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Experimental investigation of the consequences of release of liquified hydrogen onto and under water
(2022)
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany.
The experiments aimed at investigating that upon contact with water, the evaporation rate of LH2 can be that high that physical explosions or even rapid phase transitions (RPTs), could occur. RPTs can generate air and underwater blast pressures which could damage adjacent plant or structures (which has been demonstrated when releasing LNG).
The tests were performed in a 10 m x 10 x 1.5 m basin filled with water. LH2 releases with mass flows ranging from approximately 0.25 kg/s to approximately 0.8 kg/s were established releasing directly from a trailer carrying LH2. The LH2 was released through a 46 m long flexible double vacuum insulated transfer line (inner diameter 39 mm). The releases occurred from a height of 50 cm above the water surface pointing downwards, 30 cm under the water surface pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface. The release system allowed for an initial phase to release flashed LH2 into the air before redirecting the flow towards the water surface for liquid release. A thermocouple inserted near the nozzle is used to indicate the presence of LH2 at the nozzle. The nozzle could be moved up and downwards relative to the water surface and also moved into the water. The release system was purged with helium before starting a release. A mouthpiece at the end of the release line as well as a manually operated valve at the trailer were used to vary the release rate.
The temperature of the water and the air was measured at multiple locations. The temperature of the air was also measured at H2 concentration probe locations. In addition, the temperature in the filling line was measured (1 at the outlet and 1 further down into the filling line). The pressure in the filling line was also measured at 3 locations, one located directly at the outlet. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker. To this end the trailer was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the rapid evaporation or other phenomena both in the water and in the air. At several locations the gas concentration development in time was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed, Infra-Red (IR) cameras and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a drone and an underwater camera. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed.
All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation and resulting in minor over pressures. The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The ignition occurred in all under-water releases and in about 90 % of the releases above the water surface. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz. Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The experiments aimed at simulating an accidental release of LH2 during especially the fuelling of a ship. For liquified natural gas (LNG) it has been demonstrated that when spilled onto water the evaporation rate can be that high that physical explosions occur which are referred as rapid phase transitions (RPTs). It cannot be excluded that RPTs are also possible in the case of LH2. The tests were performed in a 10 m x 10 m x 1.5 m basin filled with water, at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of
the SH2IFT program. LH2 releases were established releasing directly from a trailer carrying LH2 through a long flexible double vacuum insulated transfer line. The releases occurred from a height of 50 cm above and 30 cm under the water surface both pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface too. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker which was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the release processes both in the water and in the air. At several locations the gas concentration was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed,
Infrared (IR) and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a UAV and underwater cameras. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed. All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation but only minor over pressures.
The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz.
Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Large Scale Experiments have been performed to determine whether a storage vessel containing liquid hydrogen (LH2) and caught in a fire engulfing the vessel can result in a BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) and if so its consequences. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Germany at the Hydrogen Test Area (H2TA) within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of the SH2IFT program. Three tests were performed using double-walled vacuum insulated vessels of 1 m3 volume. The cylindrical Vessels differed in orientation (horizontal or vertical) and the insulation material used (perlite or multi-layer insulation (MLI)). The degree of filling of the vessels was approximately 35-40 % in each of the tests performed. The fire load was provided by a propane fed burner-system positioned under the storage vessel and designed to give a homogeneous fire load. The conditions in the vessel (temperatures and pressure) as well as external effects (heat radiation, blast waves, flame ball development and fragmentation) were measured. All vessels were equipped with K-type thermocouples at several locations at the inner and outer vessel shell. The pressure inside the inner vessel and in the space between the inner and outer vessels (vacuum pressure) was measured. Bolometers were used to measure the heat radiation generated by both the propane fire and that generated by a possible fireball/BLEVE. To measure blast generated by the vessel burst/BLEVEs blast pencils were positioned at up to three locations. Further several cameras were used to monitor the events: normal cameras, infrared (IR)-cameras, high-speed cameras also on board of an UAV. Two of these vessels, a horizontal and a vertical vessel both insulated with perlite withstood the fire loading for 1 hour 20 minutes and 4 hours respectively without catastrophic failure. A horizontal vessel insulated with MLI failed by bursting after 1 hour and 6 minutes resulting in a fireball, fragments, and blast wave.
In einer Versuchsreihe im Realmaßstab wurden drei Flüssigwasserstofftanks (LH2) unterfeuert. Hierbei sollte unter anderem geklärt werden, ob es, analog zu druckverflüssigten Gasen, zu einem BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Cloud Explosion) kommen kann. Die Experimente wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit des Testgeländes Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon, als Teil des SH2IFT-Programms durchgeführt. Es handelte sich um doppelwandige, vakuumisolierte Tanks von 1 m³ Volumen. Die zylindrischen Tanks unterschieden sich durch ihre Ausrichtung (horizontal oder vertikal) und das verwendete Isoliermaterial (Perlit oder Mehrschichtisolierung (MLI). Der Füllgrad der Tanks betrug bei jedem der durchgeführten Tests etwa 35-40 %. Die Brandlast wurde homogen durch ein propangasbetriebenes Brennersystem erzeugt. Gemessen wurden die Bedingungen im Behälter (Temperaturen und Druck) sowie äußere Randbedingungen und Auswirkungen beim Versagen (Wärmestrahlung, Druckwellen, Flammenballentwicklung und Fragmentierung). Mit Bolometern wurde die Wärmestrahlung gemessen, die sowohl durch das Propanfeuer als auch durch einen möglichen Feuerball/BLEVE erzeugt wurde. Zur Messung der durch das Bersten von Behältern/BLEVEs erzeugten Druckwellen wurden sog. Pencil-Probes verwendet. Des Weiteren wurden mehrere Kameras zur Überwachung der Experimente eingesetzt: Normalbildkameras, Infrarot (IR)-Kameras und Hochgeschwindigkeitskameras, sowohl bodengestützt als auch mittels einer Drohne. Zwei der untersuchten Tanks, ein horizontaler und der vertikale, die beide mit Perlit isoliert waren, hielten der Brandbelastung stand, ohne dass es zu einem Behälterversagen kam. Der mit MLI isolierte horizontale Behälter barst nach 1 Stunde und 6 Minuten und erzeugte dabei einen Feuerball, Trümmerflug und eine Druckwelle. Neben der Beschreibung der Auswirkungen eines kritischen Versagens eines LH2-Tanks sind weitere Ziele der Arbeit die Identifizierung kritischer Behälterzustände sowie die Erstellung eines umfassendes Datensatzes der Trümmer des geborstenen Tanks. Die größten Abstände für kritische Abstände ergaben sich durch Fragmentwurf. Hier sollen 3D-Scans für die Verwendung in CAD und FEM Anwendungen bereitgestellt werden. Umfassende Daten zu den Fragmentwurfweiten, -massen und -positionen wurden bereits publiziert. Damit soll die Voraussetzung geschaffen werden, um vorhandene Wurfweitenmodelle, die bisher nur für einschalige Behälter konzipiert wurden auf ihre Eignung für mehrschalige Behälter zu überprüfen oder mögliche Anpassungen anhand der realen Daten vornehmen zu können.
Zudem wurde damit begonnen die nicht geborstenen Tanks zu vermessen und zu zerlegen, um u.a. die Perlit-Schüttung auf Beeinträchtigungen durch den Transport und die Unterfeuerung zu untersuchen.
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The experiments aimed at simulating an accidental release of LH2 onto water, for instance during the fuelling of a ship. For liquified natural gas (LNG), it has been demonstrated that physical explosions may occur when it is spilled onto water. These phenomena are referred as rapid phase transitions (RPTs). It cannot be excluded that RPTs are also possible in the case of LH2. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany. The tests were performed in a 10 m x 10 x 1.5 m basin filled with water. LH2 releases of up to about 1 kg/s were established releasing directly from a trailer carrying LH2. The releases occurred from a height of 50 cm above the water surface pointing downwards, 30 cm under the water surface pointing downwards and 30 cm under the water surface pointed along the water surface. All release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation and resulting in minor over pressures. No RPTs were observed. The main phenomenon to be observed is, however, an ignition of the released gas cloud resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The ignition occurred in all under-water releases and in about 90 % of the releases above the water surface.
Experiments have been performed to determine the consequences of a storage vessel containing liquified hydrogen (LH2) is engulfed by a fire. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Germany within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of the SH2IFT program. Three tests were performed using double-walled vacuum insulated vessels of 1 m3 volume varying the orientation of the vessel and the effect of the insulation material used (perlite or multi-layer insulation (MLI)). The degree of filling of the vessel was approximately 35 % in each of the tests performed. The fire load was provided by a propane fed burner positioned under the storage vessel and designed to give a homogeneous fire load. In one of the tests a rupture of the storage vessel occurred causing a blast, a fireball and fragments. Apart from measuring these consequences, the conditions in the vessel (e.g. temperatures and pressure) during the heating process were monitored in all three tests. The work described was undertaken as part of the project Safe Hydrogen fuel handling and Use for Efficient Implementation (SH2IFT).