Risk analysis of jet fires thermal effects

Abstract

(English) The historical analysis performed has shown that jet fires have been the origin of a high number of domino effect accidents, both in the process industry and in the transportation of flammable fluids by pipelines and that, despite this, have been little studied. In order to improve the knowledge of these fires and be able to predict their potential effects, an experimental setup was designed to generate and study sonic and subsonic horizontal propane jet fires with a length up to 3 m. The facility was equipped with all the required measuring devices (flowmeters, manometers, thermocouples, radiometers, etc.), using as well visible image and infrared cameras to film them. Taking into account the potential danger associated to this type of experimental work, special attention was devoted to the safety aspects in both the design and construction of the facility, as well as during the experimental work. The main features and the behaviour of the jet flames have been studied as a function of the fuel flow rate (i.e., as a function of jet fires size): turbulence, geometry (lift-off, length, width, elevation and reach concerning the contact with some equipment), as well as the temperature distribution and the radiation intensity of the diverse flames zones identified. The treatment of the experimental data has allowed the obtention of expressions allowing the prediction of the lift-off and the probable reach associated to a possible flames impingement situation. In the second part of the tests a steel pipe was set up, containing water or air inside, with a series of thermocouples located both inside the pipe wall and outside it. This allowed measuring the jet fire effects in a situation in which the flames impinged on the pipe, i.e. the heating of the pipe wall as a function of time and of the flames zone impinging on it. It has been found that in the case of flames contact with the pipe wall very high heat transfer rates can be obtained, specially with sonic jets, reaching values as high as 275 kW·m-2 in the front pipe/flames position, these values being lower for subsonic jets. These high heating rates have originated very high temperatures at the pipe wall in very short times when the pipe contained air, registering heating rates as high as 19.5 19,5 ºC·s-1 and reaching temperatures of 600 ºC in 2-3 minutes and of 750 ºC in 5-6 minutes. These very high values clearly show that in the event of a jet fire impinging on an equipment without thermal protection or with its thermal protection damaged, the failure of the equipment can occur in a very short time. When the pipe contained water, in the zone of flames impingement the boiling water cooled the wall, its temperature being lightly above the boiling one. The simulation of the horizontal jet fires has also been performed with the FLACS code, observing that it predicted well the flames temperature but not their geometry. As a whole, the results obtained have improved the knowledge of the main features of jet fires and of their serious potential effects on the equipment in the event of the flames impingement, a situation that can be roughly predicted with the expressions obtained.

(Català) L’anàlisi històrica efectuada ha posat de manifest que els dolls de foc han estat l’origen de nombrosos accidents amb efecte domino en la indústria química i en el transport de fluids inflamables per canonades de transmissió i que, tot i això, han estat molt poc estudiats. Amb l’objectiu de millorar-ne el coneixement i poder-ne predir els seus efectes potencials, es va dissenyar una instal·lació experimental per a generar i estudiar dolls de foc sònics i subsònics de propà horitzontals de fins a 3 m de longitud, amb tots els instruments de mesura necessaris (mesuradors de cabal, de pressió, termoparells, radiòmetres, etc.), utilitzant també càmeres d’imatge visible i d’infraroig per a filmar-los. Atès el perill potencial d’aquest tipus d’experimentació, es va posar una especial atenció en els aspectes de seguretat tant en el disseny i construcció de la instal·lació com després en la realització de les proves. S’han estudiat les característiques i el comportament de les flames en funció del cabal de combustible (i, per tant, de la grandària del doll de foc): la turbulència, la geometria (separació del punt de sortida, longitud, amplada, elevació i zona de possible contacte amb l’equip), així com la distribució de temperatures i la intensitat de radiació de les diverses zones identificades. El processament de les dades obtingudes ha permès obtenir expressions que permeten la predicció de la distància de separació i del probable radi d’acció pel que fa al possible contacte de les flames amb un equipament. En la segona part dels experiments es va instal·lar una canonada d’acer, contenint aire o aigua, amb una sèrie de termoparells situats tant dins de la seva paret com fora. Això ha permès mesurar els efectes del doll de foc en el cas de contacte de les flames amb la superfície, és a dir, l’escalfament de la paret de la canonada en funció del temps i de la zona de les flames en contacte amb ella. S’ha constatat que en el cas de contacte directe de les flames sobre la canonada poden obtenir-se fluxos de calor molt elevats, sobretot amb dolls sònics, assolint-se valors de l’ordre de 275 kW·m-2 en la posició frontal canonada/flames i valors més baixos en el cas de dolls subsònics. Aquestes velocitats d’escalfament tan elevades han originat temperatures de la paret de la canonada molt altes en temps molt curts quan la canonada contenia aire, enregistrant-se velocitats d’escalfament inicials de 19,5 ºC·s-1 i assolint-se temperatures de 600 ºC en 2-3 minuts i de 750 ºC·s-1 en 5-6 minuts. Aquests alts valors mostren clarament que en el cas de contacte d’un doll de foc amb un equipament sense protecció tèrmica o amb protecció tèrmica en males condicions, el col·lapse de l’equip pot ocórrer en un temps molt curt. Quan la canonada contenia aigua, en la zona en contacte amb l’aigua l’ebullició d’aquesta refrigerava la paret d’acer, la temperatura de la qual es mantenia per sobre de la seva temperatura d’ebullició. S’ha estudiat també la simulació dels dolls de foc horitzontals mitjançant la utilització del programa FLACS, veient que aquest prediu bé la temperatura de les flames però no tan bé la seva geometria. En conjunt, els resultats obtinguts han permès millorar el coneixement de les principals característiques dels dolls de foc i dels seus seriosos efectes potencials sobre l’equipament en cas de contacte de les flames, una situació que les expressions obtingudes permeten predir de forma aproximada.