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Experimental study on the performance of the standardized test method for detonation flame arresters
(2022)
Flame arresters are autonomous protection systems and are among the constructive explosion protection measures that limit the effects of an explosion.
In this study, the performance of the standardized test method regulated in the DIN EN ISO 16852 standard for in-line flame arresters for stable and unstable detonations, which is mainly designed for atmospheric conditions, is examined. In an interlaboratory comparison, experiments are performed for different pressures before ignition and explosion groups according to the standardized test method. The experimental data is analyzed in detail to further optimize the test method and to thus achieve an improved reproducibility of detonation tests at high pressures, especially regarding the deflagration to detonation transition.
Based on these results, an improved test method for detonation flame arresters will be developed, which will ensure better reproducibility as well as applicability under non-atmospheric conditions.
Deflagrationsrohrsicherungen sind Sicherheitseinrichtungen, die den Durchfluss von brennbaren Gasen und Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten ermöglichen, den Flammendurchschlag und eine weitere Explosionsausbreitung nach der Zündung von explosionsfähigen Gas-/Dampf-Luftgemischen jedoch verhindern sollen. Die Einbaubedingungen sind dabei von besonderer Bedeutung für die Wirksamkeit der Deflagrationsrohrsicherungen. Oft lassen sich aus betrieblichen bzw. verfahrenstechnischen Gründen entsprechende Einbaubedingungen nur schwer oder nicht realisieren. So können beispielsweise Rohrleitungsverzweigungen zusätzliche Turbulenzen induzieren und dadurch zu erhöhten Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten und Explosionsdrücken und ggf. zum Versagen der Deflagrationsrohrsicherung führen. Neben den „klassischen“ Untersuchungsmethoden dieser Belastungssituationen von Deflagrationsrohrsicherungen, wie die Erfassung des Explosionsdruckes und der Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten, werden in diesem Beitrag die Ergebnisse der visuellen Beobachtungen des Reaktionsverlaufes sowie die Belastungen der Flammendurchschlagsicherung bei unterschiedlichen Einbaubedingungen in den Vordergrund gestellt. Gegenübergestellt wird die Belastungssituation der Flammensperre in einer geraden und einer verzweigten Rohrleitung. Verwendet wurde dafür eine speziell gefertigte Deflagrationsrohrsicherung, die eine Beobachtung des Reaktionsverlaufs im Bereich der spiralförmig gewickelten Metallbändern erlaubt. Zusätzlich wurde im geschützten Bereich in der Rohrleitung eine Kamera installiert, die die Belastungssituation bei den einzelnen Versuchen dokumentierte.
Die Ergebnisse bestätigen sehr eindrucksvoll, dass die Belastungssituation der Deflagrationsrohrsicherung sich in Abhängigkeit von der Konfiguration der Rohrleitung entscheidend ändert
Deflagrationsrohrsicherungen sind Sicherheitseinrichtungen, die den Durchfluss von brennbaren Gasen und Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten ermöglichen, den Flammendurchschlag und eine weitere Explosionsausbreitung nach der Zündung von explosionsfähigen Gas-/Dampf-Luftgemischen jedoch verhindern sollen. Die Einbaubedingungen sind dabei von besonderer Bedeutung für die Wirksamkeit der Deflagrationsrohrsicherungen. Oft lassen sich aus betrieblichen bzw. verfahrenstechnischen Gründen entsprechende Einbaubedingungen nur schwer oder nicht realisieren. So können beispielsweise Rohrleitungsverzweigungen zusätzliche Turbulenzen induzieren und dadurch zu erhöhten Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten und Explosionsdrücken und ggf. zum Versagen der Deflagrationsrohrsicherung führen. Neben den „klassischen“ Untersuchungsmethoden dieser Belastungssituationen von Deflagrationsrohrsicherungen, wie die Erfassung des Explosionsdruckes und der Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten, werden in diesem Beitrag die Ergebnisse der visuellen Beobachtungen des Reaktionsverlaufes sowie die Belastungen der Flammendurchschlagsicherung bei unterschiedlichen Einbaubedingungen in den Vordergrund gestellt. Gegenübergestellt wird die Belastungssituation der Flammensperre in einer geraden und einer verzweigten Rohrleitung. Verwendet wurde dafür eine speziell gefertigte Deflagrationsrohrsicherung, die eine Beobachtung des Reaktionsverlaufs im Bereich der spiralförmig gewickelten Metallbändern erlaubt. Zusätzlich wurde im geschützten Bereich in der Rohrleitung eine Kamera installiert, die die Belastungssituation bei den einzelnen Versuchen dokumentierte. Die Ergebnisse bestätigen sehr eindrucksvoll, dass die Belastungssituation der Deflagrationsrohrsicherung sich in Abhängigkeit von der Konfiguration der Rohrleitung entscheidend ändert.
Im 2. Teil des Artikels zu den Untersuchungen zum Einfluss von Rohrleitungsverzweigungen auf die Wirksamkeit von Deflagrationsrohrsicherungen (s. a. [1]) werden die Ergebnisse der visuellen Beobachtungen des Reaktionsverlaufes sowie die Belastungen der Flammendurchschlagsicherung (s. Bild 1) bei unterschiedlichen Einbaubedingungen in den Vordergrund gestellt. Gegenübergestellt wird die Belastungssituation der Flammensperre in einer geraden und einer verzweigten Rohrleitung. Ausdrücklich wurden Einbaubedingungen gewählt, die nicht Normgerecht [2] sind. Verwendet wurde dafür eine speziell gefertigte Deflagrationsrohrsicherung, die eine Beobachtung des Reaktionsverlaufs im Bereich der spiralförmig gewickelten Metallbänder erlaubt. Zusätzlich wurde im geschützten Bereich in der Rohrleitung eine Kamera installiert, die die Belastungssituation bei den einzelnen Versuchen dokumentierte. Die Ergebnisse bestätigen sehr eindrucksvoll, dass die Belastungssituation der Deflagrationsrohrsicherung sich in Abhängigkeit von der Konfiguration der Rohrleitung entscheidend ändert.
Flammendurchschlagsicherungen sind Armaturen, die das Fortschreiten einer Explosion von einem Anlagenteil in den Anderen verhindern. Diese in Rohren verbauten Armaturen sind durchlässig für das jeweils zu transportierende Produkt, verhindern jedoch den Durchtritt von Flammen. Zum Einsatz kommen Flammendurchschlagsicherungen neben großchemischen Anlagen auch beim Transport von Treibstoffen oder an Tankstellen. Die derzeitige Norm zur Prüfung von Flammendurchschlagsicherungen (DIN EN ISO 16852) basiert nur auf Erkenntnissen aus atmosphärischen Tests. Zur Anwendung von Flammendurchschlagsicherungen bei erhöhten Ausgangsdrücken wird ein Verfahren benötigt, das die sichere und reproduzierbare Baumusterprüfung von Flammendurchschlagsicherungen auf ihre Wirksamkeit gegen Explosionen bei nicht-atmosphärischen Bedingungen erlaubt. Dies wiederum führt zu einer höheren Sicherheit und Verfügbarkeit beim Umgang mit brennbaren Stoffen in der Industrie.
Explosionen in Rohrleitungen
(2019)
Deflagrationssicherungen sind Sicherheitseinrichtungen, die den Durchfluss von brennbaren Gasen und Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten ermöglichen, den Flammendurchschlag und weitere Explosionsausbreitung nach der Zündung von explosionsfähigen Gas-/Dampf-Luftgemischen jedoch verhindern sollen.
Von besonderer Bedeutung für die Wirksamkeit der Deflagrationsrohrsicherung ist der Einbauort. Diesbezügliche Abweichungen von den normativen Anforderungen, die Grundlage der Prüfung und Zulassung von Deflagrationsrohrsicherungen sind, können zum Versagen der Sicherheitseinrichtung führen. Oft lassen sich allerdings aus betrieblichen bzw. verfahrenstechnischen Gründen der Norm entsprechende Einbaubedingungen nur schwer oder nicht realisieren.
Deshalb besteht das Ziel der Untersuchungen eines F&E-Vorhabens mit der Braunschweiger Flammenfilter GmbH darin, einen Beitrag zur Schaffung einer belastbaren Datenbasis zu leisten, um den Einfluss von Rohrleitungsverzweigungen auf deflagrative Gasexplosionen systematisch zu bewerten.
The monitoring of oil and gas pipelines by means of distributed fibre optic sensors is becoming common. The most recent development in the field of fibre optic sensing is the distributed acoustic sensing (DAS), which allows to detect and to localize third party threats to pipelines. For this purpose, fibre optic telecommunication cables located close to the pipelines are usually used. However, DAS carries a far greater potential for continuous condition monitoring of pipelines.
The interdisciplinary research project AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes) at BAM investigates a new technical approach to extend the application field of DAS towards the detection and localization of acoustic signals that indicate critical alterations and certain damage scenarios originated from within the pipeline or the pipe wall. Therefore, the optical fibre sensors are applied onto the pipe itself and the application procedure towards an optimal acoustic signal transduction is optimized.
A number of laboratory scale experiments were performed focusing on the signal transmission of acoustic signals as well as the detection of damages in the pipe wall by means of DAS. Furthermore, real-scale tests on a pipeline DN100 of 38m length have been carried out at the BAM test site for technical safety (BAM-TTS) to study the detection and localization of leaks and of changing flow profiles due to corrosion or sedimentation processes.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Deflagrationsrohrsicherungen sind Sicherheitseinrichtungen, die den Durchfluss von brennbaren Gasen und Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten ermöglichen, den Flammendurchschlag und weitere Explosionsausbreitung nach der Zündung von explosionsfähigen Gas-/Dampf-Luftgemischen jedoch verhindern sollen. Die Einbaubedingungen sind dabei von besonderer Bedeutung für die Wirksamkeit der Deflagrationsrohrsicherungen. Oft lassen sich aus betrieblichen bzw. verfahrenstechnischen Gründen entsprechende Einbaubedingungen nur schwer oder nicht realisieren. So können Rohrleitungsverzweigungen zusätzliche Turbulenzen induzieren und dadurch zu erhöhten Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten und Explosionsdrücken und damit zum Versagen der Deflagrationsrohrsicherung führen. Im vorliegenden Artikel werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in einer geraden und verzweigten Rohrleitung mit einer Deflagrationsrohrsicherung diskutiert.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Incidents in the past already showed that pipelines transporting compressible fluids are in risk of suffering propagating ductile fractures in case of damages to the pipes. Therefore, the knowledge of the fracture properties of pipeline steels is of high importance. Commonly the properties are determined in laboratory scale, but these do not fully correspond with full-scale fracture behaviour especially at dynamic conditions when highly pressurized gases are released during the crack propagation. This paper describes so-called West Jefferson Tests and Midscale-Tests in which pipelines under pressure were cut with an explosive charge to initiate the crack propagation.
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zeigen einen deutlichen Einfluss der Rohrleitungsverzweigungen auf die ablaufenden Deflagrationen (Explosionsdruck und Flammenausbreitungsgeschwindigkeit) in der Rohrleitung. Eine erste numerische Simulation der beobachteten Abläufe in der Verzweigung, zeigt bereits eine rechte gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.
When handling flammable and/or toxic liquids or gases, the gas dispersion following a release of substance is a scenario to be considered in the risk assessment to determine the lower flammability distance (LFD) and toxicity thresholds. In this work a comparison of different gas dispersion tools of varying complexity ranging from a simple Gaussian model over a boundary layer model (BLM) and a Lagrangian model to CFD (in this case ANSYS CFX v14) is presented. The BLM covers the special case of liquid releases with formation of a pool. It does not only solve the gas dispersion but also calculates the evaporating mass flow out of the pool. The simulation values are compared to each other and to experimental data resulting mainly from our own open air experiments covering the near field and carried out on the Test Site Technical Safety of BAM (BAM-TTS) for different release types (pool evaporation, gas release) and topologies. Other validation data were taken from literature and cover large scale experiments in the range of several 100 m.
Heavy gases in large quantities are used worldwide in various industries. Past incidents, such as the liquefied gas disaster in Viareggio (2009) have shown that these materials are difficult to handle in a safe manner. According to the German Hazardous Incident Ordinance (StörfallVO 2000 - 12. BIMSchV), plant operators with extended responsibilities must produce a report in which they verify that , in the event of an unintentional gas release, the surrounding area will not be aversely affected. Essential elements of this report are calculations of both the released mass flow and the gas dispersion. Using models such as the VDI guideline 3783 (state of the art in Germany) plant operators are able to predict the characteristics of likely gas dispersions. The presented experimental investigations were carried out at the BAM better understand heavy gas dispersion with high gas concentrations in the air (≥ 1 Vol.-%), as well as concentrations with approximately neutral density characteristics (≤ 3000ppm) in order to test the accuracy of the VDI guideline. The starting point for experimental trials was the heavy gas releases resulting from pipeline, vessel or standard gas bottle leaks, with mass flows of between 20 and 100 g s-1. Investigations on the gas-phase release process focused on the unsteady mass flow associated with releases from standard gas bottles. The experimental results will be used as comparative parameters for future simulations. The goal of these simulations is to develop a model with which calculation of the unsteady mass flow, based on the material characteristics for any gas, is possible.