Fire protection of industrial process equipment

I O&G-industrien benyttes betydelige beløp for å redusere konsekvenser ved en antent gass/oljelekkasje. Aktiv- og passivbrannbeskyttelse er sentrale barrierer i denne sammenheng. Eksempelvis vier NORSOK standard S 001 (Teknisk sikkerhet) drøyt 5 sider til aktive brannbekjempelse. Skumsystemer kan ha meget god slokkeeffekt, men har kort kastelengde. På landanlegg, der det kreves betydelig kastelengde, må man ha store dråper (vann uten tilsetning) for å nå fram til stedet man skal kjøle flammer og eksponert utstyr, bærende konstruksjoner, etc. Hvor godt vannet virker er imidlertid dårlig dokumentert. Dimensjoneringskriterier er derfor meget enkle, som f.eks. 10 liter/minutt m2 i prosessområder, etc. Dagens forenklete metoder ved bruk av standardiserte faktorer og konservative antagelser er kostnadsdrivende. Ved å oppnå en bedre forståelse av effekten til et brannbekjempelsestiltak kan installasjoner og anlegg bygges og driftes til en lavere kostnad. I de siste 3-4 årtier har olje- og gassindustrien opplevd alvorlige ulykker. Mye innsats er derfor satt inn for å begrense brann- og eksplosjonsrisikoen som er forbundet med å behandle de høyt brennbare hydrokarbonproduktene. Men hvert år er det fortsatt alvorlige branner i hydrokarbonindustrien. Aktive og passive brannbeskyttelsestiltak kan derfor være svært viktige for å forhindre voldelig eskalering av industribranner, men andre tiltak som termisk isolasjon vil kunne ha en betydelig risikoreduserende effekt. Termisk isolasjon er ofte nødvendig for å redusere uønsket varmetap eller økning i prosessen. Isolering av prosessegmenter i olje- og gassindustrien kan derfor være nødvendig mht. prosess og drift for å sikre en sikker og effektiv produksjon. Formålet med prosjektet er derfor delt i to deler: - å studere effekten av vanndråper av forskjellig karakteristikk (diameter, hastighet, dråpestørrelse, tilsetningsstoffer osv.) på varme (branneksponerte) metalliske overflater. For å kunne danne/opparbeide inngående innsikt og kunnskap omkring mekanismer involvert i koking av vann på varme overflater, damputedannelse (Leidenfrostfenomenet), transient varmetransport internt i substrat (metallskive), varmeoverføring substrat vanndråpe, etc. For dermed å kunne bedre forstå brannvann som slukkemiddel dens effekt og eventuelle optimaliseringsbehov. - Og for å undersøke et konsept for småskala høy temperatur testing av en typisk hydrokarbondestillasjon kolonne, med termisk isolasjon i henhold til moderne krav. Oppsettet skal bygges i henhold til relevante krav og bli utsatt for en propanflamme i små skala hvor strømningshastigheten og flammesonen er optimalisert for å begrense varmetap og gi høy varmefluks, f.eks. I området 250-350 kW/m2. Når Oppsettet er bygget og verifisert, vil fremtidig analyse av effekten av andre godstykkelser av rustfritt stål og resulterende nedbrytningsmodus av termisk isolasjon bli utført. Følgende artikler er publisert: 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.