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Organisationseinheit der BAM
Acetylenflaschen im Feuer
(2012)
Acetylen ist eines der wichtigsten technischen Gase und findet insbesondere Anwendung beim Schweißen und Schneiden verschiedener Werkstoffe. Damit Acetylen in entsprechenden Mengen vor Ort zur Verfügung gestellt werden kann, wird es in Druckgasbehälter abgefüllt. Im Falle eines Brandes stehen Acetylenflaschen im Verdacht, jederzeit – auch nach Löschen des Feuers – aufgrund einer möglicherweise initiierten Zerfallsreaktion zu bersten. Um insbesondere Personenschäden zu vermeiden, evakuieren und sperren die Rettungskräfte einen Sicherheitsbereich mit einem Radius von mindestens 200 m um die verdächtige Flasche ab. Gleichzeitig wird umgehend mit der Kühlung der Flasche begonnen. Wie lange muss aber eine Acetylenflasche gekühlt werden, bis sie sicher abtransportiert werden kann, und wie lange muss der Sicherheitsbereich mit dem großen Radius aufrecht erhalten werden? Diesen Fragen ist die BAM in den vergangenen Jahren im Rahmen verschiedener Untersuchungen und Projekte nachgegangen.
Es wurden Druckentlastungsvorgänge in einem 5 m³ Autoklav mit einem L/D-Verhältnis von 1,14 nach der Zündung von Methan-Luft-Gemischen untersucht. Schwerpunkt der Arbeit war die Bestimmung der Explosionsdrücke, der zeitlichen Druckanstiege bzw. der KG-Werte und der reduzierten Explosionsdrücke in Abhängigkeit der Methankonzentration. Im geschlossenen Behälter wurden die Explosionsdrücke und zeitlichen Druckanstiege für Methan-Luft-Gemische mit Methankonzentrationen von 5,9 Vol-% bis 13,5 Vol-% ermittelt. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit den Literaturwerten. Weiter wurden Druckentlastungsversuche mit einer kreisrunden Entlastungsfläche von 0,011 m² und einer Druckentlastungsfolie mit einem statischen Ansprechdruck von 1,94 bar durchgeführt. Hierbei wurden Gemische mit Methankonzentrationen von 5,9 Vol-% bis 14,3 Vol-% untersucht. Dabei zeigte sich, dass die vergleichsweise kleine Entlastungsfläche nur dann zu reduzierten Explosionsdrücken gleich dem statischen Ansprechdruck der Berstfolie führte, wenn die Methankonzentration ≤ 5,9 Vol-% oder ≥ 14,0 Vol-% betrug. Bei allen anderen untersuchten Methankonzentrationen führten die durch die Druckentlastung induzierten Turbulenzen zu einer Beschleunigung der Verbrennungsreaktion und zu Explosionsdrücken vergleichbar denen im geschlossenen Behälter.
Fire exposure tests of acetylene cylinders were performed. The purpose of the experiments was to gather information on the behavior in fire of such vessels, depending on the initial charge of acetylene. In fact "empty" acetylene cylinders still contain the solvent in which acetylene is dissolved plus the amount of acetylene to saturation at atmospheric pressure and ambient temperature and may still constitute a threat to safety. In the fire exposure tests performed the hazardousness of these vessels was demonstrated, since it was observed that not only fully charged acetylene cylinders but also cylinders with saturated solvent can explode, provided the heat transfer to the vessel is sufficient. The times to explosion were shorter for fully charged cylinders, due to the higher initial pressure and to the faster pressure increase. The effects of the explosions are comparable for both fully charged cylinders and for cylinders with saturated solvent, except for the smaller fireball which is produced in the second case, due to the smaller amount of fuel available. In both cases the cylinder walls or at least fragments can fly further than 100 m away from the burst location. Results of the experiments are presented in the paper. During the tests, temperature measurements at the cylinder walls and in the cylinder interior were performed. Furthermore, the pressure in the cylinder was recorded. The collected data will serve for the validation of a numerical model for the simulation of the heating of acetylene cylinders involved in fire and of the afterward cooling with water, which has been developed. The constitutive model equations and the results of some simulations are presented in the paper.
Prevention of the explosion of acetylene cylinders involved in fire: experiments and simulations
(2011)
In order to assess the effectiveness of water cooling of acetylene cylinders involved in fire, a total of 13 bonfire tests with 8.9-, 10
and 50-l-cylinders were performed. During the experiments the pressure
in the cylinder and the temperature at different locations within the porous material and on the Shell surface as well as the flame temperature were measured. Overall 8 burst tests were performed, in order to determine the times to explosion for the cylinders. Cylinders failed not later than 15 minutes from the ignition of the bonfire, often with generation of a fireball. During the other 5 tests, the fire was extinguished before the expected burst and the cylinder was cooled with water. In 2 of the 5 extinction experiments, the explosion of the cylinder could be prevented. Noticeably, in one case the on-set of the decomposition of acetylene had already been observed, before the cooling was started. In spite of that, the cooling was still effective. The interpretation of the current results and of the data from previous tests with 40-l-cylinder suggests that single acetylene cylinders involved in fire might be saved by cooling, if their pressure does not exceed a value of about 45 bara. The recorded values of pressure and temperature were used to develop and validate a mathematical model for the prediction of the heat transfer in acetylene cylinders during the exposure to fire and the afterward cooling. The predictions agreed well with the experimental results.
In this paper a mathematical model for predicting the heating-up of an acetylene cylinder involved in a fire is presented. In the simulations polynomial functions were used to describe the temperature dependency of the thermal properties of the cylinder interior, which is a complex system composed by a solid porous material, a solvent and acetylene dissolved in it. Model equations covered heat conduction in the cylinder interior and at its walls, while the fire surrounding the cylinder was simulated by solving the coupled heat transfer and the momentum equation. Results of the calculations and the effects of some model parameters are discussed.