Deflagracja, a detonacja rurowa
Podczas pierwszego testu spalanie gazów w rurociągu przebiegło z prędkością niższą niż prędkość dźwięku generując przy tym stosunkowo niewielką ilość energii – proces ten nazywamy deflagracją rurową. Drugi test został przeprowadzony w analogiczny sposób, a jedyna różnica polegała na zwiększeniu długości rurociągu testowego o zaledwie jeden metr. Ta pozornie niewielka zmiana sprawiła, że prędkość spalania gazów w rurociągu przekroczyła prędkość dźwięku przechodząc w tzw. detonację rurową, która generuje znacznie większą ilość energii oraz typową falę uderzeniową.
Kiedy zachodzi deflagracja, a kiedy detonacja?
W przypadku odpowiednio długich rurociągów deflagracja przechodzi w detonację, która stanowi znacznie bardziej dynamiczny proces. To, czy w danym rurociągu będziemy mieli do czynienia z deflagracją, czy też deflagracja przejdzie w detonację, zależy głównie od dwóch parametrów:
- grupy wybuchowości danego gazu,
- stosunku średnicy rurociągu do jego długości, przy czym parametr ten jest różny dla poszczególnych grup wybuchowości gazów.
Przykładowo dla gazu z grupy IIC, z jakim mieliśmy do czynienia w czasie testów, deflagracja może przekształcić się w detonację, gdy długość rurociągu L przekroczy 30-krotność jego średnicy D (norma EN ISO 16852:2010). W testach zastosowano rurociąg o średnicy D = 0,094 m oraz o długości L równej 2, a następnie 3 metry. Wspomniany stosunek długości L do średnicy D wyniósł zatem ~21 w czasie pierwszego testu oraz ~32 w czasie drugiego testu. Oglądając film łatwo zauważyć różnicę w dynamice obu zjawisk oraz ilości energii jaką one wytworzyły.
Tabela 1. Zjawisko deflagracji i detonacji w zależności od stosunku długości rurociągu L do jego średnicy D na bazie normy EN ISO 16852:2010.
| Grupa wybuchowości gazu | Deflagracja | Detonacja |
|---|---|---|
| IIA1, IIA, IIB, IIB1, IIB3 | L < 50 x D | L > 50 x D |
| IIB, IIC | L < 30 x D | L > 30 x D |
Wypowiedź eksperta
Parametr L/D nieźle sprawdza się w przypadku prostych instalacji, jak np. dwa zbiorniki połączone rurociągiem. Na proces spalania gazowej mieszaniny wybuchowej w rurociągu ma jednak wpływ wiele czynników. Są to m.in. geometria przekroju poprzecznego rurociągu, jego zakrzywienia, zastosowana armatura czy typ i rodzaj przyłączy. Wszystko to oddziałuje na turbulencje przepływających gazów, co ostatecznie wpływa na dynamikę wybuchu. Obecnie trwają prace na przygotowaniem do publikacji nowej normy, ujmującej złożoność przebiegu rurociągów instalacji przemysłowych, sposób łączenia się odgałęzień, kąty pod jakimi się łączą oraz zmiany średnic, itp…
Należy również pamiętać, że przejście deflagracji w detonację stabilną poprzedza gwałtowny proces spalania zwany detonacją niestabilną. Zjawisko to charakteryzuje się gwałtownym skokiem prędkości oraz ciśnienia wybuchu, dlatego stosowane w tym obszarze przerywacze płomienia powinny zostać pod tym kątem przetestowane, co potwierdza odpowiedni certyfikat.
Rafał Olszański, GRUPA WOLFF
Wykres 1. Typowa zmiana prędkości przemieszczania się czoła wybuchu oraz zmiany ciśnienia na długości rurociągu.
Wyjaśnienie parametrów: V – prędkość; L – długość rurociągu liczona od miejsca zapłonu.
Przerywacz płomienia deflagracji, detonacji czy detonacji niestabilnej?
Oba testy miały za zadanie uświadomić użytkownikom instalacji procesowych jak ważnym zadaniem jest określenie lokalizacji oraz typu rurowego przerywacza płomienia. Przykładowo zastosowanie przerywacza płomienia certyfikowanego tylko na zjawisko deflagracji nie zabezpieczy nas przed zjawiskiem detonacji, czy też detonacji niestabilnej. Z drugiej strony nie warto stosować przerywaczy detonacji lub detonacji niestabilnej w miejscach, w których wystąpienie tych zjawisk, z przyczyn obiektywnych, jest niemożliwe.
Dobór przerywacza płomienia pod kątem charakterystyki potencjalnego wybuchu należy rozpocząć od określenia odcinków rurociągu, w których będziemy mieli do czynienia odpowiednio z deflagracją, detonacją oraz detonacją niestabilną. Następnie należy zweryfikować, który z odcinków, z technicznego oraz ekonomicznego punktu widzenia, będzie optymalny dla montażu zabezpieczenia. Przykładowo montaż tańszego przerywacza płomienia w miejscu trudno dostępnym szybko wygeneruje dodatkowe koszty podczas przeglądów i serwisów. Takie rozwiązanie może mieć również wpływ na częstotliwość i jakość wspomnianych prac, co przełoży się na poziom bezpieczeństwa instalacji.
W przypadku złożonych instalacji dobrą praktyką jest przeprowadzenie audytu, który wskaże optymalne rozwiązania z uwzględnieniem pozostałych, równie ważnych parametrów pracy przerywaczy płomienia, takich jak: ciśnienie, temperatura medium, grupa wybuchowości mieszaniny palnej, średnica i geometria rurociągu.
Błędny dobór zabezpieczeń procesowych, nieuwzględniający wspomnianych wyżej parametrów, jest częstym zjawiskiem spotykanym w przemyśle na całym świecie, zaś naszym celem jest wyeliminowanie tego typu ryzyka już na etapie poprawnego doboru typu i rodzaju zabezpieczenia.
Ważniejsze definicje
Grupa wybuchowości: uszeregowanie palnych mieszanin gazowo-powietrznych w odniesieniu do maksymalnego doświadczalnego bezpiecznego prześwitu mierzonego zgodnie z IEC 60079-1-1:2002.
Deflagracja: wybuch rozprzestrzeniający się z prędkością poddźwiękową.
Detonacja: wybuch rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową i charakteryzujący się falą uderzeniową.
Detonacja stabilna: detonacja rozprzestrzeniająca się w ograniczonym systemie bez znaczących zmian prędkości i charakterystyki ciśnienia.
Detonacja niestabilna: detonacja podczas przejścia procesu spalania od deflagracji do detonacji stabilnej. Przejście to występuje w ograniczonej przestrzennie strefie, gdzie prędkość fali spalania nie jest stała i gdzie ciśnienie detonacji jest znacząco wyższe niż w przypadku detonacji stabilnej. Położenie strefy przejściowej zależy między innymi od średnicy przewodu rurowego, jego konfiguracji, gazu testowego i jego grupy wybuchowości.
Przerywacz płomienia: urządzenie, które jest zamontowane w otworze obudowy lub w przewodzie rurowym łączącym system obudów i którego zamierzoną funkcją jest umożliwienie przepływu i jednocześnie zapobieganie przenoszeniu się płomienia.
Przegroda ogniowa: część przerywacza, której główną funkcją jest zapobieganie przenoszeniu płomienia.
Końcowy przerywacz płomienia: przerywacz płomienia, który jest wyposażony tylko w jeden króciec przyłączeniowy.
Rurowy przerywacz płomienia: przerywacz płomienia, który jest wyposażony w dwa króćce przyłączeniowe, każdy po jednej stronie przegrody ogniowej.
Dwukierunkowy przerywacz płomienia: przerywacz płomienia, który zapobiega przenoszeni płomienia z obu stron.
Przerywacz płomienia deflagracji: przerywacz płomienia zaprojektowany do zapobiegania przenoszeniu deflagracji. Urządzenie może być końcowym lub rurowym przerywaczem płomienia.
Przerywacz płomienia detonacji: przerywacz płomienia zaprojektowany do zapobiegania przenoszeniu detonacji. Urządzenie może być rurowym przerywaczem płomienia i może być przerywaczem detonacji stabilnej, jak również niestabilnej.
Źródło: Grupa Wolff
