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 našli 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 vlastností 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 vyžádali 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 nejvíce obávané 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 směsi 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 vytvoření 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 jako „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 vnitřního přehřátí. Současně (Birk and Cunninham, 1994) prohlásili za BLEVE „explosivní 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 fenoménu BLEVE byl doprovázen i pokusy o upuštění jeho používání (Marshall, 1987) pro jeho nepřesnost nebo naopak zpřesněním při zavedení termínů označujících mechanismy 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 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 vlnu generovanou expanzí par a mžikovým odparem,
- letícími fragmenty nádoby s podstatnou kinetickou energií a s tím spojenými škodami po zasažení okolí, včetně tzv. domino efektu,
- ohnivou koulí,
- pokud se jedná o toxickou látku, dochází k vytvoření toxického mraku.
BLEVE je však často neprávně interpretováno a za BLEVE je považována ohnivá koule. Ohnivá koule však může být pouze doprovodným fyzikálním projevem BLEVE a to v případě, že dojde k roztržení nádoby s hořlavou látkou. 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 kapalné fáze.
Typickým scénářem BLEVE je tlaková láhev nebo zásobník s LPG zasažená 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 mechanický 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 dvojfázového systému po vytvoření prvotního otvoru,
- vytvoření tzv. vodního kladiva při prudkému vystřelení hladiny kapaliny (dvojfázového 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 v nádobě v rovnováze nasycená kapalina a nasycená pára nad ní.
Po otevření ventilu dochází k prudkému odtlakování, při kterém se kapalina dostane do stavu metastabilní přehřáté kapaliny. Tlak v nádobě spadne 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. Je ventilována pouze pára s výjimkou případu, kdy je hladina blízko vrchu nádoby a dochází ke strhávání kapaliny. V určitém čase je dosaženo maximálního zpoždění varu a začíná var v celém objemu kapaliny na zárodcích bublin (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.
Prudký var v celém objemu kapaliny a větší produkce páry, než je možné ventilovat, způsobují 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 velmi rychlé oscilaci fázového rozhraní – hladiny. Tato pulsace je způsobena spojením několika dějů. Vše začíná kritickým výtokem páry při vysokém tlaku, což způsobí prudký 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 znovu vytvoření 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 velkého, 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 vytvoření zárodků bublin. Dojde okamžitě po průchodu expanzí vlny kapalinou k expanzi bublin a hladina bývá „vystřelena“ proti vrchu nádoby a vytváří tak určitý typ vodního kladiva, který 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 naplněním, odpovídá Venartem definovanému BLCBE. Podmínkou je, že kapalina má v 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. Kapalina je tak pronukleována. 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 dochází 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 (1 – 3 kbar). 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 úseku pod 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 rozměru bublin (1 – 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, že dojde k vytvoření otvoru v nádobě obsahující přednukleovaný zkapalněný, nebo rozpuštěný plyn.
Příklad havárie
Dne 4.1. 2010 v 5:37 hod došlo k výbuchu tlakového zásobníku páry v areálu firmy Avon Automotive a.s., Rudník, okres Trutnov, následkem čehož došlo k úmrtí jedné osoby a k fyzickým zraněním dalších zaměstnanců této firmy a k poškození budovy této firmy. Okolí vybuchlého akumulátoru páry je zobrazeno na fotografii uvedené na obrázku 1.
K výbuchu došlo na souboru zařízení akumulátorů, které sestává 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 byla 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 výpočtu provedeného bylo konstatováno, že destrukční přetlak dosáhl výše v rozmezí 56 až 69 bar (záleží na skutečné hodnotě meze pevnosti materiálu).
Při vyšetřování byly uvažovány dva mechanismy pro dosažení destrukčního tlaku, z nichž ani jeden nebylo možno na základě zjištěných skutečností jednoznačně potvrdit ani vyvrátit. Bez ohledu na mechanismus dosažení destrukčního tlaku akumulátoru je tato nehoda příkladem BLEVE efektu.
Hypotéza 1:
Bezprostřední příčinou havárie bylo pravděpodobně selhání odvaděčů kondenzátu (jejich zamrzutí, nebo kondenzátního potrubí) a tím úplné zavodnění havarované nádoby při nulovém odběru páry. Výpočtem pomocí Charlesova zákona bylo zjištěno, že při teplotě kolem 200 °C, při izochorickém ději (konstantní objem – zcela zavodněný akumulátor) při stoupnutí teploty o 1 °C dojde ke zvýšení tlaku o cca 16 bar, to znamená na tlak 32 bar. Pro dosažení přetlaku kolem 56 bar pak postačí ohřev o cca 3 °C. Provozně může být akumulátor zavodněn až na 90 % svého objemu. Stávající akumulátor byl nevhodně vybaven dálkovou indikací hladiny a nepřímým (mechanickým ukazatelem). Oba dva přístroje však byly napojeny na jeden snímač mimo akumulátor (ve vnější komoře) bez možnosti řádného profukování. Za stávajícího stavu nemohla být provedena žádná kontrola skutečné hladiny v akumulátoru. Kdyby byl akumulátor opatřen přímo zatěžovaným pojistným ventilem, nastaveným na otevírací přetlak 15 bar, k roztržení nádoby by nemohlo dojít. Absence pojišťovacího zařízení je porušením ČSN EN 764-7 (01.03) a tím směrnice EU č. 97/23/EC – PED, u nás dříve zavedena jako NV č. 182/1999 Sb. Akumulátory páry nemohl být jištěny na kotlích, kde byly pojistné ventily nastaveny na otevírací přetlak 16 bar, nejvyšší dovolený přetlak havarovaného akumulátoru byl jen 15 bar. Mimo to byly mezi akumulátory a kotli instalovány armatury, pak nemohly být akumulátory a kotle považovány za jeden tlakový celek, tak jak stanoví čl. 1 ČSN EN 764-7 pro jištění akumulátoru na kotlích. Tato hypotéza je však v rozporu se záznamy o stavu ochranných prvků v systému. Všechny zabezpečovací členy byly před výbuchem funkční, a že nebyl nalezen zdroj vody, který by byl schopen celý spojený systém zaplnit vodou.
Hypotéza 2:
Tato hypotéza předpokládá scénář založený vytvoření primární trhliny v systému například oslabením materiálu korozí, konstrukční nebo výrobní vadou. Roztržení akumulátoru pak bylo způsobeno mechanismem 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 pronukleovaný při každém zástřiku parou. Podmínky po vznik efektu BLEVE byly tedy splněny. Neuzaviratelné propojení všech akumulátorů na straně vody sice zjednodušilo regulaci hladiny vody v akumulátorech, avšak rozhodně přispělo k rychlému stoupnutí hladiny v havarovaném akumulátoru. Prvotní narušení tlakové části akumulátoru na straně páry popřípadě z něj vedoucího parního potrubí se však nepodařilo lokalizovat. V případě průběhu havárie v souladu s touto hypotézou, nelze jednoznačně potvrdit, že by instalovaný pojistný ventil zabránil roztržení nádoby.
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
Birk, A.M., Cunningham, M. (1994): The Boiling liquid expanding vapor explosion, Journal of Loss Prevention in the Process Industrie 7, 474-480
CCPS – Center for Chemical Process Safety (1999): Guidelines for Consequence Analysis of ChemicalReleases, American Institute of Chemical Engineers, American Institute of Chemical Engineers, New York
Lees, F.P. (1996): “Loss Prevention in the Process Industries“; London: Butterworths, Second Edition, ISBN 0 7506 1547 8
Marshall, V.C. (1987): Major Chemical Hazards, Ellis Horwood, Chichester
Raid, R.C. (1976): Superheat Liquids, Amer. Scientist. 64, 146-156
Raid, R.C. (1980): Some theories on boiling expanding vapor explosions, Fire, March, vol., 525-526
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
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
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
