget lav kjøleeffekt. Dette skjer ved det som kalles Leidenfrost-temperaturen, etter den tyske vitenskapsmannen som først studerte dette fenomenet i 1756.

Kurven under viser en sammenlikning av to forsøk der en kontinuerlig strøm vanndråper på 2.3 mm diameter treffer oppvarmete metalliske ved 2.2 m/s hastighet. Den svarte kurven viser forsøk med rustfritt stål og den blå viser forsøk med aluminium.

Figuren viser at vannets virkningsgrad øker med metalltemperatur opp til et maksimum. Dette maksimum variere noe med typen metall vanndråpene treffer. Ved videre temperaturøkning minker virkningsgraden radikalt. Disse resultatene viser at brannvann må påføres tidlig i et brannscenario, dvs før metallet når temperaturer der virkningsgraden minker mer og mer ved økende temperatur. Hvis ikke vil vannet miste sin funksjon, og prelle av uten å kjøle noe særlig.

Dersom metallplatenes temperatur passerer Leidenfrost-punktet ble kjøleeffektiviteten for rustfritt stål så lavt som ca. 12% til 14% på grunn av dampputene under dråpene. Selv ved påføring av anbefalt mengde 10 L/min·m2, dvs. 0,177 kg/s·m², ville vannsprayen bare kunne trekke en varmefluks på 50-60 kW/m² fra den brannutsatte overflaten. Dette er betydelig lavere enn den varmefluksen objekter typisk utsettes for i industrielle branner, dvs. 250 kW/m² til 350 kW/m². Dette er å anse som et paradoks i sikkerhetsdesign. Kurven over viser videre at det er samme trend for plater av rustfritt stål som for plater av aluminium.  Forskjellen er at plater av aluminium må kjøles enda tidligere om man skal få kontroll med temperaturutviklingen. Hvis ikke kan det i en brann danne seg såkalte «hot spots», der vannet nesten ikke kjøler i det hele tatt – mens metallet varmes videre opp av brannen slik at det til slutt mister sin integritet og hendelsen eskalerer. Dette skjedde eksempelvis i denne brannen i USA [https://www.csb.gov/csb-releases-final-report-into-2016-pascagoula-gas-plant-explosion/].

Denne delstudien inngår i Joachim S. Bjørges PhD-studium i «Fire Protection of Industrial Process Equipment», Inst. for fysikk og teknologi, Universitetet i Bergen. Forsøkene gjennomføres i Haugesund, ved brannutdanningen ved Høgskolen på Vestlandet (HVL).

Hovedveileder:                Førsteamanuensis Monika Metallinou, (HVL).

Biveileder:          Professor Torgrim Log, (HVL).