Elektrisk utstyr for eksplosjonsfarlige områder 8251912113 [PDF]

Zitiervorschau

ELEKTRISK UTSTYR FOR EKSPLOSJONSFARLIGE OMRADER o

av RolfK. Eckhoff En innføring i eksplosjonsfenomener, tenningsmekanismer og derav følgende prinsipper for ut­ forming av eksplosjonsbeskyttet elektrisk utstyr

TAPIR FORLAG

© TAPIR FORLAG, TRONDHEIM 1996 ISBN 82-519-1211-3 Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelser i «Lov om opp­ havsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og avtaler om kopiering inngått med Kopinor. Trykk: Wennbergs Trykkeri AS Bind: Sandnes Bokbinderi A/S

Omslag: Tapir Trykkeri

Omslagsbildet: Gasseksplosjonskatastrofe i petrokjemisk anlegg (Beek i Nederland, 1975). Simulering ved hjelp av CMRs FLACS-kode. Det røde er et øyeblikksbilde av flamme overflaten.

F orord Denne boken er et resultat av den nære kontakt som gjennom lengre tid er utviklet mellom Universitetet i Bergen (UiB) og Christian Michelsen Research AS (CMR) på det teknologiske fagområdet. Det nære sam­ arbeid mellom professor Erling A. Hammers forsknings- og undervis­ ningsvirksomhet ved UiB på feltet industriell instrumentering, og CMRs omfattende anvendte forsknings- og utviklingsprogram på dette felt er et godt eksempel på fruktbart samvirke mellom et problemorientert universitetsmiljø og et markedsrettet forskningsinstitutt. Prosess-sikkerhets-teknologi, med hovedvekt på støv- og gasseksplosjonsforskning, er et annet hovedområde hvor CMR gjennom en år­ rekke har markert seg sterkt, også internasjonalt. Men her manglet det en korresponderende aktivitet ved UiB. I den første fase av arbeidet med å bygge opp en slik aktivitet, var det til stor hjelp å få anledning til å bruke UiBs fagmiljø for industriell instrumentering som base. Intet var da mer naturlig enn å begynne med en innledende foreles­ ningsserie over emnet «Instrumentering i eksplosjonsfarlige områder». Forelesningsserien, som ble holdt første gang i februar 1992, inngikk de to første årene som en del av et større fag (FIE 313). Fra 1994 har det vært et eget fag (FIE 219). Forelesningene ble først utgitt i form av en CMR-rapport, som ble revidert hvert år. Mange verdifulle forslag til forbedringer kom fra mine lydhøre studenter på UiB, og på Sikkerhetshøgskolen i Haugesund (nå del av HSH), hvor jeg også foreleste faget. Den foreliggende bok er således resultatet av en prosess som har strukket seg over 3-4 år. Klassifisering av eksplosjonsfarlige områder og utforming av elek­ trisk utstyr for slike områder er et felt i stadig utvikling. Dette gjelder ikke minst innenfor den Europeiske Union. Den foreliggende bok har ikke som formål å gjøre rede for de mange tekniske detaljer vedr, områdeklasifisering og Ex-installasjoner. Hovedvekten er lagt på den kunnskap om forbrennings- og antennelsesprosesser som er en av forutsetningene for å kunne forstå grunnprinsippene for utforming

av eksplosjonsbeskyttet elektrisk utstyr. De tekniske detaljer finnes utførlig beskrevet i standarder, håndbøker og kurs-materiell som det er henvist til i boken. Jeg vil rette en takk til CMR for verdifull støtte i arbeidet med å starte etableringen av et undervisningstilbud i prosess-sikkerhets-teknologi ved UiB, og til UiB, ved ledelsen for Fysisk institutt og det Matematisk-Naturvitenskapelige Fakultet, for den velvilje og interesse dette initiativ ble møtt med der. Professor Erling A. Hammers helt sen­ trale rolle må nevnes spesielt. Jeg skylder han stor takk for helhjertet innsats for å få denne nye studievei etablert ved UiB. En takk også til Thore Andersen og Geir Larsen, ABB for nyttige opplysninger om Extemaer, til Øivind Ribler, Nemko, for hjelp med oppdatering av over­ sikten over internasjonale standarder, til Olav Elsebutangen for en rekke verdifulle forslag til justeringer i manus, til Egil Berg, Dyno Industrier A/S for råd vedrørende avsnittene om sprengstoffer, og til Åslaug Mikalsen som tekstbehandlet alle manuskripter frem til ferdig bok, og Per-Gunnar Lunde som tegnet/tracet de fleste figurene. Sist, men ikke minst går takken til Tapir forlag som har tatt sjansen på å gi ut boken.

Bergen, desember 1995 Rolf K. Eckhoff

Innholdsfortegnelse Forord 1 Innledning .......................................................... 1.1 Hva er en eksplosjon? En definisjon tilpasset det aktuelle tema .......................................... 1.2 Gass-, væsketåke-, støv- og sprengstoffeksplosjoner. En reell risiko i prosessindustrien .......................................................

n 11 12

1.3 Gruppering av tennkilder ......................................................................... 1.4 Elektrisk utstyr som tennkilde ................................................................ 1.5 Definisjoner av «områdekategorier»i bruk i Norge .................................

14 14 15

2 Gasseksplosjoner ...............................................

17

2.1 Forbrenning av gass ................................................................................. 2.1.1 Diffusjonsforbrenning og forbrenning av forblandet gass/luft ................................................................................ 17 2.1.2 Laminær forbrenningshastighet Su iforblandet gass/luft ............

17

2.1.3 Konsentrasjonsgrenser for brennbarhet av forblandet gass «Flammepunkt» for brennbare væsker .............................. 2.1.4 «Ekspansjonsforholdet» ved forbrenning av forblandet brenngass/luft .......................................................................

18

20 23

2.1.5 Turbulent forbrenning av forblandet gass ................................... 2.1.6 Detonasjon i forblandet gass ........................................................ 2.1.7 Maksimalt adiabatisk eksplosjonstrykk ved forbrenning av forblandet gass ved konstant volum .............................. 30 2.2 Tenning av brennbare gassblandinger .................................................... 2.2.1 Hva er tenning? Varmeeksplosjonsteorien .................................... 2.2.2 En varm overflate som tennkilde. Laveste tenntemperatur.......... 2.2.3 Brennende metallpartikler («friksjonsgnister») og «termitt»-reaksjoner som tennkilde .................................. 40 2.2.4 Elektriske gnister som tennkilde for gasseksplosjoner .............. 2.2.4.1 Gnistoverslagsspenning.................................................... 2.2.4.2 Laveste tennenergi og kvelningsavstand for eksplosive gassblandinger ................................... 45 2.2.4.3 Gnister ved bryting og sluttingav strømkretser ............ 2.2.4.4 Elektrostatiske gnister mellomto ledende elektroder 2.2.4.5 Børste- og koronautladning av statisk elektrisitet (én-elektrodeutladning) ....................................... 53 2.2.4.6 Propagerende børsteutladning fra isolatorer ..................

25 27

33 33 35

44 44

49 51

53

2.2.5 Tenning av en eksplosiv gassblanding med en stråle av varm forbrenningsgass. Største sikre ekperimentelle spaltegap (MESG) ......................................................................... 2.2.6 Gruppering av brennbare gasser og damper i «faregruppene» I, IIA, IIB og IIC ...................................... 59 2.2.7 Tenning av eksplosiv gassblanding ved adiabatisk kompresjon ........................................................................... 60

3 Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft (tåkeeksplosjoner) .........

55

63

3.1 Innledning ..................................................................................................

63

3.2 Forbrenning av tåker av brennbare væsker i luft ................................... 3.2.1 Laminær forbrenningshastighet ..................... T.............. ............. 3.2.2 Turbulent forbrenningshastighet i tåker .................................. 3.2.3 Detonasjon i væsketåke ................................................................ 3.2.4 Maksimalt eksplosjonstrykk ved adiabatisk forbrenning av tåker i luft ved konstant volum ...................................... 67 3.3 Tenning av brennbare tåker .................................................................... 3.3.1 En varm flate som tennkilde ........................................................ 3.3.2 En elektrisk gnist som tennkilde................................................... 3.3.3 Andre tennkilder ............................................................................ 3.3.4 Testmetoder ................................................................................

64 64 65 67

68 68 68 71 71

4 Støvbranner og -eksplosjoner ...........................

73

4.1 Forbrenning av støv og pulveri luft ......................................................... 4.1.1 Støv/pulver som lag eller i haug (bulk) ........................................ 4.1.2 Støvskyer .................................................................................... 4.1.2.1 Hva er en støveksplosjon? ................................................ 4.1.2.2 Laminære flammer i støvskyer ....................................... 4.1.2.3 Eksplosjonsgrenser ....................................................... 4.1.2.4 Primær-og sekundæreksplosjoner .............................. 4.1.2.5 Innflytelse av støvskyens turbulens på forbrenningshastigheten .................................. 87 4.1.2.6 Støveksplosjoner i rør, kanaler, korridorer m.m.............. 4.1.2.7 Detonasjoner i støvskyer ............................................... 4.1.2.8 Maksimalt adiabatisk eksplosjonstrykk for støveksplosjoner ved konstant volum .............. 95 4.2 Tenning av støv ........................................................................................ 4.2.1 Tenning av støvlag og -deponier ............................................... 4.2.2 Tenning av støvskyer ................................................................... 4.2.2.1 Åpne flammer ................................................................ 4.2.2.2 Varme flater ...................................................................

73 73 76 76 80 81 85

92 94

97 97 99 99 99

4.2.2.3 Metallpartikkelgnister fra mekaniske slag ................... 4.2.2.4 Elektriske gnister og elektrostatiske utladninger ..........

100 101

4.2.2.5 Tenning av eksplosiv støvsky med en stråle av varm forbrenningsgass / brennende partikler. Største sikre eksperimentelle spaltegap (MESG) ...........

106

5 Eksplosiver ..........................................................

109

5.1 Hva består eksplosiver av? ..................................................................... 109 5.2 Forplantning av den eksoterme kjemiske reaksjon i eksplosiver........................................................................................... 110 5.3 Antennelse (initiering) av eksplosiver .................................................... 111

6 Klassifisering av eksplosjonsfarlige områder

115

6.1 Hva er områdeklassifisering?

115

.................................................................

6.2 Eksplosive gasser, damper og svevende væskedråper (Områdekategori a som definert i 1.5) .............................................. 116 6.2.1 Sonetyper og utslippsteds-gradering ............................................ 116 6.2.2 Parametre som påvirker valget av sonetype ............................... 6.2.3 Fastleggelse av type utslippsted og tilhørende sonetype .......... 6.2.4 Symboler for beskrivelse av de forskjellige sonetyper ..............

118 120 121

6.2.5 Eksempler på klassifisering av eksplosjonsfarlige områder i praksis.............................................................................. 6.2.6 Overslagsberegning av ventilasjonsgrad og dens innflytelse på utstrekning av eksplosjonsfare-soner (Fra CLC/SC 31-1 (SEC) 8, Februar 1991) ..................... 123 6.3 Eksplosive støvskyer (Områdekategori b som definert i 1.5) ............................................. 126 6.3.1 Norske og internasjonale retningslinjer for områdeklassifisering ..................................................................... 6.3.2 Eksempler på områdeklassifisering ........................................... 6.4 Eksplosiver og pyrotekniske satser (Områdekategori c som definert i 1.5) .....................................................

7 Prinsipper for utforming av eksplosjonsbeskyttet utstyr .......................... 7.1 Hovedprinsipper

122

126 127 131

133

.....................................................................................

7.2 Maksimal overflatetemperatur for utstyr. Temperaturklasser .............. 7.2.1 Gasser, damper og tåker (Områdekategori a som definert i 1.5) .............................. 134 7.2.2 Støvskyer og støvlag (Områdekategori b som definert i 1.5) .............................. 135 7.2.3 Eksplosiver og pyrotekniske satser (Områdekategori c som definert i 1.5) .............................. 136

133 134

7.3 Beskyttelsesgrader for innkapslinger for elektrisk utstyr/instrumenter IP-systemet.......................................................... 136 7.4 Beskyttelsesarter for bruk i områder med eksplosjonsfarlige gasser, damper og tåker (Områdekategori a som definert i 1.5) ................ 137 7.4.1 Egensikker utførelse - Ex i ............................................................ 137 7.4.2 Eksplosjonssikker utførelse - Ex d (Sone 1 og 2) ...................... 140

7.4.3 Tennsikker utførelse - Ex e (Sone 1 og 2) ................................... 7.4.4 Overtrykkskapsling - Ex p (Sone 1 og 2) ...................................

140 142

7.4.5 Oljefylt utførelse - Ex o (Sone 1 og 2) ....................................... 7.4.6 Sandfylt utførelse - Ex q (Sone 1 og 2) ....................................... 7.4.7 Innstøpt utførelse - Ex m (Sone 1 og 2) .......................................

143 143 145

7.4.8 Spesialutførelse - Ex s (Sone 1 og 2) ................. 7.4.9 Utstyr konstruert spesielt for bruk bare i sone 2 - Ex N/Ex n 7.4.10 Beskyttelsesartene i praktisk bruk Noen tilleggskommentarer ............................................................ 7.5 Krav til elektrisk utstyr i eksplosjonsfarlige områder i tillegg til temperaturkrav .............................................................................. 147 7.5.1 Gasser, damper og tåker (Områdekategori a som definert i 1.5) ....................................... 7.5.2 Støvskyer og støvlag (områdekategori b som definert i 1.5) ............................................ 7.5.3 Eksplosiver og pyrotekniske satser (Områdekategori c som definert i 1.5) ........................................

145 145

151

Vedlegg: internasjonale standarder ........................................

153

Litteraturreferanser

155

146

147

149

Innledning

1.1 Hva er en eksplosjon? En definisjon tilpasset det aktuelle tema Dersom man søker en definisjon av «eksplosjon» ved å slå opp i leksika, vil man i hovedsak finne to kategorier av svar. I den ene kategori knyt­ tes eksplosjonsbegrepet til en hurtig, eksoterm, dvs. varmeproduserende, kjemisk reaksjon, mens den andre i hovedsak fokuserer på trykkvirkningene i omgivelsene, uten å si noe om hvorledes eksplosjonsenergien fremkommer (fysisk eller kjemisk prosess m.m.). I den aktuelle sammenheng er det naturlig å bruke følgende defini­ sjon: En eksplosjon er en eksoterm kjemisk prosess som, når den forløper ved konstant volum, vil forårsake en meget hurtig og betydelig trykkøkning.

Vi forutsetter altså en kjemisk prosess. Såkalte «fysiske eksplosjoner», forårsaket f.eks. av kraftig damputvikling ved kontakt mellom varmt, fast eller flytende stoff og vann, eller av materialsvikt i høytrykksbeholdere. vil derfor ikke bli behandlet. Videre må den kjemiske pro­ sess forløpe hurtig. Denne betingelse ekskluderer eksempelvis «eksplo­ sjoner» ved sprengning av kjemiske reaktorer som kommer ut av kon­ troll. f.eks. på grunn av feil i kjølesystemet, slik at trykket stiger for­ holdsvis langsomt til grensen for hva reaktoren kan tåle. Definisjonen ovenfor er valgt fordi vi ønsker å rette oppmerksom­ heten mot det eksplosive medium og forsøke å gi et bilde av de for­ skjellige medias særtrekk.

11

Kap. 1 - Innledning

1.2 Gass-, væsketåke-, støv- og sprengstoffeksplosjoner. En reell risiko i prosessindustrien Denne korte innføring er begrenset til eksplosjonsfaren knyttet til: • brennbare gasser i luft • brennbare væsketåker i luft • brennbart støv i luft I tillegg nevnes litt om

• sprengstoffer (eksplosiver) Disse fire typer brennbare/eksplosive medier representerer den alt­ overveiende fare for eksplosjoner, definert som i 1.1, i norsk prosess­ industri. Denne industri omfatter følgende kategorier:

Olje- og naturgassbasert industri • Olje- og naturgassutvinning (bl.a. separasjon og rensing). • Oljeraffinering (bensin m.m.). • Transport og distribusjon av olje, hydrokarbongass og raffineringsprodukter (rør, skip, jernbane, bil). • Gasskonvertering (bl.a. metan —> metanol).

Kjemisk og metallurgisk prosessindustri • • • • • • • • • • • •

Kunststoffer (PVC, polyetylen, polypropylen etc.). Maling og lakk. Legemidler, plantevernmidler, organiske pigmenter m.m. Treforedlingsprodukter (cellulose, papir m.m.). Næringsmidler. Spesialkjemikalier (cellulosederivater, ligninprodukter, alginater m.m.). Kunstgjødsel. Sprengstoffer. Aluminium. Magnesium. Sink. Ferrolegeringer.

Mekanisk prosessindustri • Cerealer (korn, mel, for). • Trevarer (sponplater m.m.). 12

Kap. 1 — Innledning

Når det gjelder gasseksplosjoner, er det viktig å være klar over at en brennbar gass som propan eller hydrogen ikke er eksplosiv uten at den er blandet med luft eller annen oksygenholdig gass i et blandingsfor­ hold som ligger innenfor området hvor flammeforplantning i blanding­ en er mulig. I praksis betyr dette at gasseksplosjons-ulykker vanligvis skjer ved tenning av gass-skyer dannet ved at brennbar gass har lekket fra prosessutstyr under trykk til den omgivende atmosfære og blitt blandet med luften der. Ved installasjon av elektrisk utstyr i områder hvor det kan oppstå eksplosive gass-skyer, er det følgelig i de fleste til­ feller snakk om atmosfærestrykk og normal temperatur som utgangstilstand for en eventuell eksplosjon. Behandlingen av gasskyers eksplosivitet og antennelighet i kapittel 2 vil derfor i det alt vesentlig­ ste bli begrenset til denne utgangstilstand. Det samme resonnement kan gjøres gjeldende for eksplosive skyer av væskedråper i luft. Slike skyer dannes i hovedsak ved at brennbar væske under trykk lekker til atmosfæren med så høy hastighet at væs­ ken forstøves til små dråper. Væskens tetthet er 10?—104 ganger høyere enn massekonsentrasjonen av væskedråper i luft i det eksplosive område. Dette betyr at et gitt volum væske kan generere en eksplosiv tåkesky som er lCF-104 ganger væskens volum. Væsketåke-eksplosjoner behandles i kapittel 3. For eksplosive støvskyer er situasjonen annerledes. Slike skyer dan­ nes primært inne i prosessutstyr som siloer, sykloner, filtere, møller, støvavsugningskanaler, kopp-elevatorer etc. Her kan konsentrasjonen av støv suspendert i luften bli så høy at den ligger innenfor det eksplo­ sive område. Selv om støvskyens tilstand også inne i slikt prosessutstyr som oftest er atmosfærestrykk og normal temperatur, kan den i noen tilfeller avvike vesentlig fra normaltilstanden. Når det gjelder støv, er det imidlertid ikke bare eksplosive støvskyer som skaper problemer. Støv kan også legge seg som lag på prosessutstyr, instrumenter m.m. Dersom støvet er brennbart og ligger på en varm flate, kan det bli antent. Dette kan i neste omgang føre til støveks­ plosjon. Forbrenning og tenning av støvlag og støvskyer behandles i kapittel 4. For eksplosiver, som pr. definisjon ikke er avhengige av oksygentilførsel fra luften for forbrenning, gjelder spesielle forhold som vil bli drøftet kort i kapittel 5.

13

Kap. 1 — Innledning

1.3 Gruppering av tennkilder Det kan være nyttig å skille mellom tre hovedkategorier av tennkilder som kan initiere eksplosjoner i prosessindustrien:

a. Elektrisk produserte tennkilder • Elektrisk genererte lysbuer eller gnister. • Elektrisk oppvarmede flater (ovner, motordeksler m.m.).

b. Mekanisk produserte tennkilder • Elektrostatiske utladninger (oppladning ved mekanisk separasjon av stoffer med forskjellig elektron-affmitet).

• Metallpartikkelgnister og termittfl ammer (sliping, kapping, slag/støt). • Varme flater (friksjon/varmgang, støt).

c. Termisk produserte tennkilder • Flammer (sveise-, brenne-, loddeutstyr, fyrstikker). • Varme flater (flater oppvarmet ved varmt arbeid, overflater f.eks. på rør som blir varme på grunn av prosessen selv, under unormale så vel som normale driftsbetingelser).

1.4 Elektrisk utstyr som tennkilde Følgende systematisering er foreslått av Gibson (1990): Elektrisk utstyr kan generere flere typer tennkilder for brennbare og/eller eksplosive stoffer, eksempelvis:

• • • • •

Lysbuer og gnister ved slutting og bryting av elektriske kontakter. Gnister i børstekontakter. Gnister til jord fra høyspenningselementer. Overoppheting av kabler ved høye elektriske strømmer. Overoppheting av utvendige overflater på kapslinger p.g.a. for høy varmeproduksjon i elektrisk utstyr inne i kapslingene.

Bedrifter hvor brennbare og/eller eksplosive stoffer produseres eller prosesseres, er stilt overfor følgende spørsmål: • Hvor i bedriften vil brennbar/eksplosiv atmosfære kunne opptre? • Vil slik atmosfære opptre stadig eller mer tidvis ved normal drift, eller opptrer den bare unntaksvis under unormale driftsforhold? 14

Kap. 1 - Innledning

• Hvilke typer elektrisk utstyr vil kunne brukes under de forskjellige forhold hvor brennbar/eksplosiv atmosfære kan opptre i bedriften, slik at risikoen for antennelse er neglisjerbar? • Hvilke krav må stilles til installering av utstyret for å sikre at risi­ koen for antennelse forblir neglisjerbar både under installeringen og etterpå? • Hvilke vedlikeholdsprosedyrer må gjennomføres for at risikoen for antennelse skal forbli lav over tid etter at utstyret er satt i drift?

En systematisk prosess bestående av følgende fire trinn må gjennom­ føres før elektrisk utstyr installeres: • Identifisering av brennbare/eksplosive stoffer i bedriften og karak­ terisering av deres brennbarhets- og antennelighetsegenskaper. • Klassifisering av eksplosjonsfarlige områder (områdeklassifisering). • Valg av egnet eksplosjonsbeskyttet elektrisk utstyr for bruk i de eksplosjons-farlige områdene. • Etablering og bruk av sikre prosedyrer ved installering og vedlike­ hold av utstyret.

Gjennom systematisk arbeid over mange år er det i en rekke land eta­ blert detaljerte standarder for alle disse fire trinn. I internasjonal sammenheng er IEC (International Electrotechnical Commission, Geneve) og CENELEC (den Europeiske Unions organisa­ sjon i Brussel) blant de toneangivende. I Norge fastsettes retningslinjer av Elektrisitetstilsynet, Olje-direktoratet, Direktoratet for Brann- og Eksplosjonsvern, og Direktoratet for Arbeidstilsynet.

1.5 Definisjoner av «områdekategorier» i bruk i Norge «Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m.» (1991), defi­ nerer fire områdekategorier a, b, c og d:

• Områdekategori a er områder hvor eksplosjonsfaren skyldes at luf­ ten er blandet med brennbare gasser, damper eller svevende væske­ dråper. • Områdekategori b er områder hvor eksplosjonsfaren skyldes at luf­ ten er blandet med brennbart støv.

• Områdekategori c er områder hvor eksplosjonsfaren skyldes stoffer som i seg selv er eksplosive. 15

Kap. 1 — Innledning

• Områdekategori d er områder hvor eksplosjonsfaren skyldes blan­ ding av brennbar gass, damp, svevende væskedråper eller støv med atmosfære med større innhold av oksygen enn i normal luft eller med andre gasser som lettere underholder forbrenning enn normal luft. I dette kompendium gjennomgås hovedsakelig forhold benyttet til område-kategoriene a, b, og i noen grad c. Områdekategori d behand­ les ikke.

16

Gasseksplosjoner

2.1 Forbrenning av gass 2.1.1 Diffusjonsforbrenning og forbrenning av forblandet gass/luft Forbrenning av gass er kjent fra dagliglivet. Forbrenning av propan (C3H8) benyttes eksempelvis ofte til belysning, oppvarming og koking der hvor elektrisitet ikke er tilgjengelig. Det er viktig å skille mellom såkalt diffusjonsforbrenning, og forbrenning i forblandet gass/luft. Figur 1 illustrerer diffusjonsforbrenning i flammen til en vanlig gasslighter, hvor brennstoffet er butan (C4H10). Forbrenningen skjer her i en liten sone utenfor dysen, hvor den brenn­ bare gassen som strømmer ut av beholderen, først kommer i kontakt

Figur 1. Butan-lighter-flamme. Eksempel på diffusjonssforbrenning av brennbar gass i luft.

17

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 2. Brenning av forblandet propan og luft i Bunsen-brenner.

med luft (oksygen). Forbrenningen skjer langsomt og kontrollert. Den samme type forbrenning finner sted i en stearinlysflamme og i flam­ men til en oljelampe. I en Bunsen-brenner er situasjonen annerledes. Som figur 2 viser, blandes her den brennbare gassen først godt med luft før den antennes i flammesonen. Stabil flamme forutsetter at massestrømmen av propan er tilpasset massestrømmen av luft. Feil justering kan føre til at tenning ikke opp­ nås fordi blandingsforholdet mellom propan og luft er i et område som ikke er brennbart. Dessuten må gassblandingens hastighet ligge innen­ for visse grenser. Dersom hastigheten ut av brenneren er over en viss grense, vil flammen blåses ut. Ved for lave hastigheter slår flammen tilbake inn i brenneren.

2.1.2 Laminær forbrenningshastighet Su i forblandet gass/luft Figur 3 viser verdier av den såkalte laminære forbrenningshastighet Su for homogene blandinger av henholdsvis metan, etan, propan og n-heptan, og luft, som funksjon av blandingsforholdet brenngass/luft. Ved laminær forbrenning skjer all overføring av masse og varme ved molekylær diffusjon. Den laminære forbrenningshastighet er den lav­ este hastighet en flamme kan bevege seg gjennom en gitt gassblanding med ved det aktuelle trykk og den aktuelle temperatur. Som figur 3 viser, er det forholdsvis liten forskjell på laminær for­ brenningshastighet for de såkalte alkaner (mettede lineære hydrokar­ boner). Su ligger i området 42-47 cm/s. Figur 4 viser imidlertid at umettede hydrokarboner kan ha vesentlig høyere Su. 18

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 3. Laminære forbrenningshastigheter Su ved atmosfærestrykk og normal temperatur for blandinger av forskjel­ lige hydrokarbongasser og luft, som funksjon av blandingsforholdet. (Merk: Ved støkiometrisk brennstojf-konsentrasjon er det akkurat nok oksygen li! at alt brenn­ stoffet teoretisk kan om­ dannes til C02 og H20). (Data fra Zabetakis, 1965, s. 45).

Figurene 3 og 4 viser at forbrenningshastigheten har et maksimum for blandinger av en gitt brenngass og luft når blandingsforholdet er nær det støkiometriske. (Se forklaring av støkiometrisk i teksten til figur 3.) Når fraksjonen av brenngass fjerner seg fra den støkiometriske, enten dette skjer mot lavere («mager» blanding) eller høyere verdier («fet» blanding), avtar forbrenningshastigheten systematisk. Tabell 1 gir noen verdier for eksperimentelt bestemte maksimale forbrennings-hastigheter for en del brennstoffer forblandet med luft.

Figur 4. Laminære forbrenningshastigheter Su for forskjellige blan­ dingsforhold av acetylen og luft, ved atmosfærestrykk og normal temperatur. {Data fra Zabetakis, 1965, s. 59).

19

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 5. Brennbarhetsområde r for blandinger av en del brenngasser og luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur. (Se også tabell 2.)

2.1.3 Konsentrasjonsgrenser for brennbarhet av forblandet gass Flammepunkt for brennbare væsker Ved tilstrekkelig store avvik fra støkiometri i begge retninger nås de såkalte brennbarhetsgrenser, eller eksplosjonsgrenser. Disse markerer ytterpunktene for de blandingsforhold av brenngass og luft som kan brenne eller eksplodere. Figur 5 gir et visuelt inntrykk av de brennbare områder for en del brenngasser i luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur. Tabell 2 gir tallverdier for en rekke gasser og damper i luft, inklusive dem som er tatt med i figur 5. Det er direkte sammenheng mellom den nedre brennbarhetsgrense for damper av brennbare væsker, og væskens såkalte flammepunkt. Flammepunktet er den laveste temperatur væsken kan ha for at atmo­ sfæren umiddelbart over væsken skal være brennbar. Flammepunktet er da teoretisk den temperatur hvor væskens damptrykk tilsvarer den fraksjon damp i blanding med luft som definerer laveste brennbarhets­ grense. Flammepunkter for væsker, fastlegges ved standardiserte laboratorie-metoder («open cup» eller «closed cup»). Brennbare væsker grupperes i fareklasser på grunnlag av flamme­ punktet.

20

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Tabell 1. Maksimal laminær forbrenningshastighet Su for forblandet brenngass/luft ved atmosfære st rykk og normal temperatur for en del brennstoffer. (Data fra Kuchta, 1985, s. 38).

Brennstoff

Alkaner (parafiner) Naturgass (uspesifisert) Aceton Butylen Cykloheksan Bensen Propylen Karbonmonoksyd Metanol Propylenoksyd Etylen Etylenoksyd Acetylen Hydrogen

Maksimal Su [cm/s]

40-50 40 43 43 44 48 51 52 57 67 75 90 155 325

I Norge benyttes følgende tre klasser:

A: Væsker med flammepunkt < 23 °C. B: Væsker med flammepunkt 23-55 °C. C: Motorbrensel, fyringsolje og noen andre spesielle væsker med flammepunkt > 55 °C.

Klassedefinisjonene varierer noe fra land til land. I Tyskland tas f.eks. også hensyn til om væsken er løselig i vann. Brennbare væsker som ikke løses i vann, kalles «A-væsker». Disse grupperes i tre fareklasser: • • •

AI : Flammepunkt < 21 °C. AII : Flammepunkt 21-55 °C. AIII: Flammepunkt 55-100 °C.

Brennbare væsker som er løselige i vann ved 15 °C og har flamme­ punkt < 21 °C, kalles «B-væsker». De to første kolonnene i tabell 2 gir brennbarhetsgrensene for for­ skjellige gass/damp-formige brennstoffer forblandet med luft. Den tredje kolonnen gir flammepunktet i luft for en del av brennstoffene.

21

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Eksistensen av brennbarhetsgrenser for brenngasser i luft kan demon­ streres ved at det lages forskjellige blandingsforhold av brenngass og luft i en sfærisk gummiballong som inneholder en sentralt plassert tennkilde («Øvretveits eksperiment», oppkalt etter opphavsmannen, siviling. Karsten Øvretveit). Butan er en egnet demonstrasjonsgass. I utgangspunktet er ballongen flatklemt med volum ~ 0. Så tilføres den ren butan til ballongens radius har økt til en passende verdi r. Deretter fylles på med luft til en radius R > r. Trykket i ballongen er Tabell 2. En del brennbarhets- og antennelighetsegenskaper for noen brennbare gasser og damper i luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur. (Data fra IEC TC31 WG4, 19922)

Brennstoff

Brennbarhets­ grenser [vol. % i luft]

Nedre Øvre

Aceton Acetylen Amoniakk Bensen Butadien Butan Butanol Cykloheksan 1-Buten Dekan Dietyleter Dimetyleter Etan Etanol Etylen Heptan Heksan Hydrogen Hydrogensulfid Karbondisulfid Karbonmonoksyd Metan Nafta Propan Styren Toluen

2,6 2,5 15,0 1,3 2,0 1,8 1,7 1,3 1,6 0,3 1,9 3,4 3,0 3,3 2,7 1,1 1,2 4,0 4,0 1,3 12,5 5,0 0,9 2,1 1,1 1,2

13,0 100,0 28,0 7,9 12,0 8,4 12,0 7,8 10,0 5,6 36,0 27,0 12,4 19,0 36,0 6,7 7,4 75,0 44,0 50,0 74,0 15,0 6,0 9,5 6,1 7,1

Flamme­ Laveste punkt tenntemp.

MESG

[°C]

[°C]

[mm]

- 19 ? ? - 11 -85 -60 29 - 18 -80 46 -45 -42 ? 12 ? -4 -21 ? ? -30 ? ? øvre brennbarhetsgrense, fås ingen antennelse når tennkilden aktiveres. Men når det er tilført så mye luft at den øvre grense underskrides, eksploderer gassen ved aktivering av tennkilden. Laveste tenntemperatur, som også er tatt med i tabell 2, behandles i avsnitt 2.2.2, MESG (Maximum Experimental Safe Gap) i avsnitt 2.2.5, og gassgruppe-definisjonene (I, IIA, IIB og IIC) i avsnitt 2.2.6. Temperaturklassene T1-T6 vil bli behandlet i kapittel 7 som en inn­ ledning til gjennomgåelsen av prinsippene for utforming av eksplosjonssikkert utstyr.

2.1.4 «Ekspansjonsforholdet» ved forbrenning av forblandet brenngass/luft Figur 6 illustrerer plan laminær forbrenning av rolig forblandet brenn­ gass/luft i et ensidig åpent rør og under konstant trykk. Når gassen tennes i den åpne rørenden (figur 6 (a)), vil den uforbrente delen holde seg i ro, idet ekspansjonen av forbrenningsproduktene skjer til venstre. Forbrenningen foregår da innover i røret med den laminære forbrenningshastigheten Su i forhold til så vel rørvegg som uforbrent gass. Når gassen tennes i den lukkede ende (figur 6 (b)) vil imidlertid ekspansjonen av forbrenningsproduktene måtte skje i samme retning som flammeforplantningen. Dette fører til at også den uforbrente gassen foran flammen strømmer i samme retning som forbrenningen skjer. Den observerte flammehastighet St i forhold til røret vil da være

Brent gass ekspanderer

Tennplan

Brent gass ekspanderer

Uforbrent gass i ro

Reaksjonssone

______

Uforbrent gass strømmer med Sg

Figur 6. Forblandet brenngass og luft som brenner med plan laminær flamme i et ensidig åpent rør, under konstant trykk.

23

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 7. Laminær sfærisk forbrenning av rolig forblandet brenngass/ luft.

summen av netto forbrenningshastighet Su og den uforbrente gassens strømningshastighet Sg, og vi får:

Sf=Su + Sg

(1)

eller Sf = Su • E

(2)

E er det såkalte ekspansjonsforhold, definert som forholdet mellom volumet en gitt mengde forblandet gass har etter adiabatisk forbren­ ning ved konstant trykk, og volumet før forbrenning. Ved adiabatisk forbrenning er E omkring 7,5-8,0 for den mest brennbare blanding av gasser og damper av de fleste hydrokarboner i luft. En del tallverdier er gitt i tabell 6 i avsnitt 2.1.7. Det er dette formidable ekspansjonspotensialet, skapt av den frigjorte forbrenningsvarmen, som forårsaker trykkøkning (se tabellene 5 og 6 i avsnitt 2.1.7) og skader ved gasseksplosjoner. Merk forbrenningshastighet (burning velocity) definisjonsmessig betegner reaksjonssonens hastighet i forhold til den uforbrente gass som reaksjonssonen spiser seg inn i. Flammehastighet (flame speed) betegner derimot flammefrontens hastighet i forhold til en stasjonær observatør eller apparatur. Figur 7 illustrerer idealisert (oppdriften er neglisjert) laminær sfæ­ risk forbrenning etter tenning av en fri gass-sky i et punkt. I dette tilfelle vil den uforbrente gassen alltid bli skjøvet i samme retning som forbrenningen skjer. Såfremt tykkelsen på reaksjonssonen er liten i forhold til flammeradius, gjelder ligningene (1) og (2) også for det sfæriske tilfelle i figur 7, og Sf og Su har de samme numeriske verdier som for det plane tilfelle i figur 6 (b). 24

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 8. Flammeforplantning i turbulent forblandet brenngass/luft.

2.1.5 Turbulent forbrenning av forblandet gass I praksis vil den brennbare gassblandingen sjelden være i ro. I en lekkasjesituasjon kan strømningshastighetene bli høye og gassblandingen sterkt turbulent. Flammeforplantning i turbulent gass er illustrert i figur 8. I turbulent gass foldes og rives reaksjonssonen opp og får et mye større samlet areal enn den ville hatt under laminære forhold. Dette fører til tilsvarende mye høyere midlere forbrenningshastigheter enn under laminære forhold. Figur 9 illustrerer dette med noen resultater fra måling av midlere forbrenningshastighet i en brenner av samme type som vist skjematisk i figur 2. 1 denne type forsøk innstiller lengden på den koniske forbrenningssonen seg slik at forholdet mellom gassens volumstrøm gjennom brenneren og forbrenningssonens areal blir lik den turbulente forbrennings­ hastighet ved det aktuelle Reynolds tall, som i sin tur er bestemt av den aktuelle volumstrøm og brennergeometrien.

Figur 9. Turbulent forbrenningshastighet som funksjon av Reynolds tall. Forblandet bensin/luft i stasjonær brenner med dia­ meter 16 mm. (Data fra Freytag, 1965, s. 70.)

25

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Resultater (høyeste målte verdi) for 9,5 vol. % metan i luft

Ringkonfigurasjon

Maks. overtrykk [bar]

Ingen ringer i røret

0,15

1 ring 2 m fratennplan

0,6

3 ringer

3,5

6 ringer som vist på figuren

8,0

Figur 10. Eksperiment for undersøkelse av innflytelsen av eksplo­ sjonsgenerert turbulens på voldsomheten av gasseksplosjoner, ved hjelp av turbulens-genererende strømningsbrytere. (Data fra Moen et.al., 1982.)

I forbindelse med gasseksplosjoner skiller en mellom to typer turbu­ lens. Den første er den såkalte «initielle», som oppstår når gass-skyen dannes, f.eks. når gass lekker til atmosfæren fra systemer under høye trykk og blandes med luft. Slik initiell turbulens bidrar både til at brenngass og luft blandes effektivt til eksplosive skyer, og til økt initiell for­ brenningshastighet. Den andre type turbulens er den såkalte «eksplosjonsgenererte». Den oppstår ved den transiente strømning som den ennå uforbrente del av gasskyen påføres når den forbrente delen ekspanderer. Eksplosjonsgenerert turbulens opptrer i særlig grad i delvis lukkede systemer med mye prosessutstyr, rør og andre obstruksjoner. Figur 10 illustrerer virkningen av eksplosjonsgenerert turbulens i et eksperiment med gasseksplosjoner i et ensidig åpent 50 m3I *rør med og uten strømningsbrytende (turbulensgenererende) ringer. Forsøksrøret er helt åpent i den ene enden, og forbrenningen må derfor skje svært raskt om det skal kunne bygge seg opp betydelige eksplosjons­ trykk i røret. Eksplosjonsgenerert turbulens forårsaker en positiv til­ bakekobling til forbrenningsraten som vil øke kontinuerlig ut mot rørets åpne ende. 26

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Så snart gassblandingen i den lukkede rør-ende har begynt å brenne, vil ekspansjonen av forbrenningsproduktene føre til at den ennå ufor­ brente gass lenger ute i røret strømmer mot den åpne rør-ende. Avhengig av de geometriske forhold, f.eks. om der er stållringer i strømningssonen, blir den uforbrente gassen da mer eller mindre tur­ bulent. Når flammen så innhenter den turbulente gassen, øker forbrennings-hastigheten. Dette øker i sin tur ekspansjonshastigheten, som så gir ytterligere økning av strømningshastighet og turbulensnivå osv. Som tabellen i figur 10 viser, gav 6 stålringer en dramatisk økning av det maksimale overtrykk i røret, fra 0,15 til 8,0 bar, tilsvarende en faktor på over 50! Med dette som bakgrunn ser en umiddelbart farepotensialet ved tenning av en brennbar gassky i et prosessanlegg som er tettpakket med rør, tanker og annet prosessutstyr. På tross av store anstrengelser for å forebygge både lekkasjer og tennkilder, har gass-eksplosjoner i denne type prosessanlegg forekommet en rekke ganger, også i de senere år. Konsekvensene har til dels vært katastrofale.

2.1.6 Detonasjon i forblandet gass Detonasjon er et ekstremt øvre grensetilfelle for flammeforplantning i forblandet gass. Prosessen karakteriseres ved at forbrenningssonen føl­ ger umiddelbart etter en kraftig sjokkfront som beveger seg innover i den uforbrente gassblandingen med supersonisk hastighet. Mekanismen for flammeforplantningen er da ikke lenger diffusjon, men kompresjon. Temperaturen i gassen i sjokkfronten er så høy at gassen antennes momentant. For forblandet hydrokarbongass/luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur ligger de maksimale detonasjonsfront-hastigheter i området 1800-1900 m/s (tabell 3). En tilstrekkelig kraftig sjokkbølge fra en sprengladning eller en kraftig gnistutladning kan initiere detonasjon direkte. I industrielle situasjoner er imidlertid spontan overgang fra voldsom turbulent for­ brenning til detonasjon den mest aktuelle mekanisme (deflagration-todetonation transition, DDT). Forsøk har vist at dette kan skje ved gass­ eksplosjoner i rør når den positive tilbakekoblingssløyfen som ble nevnt i avsnitt 2.1.5, får virke maksimalt. Dersom røret inneholder turbulensgenererende obstruksjoner, økes sjansene for detonasjon. For hydrokarbon-gass/luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur er maksimalt detonasjonsfront-trykk (såkalt Chapman-Jouguet-trykk) i området 16-18 bar (overtrykk) (tabell 3). Verdiene i tabell 3 for detonasjonsfrontens hastighet og trykk gjelder for en front som beveger seg inn i en stillestående uforbrent 27

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Tabell 3. Detonasjonsegenskaper for en del brenngasser i blanding med luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur. Støkiometriske blandinger. (Data fra Lee, 1984, s. 249.) Brennstoff

Detonasjonshastighet [m/s]

Overtrykk i detonasjonsfront [bad

Metan Etan Propan Butan Etylen Acetylen Hydrogen

1800 1800 1800 1800 1860 1870 1960

16,1 17,0 17,3 17,4 17,7 18,0 14,6

gassblanding som har atmosfærestrykk og normal temperatur. Proses­ sen er kraftig supersonisk i forhold til den uforbrente gassen. Hydro­ gen avviker fra de andre gassene i tabellen fordi tettheten av 30 % hydrogen i luft bare er 18/29 av luftens tetthet og lydhastigheten derfor 418 m/s og ikke 330 m/s (se lign. (3)). Figur 11 viser resultatene fra et eksperiment hvor en støkiometrisk blanding av acetylen og luft detonerte i et 46 m langt, rett rør med dia­ meter 0,6 m.

DETONASJONSFRONTEN NÅR TRYKKMÅLER

I LUKKET RØRENDE

Figur 11. Detonasjon av støkiometrisk blanding av acetylen og luft i et 46 m langt rør med diameter 0,6 m. Den ene rørenden var lukket, den andre åpen. Detonasjonen ble initiert i den lukkede enden ved hjelp av en sprengladning. Trykkmåleren var plassert 18,3 m fra den lukkede rørenden. (Fra Kuchta, 1985, s. 18.)

28

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Dersom PCJ er detonasjonsfront-trykket (det såkalte Chapman-Jouguet-trykk) og P, initialtrykket (vanligvis atmosfærestrykk) og begge trykk angis som absolutt-trykk, gjelder

Pcj p,

1 + Yi(V /C,) * I + y2

2

(3)

hvor Yi og y2 er forholdet Cp/Cv mellom de spesifikke varmer ved kon­ stant trykk og konstant volum, for henholdsvis gassblandingen før for­ brenning og forbrenningsproduktene, V * er detonasjonsfront-hastigheten inn i uforbrent gass, og C, er lydhastigheten i gassblandingen før forbrenning. */C] V er det såkalte Mach-tall (etter den østerikske fysiker Ernst Mach) som vil være > 1 for detonasjonsfronter. Som en «tommelfingerregel» gjelder at Pcj-2P2

(4)

hvor P2 er det maksimale eksplosjonstrykk ved normal, adiabatisk for­ brenning av gassblandingen ved konstant volum (se avsnitt 2.1.7). For en gitt ideell gass er lydhastigheten uavhengig av trykket, men avhengig av temperaturen. Følgende relasjon gjelder, idet C er lydhastigheten:

(5)

hvor y er Cp/Cv (~ 1.4 for 2-atomig gass), Po og p0 er henholdsvis gasstrykk og gasstetthet ved samme temperatur, og T er gassens absolutte temperatur [K]. Ved en gitt temperatur er lydhastigheten med andre ord omvendt proporsjonal med Mi/:, hvor M er gassens molvekt. Ved en gitt tempe­ ratur er lydhastigheten derfor vesentlig høyere i hydrogen enn i luft. Figur 12 illustrerer det dramatiske spenn i mulige forbrenningshastigheter som en gitt gassblanding kan ha. med propan/luft som eksem­ pel. Merk at den vertikale skala er logaritmisk. Figuren antyder at konsentrasjonsgrensene for turbulent forbrenning og detonasjon er noe snevrere enn for laminær forbrenning. Tabell 4 kvantifiserer dette for to brenngasser i luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur.

29

forblandet p ro p a n /lu ft [m /s]

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Forbrenningshastighet

i

Figur 12. Forbrenningshastigheter i forblandet propan/luft ved atmosfæres­ trykk og normal temperatur som funksjon av forbrenningsmodus (laminær og tu rbulen t forbrenn ing, detonasjon.)

2.1.7 Maksimalt adiabatisk eksplosjonstrykk ved for­ brenning av forblandet gass ved konstant volum Ligningene (1) og (2) beskriver hvorledes den varme som frigjøres ved forbrenning ved konstant trykk, fører til ekspansjon. Dersom forbrenningen skjer ved konstant volum, f.eks. inne i en eksplosjonssikker instrumentkapsling, fås en tilsvarende trykk-økning. For adia­ batisk forbrenning av brenngass/luft ved konstant volum blir tempera­ turstigningen:

(6)

Tabell 4. Sammenligning av brennbarhetsgrenser ved laminær for­ brenning av for-blandet gass/luft og detonasjons grenser i de samme gassblandinger. (Data fra tabell 2 og * Freytag, 1965, s. 74.) Brennstoff

Brennbarhetsgrenser [vol. % i luft] Nedre Øvre

Acetylen Hydrogen

2,5 4,0

30

100 75

Detonasjonsgrenser * [vol. % i luft] Nedre Øvre

4,2 18,3

50 59

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Tabell 5. Høyeste maksimale eksplosjonstrykk (overtrykk) ved forbren­ ning av forblandet brenngass/Iuft i en lukket 5-liters testbeholder Brennstojf-konsentrasjonen i luft ble variert til høyeste maksimaltrykkverdi var funnet for det enkelte brennstoff. (Data fra Freytag, 1965, s. 152.) Brennstoff

bar

Brennstoff

bar

Acetylen Etylenoksyd Bensen Aceton Etylen n-Heksan n-Pentan n-Butan Cykloheksan n-Heptan Propan Propylen i-Oktan Karbondisulfid

10,3 9,9 9,0 8,9 8,9 8,7 8,7 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,1 7,8

i-Butylalkohol Etylalkohol n-Butylalkohol n-Dekan Hydrogen Karbonmonoksyd Metan Toluen Vinylklorid Metylbutadien Styren Amoniakk Eddiksyre Hydrogensulfid

7,6 7,5 7,5 7,5 7,4 7,3 7,2 6,8 6,8 6,6 6,6 6,0 5,4 5,4

hvor AE er frigjort forbrenningsvarme ved konstant volum pr. mol og Cv midlere spesifikk varme ved konstant volum. T2 beregnet ved hjelp av lign. (6), er som oftest noe høyere enn verdier bestemt eks­ perimentelt ved forbrenning av forblandet gass ved konstant volum. Dette skyldes bl.a. varmetap til eksplosjonsbeholder og ikke-ideell kjemisk omsetning. Ved hjelp av en adekvat verdi av T2, beregnet eller målt, kan imidlertid trykkstignings-forholdet (etter/før forbrenning) ved konstant volum beregnes ved hjelp av tilstandsligningen: P, P.

n2T2

u,t;

(7)

(En noe mer utførlig drøfting av termodynamiske relasjoner for eksplosjoner finnes i Kuchta. 1985.) Tabell 5 gir en del eksperimentelle verdier for maksimaltrykk ved tilnærmet adiabatisk forbrenning av en del brenngasser i luft ved kon­ stant volum, ordnet etter størrelsen på de målte trykk. Tabell 6 gir alternative verdier for maksimaltrykk ved adiabatisk forbrenning av en del av de brenngass/luft-systemer som er tatt med i tabell 5. foruten etan. Verdiene i de to tabeller avviker noe. For en del

31

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Tabell 6. Forbrenningsegenskaper for en del brenngass/luft-blandinger med atmosfærestrykk og normal temperatur som utgangsbetingelser. (Data fra Lee, 1984, s. 249.)

Brennstoff

Vol. % brennstoff i luft

Konstant volum. Maks. overtrykk [bar]

Konstant trykk. Ekspansjonsforholdet E [-]

Acetylen Hydrogen Etylen Butan Propan Etan Metan

7,75 29,60 6,53 3,13 4,0 5,67 9,51

8,80 7,02 8,32 8,43 8,34 8,21 7,60

8,38 6,88 7,48 8,06 7,98'’ 7,87 7,25

Adiabatisk flammetemperatur Konstant Konstant trykk volum [K] [K]

2925 2755 2740 2639 2633 2627 2591

2542 2384 2372 2272 2266 2261 2227

skyldes avvikene muligens forskjellig brennstoffkonsentrasjon. Tabell 6 gir også verdiene for ekspansjons-forholdet E (se avsnitt 2.1.4) og de to adiabatiske flammetemperaturer. Det kan oppstå situasjoner hvor eksplosiv gassblanding i lukkede rom antennes ved andre initalbetingelser enn atmosfærestrykk og nor­ mal temperatur. Da vil de maksimale eksplosjonstrykk bli andre enn dem som er gitt i tabellene 5 og 6. Dersom initaltrykket heves, vil det adiabatiske maksimale eksplo­ sjonstrykk vanligvis øke proporsjonalt med initialtrykket. Eksempel­ vis vil en gassblanding som før tenning har atmosfærestrykk og gir 8 bar eksplosjonstrykk (absolutt), ved 1 bar overtrykk (2 bar absolutt) gi 16 bar eksplosjonstrykk. Ved eksplosjoner i lukkede volumer i serie, sammenkoblet med for­ holdsvis trange kanaler, kan en eksplosjon i én del av systemet føre til trykkøkning i den uforbrente gass i andre deler («pressure piling»). Når denne forkomprimerte gass så tennes, kan resultatet bli svært høye transiente maksimaltrykk, selv om hele systemet i utgangspunktet hadde atmosfærestrykk. Resultatene fra et gass-eksplosjonsforsøk i laboratorieskala som illustrerer denne effekten, er vist i figur 71 i avsnitt 4.I.2.8.

32

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

2.2 Tenning av brennbare gassblandinger 2.2.1 Hva er tenning? Varmeeksplosjonsteorien I praksis opptrer flere typer tennkilder. De viktigste er:

• Varme overflater. • Brennende metallpartikler og «termitt»-reaksjoner. • Elektriske gnister. • Stråler av varme forbrenningsgasser. • Adiabatisk kompresjon.

Spørsmålet er om en og samme grunnforestilling om hva som foregår i selve tennprosessen kan omfatte alle disse tilsynelatende ganske for­ skjellige tennkildene. Svaret er ja, og modellen er den generelle»varmeeksplosjonsteori» formulert av Frank-Kamenetskii. Vi skal forsøke å gi en grov skisse av hovedidéen bak teorien, med referanse til figur 13. Betrakt et lite avgrenset volum V i en eksplosiv gassblanding, som ved hjelp av en eller annen form for varmetilførsel, varmes opp til en temperatur T > TI? hvor T] er temperaturen i den uoppvarmede gassblandingen utenfor V. Temperaturen i V er lik T over det hele, og temperaturfallet T-T, skjer brått i grenseflaten mellom V og om­ givelsene (Semenov-fordeling). Vi tenker oss så at gassen i volumet V begynner å reagerer kjemisk under varmeavgivelse, med en reak­ sjonsrate G(T), målt f.eks. i Joule/s. Reaksjonen vil bidra til at tempe­ raturen i V øker ytterligere. Samtidig vil det imidlertid på grunn av

Figur 13. Forenklet, skjema­ tisk illustrasjon av hoved­ poenget i Frank-Kamenetskiis varmeeksplosjonsteori for to geometrisk likedannede tennvolumer med forhold 2.

33

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

temperaturdifferansen (T-TJ finne sted en varmetransport fra V til den uoppvarmede gassen utenfor med rate L(T). Vi antar at G(T) øker eksponensielt med T (Arrhenius-reaksjon), mens L(T) antas å være proporsjonal med (T-TJ, dvs. å øke lineært med T. Det som nå avgjør om vi får tenning eller ikke, er om temperaturen T er tilstrekkelig høy til at varmegenereringsraten G(T) forblir større enn varmetapsraten L(T) når T fortsetter å øke. Når en slik temperatur først er nådd, vil forbrenningsprosessen i volumet V intensiveres og til slutt produsere tilstrekkelig varme til at den ved overføring fra V til de umiddelbart tilstøtende områder av gass-skyen, initierer selvoppholdende flammeforplantning, dvs. gassen er antent. La oss først betrakte de heltrukne kurvene for henholdsvis G(T) og L(T) i figur 13. Linjen for L(T) skjærer den eksponensielle kurven for G(T) i to punkter. Det første skjæringspunkt illustrerer den teoretiske, men praktisk neglisjerbare, reaksjon som finner sted ved temperaturen T2 meget nær romtemperpatur og som fører til at volumet V vil stabili­ sere seg på en temperatur lik T2, hvor varmegenereringsraten er lik varmetapsraten. Temperaturen i V vil imidlertid ikke av seg selv øke utover T2 fordi varmegenereringsraten G(T) i området fra T2 til T4, altså for alle verdier av T3, er lavere enn varmetapsraten L(T). «Varmeeksplosjon», eller tenning, forutsetter med andre ord at det tilføres varmeenergi til V fra en eller annen ekstra kilde slik at temperaturen i V heves til minst T4. For temperaturer over T4 vil G(T) være større enn L(T) og «varmeeksplosjonen» kan finne sted. Av figur 13 følger at de betingelser som må tilfredsstilles ved den laveste tenntemperatur T4, er definert ved følgende ligningssett: G(T) = L(T)

og

(8) dG(T)/dT > dL(T)/dT

Også punktet T2 oppfyller den første betingelsen, men dette fører ikke til tenning fordi den andre betingelsen ikke er oppfylt. Figur 13 gir også et stiplet sett med kurver for et volum lik 2V og en form som er geometrisk likedannet med Vs form. Overflaten av volumet 2V vil da være lik overflaten av V multiplisert med 22/3. Dette betyr at mens varmegenereringsraten i 2V ved en gitt temperatur blir det dobbelte av varmegenereringsraten i V, blir varmetapsraten fra 2V noe mindre enn det dobbelte av varmetapsraten fra V. Konsekvensen med hensyn til laveste tenntemperatur er som vist i figur 13 at den reduseres fra T4til T4. 34

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

I prinsippet er den grunnleggende betingelse for tenning gitt ved lig­ ningssettet (8), hva enten varmekilden er en varm overflate, en elek­ trisk gnist, eller en brennende metallpartikkel. I praksis kan det imid­ lertid knytte seg store teoretiske problemer både til beskrivelse av tenningssonens geometri og til beregning av G(T) og L(T). Ovenstående gjelder under forutsetning av at tenningsprosessen, som tilfellet nesten alltid vil være, består i å starte en selvforplantende reaksjon drevet av varmediffusjon fra forbrenningssonen til den tilstøt­ ende sone av uforbrent gass.

2.2.2 En varm overflate som tennkilde. Laveste tenntemperatur Varme flater som kan tenne eksplosive gassblandinger, kan eksempel­ vis være forskjellige typer prosessutstyr, ovner, lyspærer, motordeksler, deksler for diverse instrumentering, lagre som er gått varme, varme flater generert ved repeterte mekaniske slag, og flater oppvarmet ved varmt arbeid (sveising, brenning, lodding, kapping). Fremstillingen i det følgende er begrenset til gassblandinger ved atmosfærestrykk. Hvor intet annet er sagt om gassblandingens kjemiske sammensetning, forstås støkiometrisk blandingsforhold mellom luft og brenngass. Det er i utgangspunktet viktig å understreke at laveste tenntempera­ tur for en eksplosiv gassblanding med gitt kjemisk sammensetning og trykk ikke er noen stoffkonstant, men til dels sterkt avhengig av så vel tennkildens geometri som av gassens dynamiske tilstand relativt til tennkilden. Dette er illustrert i figur 14. som viser resultater fra forsøk

Figur 14. Tenning av eksplosive gass­ blandinger ved hjelp av oppvarmede kuler som skytes inn i blandingen. - kvartskule r - elde de platinakuler (liten katalytisk virkning)

(Data fra Silver, 1927; Paterson, 1939; Paterson, 1940.)

20% hydrogen i luft, 'kulehastighet 4 m/s

20% hydrogen i luft, /kulehastighet 1 m/s xo

Kulediameter [mm]

35

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 15. Tenning av strømmende forblandet støkiometrisk pentan i luft ved hjelp av glødende sylindriske staver av rustfritt stål. Innflytelse av stavdiameter og gassens strømningshastighet. Gasstemperatur 75 °C. (Data fra Mullen et al., 1949.

hvor oppvarmede kuler av henholdsvis kvarts og platina ble kastet inn i eksplosive blandinger av hydrogen/luft og pentan/luft. Laveste kuletemperatur for tenning er plottet som funksjon av kulediameteren for to for­ skjellige kulehastigheter. Resultatene viser at økende kulediameter fører til senkning av laveste tenntemperatur. Videre øker laveste tenn-temperatur systematisk med gassens relative hastighet til kulen. Dette gjelder for alle kulediametre og for begge de undersøkte gassblandinger. Figur 15 viser lignende resultater fra forsøk hvor en strøm av eksplosiv gass ble ledet forbi en oppvarmet, sylindrisk stav. Her ses at laveste tenntemperatur øker systematisk så vel med gassens strøm­ ningshastighet som med avtagende stavdiameter. Publiserte eksperimentelle data for laveste tenntemperatur for gitte gassblandinger viser til dels stor spreding, som kan tilbakeføres til variasjoner i eksperimentell metode. Tabell 7 definerer 8 forskjellige hovedgrupper av metoder som var i bruk allerede før 1935. Også innenfor hver enkelt av disse hovedgrupper kan det være signifi­ kante variasjoner i viktige eksperimentelle faktorer som beholdervolum, stav- og rørdiametre etc. Von Muffling illustrerte betydningen av variasjoner i metode ved å vise til at det for en blanding av 28-30 vol. % hydrogen i luft ved atmosfærestrykk var en spredning i publi­ serte laveste tenntemperaturer på mer en 500 °C, fra 410 °C til 930 °C. Tabell 8 gir en del publiserte data for laveste tenntemperatur for alkan/luft-blandinger, bestemt med forskjellige metoder og ved for­ skjellige brennstoff-konsentrasjoner. Det er her interessant å merke 36

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Tabell 7. Hovedgrupper av metoder som er benyttet for bestemmelse av laveste tenntemperatur for forblandede gasser. (Data fra von Miiffling, 1946.) 1

2 3 4

5

6

8

Den eksplosive blanding strømmer gjennom et rør med kjent maksi­ mal veggtemperatur. Blandingen ledes inn i en beholder med kjent veggtemperatur. Blandingen komprimeres adiabatisk, og laveste tenntemperatur bereg­ nes ut fra volumreduksjonen som skal til for å gi tenning. Brennstoffgass og luft varmes separat til kjent tenntemperatur i kon­ sentriske rør og blandes ved rørenes utløp. ~'En stråle av brennstoffgass sendes inn i et rom som er fylt med luft med kjent temperatur. Den eksplosive blanding ledes inn i en såpeboble og bringes i kontakt med en platinatråd med kjent overflatetemperatur. Faste legemer med kjent temperatur slippes/kastes inn i den eksplo­ sive blanding. Metallstaver med kjent temperatur føres inn i blandingen.

seg at metode nr. 2 førte til antennelse også av blandinger som ifølge standardtester (se tabell 2) ligger under nedre eksplosjonsgrense. Dette skyldes at hele gassvolumet i beholderen varmes opp før tenning og at flammen så forplanter seg i en oppvarmet gass. I sitt bidrag til Freytag (1965) understreker Dittmar igjen at laveste tenntemperatur ikke er noen stoffkonstant, men til dels sterkt avhengig av forsøksbetingelsene, og at begrepet bare har en mening sett i sam­ menheng med den generelle varmeeksplosjonsteori (avsnitt 2.2.1). Dittmar summerer en rekke faktorer som vil påvirke den observerte laveste tenntemperatur når den bestemmes ved at den eksplosive blanding bringes i kontakt med en varm flate med kjent temperatur. De viktigste er:

• Volumforholdet brennstoff/luft i gassblandingen. • Den eksperimentelle gassblandings volum. • «Induksjonstiden» for antennelse.

• Den eksplosive blandings bevegelsestilstand relativt til den varme flate. • Den varme flates geometri.

• Materialet som den varme flate består av. 37

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Tabell 8. Laveste tenntemperaturer for alkan/luft-blandinger. (Data fra von Mujfling, 1946.) Brenngass

Metan II II

Etan II

Propan II

Butan II II

Pentan II II

Heksan II

II II

Heptan II II

Oktan

[°C]

Metode nr., definert i Tabell 7

2 4 8

850 810 800

2 2 2

L9 8,15

594 540

2 2

1,25 4,9

588 525

2 2

1,25 3,65 7,65

569 515 489

2 2 2

1,5 2,75 7,65

548 520 476

2 2 2

2 4 7 6,7

625 592 630 300

4 4 4 3

4 5 6,7

580 280 285

4 3 3

6,7

275

3

Vol. % brenngass i blanding med luft

Laveste tenntemp.

Laveste tenntemperatur for brennbare gasser og damper i luft bestem­ mes pr. dags dato i standardappparatur av den type som er vist i figur 16. Dette er en konservativ test som gjennomgående gir svært lave verdier. Gassblandingen som ønskes testet, føres inn nær bunnen av glasskolben ved hjelp av en gasstett injeksjonssprøyte. Et tilstrekkelig stort volum må injiseres til at all luft er fortrengt og konsentrasjonen av brenngass i kolben er lik konsentrasjonen i den injiserte gass. Ved testing av brennstoffer som er i væskeform ved normal tempe­ ratur, helles det ønskede væskevolum ned på bunnen av glasskolben ved hjelp av en pipette. Væsken fordamper og blander seg med luften i kolben til en eksplosiv blanding. Ved testtemperaturer godt over laveste tenntemperatur vil tenning finne sted umiddelbart etter at gassblandingen er injisert. Etter hvert som testtemperaturen senkes ned mot grensen for tenning, kan det imid­ lertid opptre en betydelig tidsforsinkelse mellom avsluttet injisering og 38

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 16. Apparatur anbefalt av International Electrotechnical Commission for bestemmelse av laveste tenntemperatur for gasser og damper. Gassblandingen som ønskes testet, føres inn i glasskolben (200 cm') ved hjelp av en gasstett injeksjonssprøyte. (Fra IEC Standard 79-4, 1987.)

39

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

tenning. IEC-testbeskrivelsen spesifiserer at testen skal anses som negativ dersom tenning ikke er inntruffet innen 5 minutter etter injisering. Den laveste testtemperatur som gir tenning, med en oppløsning på ± 2 °C, spesifiseres som testresultatet. Det forutsettes at brennstoffkonsentrasjonen varieres til den konsentrasjon er funnet som gir den laveste verdi av laveste tenntemperatur. Tabell 2 gir laveste tenntemperaturer for en del brennstoffer i luft, hvorav de fleste er bestemt ved hjelp av lEC-metoden (figur 16). Ver­ diene i tabell 2 er anbefalt som referanseverdier innen IEC-systemet. Som tabell 2 viser, synker laveste tenntemperaturer for n-alkaner i luft systematisk med antall C-atomer i molekylet. Et spørsmål som er aktuelt f.eks. i forbindelse med naturgass, er om det er mulig å si noe om laveste tenntemperatur for blandinger av for­ skjellige alkaner i luft ut fra gassens sammensetning. Forsøk har vært utført med blandinger av metan og henholdsvis etan, propan, n-butan, n-hexan og n-decan i luft. Det ble funnet en ulineær, men monoton økning av laveste tenntemperatur med økende metaninnhold for samt­ lige fem blandinger. Dersom publiserte verdier for den blanding man er interessert i ikke kan oppspores, må laveste tenntemperatur for blan­ dingen bestemmes eksperimentelt. Den sterke metodeavhengigheten burde kunne tas i betraktning når data for laveste tenntemperatur for gasser benyttes som grunnlag for vurdering av antennelsesfare i gitte praktiske situasjoner. Dette skulle tilsi at høyeste tillatte temperaturer på varme flater i praksis burde gjøres avhengige av den aktuelle situasjon. Klare retningslinjer for dette mangler imidlertid, og ytterligere eksperimentell og teoretisk forskning er nødvendig for å etablere en brukbar metode.

2.2.3 Brennende metallpartikler («friksjonsgnister») og «termitt»-reaksjoner som tennkilde Slag mellom faste legemer kan føre til minst tre forskjellige typer tennkilder. For det første kan slagstedet bli varmet opp til en så høy temperatur at en eksplosiv gassblanding i kontakt med det varme punktet blir antent. Dette er tenning ved varm flate, som allerede er behandlet i avsnitt 2.2.2. Mekaniske slag kan imidlertid også føre til at små oppvarmede fragmenter (partikler) av fast stoff rives løs og kastes ut i den om­ givende atmosfære. Spørsmålet er da hva som skal til for at slike «frik­ sjonsgnister» eller «slaggnister» skal kunne tenne eksplosive gassblan­ dinger. Dersom partiklene er av inert materiale, f.eks. mineraler, får vi samme forhold som for de inerte kulene i figur 14 i avsnitt 2.2.2. Når 40

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 17. Apparatur brukt av Pedersen og Eckhoff (1986) til bestem­ melse av brennende metallpartiklers / «termitt»-reaksjoners evne til å antenne eksplosive gasser i luft.

partikkeldiameteren blir betydelig mindre enn 1 mm, blir laveste tenn­ temperatur så høy at selv ikke hydrogen/luft vil bli antent av slagpartikler av inerte materialer. Dersom partikkelen er av metall, endres imidlertid situasjonen. Da kan den varme som partikkelen tilføres av slaget gi tilstrekkelig høy partikkeltemperatur til at metallet begynner å brenne (oksydere) i luf­ ten. Dette kan føre til svært høye «gnist»-temperaturer, av størrelses­ orden 2000 °C og høyere. Slike brennende «friksjons-gnister» kan under visse omstendigheter antenne gasser. Figur 17 viser en apparatur som er benyttet i undersøkelser av ten­ ning av forskjellige brenngasser i luft med brennende metallpartikler tra slag mellom forskjellige materialer. Slaghoder av forskjellige metaller ble montert på enden av en fjærbelastet slagarm, hvis totale lengde ble justert til litt mer enn avstanden ned til ambolten. Den del av kammerets ene endevegg og toppflate som slagarmen måtte passere gjennom for å nå ned til ambolten, var tynn plastfolie. Slaghodet var av ulike ståltyper eller titan, ambolten av rustet eller sandblåst stål. 4,6 vol. % propan i luft og 7,7 vol. % acetylen i luft ble benyttet som forsøksgasser. Energien i det tangentielle slaget ble vari­ ert ved å endre armens hastighet og den lille forskjellen mellom armens lengde før slaget og avstanden fra armaksen til ambolten. 41

Kap. 2 - Gasseksplosjoner'

Tabell 9. Resultater fra forsøk på å antenne 4,6 vol. % propan i luft med slag mellom forskjellige metaller og rustet stål. (Data fra Pedersen og Eckhoff, 1986.)

Materiale i slaghodet

St 37 - stål Krom-Vanadiumstål Syrefast stål «Gnistfritt» verktøy Titan

[J]

Antall observerte brennende partikler

8-10

20-50

Nei

6 8

10-30 5

Nei Nei

13-14 10-15

0 10-1000

Nei Ja

Netto slagenergi

Tenning?

Som det fremgår av tabell 9, var det ikke mulig å antenne 4,6 vol. % propan i luft med gnister eller varme flater dannet ved kollisjoner mel­ lom ulike ståltyper og rustet eller sandblåst stål. Med titan ble imidler­ tid gassblandingen antent. Tabell 10 viser resultater fra tilsvarende forsøk med 7,7 vol. % ace­ tylen i luft. Fargevideo-opptak (200 bilder pr. sekund) viste at acetylenblandingen ble antent av én enkelt brennende stålpartikkel. Antennelsen skjedde etter at partikkelen hadde beveget seg tilstrekkelig langt til at hastigheten var blitt redusert til < 5 m/s. Antennelse av acetylen ved de varme kontaktpunktene ble ikke observert når stål ble benyttet som gnistdannende materiale. Tabell 10. Resultater fra forsøk på å antenne 7,7 vol. % acetylen i luft med slag mellom forskjellige metaller og rustet stål. (Data fra Pedersen og Eckhoff, 1986.)

Materiale i slaghodet

Krom-Vanadiumstål Syrefast stål «Gnistfritt» verktøy Titan

42

[J]

Antall observerte brennende partikler

6 8

10 3-5

Ja Nei

8-10 10-15

0(1) 10-1000

Nei Ja

Netto slagenergi

Tenning?

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Frittflygende, brennende enkeltpartikler av titan antente både pro­ pan- og acetylen-blandingene når partiklenes hastighet var tilstrekke­ lig lav. I en del eksperimenter med titan mot rust ble det imidlertid dannet en kraftig lysende sone nær kollisjonsstedet, og flammeforplantingen startet her. I disse tilfellene var tennkilden en høytemperaturreaksjonssone frembragt av den sterkt varmeutviklende «termitt»reaksjonen: 3Ti + 2Fe2O3 -2 3TiO2 + 4Fe

(9)

Rent kjemisk vil en også forvente en «termitt»-reaksjon ved kollisjon mellom aluminium og rust. Med bløte aluminium-kvaliteter kan imid­ lertid kollisjonen føre til at metallet bare klines utenpå rusten. På grunn av metallets bløthet blir det da ikke generert nok varme i slaget til at «termitt»-reaksjonen kan starte. Derimot kan slike aluminiumbelegg på rust gi «termitt»-reaksjon ved slag fra f.eks. en stålhammen Figur 18 viser hvorledes tenningsfrekvensen i en serie repeterte for­ søk økte med økende slagenergi (økende differanse mellom slagarmens lengde og avstanden til ambolten i figur 17). Tangensiell slaghastighet er parameter. Innflytelsen av slaghastigheten er tilsynelatende usystematisk. Den lar seg imidlertid forklare dels ved at gnistdannelsen ved en gitt slagenergi avtar med avtagende slaghastighet, dels ved at tenning vanskeliggjøres av høye hastigheter. Powell (1969) refererer til en del praktisk anlagte undersøkelser hvor man bl.a. forsøkte å antenne eksplosive alkan/luftblandinger ved varme frembragt ved mekanisk slag av metaller mot bergarter.

Figur 18. Tennfrekvens som funksjon av netto slagenergi for titan mot rustet stål i 4,6 vol. % propan i luft, ved tre forskjellige tangensielle slaghastigheter. (Data fra forsøk utført av Pedersen og Eckhoff 1986.)

43

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Hovedkonklusjonen var at varme frembragt f.eks. ved slag med hånd­ hakker mot stein, kan antenne bl.a. alkan/luft. Men tennkilden er da sannsynligvis en varm flate, ikke metallpartikkelgnister. Andre forsøk viste imidlertid at gnistregn frembragt ved pressing av stål mot en roterende slipeskive kan antenne alkan/luft. I en annen undersøkelse ble prøvestykker av aluminium, titan, magne­ sium, krom, molybdenstål og vanlig rustfritt stål dradd bortover en betong- eller asfaltbetongplate i nærvær av flybensin og luft. Samtlige metaller, med unntak av aluminium (sannsynligvis pga. bløt kvalitet), gav antennelse. Kunnskapen om betingelsene for tenning av eksplosive gassblan­ dinger med brennende metallpartikler og stag-initierte «termitt»-reaksjoner er ennå ufullstendig, ikke minst når det gjelder aluminiumlegeringer.

2.2.4 Elektriske gnister som tennkilde for gasseksplosjoner 2.2.4.1 Gnistoverslagsspenning Elektriske gnister oppstår når det elektriske spenningsfelt blir sterkere enn det maksimum det aktuelle dielektriske medium kan tåle. Da brytes mediet ned og elektrisk energi utlades. Dersom det dielektriske medium er en gass, f.eks. luft, mellom to elektroder, initieres nedbrytningen nor­ malt ved at elektroner rives løs fra katoden i et såkalt «elektronskred» mot anoden. Dette fører til ionisering av gassen mellom elektrodene. Gnistgapet blir derved elektrisk ledende og elektrisk energi lades ut gjennom gapet som gjennom en ohmsk motstand. Forskjellen er at den ohmske motstand for en gitt elektrodeavstand og gass ikke er konstant, men avtar med økende strøm gjennom gnistgapet. I løpet av utladningen, f.eks. ved utladning av kondensatorer gjennom et gnistgap, vil gniststrømmen og derfor også gnistmotstanden variere. Figur 19 viser målte nedbrytningsspenninger i luft ved atmosfæres­ trykk og normal temperatur for gnistgap mellom metallelektroder av forskjellig geometri. Den kraftige feltkonsentrasjonen rundt spisse elektroder fører for en gitt elektrodeavstand til «elektronskred» ved en lavere gapspenning enn for elektroder med større kromningsradius. Nedbrytningsspenningen avhenger også av elektrodemateriale og mikrostrukturen i metalloverflaten. Kurvene i figur 19 må derfor betraktes som en omtrentlig illustrasjon. Ekstrapolasjon av figur 19 for nålespisser antyder at nedbrytnings­ spenningen er av størrelsesorden 1 kV for 0,1 mm gaplengde. Dette

44

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 19. Kritisk elektrisk spenning for gnistoverslag over metall-elektrode-gap i luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur. Innflytelse av elektrodens form. (Justerte data fra Smithsonian Physical Tab les, 1959.) Lengde av luftgap mellom elektroder (mm)

tilsier at gnistoverslag ved spenninger av størrelsesorden 100 V bare kan skje over svært korte gnistgap « 0,1 mm.

2.2.4.2 Laveste tennenergi og kvelningsavstand for eksplosive gassblandinger Figur 20 viser resultater fra måling av laveste gnistenergi for tenning av en støkiometrisk blanding av naturgass og luft, som funksjon av elektrodeavstanden. Som figur 20 indikerer, finnes det for en gitt gassblanding en gitt minste avstand for tenning med flensede elektroder. I det aktuelle til­ felle er den ca. 2,0 mm. Denne kritiske minsteavstand kalles kvelningsavstanden for den aktuelle gassblanding. Dette er den minste avstand to parallelle plater kan ha for at en laminær flamme skal kunne forplante seg i gassblandingen i gapet mellom platene. For lite frigjort varme ved forbrenning av gassen, i forhold til det konduktive varme­ tap fra flammen til veggene, er grunnen til at en gassflamme i en spalte vil kveles ved spaltevidder < kvelningsavstanden. Levik (1995) har med rette påpekt at bruken av ordet kvelning i denne forbindelse ikke er helt heldig. Vanligvis benyttes dette begrep når forbrenningsprosesser avbrytes ved fortrengning av oksygen. I det aktuelle tilfelle avbry­ tes forbrenningen ikke på denne måte, men ved nedkjøling. Figur 20 viser også at laveste gnistenergi for tenning med flensede og ikke-flensede elektroder har sammenfallende minsteverdi ved elektrodeavstander litt større enn kvelningsavstanden. Laveste gnistenergi for tenning i dette området kalles laveste tennenergi for den aktuelle gassblanding. For den støkiometriske naturgass/luftblandingen i figur 20 er laveste tennenergi i underkant av 0,5 mJ. Laveste tennenergi bestemmes vanligvis ved hjelp av kapasitive gnister utladet over et fast gnistgap med avstand noe større enn kvelningsavstanden. Dersom 45

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 20. Laveste gnistenergi for tenning av en støkiometrisk blan­ ding av naturgass og luft, som funksjon av elektrodeavstanden, med og uten glassflenser på elektrodene. (Fra Freytag, 1965, s. 50.)

Figur 21. Laveste tennenergi som funksjon av kvelningsavstanden for gnist-tenning av en rekke blandinger av brenngass i luft og andre oksyderende atmosfærer. (Fra Kuchta, 1985, s. 34.)

46

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

den eksterne motstand er liten i forhold til midlere gnistmotstand, kan gnistenergien med god tilnærmelse antas å være lik lagret kondensatorenergi før utladning, 1/2 CU2, hvor C er kondensatorens kapasitet og U initialspenningen over kondensatoren. Som man vil forvente er der en sammenheng mellom kvelningsavstand og laveste tennenergi. En gassblanding som krever lav energi for å bli antent, er også i stand til å brenne i en trang spalte. Figur 21 viser eksperimentelle verdier av laveste tennenergi som funksjon av kvelningsavstanden for en rekke forskjellige gassblandinger. For spe­ sielt lett antennelige gasser, som f.eks. karbondisulfid, hydrogen og acetylen (se figur 22), er kvelningsavstanden i luft ved atmosfæres­ trykk og normal temperatur bare noen få tiendedels millimeter for de lettest antennelige blandingsforhold. For alkaner i luft, bl.a. naturgass, er kvelningsavstanden av størrelsesorden et par mm. Figur 22 viser hvorledes laveste tennenergi varierer med forholdet brennstoff/luft for en del brennstoffer. For de fleste brennstoffer som er tatt med her, er den lettest antennelige blanding litt fetere enn støkiometrisk blanding. Når en verdi for laveste tennenergi for et gitt brenn­ stoff i luft angis i litteraturen, er det underforstått at den refererer seg til det lettest antennelige blandingsforhold, tilsvarende minimumsver­ diene for kurvene i figur 22. Disse verdier vil i det følgende bli beteg­ net med Emin.

Figur 22. Laveste gnist-energi for tenning av en del brennstoffer blandet med luft, ved atmosfærestrykk og normal temperatur, som funksjon av brennstoff-konsentrasjonen uttrykt ved «ekvivalensforholdet», som er definert som (vol. % brennstoff/vol. % luft)aktuellblanding/(vol. % brennstoff/ vol. % luft)støk .blanding- (Fra Freytag, 1965, s. 50.)

47

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Tabell 11. Laveste tennenergi, Emin, for noen brennstoffer i luft ved atmosfære s-trykk, normal temperatur og lettest antennelig blandings­ forhold brennstojf/luft. (Data i hovedsak fra Freytag, 1965.)

Brennstoff

Metan Etan Propan Butan Heksan Heptan Cykloheksan Metanol Bensen Dietyleter Cyklopropan Etylen Etylenoksyd Acetylen Hydrogen Karbondisulfid

Brennstoffkonsentrasjon i luft [vol. %]

Laveste tennenergi Emin [mJ]

8,5 6,5 5,3 4,7 3,8 3,4 3,8 — 4,7 5,1 6,3 — — — 30 —

0,28 0,25 0,26 0,25 0,24 0,24 0,22 0,20 0,20 0,19 0,17 0,07 0,06 0,019 0,019 0,009

Tabell 11 gir verdier for Emin for en del brennstoffer i luft ved atmo­ sfærestrykk og normal temperatur. Verdiene i tabell 11 er bestemt ved hjelp av gnister fra utladning av kondensatorer. En gjennomgang av litteraturen for tenning av f.eks. metan/luft med induktive gnister, pro­ dusert ved å bryte strømførende kretser, tyder på at tabell 11 også er gyldig for tenning med slike gnister. Det viser seg at man, når det kompenseres for tap til elektroder («heat sink» effekt), finner stort sett samme laveste tennenergi (1/2 Li2) med induktive gnister frembragt ved strekking av strømførende tråder til brudd, som med gnister fra kondensatorutladninger (1/2 CU2). (Se avsnitt 2.2.4.3.) Forskning har vist at man ved ekstrem optimalisering av den elek­ triske gnists karakteristika, elektodearrangement etc. kan måle enda litt lavere verdier for Emin enn dem som er angitt i tabell 11. På den annen side er verdiene i tabell 11 egentlig svært konservative. For det første er gassblandingen helt i ro (turbulens hever laveste tennenergi). For det annet har den optimalt blandingsforhold brennstoff/luft for tenning. For det tredje er elektrodeavstanden optimal (litt større enn kvelningsavstanden). I noen testmetoder for gnistantennelighet av gassblandinger tas kon­ sekvensen av dette. Tenningsforsøkene utføres da ved ikke-optimale 48

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

tennings-betingelser med hensyn til gnistgapets geometri og gassblandingens bevegelsestilstand. Generelt øker laveste tennenergi når gassen settes i bevegelse i for­ hold til tennkilden. Dette gjelder så vel økende midlere gasshastighet forbi gnistgapet som økende turbulensgrad i området rundt gnistgapet. Eksempelvis fant en i en undersøkelse ved 0,17 bar (abs.) at laveste tennenergi økte med en faktor på 5 ved en økning av gasshastigheten forbi gnistgapet fra 0 til 15 m/s. En økning av turbulensintensiteten fra 0 til 3,5 m/s hevet laveste tennenergi med en faktor på omkring 10.

2.2.4.3 Gnister ved bryting og slutting av strømkretser Strømkretser i elektrisk utstyr og instrumenter har forskjellige funk­ sjoner og derfor varierende oppbygning. Dersom kretsen er kapasitiv, vil spenning kunne bygge seg opp på kondensatoren(e) når kretsen er brutt. Ved slutting av strømmen kan kondensatorene bli ladet ut igjen. Men bevegelse av bryterelektrodene tar en viss tid, og før kontaktelementene i bryteren er kommet helt i berøring med hverandre, vil det løpe en gnist over det gjenværende gap. I andre tilfeller er kretsen overveiende induk­ tiv. Dette betyr at gnistfaren er knyttet til bryting av kretsen. I teorien er maksimalverdien for energien Eg som kan avgis i gnis­ ten ved slutting eller bryting av strømkretsen henholdsvis E„ = f CL'2 O

/

(10) x

z

for rene kapasitive kretser, og Eg = |lI2

(11)

lor rene induktive kretser. Her er C kapasitans, U spenning, L induk­ tans, og I strøm. Figur 22a viser en standardisert (IEC) apparatur for undersøkelse av om bryting eller slutting av en gitt elektrisk krets kan generere tenndyktige gnister. Sporet i den roterende kadmiumskiven gjør at kontakten mellom den tynne wolframelektroden og skiven vekselvis brytes og sluttes. Figurene 22b og 22c viser standardiserte «tennkurver» (IEC) for metan/luft (Gassgruppe 1 med referanse til kullgruver. Se avsnitt 2.2.6) for henholdsvis kapasitive og induktive kretser med de angitte parame­ tre. Dersom den aktuelle krets lar seg identifisere og isolere, kan en ved hjelp av slike kurver finne ut om tenning kan skje ved bryting eller slut­ ting av kretsen. Tilsvarende standardiserte kurver finnes også for gassgruppene IIA (propan/luft), IIB (etylen/luft) og IIC (hydrogen/luft). 49

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Press-skrue

Trykk-plate

Klembøyle

Eksplosjonskammer

Elektrodeholder

Kadmium kontaktskive Wolfram kontakttråd Basisplate

Gummipakning

Gasstilførsel

Gassutstrømnmg.

Isolerende lager

Isolerende lager Isolerende skrue

Isolerende skrue

Strø mtilkobling Isolerende plate

Strømtilkobling

Isolerende kobling

Tannhjulsoverføring med utveksling 50/12 Motor med tannhjulsutveksling 80 omdr./min.

Figur 22a. Apparatur for eksperimentell testing av elektriske kretsers evne til å generere tenndyktige elektriske gnister ved bryting og stut­ ting av strøm. (IEC Standard 79-3, 1990).

NB'. I annen industri enn kullgruver, f.eks. olje- og gassinstallasjoner

til havs og oljeraffinerier, plasseres metan/luft i gruppe IIA. De spesi­ fikke grensekurvene for tenning som er brukt som illustrasjoner i figu­ rene 22b og 22c, gjelder derfor bare i kullgruver. I figurene 22b og 22c er også inntegnet linjene for henholdsvis. |CU2 = 0,28 mJ og = 0,28 mJ.

Verdien 0,28 mJ er den laveste gnist-energi som kan tenne støkio­ metrisk metan/luft når energitapet til elektrodene er minimalisert bl.a. ved at elektrodeavstanden > kvelningsavstanden (se figur 20). Minimalenergiene for tenning ved hjelp av apparaturen vist i figur 22a er vesentlig høyere enn 0,28 mJ, noe som antagelig i hovedsak kan tilskrives at gnistoverslaget finner sted med elektrode-avstander « kvelningsavstanden.

50

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 22b. Eksperimentelle standard «tennkurver» for metan/luft (IEC) for kapasitive kretser fastlagt ved hjelp av standardapparaturen vist i figur 22a. Sammenligning med linjen for laveste tennenergi for metan/luft.

2.2.4.4 Elektrostatiske gnister mellom to ledende elektroder Når en ujordet, elektrisk ledende komponent lades opp triboelektrisk (ladnings-overføring mellom objekter av ulike stoffer i kontakt, når objektene separeres), skapes i realiteten en oppladet kondensator. Utladning av kondensatoren i form av en gnist vil finne sted dersom det etableres en forbindelse til jord via et gnistgap som er tilstrekkelig kort til at det kan brytes ned ved den aktuelle spenning (se figur 19). Kapasitansen til ujordede, ledende objekter varierer med type og stør­ relse. Eksempelvis vil en 100 mm 0 metallflens ha en typisk kapasitans til jord på 10 pF. For et ujordet 200-liters stålfat er kapasitansen til jord i området 100-300 pF, mens en tankbil representerer ca. 1000 pF. Ifølge lign. (10) vil da eksempelvis oppladning av disse objektene til 10 kV gi maksimale gnistenergier på 0,5 mJ, 5-15 mJ og 50 mJ for henholdsvis flensen, fatet og tankbilen. Alle disse verdier er høyere enn laveste tennenergi (standard-test) for eksempelvis naturgass (= 0,25 mJ). Et viktig spesialtilfelle er utladning av elektrostatisk oppladede per­ soner. Oppladningen skjer triboelektrisk eksempelvis når personen rei­ ser seg fra en stol, vrenger av seg en genser, eller går over et gulv. Utladning kan så skje når personen er i ferd med å berøre jord, f.eks. med en finger eller et uisolert metallobjekt som holdes i hånden. Dersom utladningen finner sted i et område med eksplosiv gass­ blanding, kan resultatet bli en gasseksplosjon. Forskning har vist at en elektrostatisk oppladet person utlades etter ekvivalentkretsen vist i figur 22d.

51

Kap. 2 - Gasseksplosjojzer

Figur 22c. Eksperimen­ telle standard «tennkurver» for metan/luft (IEC) for induktive kretser fast­ lagt ved hjelp av standard-apparaturen vist i figur 22a. Sammenligning med linjen for laveste tennenergi for metan/luft.

En person kan antas å ha en kapasitans til jord i området 100-300 pF, dvs. av samme størrelsesorden som et 200-liters stålfat. Det kan videre antas at den lagrede energi ^CU_ ved utladning fordeles omtrent likt mellom den ekvivalente seriemotstand R og gnistgapet. Dette betyr at gnistenergien ikke kan bli høyere enn 1CU2

Figur 22d. Utladning av elektrostatisk oppladet person til jord. (Fra Glor, 1988, s. 69.)

52

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

2.2.4.5 Børste- og koronautladning av statisk elektrisitet (én-elektrodeutladning) Disse to utladningsformer og deres tenndyktighet er utførlig diskutert av Liittgens og Glor (1989). I begge tilfeller stammer energien i utladningen fra elektrostatisk overskudds-ladning tilført en elektrisk isolerende flate tribo­ elektrisk (kontakt mellom, og etterfølgende separasjon av to ulike stoffer). Dersom en jordet elektrisk ledende elektrode bringes inn i det kraf­ tige elektriske felt i nærheten av en sterkt oppladet elektrisk isolerende flate, vil feltet kunne brytes ned og utladning finne sted som illustrert i figur 23. Dersom elektrodens ende har en krumningsradius på minst noen få mm, vil utladningen ligne på en gammeldags sopelime. Den har da et kraftig, konsentrert «skaft» nærmest den jordede elektroden, som går over i en vifteformet «børste» mot den ladede flaten. En slik utladning kalles derfor en «børste»-utladning. Hvis den jordede elektroden er spiss, dvs. har en krumningsradius på < 1 mm, vil energiinnholdet i «skaftet» bli neglisjerbart, og utladningen vil i hovedsak skje gjennom selve børsten. Dette kalles en koronautladning. Det antas i dag at koronautladninger ikke kan tenne blandinger av gass/dampformig brennstoff og luft med mindre laveste tennenergi (2 elektroder) er lavere enn 0,025 mJ. Dette gjelder bare noen ganske få brennstoffer, som karbondisulfid, hydrogen og acetylen. Børsteutladninger er derimot langt mer tenndyktige og kan initiere eksplosjo­ ner i f.eks. alkan/luftblandinger. Mens energien i gnistutladninger mellom to elektroder kan måles forholdsvis enkelt, er slike målinger praktisk talt umulige å gjennom­ føre for børste- og koronautladninger. En er i stedet henvist til indi­ rekte bestemmelse av såkalte ekvivalent-energier. En gjennomfører da systematiske forsøk med en egnet brenngass i forskjellige blandings­ forhold med luft, og bestemmer det forhold som akkurat lar seg tenne med den aktuelle én-elektrodeutladning. Laveste tennenergi (2 elek­ troder) bestemmes så for dette blandingsforhold og brukes som mål for «ekvivalent»-energien for den aktuelle én-elektrodeutladning. Polariteten for overskuddsladningen på den isolerende flaten påvir­ ker ekvivalent-energien. Dette er et kompliserende forhold. Høyest ekvivalentenergi fås dersom flaten er negativt ladet. Ekvivalentenergien for de fleste varianter av børste-utladninger ligger i området 1-4 mJ.

2.2.4.6 Propagerende børsteutladning fra isolatorer Også denne én-elektrode utladningsform er diskutert utførlig av Liittgens og Glor. Den er illustrert i figur 24 og kan gi «gnister» med svært høye ekvivalentenergien som vil kunne antenne de aller fleste eksplosive gass/luft og damp/luft-blandinger. 53

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

BØRSTEUTLADNING

Jordet elektrode med krumningsradius > 2-3 mm

Høy romlig energitetthet i kraftig kanal

av romlig energitetthet

Elektrostatisk oppladet

isolator

KORONAUTLADNING

Figur 23. Illustrasjon av to typiske former for elektrostatiske én-elektrode-utladninger fra elektrostatisk ladede isolatorflater.

Dannelse av slike utladninger forutsetter mye høyere ladningstetthet enn den som kan opptre på en isolatorflate generelt. Dette blir mulig f.eks. dersom isolatorflaten er tynn og i kontakt med jordet metall. Da vil ladning med polaritet motsatt av den som er bygget opp på isolatoren, forflytte seg i metallet og akkumuleres like ved grensen til isolatorfilmen. Feltstyrken i luften utenfor isolatorfilmen ved en gitt ladningstetthet på filmen, blir derved mye lavere enn om isolatoren ikke var i kontakt med jordet metall. Filmen kan derfor holde på mye høyere ladningstetthet når den er i kontakt med jordet metall. (En lign­ ende effekt kan oppnås i laboratorieforsøk ved «koronasprøyting» av 54

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Jordet elektrisk ledende materiale Figur 24. Illustrasjon av propagerende børsteutladning fra elektro­ statisk oppladet isolatorflate.

ladning av motsatt polaritet på de to sidene av en tynn isolerende film.) I praksis kan situasjonen i figur 24 opptre f.eks. ved strømning av elek­ trisk isolerende væske i et jordet stålrør med et elektrisk isolerende innvendig belegg.

2.2.5 Tenning av en eksplosiv gassblanding med en stråle av varm forbrenningsgass. Største sikre ekperimentelle spaltegap (MESG) o

Årsaken til at denne tenningsmekanismen er viktig i den aktuelle sam­ menheng. er illustrert skjematisk i figur 25.

Instrumentkapsling Stråle av varm forbrenningsgass

Trang spalte eller annen åpning

Gasseksplosjon Figur 25. Illustrasjon av forbrenning av en eksplosiv gassblanding inne i en instrumentkapsling med en trang spalteformet forbindelse til omgivelsene.

55

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 26. Kritisk oksygenindeks for tenning av en eksplosiv gassblan­ ding i et sekundærkammer, med en varm stråle av forbrenningsgass fra en gass-eksplosjon i et primærkammep som funksjon av lengden av for-bindelsesrøret mellom de to kamrene. Volum av primærkammer: 80 cm3. Volum av sekundærkammer: 3,8 liter. (Data fra Wolfhard og Bruszak, 1960.)

Under en gasslekkasje e.l. kan brennbar gass under ugunstige omsten­ digheter trenge inn i instrumentkapslinger og danne en eksplosiv blan­ ding med luften der. Dersom blandingen antennes, f.eks. av en elek­ trisk gnist, kan det bygge seg opp høye trykk i kapslingen. (Se avsnitt 2.1.7, tabell 5.) Trykket vil bli avlastet ved at de varme forbrennings­ produktene presses ut i omgivelsene med svært høy hastighet i form av en eller flere turbulente varmgass-stråler. Spørsmålet er da om de(n) varme gass-strålen(e) vil antenne en eksplosiv gass-sky utenfor kaps­ lingen. Svaret avhenger bl.a. av lekkasjestedenes geometri. Figur 26 gir noen resultater fra forsøk med tenning av eksplosiv gass i et sekundærkammer med en varmgass-stråle fra en gasseksplo­ sjon i et primærkammer. Innflytelsen av lengden av rørforbindelsen mellom de to kamre ble studert for forskjellige gassblandinger i sekun­ dærkammeret og for forskjellige rørdiametre. Gassblandingen i primærkammeret var støkiometrisk metan/oksygen/nitrogen, og oksygenindeksen var definert som (vol. % oksygen)/(vol. % oksygen + vol. % nitrogen). Kurvene i figur 26 angir laveste kritiske oksygenindeks i primærkammeret for tenning i sekundærkammeret med varmgass-strålen fra primærkammeret. Figur 26 viser at tenning i sekundærkammeret skjedde lettest når lengden av rørforbindelsen var 5-10 mm. Så vel kortere som lengre 56

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Figur 27. Prinsippskisse av rotasjonssymmetrisk apparatur brukt ved PTB i Tyskland for bestemmelse av «største sikre eksperimentelle spaltegap» (MESG). Volumet av det indre kammer er 8 liter.

rør gjorde tenning med den varme gass-strålen vanskeligere ved like forsøksbetingelser for øvrig. Ved svært korte rør blir romvinkelen til varmestrålen forholdsvis vid, og store mengder kald, uforbrent gass blandes inn og kjøler de varme forbrenningsgassene ned før tenningsprosessen kommer i gang. Svært lange rør fører til at forbrenningsgassen kjøles kraftig ned av rørveggen før den blandes med uforbrent gass. Ved optimal rørlengde for tenning har den kombinerte kjøling på grunn av disse to effekter et minimum. Figur 27 illustrerer en type standardapparatur i bruk ved bestemmelse av det såkalte «største sikre eksperimentelle spaltegap» (maximum experimental safe gap. MESG) for forhindring av at en eksplosjon i et primærkammer skal kunne forplante seg gjennom spalten og antenne en eksplosiv gass-sky utenfor. Det er interessant å merke seg at volumet av primærkammeret har liten innflytelse på største sikre eksperimentelle spaltegap, i området 20 ml til 8 1. Dette er illustrert i figur 28 med data for en del forskjel­ lige gassblandinger. Denne uavhengighet av primærkammervolum forutsetter at sekundærkammeret er tilstrekkelig stort til å forhindre prekomprimering av gassen der før tenning. Både 20 ml og 8 1 primærkammervolum er i bruk i standardtester. I IEC-apparaturen benyttes 20 ml. Tenningsstedet har innflytelse på test­ resultatet. Figur 27 antyder to alternative tenningssteder, sentralt og ca. 10 mm fra spalten. Ved testing varieres tenningsstedet. Tenning nær spalten gir normalt de laveste MESG-verdiene. 57

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 28. Innflytelse av volum av primærkammer på største sikre eks­ perimentelle spaltegap (MESG). Data fra forsøk ved PTB, Tyskland. (Fra Phillips, 1987.)

Figur 29 gir et sett med forsøksresultater som viser den samme effekt som figur 26.1 dette tilfelle ble imidlertid forsøkene utført i en apparatur av samme type som illustrert i figur 27. Spaltelengden ble variert i om­ rådet 0-25 mm og det ble gjort målinger for forskjellige brennstoffkonsentrasjoner. Figur 29 viser at MESG var minst for et spaltegap på 1 mm. Med en skarp kant (L = 0 mm) kunne gapet økes noe uten at tenning i sekundærkammeret fant sted. For større spaltelengder enn 1 mm økte MESG systematisk med økende L, som for rørstråletenning (figur 26).

Figur 29. Største sikre eksperimentelle spaltegap i standard MESG test for for-skjellige spaltelengder L, som funksjon av brennstojfkonsentrasjon i blanding med luft. Brennstoff: 30 vol. % metan + 70 vol. % hydrogen. (Data fra Maskow, 1950.)

58

Kap. 2 - Gasseksplosjoner

Figur 30. Største sikre eksperimentelle spaltegap (MESG) som funk­ sjon av brenn-stojfkonsentrasjonen for tre alkaner i luft ved atmo­ sfærestrykk og normal temperatur. (Data fra Alfert, 1985.)

I standardtester brukes for det meste en gaplengde på 25 mm. Figur 30 viser resultater fra bestemmelse av MESG i standardapparatur for blandinger av de tre laveste alkanene i luft. Det er interessant å merke seg at de U-formede kurvene i figur 29 og figur 30 ligner på dem for laveste tennenergi i figur 22. Det er en systematisk sammenheng mellom laveste tennenergi, Emin, og den laminære kvelningsavstand (figur 21) på den ene side, og MESG målt med standardmetoden på den annen. Som en første tilnærmelse vil MESG være omtrent halvparten av laminær kvelningsavstand. Eksem­ pelvis er de to verdier for metan/luft henholdsvis 1,14 og 2,0 mm, for propan/luft 0,92 og 1,7 mm, og for hydrogen/luft 0,28 og 0,64 mm.

2.2.6 Gruppering av brennbare gasser og damper i «faregruppene» I, IIA, IIB og IIC MESG brukes som det ene av to kriterier for gruppering av brennbare gasser og damper i såkalte «faregrupper». Jo mindre MESG, desto større tare for antennelse. Med referanse til eksplosjonsbeskyttelse av kullgruver ble metan tildelt en egen gruppe, med betegnelse I. Alle øvrige gasser og damper er fordelt på de tre gruppene IIA, IIB og IIC. I all annen industri enn kullgruver, f.eks. i olje- og gassutvinning til havs, behandles metan som en IIA-gass. IIA-gassene er de minst eksplosive av Il-gruppene, med MESG > 0,90 mm. IIB omfatter gas­ ser med MESG i området 0.50 mm til 0,90 mm. mens den mest 59

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

eksplosive gruppen, med bl.a. hydrogen og acetylen, omfatter de let­ test antennelige gasser med MESG < 0,50 mm. Tabell 2 i avsnitt 2.1.3 gir MESG og tilhørende faregruppe for en del gasser og damper i luft. Det andre fareklassihserings-kriterium er den såkalte «laveste tennstrøm», MIC, som også er bestemt ved en nøye standardisert testmetode. Den såkalte «MIC-ratio» er forholdet mellom MIC for den aktuelle gass og tilsvarende verdi for metan. Gasser og damper med «MICratio» > 0,8 klassifiseres i gruppe IIA, mens 0,8 > «MIC-ratio» > 0,45 omfatter gruppe IIB og «MIC-ratio» < 0,45 gruppe IIC. MESG brukes som kriterium ved spesifisering av utstyr av type «Ex d» (se kapittel 7), mens «MIC-ratio» brukes for «Ex i»-utstyr (se kapittel 7). For en gitt gass eller damp skal begge kriterier gi den samme gassgruppeklassifisering. (Se for øvrig appendiks A i europanorm EN 50014.)

2.2.7 Tenning av eksplosiv gassblanding ved adiabatisk kompresjon Denne form for tenning er av liten praktisk betydning i forbindelse med instrumentering i eksplosjonsfarlige områder. Den tas likevel med her fordi den belyser en side ved tenning av eksplosive gassblan­ dinger som ikke dekkes av de andre tennmekanismene som er beskre­ vet ovenfor. Betrakt en eksplosiv gassblanding i en sylinder hvor gassen kan komprimeres adiabatisk (dvs. uten varmetap til omgivelsene) ved hjelp av et stempel. Som en følge av kompresjonen øker både gassens temperatur og trykk. Dersom kompresjonsgraden er tilstrekkelig, vil

Figur 31. Trykk som funksjon av tid ved hurtig kompresjon av en blan­ ding av hydrogen og luft i en sylinder med stempel, til 13 bar og 557 °C. Eksplosjonen kommer først etter en induksjonstid på ca. 13 ms. (Fra Freytag, 1965, s. 40^12.)

60

Kap. 2 — Gasseksplosjoner

Ekvivalensforholdet, X [-]

Figur 32. Induksjonstid for tenning av blandinger av fire alkaner og luft som funksjon av brennstoffinnholdet, ved adiabatisk kompresjon fra atmosfærestrykk og normal romtemperatur til 350 °C. Ekvivalens­ forholdet er definert som [(vol. % brennstoff)/(vol. % Iuft)]aktuell blan. din/[(vol. % brennstojf)/(vol. % luft)]støkManding. (Fra Freytag, 1965, s. 43.)

gassblandingen bli antent. Tennings-tidspunktet er imidlertid tidsforsinket med en såkalt induksjonstid t i forhold til tidspunktet for oppnå­ else av det ønskede kompresjonstrykk. t er en funksjon av kompresjonstrykket, og avtar med økende trykk. Figur 31 viser hvorledes trykket utviklet seg ved hurtig kompresjon av en hydrogen/luft-blanding. Figur 32 og figur 33 gir en del induksjonstids-data for adiabatisk kompresjon av alkaner i luft.

Figur 33. Induksjonstid for ten­ ning av blandinger av heksan og luft i forskjellige forhold, etter adia­ batisk kompresjon fra atmosfæ­ restrykk og normal romtemperatur til forskjellige, høyere temperatu­ rer. (Fra Freytag, 1965, s. 43.) Volum % n-Heksan i luft

61

Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft (tåkeeksplosjoner) Dette kapittel er i vesentlig grad bygget på informasjon samlet i en litteraturstudie av Eckhoff (1991).

3.1 Innledning Tåkeeksplosjoner er, som et resultat av flere prosesser i serie, et kom­ plekst fenomen. Første trinn er generering av tåken. Ved ulykker i prosessindustrien skjer dette som oftest når brennbar væske under høyt trykk lekker ut i atmosfæren, f.eks. via defekte pakninger. De fine dråpene dannes ved mekanisk «forstøvning» av væsken på grunn av høye lekkasjehastigheter. (Under visse forhold, som i veivhus i store skipsmotorer, kan slik tåke imidlertid også dannes ved kondensasjon fra dampfase.) Dråpestørrelsen er en viktig parameter i eksplosjonssammenheng. Både tennfølsomhet og eksplosivitet øker systematisk med avtagende dråpediameter ned til ca. 10 pm. Dråpestørrelsen i en tåke holder seg imidlertid ikke konstant over tid. Ved kollisjon mellom dråpene løper de sammen til større dråper, som til sist sedimenterer ut som «regn» når de blir tilstrekkelig store. Både den komplekse dråpegenereringsprosess og den etterfølgende dråpevekst ved inter-dråpekollisjoner (koalescens) bidrar til å vanskeliggjøre predikering av dråpestørrelsesfordelinger i tåker fra lekkasjeuhell i praksis. En annen viktig parameter er væskens kokepunkt. Dråper av lavtkokende væsker som f.eks. heptan, vil fordampe raskt i luft. En tåke av en slik væske i luft har tennfølsomhet og forbrenningsegenskaper nær opp til tilsvarende egenskaper for homogene blandinger av gassformige hydrokarboner og luft.

63

Kap. 3 — Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

For væsker med forholdsvis høyt kokepunkt, vil tåkens tenn- og eksplosjons-egenskaper nærme seg egenskapene for skyer av organiske støv med samme partikkelstørrelse (omtale av støveksplosjoner i kapittel 4). Det finnes forholdsvis lite kvantitativ kunnskap om tåkeeksplosjoner. Kontrollert forbrenning av væsketåke («spray») i f.eks. gassturbiner har imidlertid ført til omfattende eksperimentell og teoretisk forskning omkring så vel forbrennings- som tenningsegenskaper for tåker. Denne kunnskap er i høy grad relevant også for forståelsen av den ukontrollerte forbrenning som finner sted i tåkeeksplosjoner. Når det gjelder elektrisk utstyr i områder hvor det kan opptre brenn­ bare tåker, synes det ikke å finnes spesielfe retningslinjer. En er derfor henvist til å følge de bestemmelser som gjelder for eksplosiv gass.

3.2 Forbrenning av tåker av brennbare væsker i luft 3.2.1 Laminær forbrenningshastighet Det finnes få publiserte arbeider om laminær flammeforplantning i brennbare tåker. Dette skyldes bl.a. at den eksperimentelle bestemmelse er forholdsvis komplisert, særlig når dråpestønælsen skal kontrolleres. Figur 34 viser noen resultater for nær laminær forbrenning av tetralindråper i luft. (Tetralin er en syklisk organisk forbindelse med molekylvekt 132, kokepunkt 207 °C og flammepunkt 71 °C.)

Figur 34. Eksperimentelt bestemte flammehastigheter (vertikal for­ brenning oppover) for tåke av monodisperse tetralindråper i luft, som funksjon av dråpe-størrelsen. (Fra Chan og Jou, 1988; Burgoyne og Cohen, 1954.)

64

Kap. 3 - Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

Figur 34 viser at to forskjellige undersøkelser gav noe avvikende resul­ tater. Begge konkluderer imidlertid med at det finnes to forskjellige regimer for forbrenning av tetralintåke, avhengig av dråpestørrelse. I det ene regime, for dråpediametre < 10 pm, fordamper dråpene fullstendig i forkant av forbrenningsprosessen, og forbrenningen får karakter av en flamme i forblandet brenngass/luft. I det andre regime, for dråpediame­ tre > 50 pm, brenner dråpene individuelt, og flammeforplantningen skjer heterogent fra dråpe til dråpe. Det markerte maksimum for flammeforplantnings-hastigheten som fremkommer i den nyeste av de to undersøkelser, opptrer i overgangsområdet mellom de to regimer. Tetralin har et forholdsvis høyt kokepunkt. For tåker av væsker med forholdsvis lave kokepunkt vil en forvente at overgangsområdet mel­ lom de to regimer flyttes mot større dråper enn i figur 34. Figur 34 illustrerer at flammeforplantning i en tåke er mer kom­ pleks enn i forblandet brenngass/luft. For forholdsvis store dråper vil også sedimentasjonshastigheten til dråpene spille inn, og forholdene ved flammeforplantning oppover og nedover blir forskjellige. Figur 34 indikerer imidlertid at den målte flammehastigheten for tetralindråper, med unntak av det nevnte maksimum, er av samme størrelsesorden som den laminære forbrenningshastighet for forblan­ det gassformig hydrokarbon/luft.

3.2.2 Turbulent forbrenningshastighet i tåker Figur 35 viser noen eksperimentelle resultater for turbulent (Reynolds tall Re ~ 105) flammeforplantning i tåker av kerosin (petroleumdestillat, kokepunktområde 180-300 °C, flammepunktområde 38-66 °C).

Lufthastighet i kanal (m/s]

Figur 35. Innflytelse av strømningsgenerert turbulens på netto flammehastighet i tåker i luft av kerosin med forskjellige midlere dråpestørrelser. Forholdet brennstoff/luft er litt over støkiometrisk (ekvivalensforholdet Uk 1,1). Fåken strømmer i en horisontal kanal med rektangulært tverrsnitt {bredde 30 cm, høyde 10 cm). {Data fra Richards og Lefebvre, 1989.)

65

Kap. 3 - Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

Ved en økning av strømningshastigheten (proporsjonal med Re) med en faktor på 3, øker netto flammehastighet for 90 pm dråpe størrelse med omtrent samme faktor. Når dråpe-størrelsen reduseres, øker netto flam­ mehastighet over hele området av undersøkte lufthastigheter, men den relative økning med lufthastigheten avtar med avtagende dråpediameter. Figur 36 viser hvorledes netto turbulent flammehastighet varierer med blandingsforholdet brennstoff/luft. For små dråper har den sitt maksimum omkring støkiometrisk konsentrasjon (X = 1). Etter hvert som dråpestørrelsen øker, forskyves maksimum mot fetere blandinger (X > 1). Dette illustrerer den komplekse heterogene natur av forbren­ ningen for større dråper. Figur 37 viser at netto turbulent flammehastighet er praktisk talt identisk for de tre forskjellige organiske væskene kerosin, toluen og dekalin, så lenge dråpene er små (30 pm). For større dråper opptrer en viss forskjell, med toluen øverst, deka­ lin i midten og kerosin nederst. Netto flammehastighet øker med andre ord noe med avtagende kokepunkt for væsken (se kokepunktsverdier i figur 37). Den fulle, detaljerte sammenheng mellom netto flammehastighet på den ene side, og dråpestørrelse, turbulensgrad, brennstoffkonsentrasjon

Figur 36. Innflytelse av blandingsforholdet brennstoff/luft og dråpe­ størrelsen på netto flammehastighet i en tåke av kerosin-dråper i luft som strømmer med 25 m/s i en horisontal kanal med rektangulært tverrsnitt (bredde 30 cm, høyde 10 cm). (Data fra Richards og Lefebvre, 1989.)

66

Kap. 3 - Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

Figur 37. Innflytelse av blandingsforholdet brennstoff/luft på netto flamme-hastighet i tåker for tre forskjellige brennstoffer. Dråpediameter 30 pm. Tåken strømmer med 20 m/s i en horisontal kanal med rek­ tangulært tverrsnitt (bredde 30 cm, høyde 10 cm). (Da ta fra Ri cha rds og Lefebv re, 1989.)

m.m. på den annen, er kompleks. Det er likevel grunn til å tro at forbren­ ning av tåker av væskeformige hydrokarboner i en eksplosjonssituasjon ikke vil avvike markert fra forbrenning av forblandede hydrokarbongasser. Eksperimentell undersøkelse av denne antagelse er imidlertid nødvendig før endelige konklusjoner kan trekkes.

3.2.3 Detonasjon i væsketåke Eksperimenter har vist at detonasjon i tåker av hydrokarboner i luft er mulig på samme måte som i forblandet hydrokarbongass/luft (se avsnitt 2.1.6) Detonasjons-hastighetene ligger i området 1300-1600 m/s, dvs. litt lavere enn hastighetene for forblandet hydrokarbon­ gass/luft (se avsnitt 2.1.6).

3.2.4 Maksimalt eksplosjonstrykk ved adiabatisk forbrenning av tåker i luft ved konstant volum Det har ikke lykkes å oppspore relevante eksperimentelle data for adiabatiske eksplosjonstrykk ved konstant volum. Det er imidlertid grunn til å anta at verdiene tor tåker av organiske væsker er av samme størrelses­ orden som for forblandet hydrokarbongass/luft, (se avsnitt 2.1.7).

67

Kap. 3 - Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

3.3 Tenning av brennbare tåker 3.3.1 En varm flate som tennkilde Problemstillingen er den samme som beskrevet for gasser og damper i avsnitt 2.2.2. Det har imidlertid ikke lykkes å oppspore spesifikke standardmetoder for bestemmelse av laveste tenntemperatur for tåker. Figur 38 viser laveste tenntemperatur for tåke av JET-A-brennstoff (petroleum-destillat, nær beslektet med kerosin). Merk at den vertikale akse bare spenner over ca. 100 °C. Figur 38 gir også laveste tenntemperaturer for propan/luft bestemt med den aktuelle målemetode. Det ses at resultatene ligger nærmere fire hundre grader høyere enn verdien for propan/luft i tabell 2 i avsnitt 2.1.3. Dette skyldes at laveste flatetemperatur for tenning er sterkt avhengig av utformingen av testmetoden, som diskutert i avsnitt 2.2.2. Det samme må antas å gjelde for brennbare tåker. En kan derfor neppe betrakte den laveste verdi for JET-A på ca. 770 °C i figur 38 som noe absolutt minimum. En annen testkonfigurasjon kan gi betyde­ lig lavere verdier. Under svært konservative testbetingelser kan det til og med forventes lavere verdier enn 493 °C for propan/luft i tabell 2.

Figur 38. Innflytelse av forholdet brennstoff/luft på laveste temperatur av oppvarmet vegg i vertikal ovn, for tenning av tåke av JET-A-brennstoffi luft. Dråpestørrelse < 50 pm. Sammenligning med propan/luft i samme apparatur under identiske strømningsforhold (1 m/s). (Data fra Graves et al., 1986.)

68

Kap. 3 — Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

Midlere hastighet av tåkesky gjennom ovn [m/s]

Figur 39. Innflytelse av midlere strømningshastighet til tåken på laveste temperatur av oppvarmet vegg i vertikal ovn, for tenning av tåke av JET-A-brennstoff i luft. Ekvivalensforhold 1,0 (støkiometrisk). Dråpestørrelse < 50 pm. Sammenligning med propan/luft under sam­ me forhold i samme apparatur (uniform strømning). (Data fra Graves et al., 1986.)

Dette ville være i tråd med at laveste tenntemperatur for hydrokarbon/luft synker med økende antall C-atomer i hydrokarbonmolekylet. Figur 39 viser hvorledes laveste veggtemperatur for tenning av en brennbar tåke øker systematisk med økende hastighet av tåken forbi den varme flaten. Som man ville vente, ble den samme tendens, om enn noe svakere, funnet for propan/luft. (Se også figur 14 og 15.)

3.3.2 En elektrisk gnist som tennkilde Brennbare tåker lar seg antenne med elektriske gnister på samme måte som brennbare gassblandinger. Begrepene laveste tennenergi og kvelningsavstand er like gyldige for tåker som for gasser, likeså korrelasjo­ nen mellom dem. Eksperimentelle bestemmelser er imidlertid langt mer kompliserte for tåker enn for gasser, og det finnes derfor færre publiserte data. Figur 40 viser hvorledes Emin varierer med gnistgapets lengde som for homogene gasser (figur 20). I tilfellet vist i figur 40, med dråper av

69

Kap. 3 — Eksplosjoner i skye?' av brennbare væskedråper i luft

200 E E E

100

En

g OJ c c OJ

50

OJ

|

20

ru

_J

10

0

2

4

6

8

10

Gnistgaplengde [mm]

Figur 40. Innflytelse av gnistgapets lengde på laveste tennenergi Eminfor tåke av kerosindråper i luft. (Data fra Rao og Lefebvre, 1976.)

kerosin i luft ved atmosfærestrykk og normal temperatur, strømningshastighet 33 m/s og Æ = 0,65, er kvelningsavstanden i området 3-5 mm. For lengre gnistgap enn 5 mm øker Emin igjen. Av figur 41 ses at for Å < 1 avhenger Emin av 1 på samme måte som ved gnist-tenning av homogene gasser (figur 22). For 1 > 1 mangler data. Figur 41 viser også at Emin avtar markert med avtagende midlere dråpestørrelse i tåken. Forsøk tyder på at det finnes et minimum ved ca. 10 pm dråpediameter, tilsvarende det maksimum i forbrennings­ hastighet som er vist i figur 34. I Figur 42 er gjengitt tilsvarende kurver for forskjellige brennstof­ fer. Det er verdt å merke seg at Emin lar seg korrelere med Spaldings dimensjonsløse «masse-overføringstall», B.

Figur 41. Innflytelse av ekvivalensforholdet L (blandingsforhold brennstoff/luft) og midlere dråpestørrelse, for rolig tungoljetåke i luft, på laveste gnistenergi for antennelse av tåken. Atmosfærestrykk og normal temperatur. (Data fra Ballal og Lefebvre, 1978.)

70

Kap. 3 - Eksplosjoner i skyer av brennbare væskedråper i luft

Figur 42. Innflytelse av ekvivalensforholdet Å (relativt blandingsfor­ hold brennstoff/luft) på laveste gnistenergi for tenning (Emin) av rolige tåker av forskjellige organiske væskeformige brennstoffer ved atmosfæ­ restrykk og normal temperatur. Dråpestørrelse 100 pm. B er Spaldings dimensjons-løse masseoverføringstall, som kan uttrykkes som B PÅ/(Ptot ~ Pa)’ hvor Pa er væskens damptrykk ved den aktuelle tempe­ ratur og Ptot totaltrykket. (Data fra Ballal og Lefebvre, 1978.)

Skillet mellom tenning og ikke-tenning er ikke så skarpt for tåker som for gasser. Laveste tennenergi må derfor defmisjonsmessig knyt­ tes til en gitt sannsynlighet for tenning.

3.3.3 Andre tennkilder Brennbare tåker lar seg antenne ved adiabatisk kompresjon (dieselmo­ torer). Denne tenningsprosess er imidlertid av mindre interesse i den aktuelle sammenheng. Det har ikke lykkes å oppspore data for tenning av tåker med gnis­ ter fra mekaniske slag, men det er all grunn til å tro at slik tenning er mulig forutsatt tilstrekkelig høy slagenergi og materialkombinasjoner som gir tenndyktige brennende metallpartikler eller termittreaksjoner.

3.3.4 Testmetoder Det har ikke lykkes å oppspore standardiserte metoder for måling av antennelses-egenskaper for brennbare tåker. Dersom det viser seg å være et behov for slike metoder, vil de sannsynligvis bli utviklet gjen­ nom internasjonalt samarbeid (IEC, CEN CENELEC, ASTM etc.)

71

Støvbranner og -eksplosjoner 4.1 Forbrenning av støv og pulver i luft 4.1.1 Støv/pulver som lag eller i haug (bulk) En haug eller et lag av pulver eller støv i luft vil sjelden brenne med åpen flamme på samme måte som f.eks. en eksplosiv gassblanding. Dette skyldes at masseforholdet brennstoff/oksygen er flere størrelses­ ordener høyere enn det støkiometriske forhold. Tilgangen på oksygen vil derfor begrense forbrenningsraten. I stedet for en hurtig flammeutbredelse vil en derfor ofte få langsom ulming eller gløding. Typiske glødehastigheter i organiske støv er flere størrelsesordener lavere enn laminær forbrenningshastighet i f.eks. forblandet naturgass/luft. Figur 43 viser målte glødehastigheter i sagmugg. Glødehastigheten øker systematisk med hastigheten til en luftstrøm langsetter støvlaget i samme retning som glødeprosessen går og blir omtrent ti-doblet når lufthastigheten øker fra 0 til ca. 4 m/sek.

Figur 43. Innflytelse av lufthastigheten over et lag av trestøv (bøk) på gløde-hastigheten i støvlaget. (Data fra Palmer, 1973, s. 286.)

73

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Dybde D fra pulverets overflate til sted for initiering av glødebrann i pulveret [cm]

Figur 44. Innflytelse av dybden fra pulverets overflate og ned til det sted i pulvermassen hvor glødebrann initieres, på tiden for forplant­ ning av brannen til overflaten. Sagmugg av bøk. (Data fra Palmer, 1973, s. 289.)

Faren for overgang fra gløding til oppflamming vil være til stede ved en ytterligere økning av hastigheten på en luftstrøm i gløderetningen. Det forutsettes da at støvet/pulveret er av en type som kan gi flamme. En luftstrøm i motsatt retning av gløde-retningen synes å ha vesentlig mindre effekt. Dersom ulmeprosessen foregår i stillestående luft, vil det ofte ikke være tegn til ulming på pulverlagets utside, mens temperaturen kan være betydelig inne i pulvermassen. Under de forsøk som gav resul­ tatene i figur 43, var eksempelvis temperaturen inne i stripen av bøketrestøv i området 550-610 °C selv om det ikke var tegn til ulming på overflaten. I eksperimenter med en luftstrøm langsetter støvlaget, økte den innvendige temperatur opp mot 1000 °C, men det er rimelig å anta at gløding da også var synlig på overflaten. Man har undersøkt om underlaget som pulverstripen eller pulverlaget ligger på, betyr noe for forplantningen av glødeprosessen. Erfa­ ringen viser at underlagets natur spiller liten rolle hva enten det måtte være asbest, metall eller tre. Figur 44 viser resultater for forskjellige lagtykkelser av sagmugg. Glødehastigheten avtar med økende lagtykkelse. Dette gir seg til kjenne 74

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

ved at den tid glødeprosessen trenger for å forplante seg fra bunnen av pulvermassen og til overflaten, er proporsjonal med høyden opphøyd i 1,8. Som det fremgår av figur 44 tok det ca. 350 timer for forbrenningsprosessen å nå overflaten med en tykkelse på pulverlaget på 85 cm. 350 timer tilsvarer mellom 14 og 15 døgn. Middelhastigheten på ca. 2,5 mm/time er 20 ganger lavere enn hastigheten 5 cm/time som ble funnet for overflategløding av samme type. Når glødingen har nådd til overflaten, vil den imidlertid forplante seg sideveis langsetter overflaten med samme hastighet som observert for tynnere pulverlag. Glødeprosesser initiert inne i pulvermasser kan forplante seg gjennom adskillig tykkere pulverlag enn 1 m, som var maksimal-tykkelsen i de refererte forsøk. I ett tilfelle i industriell praksis startet en begravet glødelampe en glødeprosess som forplantet seg over en distanse på mer enn 5 m og laget en glødekjerne av tilsvarende størrelse, Årsaken til at glødeprosesser i det indre av pulvermasser er så vidt langsomme, er begrensningen i tilgang på oksygen. Oksygen til forbrenningsprosessen vil måtte fremskaffes fra luften mellom partiklene i pul­ vermassen, og tilførsel av frisk luft kan bare skje ved diffusjonen gjen­ nom de trange passasjene mellom partiklene. Årsaken til at forbrenningsprosessen likevel kan finne sted, er at pulveret samtidig er en utmerket varmeisolator. Dette gjør at varmen som genereres ved den meget langsomme oksydasjonsprosess i stor grad forblir i reaksjons­ sonen. (Se avsnitt 2.24 om varmeeksplosjonsteorien.) o

Glødereir

Figur 45. En lokal glødebrann i en pulvermasse i en silo kan føre til en støv-eksplosjon dersom glødende materiale mates ut i silobunnen og kommer i kontakt med en eksplosiv støvsky (se avsnitt 4.1.2). (Fra Eckhoff, 1994, s. 12.)

Eksplosiv støvsky

75

Kap. 4 - Støvbranner og -eksplosjoner

Figur 46. En flerleddet hendelseskjede hvor glødebrann/ulming på grunn av begrenset oksygentilgang utvikler CO og andre brennbare gasser. Disse diffunderer opp gjennom pulvermassen og blander seg med luften over til en eksplosiv gassblanding. Denne tennes når glødebrannen når pulver-overflaten. Den resulterende gasseksplosjon blå­ ser opp silotaket og hvirvler opp brennbart støv til eksplosive støv­ skyer, hvorpå hendelses-kjeden avsluttes med en støveksplosjon. (Fra Eckhoff, 1994, s. 12.) '

Pulverets varmeisolerende evne skaper ofte store problemer ved slukking av dype pulverbranner. Hovedproblemet er å få kjølt pulvermassen ned til normal temperatur etter at forbrenningsreaksjonen er stoppet. Gløde- og ulmebranner i pulvere er i seg selv et problem i prosess­ industrien. Slike branner kan imidlertid også bare være første ledd i en hendelseskjede som kan føre til både gass- og støveksplosjoner. Figur 45 og figur 46 gir eksempler på slike situasjoner. Figur 47 illustrerer en standardisert laboratoriemetode for karak­ terisering av brennbarhetsegensskapene til lag av pulver og støv.

4.1.2 Støvskyer 4.1.2.1 Hva er en støveksplosjon? Mens pulver og støv i form av lag og andre deponier kan forplante langsomme gløde- og ulmeprosesser, kan støvskyer eksplodere på linje med forblandet brenngass/luft. Dette forutsetter at de fine partiklene 76

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Form for laging av støvprøve

(b)

Figur 47. Metode for laboratorieundersøkelse av pulver- og støvlags evne til å forplante ulming/gløding eller flammereaksjon. a) Ved normal temperatur. b) Ved temperaturer over den normale (blokken som røret hviler i, varmes opp). (Fra Eckhoff, 1994, s. 502.)

svever i luften i en konsentrasjon av samme størrelsesorden som den støkiometriske konsentrasjon av det aktuelle brennstoff i luft. (Maksi­ male flammehastigheter opptrer ofte ved 2-3 ganger støkiometrisk konsentrasjon.) Figur 48 illustrerer hvor det eksplosive område for støvskyer ligger i forhold til yrkeshygieniske grenseverdier for støv i atmosfæren, konsentrasjoner i pulverlag og -deponier. I prinsippet kan alle faste stoffer som kan avgi betydelig varme ved forbrenning (oksydasjon), gi støveksplosjoner. Forutsetningen er at de er tilstrekkelig hnfordelte. Forbrenningsvarmen pr. mol for­ brukt oksygen er en viktig parameter for gradering av eksplosjonspotensialet for forskjellige støvtyper. Tabell 12 gir tallverdier for en del forskjellige materialer.

77

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Område for støv­ eksplosjoner

Tetthet av støvlag og -hauger

Område for yrkes­ hygieniske grense­ verdier

10Z

103

104

105

106

Masse av pulver/støv pr. volumenhet

Figur 48. Illustrasjon av eksplosivt konsentrasjonsområde i luft for støv av organiske materialer. For metallstøv forrykkes det eksplosive område mot litt høyere massekonsentrasjoner. (Fra Eckhoff 1994, s. 8.)

Flammeforplantningsmekanismen ved støveksplosjoner varierer sterkt med typen støv. For organiske støv spiller pyrolyse og etterfølgende gassfasereaksjoner en sentral rolle. For de metallstøv som gir mye varme pr. mol forbrukt oksygen, blir flamme-temperaturene svært høye, og varmestråling spiller en viktig rolle i forplantning av flam­ men. Figur 49 illustrerer dette. I tillegg til partiklenes kjemi, er partikkelstørrelsen av stor betydning for flammeforplantningshastigheten i støvskyer. Vanligvis inneholder Tabell 12. Forbrenningsvarmen for en del brennstoffer pr. mol forbrukt O2.

78

Brennstoff

Oksydasjonsprodukt(er)

Ca Mg Al Si Cr Zn Fe Sukker, stivelse C Kull Polyetylen S Cu

CaO MgO

ai2°3

SiO2 Cr2O3 ZnO Fe2O3 CO2(g) og H2O(I) CO2 CO2(g) og H2O(I) CO2(g) og H2O(I) SO2 CuO

kJ/mol O2

1270 1240 1100 830 750 700 530 470 400 ca. 400 390 300 300

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Figur 49. Illustrasjon av at varmestråling er en viktig komponent i flamme-forplantning i skyer av metallstøv. Forsøket ble utført med aluminiumstøv. De to støvskyene ble generert samtidig og den ene antent med en gassflamme. Den andre skyen tente umiddelbart etterpå på grunn av varmestrålingen fra den første. (Fra Eckhoff, 1994, s. 274.)

et pulver eller støv et vidt spektrum av partikkel størrelser. Spesifikk overflate viser seg da ofte å være et relevant uttrykk for et støvs finhet i eksplosjonssammenheng. Spesifikk overflate defineres som arealet av total partikkeloverflate pr. masse eller volumenhet av partiklene. Figur 50 illustrerer hvorledes eksplosjonshastigheten til en støvsky ved

Figur 50. Innflytelse av støvets spesifikke overflate på maksi­ mal trykkstigningshastighet ved eksplosjon i luft i lukket 1,2-liters kammer (Hartmannbombe). (Fra Eckhoff, 1994, s. 26.) Spesifikt «omhyldnings»-overflateareal [m2/g]

79

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Figur 51. Innflytelse av støvkonsentrasjonen på laminære flammehas­ tigheter for to støvtyper i luft, bestemt med brennermetoden. (Fra Eckhojf 1994, s. 284.)

konstant volum varierer med støvets spesifikke overflate. Figuren viser også at stivelse i eksplosjons-sammenheng er mer reaktivt enn protein. Partikkelstørrelsen spiller også en viktig rolle når det gjelder en støv­ skys tennfølsomhet overfor elektriske gnister (se avsnitt 4.2.2).

4.1.2.2 Laminære flammer i støvskyer Laminær flammeforplantning kan opptre i rolige støvskyer på samme måte som i rolige forblandede gasser og i tåker. Figur 51 viser re­ sultater fra bestemmelse av laminære forbrenningshastigheter i luft ved

Konsentrasjon av kullstøv i luften [g/m3]

Figur 52. Innflytelse av til sats av fint SiO2 som dispergeringsmiddel, på laminær forbrenningshastighet i skyer av et kullstøv i luft. (Fra Eckhojf, 1994, s. 279.)

80

Kap. 4 — Støvbranner og -eksplosjoner

Primærpartikkel Agglomerat som

0

o

o

0 o ° o n °O o 00 ° o°o ° O 0°, 0 o 0 0 oo0:^ < O o 0 » O