BLEVE – výbuch expandujících par vroucí kapaliny

Provoz tlakových velkých kapacitních objemů, vyžaduje také naprosto spolehlivou zabezpečovací regulaci, chránící zařízení před překročením maximálně přípustných provozních parametrů.
V příspěvku autoři podávají podrobný výklad k havárii, která způsobila v roce 2010 výbuch tlakového zásobníku páry v areálu firmy Avon Automotive a.s. v Rudníku. Došlo k usmrcení jednoho pracovníka a ke zranění dalších zaměstnanců firmy.

Rozsah havárie je dokumentován na uvedeném obrázku. Podmínky pro vznik efektu BLEVE byly splněny jak je popsáno v příspěvku. Nelze rovněž potvrdit, že by instalovaný pojišťovací ventil zabránil roztržení nádoby. Z tohoto případu vyplývá varování pro všechny provozovatele tlakových parních zařízení, aby věnovali zvýšenou pozornost funkci zabezpečovacích armatur připojených přístrojů a trvale měli pod kontrolou parametry tlaku a teploty. Věnujte proto pozornost oběma hypotézám na konci tohoto příspěvku.

Recenzent: Miroslav Štorkan

Úvod

V dnešní době si moderní společnost nelze představit bez produktů chemického průmyslu. Ten s sebou však přináší řadu zdrojů rizika, ohrožujících okolí svými nebezpečnými vlastnostmi, jako je například hořlavost, toxicita apod. Tyto nebezpečné vlastnosti jsou poznané a společností akceptované. Jsou zde však další zdroje rizika, které již tak zřejmé nejsou, a uplatnění těchto zdrojů rizika pak může být pro společnost překvapením. Do této skupiny zdrojů rizika patří energie uskladněná ve stlačeném nebo zkapalněném plynu nebo přehřáté kapalině. Tyto materiály našly své využití ve většině průmyslových odvětví v čele s chemickým průmyslem. Potřeba skladování a přepravy látek pod tlakem s sebou bohužel nese i poměrně vysoké riziko. Jejich fyzikální a chemické vlastnosti mohou v případě nehody ohrozit okolí do značných vzdáleností.

V souvislosti s používáním těchto látek byly v posledních desetiletích na celém světě zaznamenány závažné nehody spojené nejčastěji s požáry. Mnohé z nich se rozvinuly do katastrofických rozměrů a vyžádaly si mimo obrovských materiálních škod i mnoho lidských obětí jako například havárie v Mexico City v roce 1984 (Lees, 1996). Nejkomplexnějším fyzikálním projevem v rámci scénářů rozvojů takovýchto havárií je tzv. BLEVE. Jedná se o akronym anglického „Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion“ v překladu pak výbuch expandujících par vroucí kapaliny. Patří do kategorie fyzikálních výbuchů a patří svými následky mezi nejobávanější rozvoje nehod tlakových nádob, cisteren a zásobníků. Jeho definice se měnila společně s úrovní poznání samotného jevu a lze říci, že se vyvíjí stále.

Poprvé byl akronym BLEVE použit týmem vědců z Factory Mutual Research Corporation v roce 1957. Věnovali se výzkumu nahodilosti nehod kontejnerů s přehřátou směsí formalinu a fenolu, o kterých se domnívali, že u nich došlo k BLEVE. W. L. Walls poté ve spolupráci s National Fire Protection Association definoval BLEVE jako „roztržení nádoby na dva a více kusů, které nastane v okamžiku, kdy teplota kapaliny uvnitř nádoby je blízká teplotě varu příslušné kapaliny za normálních podmínek“ (Walls, 1979).

Reid (1976, 1980) definoval BLEVE jako „náhlý kolaps obalu nádoby obsahující přehřátou kapalinu za normálních podmínek, následovaný prudkým, nekontrolovaným varem kapaliny a vytvořením tlakové vlny“. Tuto definici vypracoval na základě svých experimentů a současně uvedl fakt, že BLEVE nemusí nastat pouze u látek s teplotou varu (za normálních podmínek) blízké okolní teplotě, ale může nastat i u kapalin s teplotou varu vyšší než je teplota okolí.

Center for Chemical Process Safety zavedlo obecnější definici BLEVE: „náhlé uvolnění velkého množství přehřátého zkapalněného plynu do okolního prostředí“ (CCPS, 1999). Toto náhlé uvolnění je následkem kolapsu ochranné nádoby a příčinou takového kolapsu může být např. tepelné namáhání materiálu nádoby vlivem přímého ohně nebo sálavého tepla, zasažení nádoby letícím fragmentem, oslabení stěn nádoby korozí, výrobní vady nebo vnitřní přehřátí. Současně (Birk and Cunninham, 1994) prohlásili za BLEVE „explozivní uvolnění plynné i kapalné fáze vroucí obsahu v okamžiku, kdy obal nádoby se zkapalněným plynem katastrofálně zkolabuje“. Následně vymezili pojem katastrofický kolaps obalu nádoby jako „náhlé a kompletní roztržení obalu nádoby, jehož následkem je okamžité uvolnění jeho celého obsahu“. Následkem tohoto rychlého uvolnění dochází k masivnímu varu a mžikovému odparu.

Vývoj definice fyzikálního projevu BLEVE byl doprovázen i pokusy o upuštění jeho používání (Marshall, 1987) pro jeho nepřesnost nebo naopak zpřesněním při zavedení termínů označujících mechanizmy tohoto fyzikálního projevu, jako je BLCBE – Boiling Liquid Collapsed Bubble Explosion – výbuch kolabujících bublin vroucí kapaliny (Venart, 1993). Obecně lze BLEVE používat pro všechna náhlá uvolnění kapaliny, která má v okamžiku nehody teplotu vyšší než je její teplota varu za normálních podmínek, a vedou k roztržení obalu na dva a více kusů.

BLEVE je tedy procesem, který se podílí na náhlém roztržení nádoby obsahující kapalinu při teplotě významně vyšší než je její bod varu za normálních (atmosférických) podmínek. Tento fyzikální projev pak může být doprovázen:

• tlakovou vlnou generovanou expanzí par spolu s expanzí mžikově odpařených par,
• letícími fragmenty nádoby s podstatnou kinetickou energií a s tím spojenými škodami po zasažení okolí, včetně tzv. domino efektu a
• ohnivou koulí v případě okamžité iniciace hořlavého materiálu.

Vždy však dochází k vytvoření oblaku par uniklého materiálu, který může být toxický, nebo hořlavý. V případě hořlavého materiálu je pak okolí v případě opožděné iniciace ohroženo buď pouze uvolněnou tepelnou radiací při fyzikálním projevu „flash fire“, a nebo tlakovou vlnou spolu s tepelnou radiací při urychlení plamene při fyzikálním projevu „flash fire“ až na hodnoty produkující tlakovou vlnu a tedy výbuchu oblaku par.

BLEVE je však často nesprávně interpretováno a je považováno za ohnivou kouli. Ohnivá koule však může být pouze doprovodným fyzikálním projevem BLEVE a to v případě, že dojde k roztržení nádoby s hořlavou látkou a okamžité iniciaci uniklého materiálu. Dále je možné se setkat s názorem, že doprovodná tlaková vlna je generována až při reakci hořlavé látky se vzduchem po uvolnění z nádoby. Tento názor je však také nesprávný a tlaková vlna je tvořena pouze expanzí stlačeného média, přičemž na energii tlakové vlny se může podílet jak pouze parní část z roztržené nádoby, tak za určitých podmínek i vnitřní energie obsažená v kapalné fázi.

Typickým scénářem BLEVE je tlaková láhev nebo zásobník s LPG zasažený přímým plamenem nebo sálavým teplem. Ohřevem narůstá vnitřní tlak a v teplem oslabeném materiálu se nakonec vytvoří mikrotrhlina. Důvodem k vytvoření trhliny v obale nádoby nemusí být pouze vliv neúměrného vnitřního tlaku spolu s teplem oslabeným materiálem, ale i společné působení s oslabením materiálu korozí, konstrukční nebo výrobní vadou nebo mechanickým nárazem např. letícím fragmentem. Tato trhlinka se pak dále šíří a dojde buď k okamžitému roztržení nádoby, nebo se její šíření zastaví, na krátkou dobu dojde k tryskání obsahu z nádoby následovanému prudkým roztržením nádoby. Procesy, které způsobují toto následné roztržení, však nebyly dosud zcela uspokojivě vysvětleny. Existuje řada teorií, přičemž skutečnou příčinou bude spolupůsobení více faktorů, mezi něž lze zařadit:

• křehnutí materiálu po prudkém ochlazení kovu v oblasti parní fáze při expanzi dvoufázového systému po vytvoření prvotního otvoru,
• vytvoření tzv. vodního kladiva při prudkému vzedmutí hladiny kapaliny (dvoufázového systému) po vytvoření prvotního otvoru,
• vytvoření rázové vlny v kapalném médiu při kolapsu bublin vygenerovaných varem (homogenní nukleace) po dekompresi přes prvotně vytvořený otvor, apod.

Chování média v průběhu BLEVE

Co se děje uvnitř nádoby v průběhu BLEVE lze dobře připodobnit situaci při otevření pojistného ventilu na nádobě se zkapalněným plynem. Před otevřením pojistného ventilu je obsah nádoby (nasycená kapalina a nasycená pára nad ní) v rovnováze.

Po otevření ventilu dochází k prudkému odtlakování, při kterém se kapalina dostane do stavu metastabilní přehřáté kapaliny. Tlak v nádobě poklesne na určitou hodnotu, přičemž teplota kapaliny zůstane konstantní. Za těchto podmínek je povrchový odpar v malých nádobách zanedbatelný a hladina kapaliny (fázové rozhraní kapalina – pára) zůstává na původní úrovni. Teplota páry v parní části však díky adiabatické expanzi klesá. Dochází k ventilaci pouze páry s výjimkou případu, kdy je hladina blízko vrchu nádoby a dochází ke strhávání kapiček kapaliny. V určitém čase je dosaženo maximálního zpoždění varu (vytvoření zárodků bublin) a začíná na zárodcích bublin var v celém objemu kapaliny (homogenní nukleace). V kapalině se začínají objevovat bubliny, ale zatím nedochází k měřitelnému přídavku páry do parního prostoru nad hladinou. Dojde k dosažení minimálního tlaku díky termodynamické nerovnováze. Další růst bublin způsobuje pomalý nárůst hladiny. Stále dochází k ventilování pouze páry.

Následuje prudký var v celém objemu kapaliny a větší produkce páry, než je možné ventilovat, způsobuje opětovný nárůst tlaku v nádobě. Hladina, nyní již dvoufázového systému kapalina – bubliny par, začíná výrazně narůstat a může dokonce dosáhnout vrchu nádoby. Za určitých podmínek, jako například vysoká úroveň naplnění, dochází k velmi rychlé oscilaci fázového rozhraní (hladiny). Tato pulzace je způsobena spojením několika dějů. Vše začíná kritickým výtokem páry při vysokém tlaku, což způsobí prudký var v celém objemu přehřáté kapaliny a nárůst hladiny dvoufázového systému, který po dosažení vrchu nádoby částečně zpomalí pokles tlaku. Následkem toho dojde k oddělení části bublin páry ve vrchní části nádoby a znovuvytvoření parního prostoru, a tedy umožnění dalšího kritického výtoku páry. Tento proces se opakuje až do okamžiku, kdy bylo odventilováno tolik materiálu, že dvoufázové rozhraní není schopno při nárůstu dosáhnout otvoru.

V případě správně navrženého pojistného ventilu je celý proces bezpečný a k roztržení nádoby nedochází. V praxi zpravidla ani není žádoucí celý obsah nádoby vypustit. Následkem akce pojistného ventilu však dochází k postupnému „pronukleování“ (vytvoření zárodků bublin) celého, nebo alespoň velké části, objemu kapaliny v nádobě. Tento systém se pak stává velmi nebezpečným, protože při opakované akci pojistného ventilu, nebo v případě vytvoření otvoru v plášti nádoby, již nedojde k časové prodlevě mezi otevřením systému a vytvořením zárodků bublin. Po průchodu expanzní vlny kapalinou dojde okamžitě k expanzi bublin a hladina bývá „vystřelena“ proti vrchu nádoby a vytváří tak určitý typ vodního kladiva, které dynamicky zatíží plášť nádoby.

Roztržení obalu

Jedním z autorů, kteří se výše popsanou problematikou roztržení obalu v závislosti na pronukleování kapaliny zabývali, byl Venart se spolupracovníky (Venart 1990, Venart a kol. 1993). V rámci svých experimentů zkoumali podmínky pro roztržení obalu v souvislosti s homogenní nukleací a vytvořili tak koncept výbuchu kolabujících bublin vroucí kapaliny – BLCBE (Boiling Liquid Collapsing Bubble Explosion).

Teorie BLCBE je založena na chování kapaliny po průchodu expanzní vlny při akci pojistného ventilu a posléze vytvořením trhliny ve stěně kontejneru. Předpokládá se, že pokud je vnější stěna nádoby v oblasti parního prostoru vystavena intenzivnímu tepelnému toku (např. plameny ohně), může dojít, následkem oslabení pevnosti stěny a zvýšeného tlaku par uvnitř nádoby, k vytvoření trhliny. Chování této trhliny závisí na výšce hladiny v nádobě. Pokud kapalina vyplňuje větší část objemu nádoby, růst trhliny se může zastavit. Pokud je stupeň naplnění nižší, energie stlačené plynné fáze bývá dostačující k plastickému rozšíření trhliny do chladného kovu, kde se dále elasticky šíří, bez přerušení.

První popsaný případ nehody, nádoba s vysokým stupněm naplnění, odpovídá Venartem definovanému BLCBE. Podmínkou je, že kapalina má v celém objemu homogenní rozložení teplot a je náhle vystavena sníženému tlaku. Autor popsal sled uvažovaných událostí, který začíná vystavením kapaliny sníženému tlaku v důsledku činnosti pojišťovacího ventilu, který tímto kapalinu pronukleuje. Po vytvoření omezené trhliny, dojde v celém objemu nádoby k prudkému snížení tlaku (šíření expanzní vlny). Téměř okamžitě následuje vzedmutí dvoufázového systému (kapalina – pára), který trhlinu ucpává a uvnitř nádoby, vyplněné dvoufázovým systémem, dochází k vytvoření systému tlakových a expanzních vln. Jak již bylo popsáno výše, proces vzedmutí hladiny se může opakovat, přičemž superpozice tlakových vln může stlačit určitý objem dvoufázového systému tak, že dojde ke kolapsu bublin. Následný přetlak může být značný (100 až 300 MPa). Šíření trhliny materiálem stěny se pak znovu iniciuje. Nádoba se roztrhne a stále ještě značně stlačený dvoufázový obsah nádoby expanduje do okolí. Expanze silně stlačených plynných bublin trhá celý objem kapaliny a způsobuje rozptyl neodpařené kapaliny ve formě jemného aerosolu. Pokud je materiál hořlavý, může dojít k jeho vznícení a vytvoření tzv. ohnivé koule.

Venart (1993) popisuje testy, ve kterých používal freony R112 a R113 a pozoroval výše popsané děje. K destrukci nádoby docházelo v časovém intervalu do 200 µs. V publikacích upřesnil detaily tlakových projevů pozorovaných v nádobách, zahrnující měření náhlého krátkodobého přetlaku pod hladinou kapaliny a určení okamžitého zvýšeného tlaku v samotné trhlině. Statický tlak v nádobě byl přibližně 790 kPa, ten byl průměrně překročen o 490 kPa, přičemž tlak v samotné trhlině byl odhadován podle výpočtu až na 6200 kPa. Autor uvádí rozmezí průměru bublin (1 až 3 mm), průměr kapek výsledného aerosolu (100 µm) a dobu, za kterou se tyto kapky odpaří (40 ms). Nakonec uvádí, že v těchto případech lze zaznamenat tvorbu výrazné rázové vlny.

Koncept sice předpokládá scénář, kdy je například nádoba se zkapalněným propanem zahřívána plamenem, ale je po­užitelný i v případě, kdy dojde k vytvoření otvoru v nádobě obsahující přednukleovaný zkapalněný, nebo rozpuštěný plyn.

Příklad havárie

Příkladem BLEVE nehořlavého a netoxického materiálu je výbuch tlakového zásobníku páry dne 4. 1. 2010 v 5:37 hodin v areálu firmy Avon Automotive a.s., Rudník, okres Trutnov. Následkem tohoto výbuchu došlo k úmrtí jedné osoby a k fyzickým zraněním dalších zaměstnanců firmy a k poškození budovy této firmy. Okolí vybuchlého akumulátoru páry je zobrazeno na fotografii.

K výbuchu došlo na souboru zařízení akumulátorů, které sestávalo z regulačních sestav na výstupech páry parních kotlů, 3 ks nádob akumulátorů páry o obsahu 3 x 30 m³, parních rozdělovačů, příslušných potrubních rozvodů mezi těmito rozdělovači, armatur, přípojek tlakového vzduchu a zařízení pro měření a regulaci včetně příslušných kabelových rozvodů. Akumulátory a soubor zařízení slouží k zásobování výrobního zařízení a výměníků VTZ v halách výroby technologickou parou. Systém vyrovnává nárazové odběry páry a umožňuje udržet provoz parních kotlů v jejich normálním režimu.

V době výbuchu byl akumulátor v provozu a byl naplněn z 69 % vodou. Tlak byl 1,43 MPa a teplota vody cca 200 °C. Při vyšetřování byl proveden pevnostní výpočet tlakových částí tlakových zařízení podle ČSN 69 0010-4.5 Tlakové nádoby stabilní (Technická pravidla. Výpočet pevnosti. Válcové části nádob). Na základě provedeného výpočtu bylo konstatováno, že destrukční přetlak dosáhl výše v rozmezí 5,6 až 6,9 MPa (v závislosti na skutečné hodnotě meze pevnosti materiálu).

Při vyšetřování byly uvažovány dvě hypotézy (dva mechanizmy) dosažení destrukčního tlaku, z nichž ani jeden nebylo možno na základě zjištěných skutečností jednoznačně potvrdit ani vyvrátit. Bez ohledu na mechanizmus dosažení destrukčního tlaku akumulátoru je tato nehoda příkladem BLEVE efektu.

Roztržení akumulátoru bylo způsobeno mechanizmem BLEVE, který je diskutován výše. Průběh lze zjednodušeně popsat třemi kroky: 1. prasknutí, 2. zvukový projev při kritickém výtoku par z otvoru, 3. výbuch. Tento průběh byl potvrzen výpovědí svědka, který uvádí: „… Vše jsem připravil, bylo něco po půl šesté, když jsem vstal, šel jsem pro nové zaměstnance, udělal jsem asi pět kroků a ozval se divný zvuk, pak syčení a hrozná rána. …“.

V případě výbuchu parního akumulátoru ve společnosti AVON Automotive a.s. v Rudníku dne 4. 1. 2010 měla voda teplotu cca 100 °C nad bodem varu. Roztržená nádoba byla akumulátorem páry, tedy celý objem vody byl pronukleován při každém zástřiku parou. Podmínky pro vznik efektu BLEVE byly tedy splněny. Neuzavíratelné propojení všech akumulátorů na straně vody sice zjednodušilo regulaci hladiny vody v akumulátorech, avšak rozhodně přispělo k rychlému stoupnutí hladiny v havarovaném akumulátoru.

Závěr

V předloženém textu byl popsán fyzikální projev BLEVE, který je zařazován mezi fyzikální výbuchy, to znamená, že tlaková vlna nevzniká při žádném druhu reakce, ale pouze při prudké expanzi látky a změně jejího skupenství. Jedná se o velmi nebezpečný projev, který má potenciál způsobit velké škody na lidech a materiálu. BLEVE je nejvíce spojováno se scénářem, kdy je nádoba se zkapalněným plynem (propanem) vystavena působení přímého plamene. Není to však podmínkou. Příkladem BLEVE efektu bez působení plamene je výbuch akumulátoru v areálu firmy Avon Automotive a.s., Rudník, který byl v textu diskutován.

Použitá literatura

1. BIRK, A. M., CUNNINGHAM, M. (1994): The Boiling liquid expanding vapor explosion, Journal of Loss Prevention in the Process Industrie 7, 474–480.
2. CCPS – Center for Chemical Process Safety (1999): Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases, American Institute of Chemical Engineers, New York.
3. LEES, F. P. (1996): Loss Prevention in the Process Industries; London: Butterworths, Second Edition, ISBN 0 7506 1547 8
4. MARSHALL, V. C. (1987): Major Chemical Hazards, Ellis Horwood, Chichester.
5. RAID, R. C. (1976): Superheat Liquids, Amer. Scientist. 64, 146–156.
6. RAID, R. C. (1980): Some theories on boiling expanding vapor explosions, Fire, March, vol., 525–526.
7. VENART, J. E. S. (1990): In Vessel Transient Termophydraulics; Heat Transfer and Major Technological Hazard proceedings (Vol. 2), Eurotherm Seminar Nr. 14, Universite Catholiquid de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium, pp I1.1-I1.12, May 15–18.
8. VENART J. E. S., SOLLOWS K. F., SUMATHIPATA K., RUTLETGE G. A., JIAN X. (1993): Boiling Liquid Compressed Bubble Explosions: Experiments / Models, Gas-Liquid Flows, ASME, vol. 165, 55–60.
9. WALLS, W. L. (1979): The BLEVE – Part 1., Fire Command, May 1979, 22–24 (1979), The BLEVE – Part 2., Fire Command, June 1979, 35–37.

---

BLEVE – boiling liquid expanding vapour explosion

BLEVE is an explosion caused by break a pressurized vessel containing a liquid. The authors describe the physical effects of BLEVE and explain it. The authors show real BLEVE effect on the case, which occurred in 2010 in Rudnik.

Keywords: BLEVE, explosion, vapour explosion