Fire protection of industrial process equipment

The oil and gas industry have a high cost associated with reducing the consequences of leaking gas / oil leak. Active and passive fire protection is central barriers in this context. For example, devotes NORSOK standard S 001 (Technical Safety) 5 pages for active firefighting. Foam systems can have a good extinguishing effect, however the reach is limited due to composition and weather conditions. On land, requiring considerable range, one must have large droplets (water without addition) to reach the place of interest to cool flames and exposed equipment, load-bearing structures, etc. How well water works are poorly documented. Design criteria is therefore very simple, as eg. 10 liters / minute m2 in process areas, etc. Today's simplified methods using standardized factors and conservative assumptions increase the costs. By achieving a better understanding of the effect of a fire-fighting measure, installations and facilities could be built and operated at a lower cost. During the last 3?4 decades, the oil and gas industry has experienced severe accidents. Much effort is therefore put into limiting the fire and explosion risks that are associated with processing the highly combustible hydrocarbon products, as earlier mentioned. However, every year there are still severe fires in the hydrocarbon processing industry. Active and passive fire protection measures could therefore be very important to prevent the violent escalation of industrial fires, but also the risk reducing effect of other measures as thermal insulation. Due to, processing of hydrocarbons may include processes such as distillation and cracking. Thermal insulation is therefore often required for reducing unwanted heat loss or increase. Insulation of process segments in the oil and gas industry is therefore necessary to ensure a safe and efficient production. The purpose of the project is therefore divided into two parts: - First to study the effect of water droplets of different characteristics (diameter, velocity, droplet size, additives etc.) on hot (fire-exposed) metal surfaces. To create / acquire a thorough understanding and knowledge about the mechanisms involved in boiling water on hot surfaces, Leidenfrost phenomenon, transient heat transfer within the substrate (metal disc), heat transfer substrate water droplet, etc. For thus, to better understand firewater as extinguisher, its mitigation effect and possible optimization needs. - Secondly investigate a concept for the small scale testing of mockups resembling a part of a typical hydrocarbon distillation column, with thermal insulation according to the modern requirements. The mockup shall be built according to relevant requirements and be exposed to a small-scale propane flame where the flow rate and flame zone is optimized to limit heat losses and give high heat flux levels, e.g., in the range 250-350 kW/m2. When the mockup is built and verified, future analysis of the effect of other thicknesses of stainless steel and degradation modes of the thermal insulation will be conducted. The following articles have been published: Bjørge JS, Gunnarshaug A, Log T and Metallinou MM, "Study of Industrial Grade Thermal Insulation as Passive Fire Protection up to 1200°C", Safety, 2018, 4(3), 41, 1-19, https://doi.org/10.3390/safety4030041 Bjørge JS, Metallinou MM, Log T and Frette Ø, "Method for measuring cooling efficiency of water droplets impinging onto hot metal discs", Appl. Sci., 2018, 8(6), 953, 1-16, https://doi.org/10.3390/app8060953 Bjørge JS, Metallinou MM, Kraaijeveld A, Log T, "Small Scale Hydrocarbon Fire Test Concept", Technologies, 2017, 5(4), 72, 1-14, https://doi.org/10.3390/technologies5040072 Bjørge, JS. Bjørkheim, .A. Metallinou, M-M. Log, T. Frette, Ø. Influence of Acetone and Sodium Chloride Additives on Cooling Efficiency of Water Droplets Impinging onto Hot Metal Surfaces. Energies 2019, 12, 2358. https://doi.org/10.3390/en12122358

Prosjektet har gitt inngående forståelse for vannkjøleeffekt på branneksponerte overflater og brannmotstand i termisk isolasjon. Dette har medført at aktører innen olje og gass industrien har adoptert presenterte løsninger og resultater i design.

PDS ser behov for bedre forståelse virkning av brannvann i olje- og gassbranner. Det søkes derfor om midler til en Nærings PhD for kandidat Joachim Bjørge slik at fundamentale parametere som er involver når vanndråper kjøler varme overflater kan studeres. Slik grunnleggende forståelse vil gi muligheter for bedre modellering av brannvann i olje- og gassbranner. Videre vil det kunne gi muligheter for å optimalisere bruken av brannvann, med tilsvarende økonomiske besparelser. Dette prosjektet vil kunne besvare mange av åpne spørsmål vedrørende vanndråpers kjøleevne på varme (branneksponerte) overflater. Studiet tenkes startet ved å studere enkeltdråper som treffer metalliske overflater og kjøler disse. Deretter utvides studiet til kjøling av branneksponert utstyr i lab-skala. Kunnskap om involverte fenomener er et mål i seg selv. Videre er det et mål at den nyervervede kunnskapen skal kunne implementeres i CFD-modeller. Det vil være spesielt viktig å undersøke dråpens evne til å kjøle i forhold til tilført varmefluks. Hot spots, der vannet mister kjøleevnen grunnet dampputeeffekt, er et sentralt fenomen i denne sammenheng. Hot spot dannelse har resultert i store ulykker internasjonalt. Vi regner med at slik utvikling enklest kan studeres under kontrollerte betingelser. PhD-arbeidet begynner med en gjennomgang av tilgjengelig litteratur. De eksperimentelle forsøkene skal i første omgang involvere skiver av metall, f.eks. Ø 40 mm og tykkelse 2-4 mm, som varmes opp og dernest kjøles med enkeltdråper. Temperatur i skivene måles fortløpende med termoelementer slik at dråpens kjølende evne kan beregnes basert på systemets varmekapasitet. Parametre som varieres er eksempelvis dråpens hastighet, størrelse, metallskivens vinkel ift dråpens hastighetsvektor, etc. Gradvis vil kompleksiteten i forsøkene økes slik at det blir målinger på reelle branneksponerte objekter (i labskala). Videre: På grunn av korrosjons funn er det vurdert nødvendig å forbedre isolasjonsløsninger for mange eksisterende prosessanlegg ved å innføre en 25 mm luftspalte nær veggen, det vil si i samsvar med dagens beste praksis. En innføring av en slik luftspalte kombinert med Passiv brannbeskyttelse krever derav større plass som kan være krevende for eksisterende utstyr uten en betydelig modifisering som involverer endring på strukturen, etc. Den potensielle gevinsten ville være både i direkte besparelse ved at termisk isolasjon er mindre kostbart, så vel som det bygger mindre og at man forstår bedre dagens barrierer. En testrigg er utviklet for en liten skala jetbrann test som skulle oppnå et temperaturområde relevant for 250 og 350 kW / m2, som beskrevet i gjeldene standarder, dvs. mantling temperatur = 1200 °C. Hensikten med dette arbeidet er å verifisere brannmotstand, ved å oppnå temperaturer = 1200 °C, og danne en inngående forståelse i nedbrytningmekanismer for isolasjonen.