NO790299L - Trykkbeholder for gasser. - Google Patents

Description

" Trykkbeholder for gasser"

Foreliggende oppfinnelse angår beholdere som primært er beregnet for flytende petroleumgasser, slik som butan, propan, etylenoksyd, hydrazin, vinylacetat og mange andre. Oppfinnelsen er spesielt rettet mot en beholderkonstruksjon som enten fullstendig vil hindre eksplosjon eller i betydelig grad vil gi en utsettelse før en slik beholder eksploderer, når den utsettes

for intens varme, for eksempel under en brann.

I de senere.år er det funnet at det vil være mulig å beskytte beholdere som inneholder brennbare gass/luft- eller damp/luft-blandinger mot eksplosiv forbrenning ved å fylle det indre av beholderen med en strekkmetall aluminiumfolie. Slike beholdere, for eksempel bensintanker for kjøretøyer, inneholder vanligvis nok oksygen til å underholde forbrenning og tillate at flammefronten når detonasjonshastigheter, og strekkmetallfolien vil hindre eksplosjonstenning av gass- eller damp-blandinger ved at den leder bort varmen fra forbrenningspunktet så hurtig at flammefronten ikke kan spre seg.

Beholdere med flytende petroleumsgasser (LPG) har alltid overatmosfærisk trykk for å holde gassen i væskefasen som en væske, og i dette tilfelle blir det ikke mulig for luft å trenge inn og danne en eksplosiv blanding. Det har imidlertid vært en rekke alvorlige uhell når LPG-beholdere, slik som togtankvogner, har vært utsatt for brann, og de resulterende eksplosjoner har hatt skremmende dimensjoner, for eksempel ved at det frembringes "brann-kuler" med en diameter på 60 meter eller mer. Slike eksplosjoner er kjent som eksplosjoner fra ekspanderende damp i kokende væsker (boiling liquid expanding vapour explosions, BLEVE) og undersøkel-ser av slike eksplosjoner har vist at de.er et resultat av et spesielt hendelsesforløp. Først oppstår det et uhell, for eksem pel ved en avsporing av et LPG-beholdertog. Derpå oppstår det brann ved at utlekket LPG eller innholdet i en eller annen vogn i toget antennes. Dette vil igjen bevirke oppvarming fra utsiden av en eller flere av LPG-beholderne. Når temperaturen stiger vil væskefasen koke og trykket i beholderen vil stige inntil en vanligvis forekommende sikkerhetsventil vil åpne.. Gasstrømmen fra sikkerhetsventilen vil da bli antent. Den antente gasstrøm fra en lekk-asje eller fra en sikkerhetsventil på en beholder vil også virke inn på en annen beholder. Etterhvert som oppvarmingen av det under trykk stående rom over væskeflaten i beholderen fortsetter, vil beholderveggen (vanligvis av stål) bli oppvarmet til en temperatur der strekkstyrken blir redusert i den grad at veggen sprekker.

Når en slik sprekking inntreffer vil beholdertrykket reduseres hurtig og væsken vil fordampe meget fort og ekspanderer til en

stor sky av gass som antennes av brannen og bevirker en meget ødeleggende "brannkule". Samtidig vil den brennende gass som sprøytes ut fra den sprukne beholder svært ofte bli drevet mer enn hundre meter bort. Hvis sikkerhetsventilen av en eller annen grunn ikke skulle åpne eller på grunn av at beholderen er veltet om, ligger under væskenivået, kan oppsprekkingen komme snarere som et enkelt trykkbrudd, men det fås det samme ødeleggende resultat. Dette gjelder også for beholdere som ikke har sikkerhetsventil.

En beholder, spesielt en trykkbeholder for flytende pe-troleumgass, ifølge oppfinnelsen har i det minste delvis en fylling av strekkmetall og et utvendig oppsvellbart belegg.

Små beholdere, slik som gassflasker for bærbare kokeapparater kan være fullstendig fylt med strekkmetallfolie, hvis det er lettere å tilpasse den på denne måte. Større beholdere kan væ-re delvis fylt og likevel frembringe den samme effektive beskyttelse mot BLEVE. Denne delvise fylling vil bli billigere, vil oppta mindre volum og vil veie mindre.

Avhengig av varmeledningsevnen for strekkmetallet som benyttes inne i beholderen kan det ganske enkelt være mulig å fore innsiden av beholderen med strekkmetallet, mens den sentrale del av beholderen er fri for fyllmateriale. Derved vil det volum som strekkmetallet opptar bli redusert, og hvis nødvendig kan det da bli mulig å benytte et tykkere materiale.

Det oppsvellbare belegg som benyttes spesielt for mobile og bærbare beholdere bør i høy grad være meget støtfast og slite-fast.

Oppsvellbare malinger og lakker er kjent og benyttes spesielt i bygninger for å forsinke forbrenningen av tremateri-aler og forsinke overhetingen av stålkonstruksjoner. De oppsvellbare belegg vil skumme opp og forkulles slik at det dannes en varmeisolerende barriere. Det oppsvellbare beleggsystem kan omfatte et enkelt lag eller kan være pålagt i flere lag, omfattende grunningslag og dekklag avhengig av hva som kreves for beskyttelse av den spesielle beholder etc.

Oppsvellbare belegg omfatter vanligvis karbonforbindelser, et oppskummingsmiddel, en katalysator og et harpiksaktig binde-middel. Karbonforbindelsen er en kjemisk forbindelse som ved re-aksjon med katalysatoren danner et stort volum av forkullet masse. Dette oppsvellbare karbon tilveiebringer den ikke brennbare barriere som er så karakteristisk for oppsvellbare belegg. En ty-pisk karbonforbindelse er di/tri-pentaerytritol. Oppskummingsmidlet eller "blåsemidlet" frigjør ikke brennbare gasser ved spalting som inntreffer ved en bestemt temperatur. Egnede oppskumming-smidler er klorinert parafin og krystallinsk melamin. Katalysatoren er et materiale som inneholder en høy prosent fosfor som spal-tes ved anvendelse av varme til fosforsyre under spaltingstempera-turen for karbonforbindelsen. Vanlig benyttede materialer er am-moniumpolyfosfat og melaminfosfat. Egnede bindemidler er klorinert gummi og vinyl-toluen/acrylat.

Hendelsesforløpet ved oppsvellingen omfatter en rekke trinn som kan inntreffe samtidig: spalting av katalysatoren, reak-sjon mellom den resulterende syre og karbonforbindelsen for å frembringe den forkullede masse, mykgjøring av bindemidlet for å danne en forhudning som hindrer at de avgitte ikke brennbare gasser fra oppskummingsmidlet unnslipper, oppskumming av karbonmate-rialet for å tilveiebringe et bikaklignende teppe som resulterer i en meget effektiv isolasjon.

Det ble først antatt at påføring av et oppsvellbart belegg på en beholder som allerede inneholdt et strekkmetallgitter, ville kunne minske tiden til en eksplosjon under en brann på grunn av at isolasjonen ville kunne hindre varmen i å bli ledet ut fra et kaldere parti av beholderveggen.

Det er imidlertid funnet at varmen overføres inn til LPG, der energien forbrukes til å omforme væske til gass, og en begrens-ning av den varmemengde som går gjennom beholderveggen blir derfor av den største betydning.

Da isolasjonsevnen for belegget før oppskummingen er li-ten under bruk, der varme trenger inn gjennom beholderveggen for å fordampe væsken, vil belegget ikke hindre normal drift når beholderen benyttes.

Beholdere som skal beskyttes ved den foreslåtte frem-gangsmåte kan selvsagt variere i størrelse fra nedgravne lager-tanker til gassbeholdere for camping kokeapparater og aerosolbe-holdere. Freon som vanligvis er blitt brukt-som drivgass i aero-solbeholdere av alle sorter, er blitt kritisert av forskjellige grunner i mange land, og det er derfor foreslått å erstatte Freon med for eksempel butan, men eksplosjonsrisikoen for slike beholdere blir selvsagt et alvorlig problem, som ikke forefinnes ved Freon ettersom Freon ikke er brennbar.

Behovet for store lageranlegg for LPG har resultert i mange mer potensielle farer der aerosolfyllingsanlegg er lokal-isert.

Det antas at i de forhold som innbefattes ved hindring av BLEVE i beholdere ifølge foreliggende oppfinnelse under en brann, inngår først en forsinkelse i den hastighet som varmen tilføres beholderens ytre med>bevirket av det oppsvellbare belegg, og derpå fås det en hurtig ledning av varme bort fra beholderveggen ved hjelp av strekkmetallet inn i væsken som under fordampningen absorberer mye varmeenergi.

Når beholderen i tillegg har en sikkerhetsventil og når denne åpner, vil en del flytende gass fordampe og derved brukes en stor mengde varmeenergi som ledes inn gjennom veggen i beholderen, gjennom strekkmetallgitteret og inn i væsken. på grunn av at beholderens ytre er isolert av det oppskummede, oppsvellbare belegg vil temperaturen i beholderveggen bli senket betydelig fra dens tidligere temperatur. Derved hindres det at veggene i beholderen får så høy temperatur at det blir noen betydelig svekk-else, og det indre trykk i^beholderen blir derfor ikke stort nok til at veggen sprekker. Kjøleeffekten vil altså øke tiden mellom åpning og lukking av sikkerhetsventilen, og derved reduseres den mengde gass som frigjøres.

Med ikke stabile gasser slik som etylenoksyd, som kan være eksplosiv som en 100% gass uten tilførsel av oksygen og som kan selvantennes ved relativt lave temperaturer, kanskje som et resultat av spalting, kan i tillegg strekkmetallet kanskje hindre at den flytende gass på noe tidspunkt når en selvantennende temperatur. Spesielt etylenoksyd er ytterst farlig for så snart det har nådd en temperatur på 560°C, oppstår det en eksplosiv spalting som fortsetter selv om kilden som forårsaker temperaturen fjernes. Spaltingen kan derfor fortsette uten at dette er åpenbart, inntil det fås selvantennelse. Det skal påpekes at strekkmetallet ved dets iboende evne til å spre varme hurtig, vil kunne hindre at det fås antennelsestemperatur, slik at faren reduseres i høy grad.

En pakke aluminium strekkmetallgitter med en vekt på 25 gram pr. liter vil ha opp til 500 ganger så stor varmeledningsevne som petroleumsgass og vil derfor overføre varme fra beholderveggen 500 ganger hurtigere enn hvis bare gassen var til stede. på grunn av at gassen er i kontakt med beholderveggen på alle punkter av dens

flate unntatt hvor strekkmetallet er i kontakt med veggen, antas

det imidlertid at størstedelen av varmen ledes.fra veggen og inn

i gassen og derpå umiddelbart til strekkmetallgitteret. Prøver har vist at strekkmetallgitteret kan være i kontakt med veggen i beholderen på relativt få punkter. Dette har stor betydning for transportable beholdere, der det kan bli en forskyvning av strekkmetallet bort fra veggen i beholderen på grunn av for eksempel vi-brasjon, og hvis strekkmetallet var den primære varmeleder fra veggen, kunne dette være et alvorlig problem.

Det er foretatt forskjellige prøver med å finne ut hvor stor beskyttelse beholdere ifølge oppfinnelsen gir og fig. 1 viser en prøveinnretning som brukes under disse prøver.

Prøver ble utført med standard domformede ikke ventiler-bare gassbeholdere av stål for campingbruk, inneholdende 200 gram flytende butan. Prøveinnretningen er enkel i seg selv og omfatter en beskyttende stålplate A, og gjennom denne stikker det ut en gassbrenner B. Til platen A er det også festet en holder C

for gassbeholdere D. Flammen E fra gassbrenneren B er anordnet slik at den kan rettes inn mot toppen og siden av beholderen ved et punkt som ligger over væskenivået.

En.første prøve ble utført med en gassbeholder som vanligvis leveres uten noen beskyttelse. Etter 31 sekunder ble den innbuede bunn F i beholderen trykket ut, og beholderen brast etter 2 minutter og 26 sekunder. Beholderen brast ikke på grunn av svekning i beholderveggen, men ganske enkelt på grunn av meget høyt trykk som ble utviklet av den ekspanderende gass.

En annen beholder var fullstendig fylt med strekkmetallgitter av en aluminiumlegering. Gitteret som var 0,04 mm tykt,

og denne beholder ble testet. Tiden før bunnen ble trykket ut var 54 sekunder, mens et trykkbrudd inntraff etter 4 minutter og 18 sekunder.

Ytterligere to prøver ble utført. Først ble det prøvet

en beholder med den samme fylling av aluminium strekkmetall, men med et 15 mm tykt isolasjonsbelegg (det anvendte belegg er fremstilt av Sigma Coatings B.V, Holland og er kjent under navnet "Firescreen"). Bunnen i beholderen ble ikke trykket ut før etter at 23 minutter og 51 sekunder hadde gått og beholderen brast ikke.

Den fjerde beholder var i hovedsaken den samme som den tredje, men hadde et ytterligere oppsvellbart dekklag (Firescreen Finish") med en tykkelse på 700 micron. Uttrykking av bunnen inntraff etter 33 minutter og heller ikke denne gang oppsto det brudd.

Av de foran angitte data fremgår at det fås en betydelig reduksjon i faren for at brudd skal oppstå i beholderkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen.

Enda en rekke prøver ble utført med en flammebrenner som hadde en større flamme og frembrakte mer varme. Omgivelsesatmos-færen som den andre serie av prøver ble utført i hadde en lavere temperatur av størrelsesorden 10 til 15°c. hvilket bevirker større differanse i væske-/gass-fasen. En ubeskyttet beholder ble split-tet opp i siden og frembrakte en virkeligBLEVE etter 45 sekunder, og en beholder som bare var fylt med strekkmetallfolie brast og-så og frembrakte en virkelig BLEVE etter 50 sekunder. I en tredje beholder, fylt med strekkmetallfolie, et dekklag av "Firescreen" pa 15 mm og et "Firescreen Finish"-lag på 700 micron, blå ste! gassen bort i bunnen etter 26 minutter og 45 sekunder på grunn av

stort indre trykk. Det ble ingen oppsplitting av siden i beholderen på grunn av svekning av beholderveggen.Virkningen av bortblåsningen i bunnen ligner mer på en trykkavlastningsvirkning som inntreffer når en sikkerhetsventil forefinnes og utløses.

Det skal imidlertid påpekes at det fås en betydelig forsinkelse før trykkbrudd inntreffer.

Eksempler på beholdere fremstilt i samsvar med foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives med henvisning til de med-

følgende tegninger hvor:

Fig. 2A og B skjematisk viser oppriss resp. grunnriss

av en bærbar LPG-beholder av en type som benyttes til kokeapparater i campingvogner og lignende. Fig. 3A viser skjematisk et snitt gjennom en beholder som benyttes ved togtransport, Fig. 3B viser skjematisk et snitt gjennom en annen type beholder som benyttes ved togtransport og

fig. 3C viser et lengdesnitt av den på fig. 3B viste beholder.

Den på fig. 2A og B viste beholder er i grunnlaget av vel kjent type og omfatter en langstrakt sylindrisk vegg 1 som har domformede ender 2 og 3. på den nedre ende 3 er det festet en i snitt sylindrisk stett 4 med en nedre flens 5 for at beholderen skal kunne stå støtt på underlaget. Den øvre ende av beholderen har et gassutløp 6 med en ventilenhet 7 med én manuell ventil og en sikkerhetsventil. Disse elementer på beholderen er vanlig standard. Beholderen har imidlertid en indre spiralvik-let spole av aluminiumlegering strekkmetallfolie som selv om den opptar bare mellom 1 og 2 prosent av beholderens indre volum, strekker seg gjennom hele beholderen, slik at den er i stand til å lede varme fra beholderveggen og inn i den flytende gass, uan-sett hvordan beholderen er orientert. Strekkmetallgitteret av aluminiumlegering har en tykkelse på 0,04 mm og har en streng-bredde på 1,78 mm. I lengderetningen for gittermaskene, det vil si lengden av de paralellogramformede åpninger som tilveiebringes i gitteret under strekkeprosessen, er lengden av en slik åpning 15 mm.Bredden av hver åpning er 8,4 mm i utstrukket tilstand. Når et slikt gitter er oppviklet til en spole har det en tetthet på omtrent 0,03 gram pr. cm .

På beholderens ytre flate er det pålagt et oppsvellbart belegg 9 som kan være av enkeltlags- eller flerlags-typen, slik som benyttet ved de foran beskrevne prøver.

På fig. 3A er det vist et snitt gjennom en mye større beholder av den type som vanligvis blir montert på en jernbanevogn. Beholderen har på nytt en hovedsakelig sylindrisk vegg 11 og domformede sfæriske ender 12 og 13, slik som vist på fig. 3C. Ulik den på fig. 2A og B viste bærbare beholder, ligger hoved-aksen for sylinderen på jernbanevognbeholderen ifølge foreliggende eksempel hovedsakelig horisontalt og omfatter en trykkavlastings-ventil (ikke vist). Beholderen har på yttersiden et enkelt eller flerlags oppsvellbart belegg 14 som i det foranstående eksempel, men i det indre er det bare anordnet en delvis fylling med strekkmetallgitter 15 som er utformet som store spoler 16 som er adskilt understøttet i en ringformet rekke av radikaltløpende strekkmetallplater 17 og av to hovedsakelig halvsylindriske strekkmetallplater 18.

Fig. 3B og C viser et alternativt eksempel til det som er vist på fig. 3A. I dette eksempel er strekkmetallgitteret anordnet i et antall lag 1? og danner en ringform mot veggen i beholderen og er innvendig understøttet av en sylinder 20 av strekkmetall med større totaldimensjoner og som er avstivet innvendig av tversløpende ..stenger 21.

Det skal påpekes at arrangementet av strekkmetallet inne i beholderen kan varieres fra anvendelse til anvendelse og avhengig av beholderens størrelse.

Claims (12)

1. Beholder, karakterisert ved at den i det minste delvis er fylt med et strekkmetallgitter og har et ytre oppsvellbart belegg.

2. Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at beholderen er en trykkbeholder for flytende petrole-um-gass.

3. Beholder ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den er fullstendig fylt med et strekkmetallgitter.

4. Beholder ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at strekkmetallgitterfyllingen er anordnet som en kledning i beholderen.

5. Beholder ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, karakterisert ved at strekkmetallgitteret er fremstilt av en aluminiumfolie.

6.B eholder ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, karakterisert ved at beholderen er en gassflaske.

7. Beholder ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at beholderen er en jernbanevogn- eller veitransport-tank.

8.B eholder ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at beholderen er en fast montert tank.

9.B eholder ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at beholderen er en aerosolboks.

10.B eholder ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, karakterisert ved at det oppsvellbare belegg er pålagt i et enkelt lag.

11. Beholder ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at det oppsvellbare belegg er pålagt i flere lag.

12.B eholder ifølge krav 1, i det vesentlige som beskrevet med henvisning til et hvilket som helst av eksemplene og som vist på tegningene.