2/1 1 JOHDANTO 3. 2 KOKEET JA SIMULOINTIMALLIT Kokeet Säiliön repeämisvaara Simulointimallit 4

Transkriptio

1 2/1 LIITE 2. SÄILIÖVAUNUJEN SIMULOINTI SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 3 2 KOKEET JA SIMULOINTIMALLIT Kokeet Säiliön repeämisvaara Simulointimallit 4 3 KOTIMAISET BENSIINIVAUNUT Vaunutyypit Bensiinilaadut So-säiliövaunu Sob-säiliövaunu Soek-säiliövaunu Varoventtiili purkaa nestettä Täyttöluukun tiiviste Tulosten tarkastelua 17 4 VENÄLÄISET RAAKAÖLJYVAUNUT Vaunutyypit Raakaöljylaadut Vainikkalan onnettomuus Raakaöljyvaunu 23 5 SAKSALAINEN NESTEKAASUVAUNU 25 6 VENÄLÄISET PENTAANIVAUNUT Vaunutyypit Varsinainen pentaanivaunu Nestekaasuvaunu Tulosten vertailu 31 7 VENÄLÄISET NESTEKAASUVAUNUT Vaunutyypit Kuljetettavat kaasut Tulipalotilanteet Lammikkopalo, butaanikuorma Lammikkopalo, muut kuormat Pistoliekki 37

2 2/2 8 KOTIMAISET NESTEKAASUVAUNUT Vaunutyypit Kuljetettavat kaasut Tulipalotilanteet Propaanikuorma Butadieenikuorma 42 9 AMMONIAKKISÄILIÖVAUNUT Vaunutyypit Ammoniakin ominaisuudet Kotimainen ammoniakkivaunu Venäläiset ammoniakkivaunut TULOSTEN TARKASTELUA Ohjelma ENGULF Tulipalotilanteet Varoventtiilin toiminta Säiliön repeämistavat Kemikaalien valinta 50 LÄHDELUETTELO 51 KUVAT 53

3 2/3 1 JOHDANTO Liitteessä simuloidaan tulipaloon joutunutta säiliövaunua tarkoitusta varten kehitetyllä ENGULF II -ohjelmalla. Simuloinnin kohteena on Suomessa kuljetettavia kaasu- ja nestesäiliövaunuja, jotka ovat kotimaisia, venäläisiä tai saksalaisia. Vaunujen kuormana on nesteytetty kaasu tai palava neste. Liekkiympäristönä on palava lammikko, jonka liekit ympäröivät säiliön joko kokonaan tai osaksi, tai palavan kaasun vuodosta muodostunut pistoliekki, joka koskettaa säiliötä. Simuloinnin avulla voidaan arvioida, ovatko säiliöt vaarassa repeytyä tällaisessa tilanteessa ja kuinka pitkä kuumennus repeämiseen vaaditaan. Simuloinnin tuloksia voidaan hyödyntää laadittaessa ohjeita palokunnille tällaisten onnettomuustilanteiden varalta. 2 KOKEET JA SIMULOINTIMALLIT 2.1 KOKEET Liekkien kuumentaman säiliön käyttäytymistä on tutkittu kenttäkokeilla luvulta lähtien tehdyissä kokeissa säiliöiden täytöksenä on ollut propaania. Säiliövaunuilla on tehty kolme kenttäkoetta: kaksi koetta USA:ssa 128 m 3 :n säiliövaunuilla, joista toinen oli eristämätön ja toinen eristetty (Townsend ym. 1974), sekä yksi koe Saksassa 45 m 3 :n eristämättömällä säiliövaunulla (Balke ym. 1999). USA:n kokeissa säiliön alla oli lentopetrolilla ja Saksan kokeessa kevyellä polttoöljyllä täytetty allas. Kaikissa kolmessa kokeessa säiliön kuumentamista jatkettiin, kunnes säiliö repesi. Kustannussyistä muut kokeet on tehty pienemmillä säiliöillä. Englannissa tehdyissä kokeissa käytettiin 0,5, 2 ja 10 m 3 :n lieriösäiliöitä. Säiliön alla oli petrolilla täytetty allas. Kokeita tehtiin eri täyttöasteilla yhteensä 10. Vajaalla täytöllä tehdyt kokeet olivat kiinnostavia varastosäiliöiden kannalta. Kokeet yleensä keskeytettiin, kun säiliön paine oli noussut 75 %:iin lasketusta repeämispaineesta. Tällä tavalla samalla säiliöllä voitiin tehdä useita kokeita, joissa säiliön täyttöastetta vaihdeltiin (Moodie ym. 1988). Lisäksi tehtiin kokeita paloeristetyillä ja vesivalelun suojaamilla 0,5 m 3 :n säiliöillä. Saksassa tehtiin kolme koetta 4,85 m 3 :n lieriösäiliöillä. Sisällön alkulämpötilaa vaihdeltiin eri vuodenaikoja vastaavasti. Säiliöiden alla oli kevyellä polttoöljyllä täytetty allas. Kokeita jatkettiin kunnes säiliö repesi (Schultz-Forberg ym. 1984). Lisäksi tehtiin kokeita paloeristetyillä ja vesivalelun suojaamilla säiliöillä. Englannissa on tehty kokeita myös propaanipistoliekin kuumentamilla 4,55 m 3 :n lieriösäiliöillä. Pistoliekin koko valittiin sellaiseksi, että se ympäröi koko säiliön. Kokeita tehtiin neljä säiliön eri täyttöasteilla ja niitä jatkettiin, kunnes säiliö repesi (Duijm 1995). 2.2 SÄILIÖN REPEÄMISVAARA Kokeissa ja onnettomuuksissa havaittu säiliön repeäminen on seurausta sisällön lämpenemisestä, joka kohottaa säiliön painetta, sekä säiliön vaipan kuumenemisesta nestepinnan yläpuolella, joka alentaa teräksen murtolujuutta. Säiliö voi revetä myös siksi, että laajentunut neste täyttää koko säiliön, jolloin nestepaine riittää murtamaan säiliön, vaikka teräs ei olisikaan heikentynyt. Säiliön repeäminen voidaan estää rajoittamalla

4 2/4 säiliön täyttöaste niin pieneksi, että neste ei pysty täyttämään säiliötä säiliön paine arvoon, jonka säiliö kestää vaipan lämpötila arvoon, jolla säiliö kestää sisäisen paineensa. Käytännössä kuljetussäiliöiden täyttöaste rajoitetaan sellaiseen arvoon, että säiliö ei missään olosuhteissa (tulipaloa lukuun ottamatta) voi täyttyä nesteellä. Kuljetusmääräyksissä nesteytetyn kaasun lämpöeristämättömän säiliön suurin sallittu täyttöaste määräytyy seuraavista ehdoista (VAK 1999): suurin sallittu täyttöaste on 0,95 kertaa nestefaasin tiheys lämpötilassa 50 o C kaasufaasin on säilyttävä lämpötilaan 60 o C asti. Tällä perusteella laskettu täyttöaste on kuljetusmääräyksissä annettu eri kaasuille. Lämpötila, jossa kuljetussäiliö täyttyy nesteellä, vaihtelee Suomessa kuljetettavilla palavilla kaasuilla o C (tekstiosa, taulukko 2). Paineen nousun rajoittamiseksi kuljetussäiliöissä on yleensä varoventtiili. Varoventtiilin mitoitus vaihtelee eri maissa eri aikoina annetuissa määräyksissä. Kun varoventtiili mitoitetaan estämään säiliön paineen nousu tulipalossa, on pystyttävä arvioimaan, millainen lämpöteho säiliöön voi siirtyä. Varoventtiilin vapaan aukon alan on oltava riittävän iso, jotta venttiili pystyy puhaltamaan tämän tehon höyrystämän höyryvirran. Esimerkiksi venäläisten nestekaasuvaunujen varoventtiilin mitoituksessa ei ole varauduttu tulipaloon (Shebeko ym. 1996). Saksalaisissa nestekaasuvaunuissa ei ole varoventtiiliä. Tulipalotilanteen varalta riittävän suureksi mitoitettu varoventtiili pysäyttää säiliön paineen nousun ja nesteen lämpötilan kohoamisen. Varoventtiilin toiminta ei kuitenkaan pysäytä säiliön vaipan lämpötilan nousua kaasutilan kohdalta. Säiliö repeää, kun sen murtolujuus heikoimmassa (kuumimmassa) kohdassa on laskenut vaipan kehäjännityksen suuruiseksi. Tämä tapahtuu useimmiten, kun vaipan lämpötila on o C. Tällä alueella teräksen murtolujuus laskee nopeasti lämpötilan noustessa. Varoventtiilin toiminta ei siten paljoakaan pidennä säiliön kestoaikaa tulipalossa, jonka liekit koskettavat säiliötä ja ovat riittävän kuumia nostamaan vaipan lämpötilan alueelle o C. Vesivalelun lisäksi säiliön vaipan kuumenemista voidaan rajoittaa lämpöeristyksellä. Kokemukset kuljetusonnettomuuksista osoittavat, että palokunta ei välttämättä edes ehdi aloittaa vesivalelua ennen kuin säiliö repeää. Lisäksi liekkien ympäröimän säiliön vesivaleluun tarvittava vesivirta on niin suuri, että valelu tulee käytännössä kysymykseen vain tehdasalueilla, joissa on kiinteä palovesiverkosto. 2.3 SIMULOINTIMALLIT Koska säiliön käyttäytymiseen ja repeämisvaaran muodostumiseen vaikuttaa monia tekijöitä, eri tekijöiden vaikutuksen selvittäminen kokeellisesti on käytännössä mahdotonta. Niinpä kokeiden rinnalla on kehitetty simulointimalleja. Englannin koeohjelman rinnalla kehitettiin simulointimalli ENGULF II (Ramskill 1988), jonka versio 1.5 on hankittu VTT:lle. ENGULF II -ohjelmalla voidaan simuloida makaavaa tai pystyä lieriösäiliötä sekä pallosäiliötä. Säiliö voi olla eristämätön tai eristetty. Koko säiliön ympäröivien allas- tai lammikkopalon liekkien ohella ohjelmalla ENGULF II voidaan mallintaa seuraavia tilanteita: 1. liekit ympäröivät säiliön päädyn 2. liekit ympäröivät säiliön keskiosan

5 2/5 3. pistoliekki kohdistuu säiliön vaippaan kaasutilan kohdalla 4. pistoliekki kohdistuu säiliön vaippaan nestetilan kohdalla 5. pistoliekki kohdistuu säiliön vaippaan kaasu- ja nestetilan kohdalla 6. liekkien lämpösäteily kohdistuu säiliön päätyyn 7. liekkien lämpösäteily kohdistuu säiliön vaippaan. Nesteytetyt kaasut, joita säiliössä voi olla joko yksinään tai seoksina, ovat ammoniakki butaani happi metaani propaani. ENGULF-ohjelma kuvaa moottoribensiiniä ns. pseudokomponenttimallilla, joka koostuu seitsemästä tyydytetystä hiilivedystä, joiden fysikaaliset ominaisuudet tunnetaan hyvin. Koska hiilivetyseokset ovat ideaaliliuoksia, jokaisen komponentin osapaine saadaan Raoultin laista (kertomalla komponentin mooliosuus nesteessä komponentin kylläisen höyryn paineella). Komponenttien mooliosuudet on valittu siten, että seoksen höyrynpaine kuvaa hyvin bensiinin (kesälaadun) höyrynpainetta koko kiinnostavalla lämpötila-alueella. Myös seoksen tiheys vastaa bensiinin tiheyttä tällä alueella. Pseudokomponenttimalli käyttää seuraavia komponentteja, joita voi myös yhdistellä vapaasti toisten hiilivetyseosten mallintamista varten: propaani butaani pentaani metyylipentaani tolueeni trimetyylibentseeni metyylietyylibentseeni. Säiliön kaasutilassa voi kemikaalin höyryn lisäksi olla ilmaa. ENGULF kuvaa varoventtiiliä aukkona, joka avautuu säiliön paineen saavuttaessa varoventtiilin avautumispaineen, ja sulkeutuu, kun säiliö paine laskee tätä painetta alemmaksi. Kun varoventtiili puhaltaa höyryä (tai ilman ja höyryn seosta), nestepinnasta höyrystyy uutta höyryä säiliön kaasutilaan. Ohjelma ottaa huomioon nesteen koostumuksen muutoksen, kun kevyemmät jakeet höyrystyvät ja poistuvat varoventtiilin kautta. Simulointia varten pseudokomponenttiseoksen neste- ja höyryfaasin ominaisuudet lasketaan uudelleen joka aika-askeleen jälkeen (Ramskill 1987). VTT:lle on hankittu myös professori Venartin johdolla New Brunswickin yliopistossa Kanadassa kehitetty PLGS99-ohjelma. Kun ENGULF-ohjelma ei mallinna säiliön kaasutilan ja nestetilan lämpötilajakaumia, PLGS-ohjelma pyrkii mallintamaan säiliön sisällä tapahtuvia ilmiöitä mahdollisimman todenmukaisesti. Malli jakaa säiliön nestetilan neljään osaan: a) lämmin pintakerros, b) reunojen konvektiovirtaus, c) keskiosa, d) pohjaosa. Varoventtiilin kautta voi purkautua joko höyryä tai höyry-pisaraseosta. PLGS-ohjelman aikaisemmasta versiosta PLGS-I on julkaistu kuvaus (Aydemir ym. 1988). Nykyisestä versiosta PLGS99 ei vielä ole laadittu kuvausta. VTT:n saamalla ohjelman PLGS99 versiolla pystyy simuloimaan vain liekkien täysin ympäröimää makaavaa lieriösäiliötä. Ohjelman muilla versioilla pystyy simuloimaan pystyä lieriösäiliötä ja pallosäiliötä. Säiliön sisältönä voi olla propaania, butaania, pentaania tai

6 2/6 heksaania. Ohjelmalla ei voi mallintaa seoksia eikä säiliön kaasutilassa voi olla ilmaa. Ohjelma kuvaa realistisesti varoventtiilin toimintaa, jota kuvataan kolmella paineella: avautumispaine, paine, jossa varoventtiili on täysin auki, ja sulkeutumispaine. Raportissa (Lautkaski 2001) on ENGULF- ja PLGS99-malleilla simuloitu kahdeksaa propaanisäiliöillä tehtyä lammikkopalokoetta sekä neljää pistoliekkikoetta. USA:n säiliövaunukoetta voitiin simuloida vain PLGS99-ohjelmalla. Tuloksia verrattiin kokeista julkaistuihin mittaus- ja havaintotietoihin. Ohjelmia ei sanan tarkassa merkityksessä voi todentaa koetulosten avulla, koska kaikkia koesäiliön käyttäytymiseen vaikuttaneita tekijöitä ei tunneta riittävällä tarkkuudella. Ennen muuta tämä koskee säiliötä kuumentaneiden liekkien ominaisuuksia. Eräissä kokeissa tuuli kallisti liekkejä ja teki liekkiympäristöstä hyvin epäyhtenäisen. Silloinkin, kun tuuli ei kallistanut liekkejä, niiden ominaisuudet muuttuivat sekä ajan että paikan funktiona. Liekkiympäristön epäyhtenäisyys ei niinkään haittaa säiliössä olevan nesteen lämpötilan nousun laskemista, sillä ennen varoventtiilin avautumista nesteen lämpötila määräytyy säiliön nestetilaan siirtyvästä tehosta eli tehotiheyden keskimääräisestä arvosta nestetilaan kosketuksessa olevan säiliön seinämän osalla. Tämän suureen arvo saadaan parhaiten kokeilemalla eri suuria tehotiheyden arvoja eli hyödyntämällä sitä, että säiliö itse toimii kalorimetrinä. Suoritetuissa simuloinneissa valittiin, osaksi kirjallisuudessa julkaistujen simulointitulosten sekä professori Venartin suositusten perusteella, seuraavat liekkien tehotiheyden arvot (Lautkaski 2001): Englannin 10 m 3 :n säiliöllä tehtyjen kokeiden petrolialtaan liekit 66 kw/m 2 Saksan 4,85 m 3 :n säiliöillä tehtyjen kokeiden polttoöljyaltaan liekit 88 kw/m 2 Saksan säiliövaunukokeen polttoöljyaltaan liekit 90 kw/m 2 USA:n säiliövaunukokeen lentopetrolialtaan liekit 86 kw/m 2 Englannin pistoliekkikokeen liekki 200 kw/m 2, 1177 o C. Näillä tehotiheyden arvoilla simulointiohjelmat kuvasivat parhaiten säiliön käyttäytymistä, mahdolliseen repeämiseen kuluva aika mukaan lukien. Liekkiympäristön epäyhtenäisyydestä johtuen liekkien kuumimman osan tehotiheys määräsi vaipan lämpötilan. Jos tehotiheys valittiin siten, että ohjelmat kuvasivat hyvin sisällön mitatun lämpötilan nousun, vaipan lämpötilan nousunopeus tuli aliarvioitua. Jos taas tehotiheyttä kasvatettiin vastaamaan vaipan lämpötilan mitattua nousunopeutta, sisällön lämpötilan nousu tuli yliarvioitua (Lautkaski 2001). Koska huolellisesti suunnitelluissa kenttäkokeissa yhtenäisen liekkiympäristön luominen koesäiliön ympärille tuotti suuria vaikeuksia, onnettomuustilanteissa on odottavissa, että liekkiympäristö on epäyhtenäinen. Tämä aiheuttaa epävarmuutta lähinnä arvioitaessa säiliön repeämisaikaa simulointien avulla. Toisaalta repeämisaika joka tapauksessa riippuu monesta tekijästä eikä sitä voi kuitenkaan arvioida kovin tarkkaan. 3 KOTIMAISET BENSIINIVAUNUT 3.1 VAUNUTYYPIT Bensiinin kuljettamiseen käytetään kolmea kotimaista säiliövaunutyyppiä, joiden tiedot on koottu taulukkoon 1.

7 2/7 Taulukko 1. Bensiinisäiliövaunut So Sob Soek säiliö tilavuus, m 3 61, ,3 täyttö, m halkaisija, m 2,8 2,8 2,8 pituus, m 10, ,5 vaipan paksuus, mm eristyksen paksuus, mm 60 varoventtiili avautumispaine, bar 1 1,5 1,5 vapaa aukko, cm 2 32, kuristuskerroin 0,86 0,92 0,92 Kummankin varoventtiilityypin virtausta rajoittava vapaa aukko on liekinestimessä. Kotimaisessa varoventtiilissä (So) liekinestimenä on 0,3 mm:n langasta tehty verkko, jossa on 144 silmää neliösenttimetrillä. Saksalaisen varoventtiilin (Sob ja Soek) liekinestin on valmistettu 0,2 mm paksusta aaltoprofiilista. Liekinestinten kuristuskerroin Cd on arvioitu äkillisen putkisupistuksen paikallisvastuksen avulla. Äkillisen putkisupistuksen paikallisvastus? voidaan arvioida kaavasta missä A1 on putken poikkipinta supistuksen jälkeen, m 2 A on putken poikkipinta ennen supistusta, m 2. Kaavasta (1) saadaan kotimaiselle venttiilille? = 0,35 ja saksalaiselle venttiilille? = 0,175. Venttiilin kuristuskerroin Cd saadaan paikallisvastuksesta kaavalla Sijoittamalla lasketut paikallisvastuksen arvot kaavaan (2) saadaan taulukossa 1 annetut kuristuskertoimen arvot. 3.2 BENSIINILAADUT Ohjelman ENGULF syöttötietojen joukossa on Englannissa tehty bensiinin pseudokomponenttimalli, joka on esitetty taulukossa 2. Kuvaan 1 on piirretty Fortum Oil and Gas Oy:n valmistaman moottoribensiinin kesä- ja talvilaadun höyrynpaineet (Aimo Rautiala, Fortum Oil and Gas Oy, sähköpostiviesti ). Mallilla laskettu bensiinin höyrynpaine on yhtäpitävä kotimaisen moottoribensiinin kesälaadun höyrynpaineen kanssa. Moottoribensiinin talvilaadulla on korkeampi höyrynpaine (89 kpa, 37,8 o C) kuin kesälaadulla (69 kpa, 37,8 o C, kuva 1). Jotta simulointeja voitaisiin tehdä myös talvilaadulla kuormatuilla säiliövaunuilla, talvilaadulle tehtiin pseudokomponenttimalli asettamalla propaanin pitoisuus nollaksi ja muuttamalla muiden komponenttien pitoisuuksia siten, että mallin antamat bensiinin A1 2 ζ = (1 - ) (1) A C d = ζ (2)

8 2/8 höyrynpaineen ja tiheyden lämpötilariippuvuudet vastasivat mahdollisimman hyvin Fortum Oil and Gas Oy:n talvilaadun arvoja. Sovitus tehtiin Excel-taulukkolaskentaohjelmalla ja tulokseksi saadut pseudokomponenttien pitoisuudet on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Kesä- ja talvibensiinin mallit, painoprosentteja kesä talvi propaani 0,2 butaani 5,0 11,40 pentaani 17,0 13,80 metyylipentaani 12,0 8,15 tolueeni 22,0 23,20 trimetyylibentseeni 35,0 36,40 metyylietyylibentseeni 8,8 7,05 yhteensä 100,0 100, SO-SÄILIÖVAUNU Perustapaukseksi valittiin pyörillään oleva ehjä säiliövaunu, jonka kuormana on moottoribensiinin kesälaatua. Sisällön lämpötila on 15 o C. Säiliön alla on bensiinilammikko, jonka liekit ympäröivät koko säiliön. Liekkien tehollinen lämpötila on 850 o C ja tehotiheys 90 kw/m 2. Palo sammuu tai heikkenee olennaisesti 30 minuutin kuluttua. Vaihtoehtoiset tapaukset ovat: 1. liekkien tehollinen lämpötila on 800 o C ja tehotiheys 75 kw/m 2 2. liekit ympäröivät puolet säiliöstä 3. säiliön kuormana on moottoribensiinin talvilaatua, jonka lämpötila on 0 o C Perustapaus Perustapauksessa säiliön varoventtiili avautuu 3,6 minuutin kuumennuksen jälkeen. Paineen nousu säiliön kaasutilassa johtuu höyryn ja ilman seoksen kuumenemisesta, ilman puristumisesta kokoon nesteen lämpölaajenemisen vaikutuksesta sekä nesteen höyrynpaineen kohoamisesta. Varoventtiili kuitenkin sulkeutuu pian avautumisensa jälkeen puhallettuaan pienen ilma- ja höyrymäärän. Koska ohjelma ENGULF yksinkertaistaa varoventtiilin toimintaa, sen avulla ei pysty arvioimaan, montako kertaa todellinen varoventtiili avautuisi tällaisessa tilanteessa. Simuloinnissa varoventtiili avautuu 18 kertaa ja on joka kerta auki yhden aika-askeleen eli 0,5 s. Kuvassa 2 on ohjelman ENGULF laskema nesteen lämpötila säiliössä sekä pseudokomponenttimallilla laskettu nesteen kiehumislämpötila säiliön paineessa. Kiehumislämpötilan vaihtelut varoventtiilin ensimmäisen avautumisen (hetkellä 3,6 min) jälkeen ovat seurausta paineen vaihteluista. Kuvan 2 mukaan bensiini ei ehdi saavuttaa kiehumislämpötilaansa simuloinnin päättymishetkeen 12,1 min mennessä. Simulointi päättyy, kun neste täyttää 99 % säiliöstä (nesteen lämpötila on 72,5 o C). Ohjelman rajoitusten vuoksi sillä ei voi simuloida säiliön täyttymistä nesteellä, joka tässä tapauksessa tapahtuisi noin hetkellä 13,3 min. Kuvassa 3 on ohjelman laskema höyryn lämpötila, joka saavuttaa suurimman arvonsa 260 o C

9 2/9 hetkellä 8,5 min ja alkaa tämän jälkeen hitaasti laskea varoventtiilin puhalluksen vaikutuksesta. Kuvassa 4 on säiliön vaipan lämpötila kaasu- ja nestetilan kohdalla. Vaipan lämpötila saavuttaa suurimman arvonsa 730 o C noin hetkellä 10 min ja alkaa tämän jälkeen laskea varoventtiilin toiminnasta aiheutuvan höyryn lämpötilan hitaan laskun vaikutuksesta. Vaipan lämpötila nestetilan kohdalla saavuttaa suurimman arvonsa 175 o C hetkellä 3,5 min ja alkaa tämän jälkeen laskea varoventtiilin toiminnan seurauksena. Kuvassa 5 on säiliön ylipaine sekä laskettu murtumispaine. Säiliön paine tasoittuu suunnilleen varoventtiilin avautumispaineeseen. Murtumispaine alenee säiliön kaasutilan kohdalla lasketun vaipan lämpötilan nousua vastaten ja on noin hetkestä 7 min lähtien 2 bar. Säiliön paine jää noin 1 baarin verran murtumispainetta alemmaksi, joten ohjelma ennustaa, että säiliö kestää kuumenemisen repeämättä Liekkien lämpötila 800 o C Alemmalla liekkien lämpötilalla varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 4,4 min ja säiliö tulee 99-prosenttisesti täyteen nestettä hetkellä 14,5 min (nesteen lämpötila on 72,5 o C). Säiliö täyttyy hetkellä 16,0 min. Nesteen lämpötila ja kiehumislämpötila käyttäytyvät kuvan 2 tavoin, nesteen lämpötila vain nousee hieman hitaammin. Myös höyryn lämpötila nousee hieman hitaammin ja saavuttaa suurimman arvonsa 245 o C hetkellä 9,5 min. Kaasutilan kohdalla lasketun vaipan lämpötilan suurin arvo on 685 o C ja nestetilan kohdalla lasketun 170 o C. Myös nämä arvot saavutetaan hieman myöhemmin kuin perustapauksessa. Olennaisin ero perustapaukseen verrattuna on säiliön murtumispaineen käyttäytymisessä (kuva 6). Vaipan alemmasta lämpötilasta johtuen murtumispaine on nyt alimmillaan 4,3 bar ylipainetta ja siten yli 3 bar säiliön painetta korkeampi Puolet säiliöstä liekeissä Tässä tapauksessa varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 6,8 min ja säiliö tulee 99- prosenttisesti täyteen nestettä hetkellä 23,4 min (nesteen lämpötila on 72,5 o C). Säiliö täyttyy hetkellä 24,7 min. Neste ei tuolloin vielä kiehu. Höyryn korkein lämpötila on 190 o C hetkellä 12 min. Kaasutilan kohdalla lasketun vaipan lämpötilan suurin arvo on 730 o C ja nestetilan kohdalla lasketun 175 o C eli samat lämpötilat kuin perustapauksessa. Arvot saavutetaan kuitenkin hieman myöhemmin kuin perustapauksessa. Säiliön paine ja murtumispaine käyttäytyvät samoin kuin kuvassa 5. Molemmat pysyvät tasapainoarvoissaan simuloinnin loppuun saakka Bensiinin talvilaatu Kun säiliössä on bensiinin talvilaatua ja sisällön lämpötila on 0 o C, säiliö käyttäytyy hyvin samalla tavalla kuin perustapauksessa. Varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 3,6 min ja säiliö tulee 99-prosenttisesti nesteen täyttämäksi hetkellä 11,6 min. Säiliö täyttyy hetkellä 12,9 min. Nesteen lämpötila on tällöin 55 o C (kuva 7). Neste ei tässä lämpötilassa vielä kiehu. Höyryn korkein lämpötila 240 o C saavutetaan hetkellä 7,5 min. Kaasutilan kohdalla lasketun vaipan lämpötilan suurin arvo on 735 o C ja nestetilan kohdalla lasketun 205 o C. Säiliön paine ja murtumispaine käyttäytyvät kuten kuvassa 5. Murtumispaine saavuttaa tasapainoarvon 1,9 bar ylipainetta eli ohjelma ennustaa, että säiliö ei repeä.

10 2/ SOB-SÄILIÖVAUNU Toisin kuin öljyvaunu So, säiliövaunu Sob on suunniteltu bensiinin ja muiden kevyiden öljytuotteiden kuljetukseen. Säiliön tilavuutta on voitu kasvattaa 83 m 3 :iin mm. tekemällä säiliöstä itsekantava. Lasketaan Sob-vaunulle samat tapaukset kuin So-vaunullekin Perustapaus Perustapauksessa säiliön varoventtiili avautuu hetkellä 5,7 min ja säiliö repeää hetkellä 7,0 min. Kuvassa 8 on nesteen lämpötila ja kiehumislämpötila. Repeämishetkellä nesteen lämpötila on 46 o C eli noin 40 K kiehumislämpötilaa alempi. Kuvassa 9 on höyryn lämpötila, joka tasoittuu noin 290 o C:een. Kuvassa 10 on vaipan lämpötila kaasu- ja nestetilan kohdalta. Kaasutilan kohdalla vaipan lämpötila nousee noin 735 o C:een ja nestetilan kohdalla noin 175 o C:een. Kuvassa 11 on säiliön paine ja laskettu murtumispaine. Murtumispaine on käytännöllisesti katsoen yhtä suuri kuin säiliön paine jo noin hetkestä 5,5 min alkaen. Koska vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla on tähän hetkeen mennessä lähes saavuttunut tasapainoarvonsa (kuva 10), murtumispaine laskee vain hyvin hitaasti. Kuvan 11 perusteella voi sanoa, että säiliö on repeämisvaarassa jo hetkellä 5,5 min. Se, että Sob-vaunu repeää näin pian ja So-vaunu kestää säiliön nesteellä täyttymiseen asti, johtuu Sobvaunun säiliön vaipan ohuemmasta paksuudesta (7 mm) So-vaunun säiliön vaippaan (9 mm) verrattuna. Sob-vaunun täyttöaste alussa on 86,6 % ja repeämishetkellä 90,4 % Liekkien lämpötila 800 o C Alemmalla liekkien lämpötilalla varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 7,3 min. Nesteen kiehuminen alkaa noin hetkellä 19 min. Säiliö ei repeä eikä täyty nesteellä, joten sen simulointia voitiin jatkaa palon oletettuun päättymishetkeen 30 min saakka. Kuvassa 12 on ohjelman laskema varoventtiilin massavirta. Ennen kiehumisen alkua varoventtiilin massavirta on noin 1,7 kg/s. Varoventtiilin toistuva avautuminen ja sulkeutuminen (11 kertaa 10 minuutin aikana) ei näy kuvassa, koska ohjelma antaa massavirran arvon sillä hetkellä, kun varoventtiili oli viimeksi auki. Mielenkiintoista kuvassa 12 on varoventtiilin massavirran jatkuva kasvu sen jälkeen, kun neste alkaa kiehua säiliössä. Tämä johtuu siitä, että kiehuvasta nesteestä muodostuu tehokkaasti höyryä, joka nostaa säiliön painetta. Paineen nousu puolestaan kasvattaa varoventtiilin massavirtaa. Vaikka varoventtiili on tämän jälkeen jatkuvasti auki, sen puhallus ei kuitenkaan riitä estämään paineen nousua. Ennen kiehumisen alkua varoventtiilin kautta poistuu 10 minuutissa noin 10 kg ja tämän jälkeen 12,6 minuutissa noin 2500 kg. Kuvassa 13 on nesteen lämpötila ja kiehumislämpötila säiliössä. Kuten kuvasta 13 näkyy, nesteen lämpötila saavuttaa kiehumislämpötilan hetkellä 19 min. Tämän jälkeen molemmat nousevat samaan tahtiin. Kiehumislämpötilan kohoaminen johtuu paineen kohoamisesta sekä myös kevyiden jakeiden tislautumisesta. Kuvassa 14 on höyryn lämpötila. Höyryn lämpötila saavuttaa tasapainoarvon 275 o C hetkellä 8 min ja laskee tämän jälkeen hitaasti. Kun nesteen kiehuminen alkaa ja varoventtiili jää auki, höyryn lämpötila laskee nopeasti noin 100 K alemmalle tasolle.

11 2/11 Kuvassa 15 on vaipan lämpötila. Kaasutilan kohdalla laskettu vaipan lämpötila tasoittuu aluksi 695 o C:een ja putoaa selvästi kiehumisen alettua, kun höyryn lämpötila laskee. Nestetilan kohdalla laskettu lämpötila vaihtelee 150 o C:n molemmin puolin. Kuvassa 16 on säiliön paine ja murtumispaine. Kuten jo edellä todettiin, säiliön paine alkaa nousta, kun kiehuminen alkaa. Simuloinnin päättymishetkellä 30 min säiliön paine on noussut noin 2 baaria varoventtiilin avautumispainetta korkeammaksi. Säiliön paineen ja murtumispaineen ero on pienimmillään 1,5 bar. Säiliön täyttöaste on simuloinnin päättymishetkellä 97 % Puolet säiliöstä liekeissä Tässä tapauksessa säiliön paine ei nouse riittävän korkeaksi avatakseen varoventtiilin, vaan säiliö repeää 14,5 minuutin kuumennuksen jälkeen. Repeämishetkellä nesteen lämpötila on 49 o C, höyryn lämpötila 215 o C, vaipan lämpötila säiliön kaasutilan kohdalla 735 o C ja nestetilan kohdalla 95 o C. Höyryn lämpötila ja vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla saavuttavat tasapainoarvonsa noin hetkellä 8 min. Nesteen lämpötila ja vaipan lämpötila nestetilan kohdalla nousevat repeämishetkeen asti. Kuvassa 17 on säiliön paine ja murtumispaine. Näiden paineiden ero on varsin pieni (alle 0,3 bar) noin hetken 10 min jälkeen, joten säiliön voi sanoa olevan repeämisvaarassa tästä hetkestä lähtien Bensiinin talvilaatu Kun säiliössä on bensiinin talvilaatua ja sisällön lämpötila on 0 o C, säiliö käyttäytyy hyvin samalla tavalla kuin perustapauksessa. Varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 5,6 min ja säiliö repeää hetkellä 6,3 min. Nesteen lämpötila on tällöin 26 o C. Nesteen lämpötila on 55 K kiehumispisteen alapuolella. Höyryn lämpötila repeämishetkellä on 280 o C. Vaipan lämpötila säiliön kaasutilan kohdalla on 730 o C ja nestetilan kohdalla 190 o C. Säiliön paine ja repeämispaine käyttäytyvät kuten kuvassa 11, paitsi että repeämisvaara alkaa jo hetkellä 5 min ja säiliö repeää hetkellä 6,3 min. 3.5 SOEK-SÄILIÖVAUNU Soek-vaunun säiliö on eristetty 60 mm paksulla mineraalivillakerroksella, joka on vuorattu pellillä. Mineraalivillan lämmönjohtavuus on 0,04 0,07 W m -1 K -1 (Vähäkallio 1970). Käytetään lämmönjohtavuudelle arvoa 0,07 W m -1 K Perustapaus Perustapauksessa säiliön varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 29 min. Nesteen lämpötila simuloinnin päättyessä hetkellä 30 min on 41 o C, joka on runsaat 40 K kiehumislämpötilaa alempi. Höyryn lämpötila on 150 o C, vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla on 410 o C ja nestetilan kohdalla 77 o C. Säiliön murtumispaine on 14,7 bar ylipainetta, joka on noin 13 bar säiliön painetta korkeampi. Säiliön täyttöaste simuloinnin alussa on 92,1 % ja lopussa 95,4 %. Toisin sanoen, jos eriste pysyy paikoillaan, säiliö ei ole repeämisvaarassa vielä 30 minuutin kuumennuksen jälkeen.

12 2/ Bensiinin talvilaatu Säiliön varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 29 min. Nesteen lämpötila simuloinnin päättyessä hetkellä 30 min on 27 o C, joka on noin 48 K kiehumislämpötilaa alempi. Höyryn lämpötila on 140 o C, vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla on 415 o C ja nestetilan kohdalla 65 o C. Säiliön murtumispaine on 14,5 bar ylipainetta, joka on noin 13 bar säiliön painetta korkeampi. Säiliön täyttöaste simuloinnin alussa on 91,9 % ja lopussa 95,2 %. Toisin sanoen, jos eriste pysyy paikoillaan, säiliö ei ole repeämisvaarassa vielä 30 minuutin kuumennuksen jälkeen. 3.6 VAROVENTTIILI PURKAA NESTETTÄ Jos onnettomuudessa kaatunut säiliövaunu joutuu liekkien kuumentamaksi, sen varoventtiili on nestepinnan alapuolella. Tästä seuraa, että varoventtiiliin kohdistuu kaasutilan paineen lisäksi nesteen hydrostaattinen paine?gh, missä? on nesteen tiheys, g putoamiskiihtyvyys 9,81 m/s 2 ja h nestepinnan ja varoventtiilin yhteen korkeusero. Esimerkiksi edellä käsitellyn So-vaunun perustapauksen simuloinnin mukaan hetkellä 3,5 min nesteen lämpötila on 27,5 o C ja tiheys 742 kg/m 3. Säiliön täyttöaste on tällöin 92,7 % ja kaasutilan ylipaine 0,95 bar. Jos oletetaan, että säiliö on kyljellään, korkeusero h on 1,05 m ja hydrostaattinen paine 7,6 kpa. Varoventtiiliin kohdistuu tällöin ylipaine 1,02 bar, joka on hieman suurempi kuin sen avautumispaine 1,0 bar. Päätellään, että tällaisessa tilanteessa varoventtiili avautuu noin hetkellä 3,5 min. Toisaalta pyörillään olevan vaunun varoventtiili avautuu, kun kaasutilan ylipaine on 1,0 bar. Simuloinnin mukaan näin käy hetkellä 3,65 min eli noin 10 s myöhemmin kuin kaatuneen vaunun tapauksessa. Hydrostaattinen paine vaikuttaa siis vain vähän varoventtiilin avautumishetkeen. Todellisuudessa kaatuneen vaunun varoventtiili avautuisi jonkin verran myöhemmin kuin pyörillään olevan, koska liekit eivät kuumenna maanpintaan kosketuksessa olevaa säiliön vaipan osaa. Arvioidaan seuraavaksi varoventtiilin riittävyyttä kaatuneen bensiinivaunun tapauksessa. Sovaunun perustapauksessa säiliössä olevan nesteen tilavuus kasvaa 0,8 %/min eli 0,49 m 3 /min. Jotta paine ei säiliössä nousisi, varoventtiilin on puhallettava tämä nestemäärä eli noin 360 kg/min = 6 kg/s. Varoventtiilin purkama massavirta m' [kg/s] voidaan arvioida kokoonpuristumattoman nesteen virtauksen kaavasta missä Cd on varoventtiilin kuristuskerroin A on varoventtiilin aukon ala, m 2?P on säiliön ylipaine, Pa. C d ρ (3) m = A 2 P Kun kaavaan (3) sijoitetaan edellä käytetyt arvot Cd = 0,86, A = 32,2 cm 2,? = 742 kg/m 3 ja?p = 100 kpa, massavirraksi saadaan noin 34 kg/s. Tämä on yli viisi kertaa vaadittu teho eli riittää, että varoventtiili on auki vajaan viidesosan ajasta. Bensiinin talvilaadulla saadaan suunnilleen sama tulos. Varoventtiili purkaa nestettä myös siinä tapauksessa, että säiliö täyttyy nesteen lämpölaajenemisen seurauksena. So-vaunun perustapauksessa näin arvioitiin käyvän noin hetkellä 13,3 min, jolloin nesteen lämpötila on noin 79 o C. Nesteen tiheys tässä lämpötilassa on noin

13 2/ kg/m 3 ja kaavasta (3) saadaan massavirraksi noin 32 kg/s. Kuitenkin neste on tähän mennessä saavuttanut kiehumislämpötilansa säiliön paineessa, joten varoventtiiliin saattaa muodostua kaksifaasivirtaus. Lyhyeen putkeen (pituus 0,1 m) muodostuvan kaksifaasivirtauksen massavirran tiheys G [kg m -2 s -1 ] voidaan arvioida kaavasta (Fauske & Epstein 1988) missä hv on nesteen höyrystymislämpö [J/kg]?v on höyryn tiheys säiliössä [kg/m 3 ]?l on nesteen tiheys säiliössä [kg/m 3 ] Tr on säiliön sisällön lämpötila [K] cp on nesteen ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa [J kg -1 K -1 ]. Lämpötilassa 79 o C bensiiniä kuvaavan pseudokomponenttiseoksen höyrystymislämpö hv on 354 kj/kg, nesteen tiheys?l 687 kg/m 3, nesteen ominaislämpökapasiteetti cp 2,30 kj kg -1 K -1 ja höyryn tiheys?v 4,65 kg/m 3. Kun nämä arvot sijoitetaan kaavaan (4), kaksifaasivirtauksen massavirran tiheydeksi G saadaan 1855 kg m -2 s -1. Kun tämä kerrotaan varoventtiilin alalla 32,2 cm 2, varoventtiilin massavirraksi saadaan 6,0 kg/s (kaavaa (4) sovellettaessa kuristuskerrointa Cd ei oteta huomioon). Näyttää siltä, että varoventtiilin teho riittäisi myös silloin, kun siihen muodostuu kaksifaasivirtaus. Säiliön täyttyminen nesteellä jäähdyttää vaipan kuumenneen yläosan lähelle nesteen lämpötilaa. Koska varoventtiilin puhalluskyky riittää purkamaan laajenevan nesteen, säiliö ei ilmeisesti paineistu. Nesteellä täyttynyt säiliö saattaa siten kestää tulipalon vaikutuksen repeämättä. 3.7 TÄYTTÖLUUKUN TIIVISTE v G = 1 1 r c p ρ v h - ρ Suomessa venäläisille vaunuille sattuneissa tulipaloissa (Poitsila 1989 ja Vainikkala 1999) todettiin, että liekkien kuumentamien vaunujen täyttöluukun tiiviste irtosi ja muodostuneessa raossa paloi liekki. Öljyvaunujen täyttöluukun tiivisteenä käytetään öljyä kestävää nitriili- (NBR-)kumia, jonka korkein käyttölämpötila on noin 120 o C. Saksassa suoritettiin polttokokeita eristetyillä nestekaasusäiliöillä. Kokeiden aikana säiliöiden täyttöventtiilien tiivisteet pettivät. Tiivisteiden käyttäytymistä tutkittiin laboratoriokokeilla sijoittamalla pieneen paineastiaan kiinnitetty venttiili uuniin. Testattujen tiivistemateriaalien (elastomeerien) valmistajat olivat ilmoittaneet niiden korkeimmaksi käyttölämpötilaksi o C. Testeissä todettiin, että kaikki materiaalit turmeltuivat yli 160 o C:n lämpötilassa. Venttiilit kuitenkin pysyivät tiiviinä aina 220 o C:n lämpötilaan asti, koska niiden raot olivat supistuneet metallin lämpölaajenemisen seurauksena. Noin 220 o C:n lämpötilassa säiliön paine työnsi tiivisteen ulos (Behrend & Gebauer 1988). Bensiinivaunujen täyttöluukun tiiviste on joko kannen tai luukun urassa. Kun kansi suljetaan, joko luukun tai kannen olake painuu tiivistettä vasten tiivistäen raon. Tulipalossa tiivisteen lämpötila nousee suunnilleen yhtä nopeasti kuin säiliön vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla. Toisin sanoen on odotettavissa, että tiiviste pettää noin 200 o C:n lämpötilassa. l T (4)

14 2/14 So- ja Sob-vaunujen perustapauksissa vaipan lämpötilan nousunopeus tässä vaiheessa on noin 150 K/min, joten tiivisteen pettämislämpötila tarvitsee tietää vain karkeasti. Näissä tapauksessa tiiviste pettää noin hetkellä 1,5 min, jolloin säiliön ylipaine on noin 0,25 bar. Soekvaunun täyttöluukku on eristyksen ulkopuolella, joten on odotettavissa, että sen tiiviste pettää samoihin aikoihin. Säiliön ylipaine on tällöin vasta noin 0,03 bar. Kaikissa tapauksissa tiiviste siis irtoaa huomattavasti ennen varoventtiilin avautumista. Tiivisteen raon leveys on noin 5 mm. Jos koko tiiviste irtoaa, muodostuneen raon ala on Sovaunulla noin 94 cm 2 ja Sob- sekä Soek-vaunuilla noin 77 cm 2. Jos raon kuristuskertoimeksi Cd oletetaan 0,6, sen tehollinen ala on So-vaunulla 2,0 ja Sob- sekä Soek-vaunulla 1,25 kertaa varoventtiilin tehollinen ala. Tiivisteen raon toimintaa varoventtiilinä voi periaatteessa simuloida ENGULF-ohjelmalla. Ohjelmassa voi nimittäin määritellä varoventtiilin toiminnan siten, että venttiili jää auki saavutettuaan avautumispaineensa. Tässä tapauksessa kuitenkin suhteellisen iso rako avautuu pienessä paineessa, kun nesteen lämpötila on huomattavasti kiehumislämpötilan alapuolella. Ohjelma ei pysty mallintamaan säiliön paineen käyttäytymistä oikein, vaan ennustaa että säiliöön muodostuu alipaine. Todellisuudessahan säiliö pysyisi paineettomana siihen saakka, kunnes neste alkaa kiehua. Ohjelman rajoitukset voi ohittaa aloittamalla simuloinnin hetkestä, jolloin neste on melkein saavuttanut kiehumislämpötilan ulkoisessa paineessa. Lisäksi voidaan olettaa, että säiliön kaasutilassa ollut ilma on tähän mennessä poistunut ja kaasutilassa on pelkkää höyryä. Kuvassa 18 on So-vaunun perustapauksen ilman ja höyryn massat säiliön kaasutilassa. Simuloinnin päättymishetkellä 12,1 min neste ei vielä ole alkanut kiehua (kuva 2). Varoventtiilin lyhyiden puhallusten vaikutuksesta ilma on tähän mennessä poistunut säiliöstä. Simuloinnissa ei tällöin voi ottaa huomioon säiliön vaipan lämpötilan nousua sinä aikana, kun nesteen lämpötila nousee kiehumislämpötilaan. Säiliön mahdollinen repeäminen on siten pääteltävä epäsuorasti So-säiliövaunu Kuvassa 19 on simuloitu So-vaunun säiliön painetta olettamalla, että tiiviste irtoaa 0,25 baarin ylipaineessa. Nesteen lämpötilaksi on valittu kiehumislämpötila ulkoisessa paineessa 51 o C. Perustapauksessa tämän lämpötila saavutetaan noin hetkellä 8 min (kuva 2). Tiiviste irtoaa hetkellä (8 +) 1 min ja neste alkaa välittömästi kiehua. Kiehumisen vaikutuksesta säiliö ei pääse täyttymään nesteellä. Paineen nousunopeus on 0,15 bar/min, joka on puolet paineen nousunopeudesta ennen varoventtiilin avautumista, kun tiivisteen oletetaan pysyvän paikallaan (kuva 5). Varoventtiilin avautumispaine saavutetaan noin hetkellä (8 +) 10 min. Varoventtiilin avautuminen hidastaisi paineen nousunopeuden ehkä arvoon 0,1 bar/min. Jos varoventtiilin avautumista ei oteta huomioon, säiliön paine saavuttaisi repeämispaineen 1,9 bar (kuva 5) noin hetkellä (8 +) 15 min. Kun varoventtiilin toiminta otetaan huomioon, säiliö repeäisi noin 2,5 minuuttia myöhemmin eli hetkellä 25,5 min. Talvibensiinillä saadaan hyvin samanlaisia tuloksia valitsemalla nesteen alkulämpötilaksi 42 o C. Perustapauksessa tämä lämpötila saavutetaan noin hetkellä 9 min. Tiiviste irtoaa hetkellä (9 +)

15 2/15 1 min ja neste alkaa välittömästi kiehua. Raon kautta purkautuvan höyryn vaikutuksesta säiliö ei pääse täyttymään nesteellä. Paineen nousunopeus on 0,14 bar/min, joka on puolet paineen nousunopeudesta ennen varoventtiilin avautumista, kun tiivisteen oletetaan pysyvän paikallaan. Varoventtiilin avautumispaine 1,0 bar ylipainetta saavutetaan noin hetkellä (9 +) 8 min. Varoventtiilin avautuminen hidastaisi paineen nousunopeuden ehkä arvoon 0,1 bar/min. Jos varoventtiilin avautumista ei oteta huomioon, säiliön paine saavuttaisi repeämispaineen 2,9 bar noin hetkellä (9 +) 12,5 min. Kun varoventtiilin toiminta otetaan huomioon, säiliö repeäisi noin 2,5 minuuttia myöhemmin eli hetkellä 24 min Sob-säiliövaunu Perustapauksessa säiliö repesi hetkellä 7 min sen vuoksi, että säiliön murtumispaine oli laskenut alle arvon 1,5 bar ylipainetta, joka on myös varoventtiilin avautumispaine. Tällöin nesteen lämpötila säiliössä oli 46 o C, joka on 5 K bensiinin kiehumislämpötilaa alempi. Kun oletetaan, että täyttöluukun tiiviste irtoaa, kun vaipan lämpötila ylittää 200 o C, säiliössä on noin 0,25 bar ylipainetta ja nesteen lämpötila on 16,5 o C. Tällöin säiliön ylipaine pääsee purkautumaan tiivisteen raosta ja säiliö pysyy paineettomana, kunnes neste alkaa kiehua noin hetkellä 8 min. Kuvassa 20 on simuloitu Sob-säiliövaunun painetta kiehumisen aikana olettaen, että täyttöluukun tiiviste irtoaa 0,25 baarin ylipaineesta. Nesteen alkulämpötilaksi on valittu jälleen 51 o C. Säiliön murtumispaine (kuva 11) saavutetaan hetkellä (8 +) 10 min. Koska varoventtiilin avautumispaine on suunnilleen sama kuin kuumenneen säiliön murtumispaine, varoventtiilin mahdollinen avautuminen ei siirrä repeämishetkeä myöhemmäksi. Talvibensiinillä säiliö repesi hetkellä 6,3 min. Tässäkin tapauksessa säiliön murtumispaine oli laskenut samaksi kuin varoventtiilin avautumispaine. Repeämishetkellä nesteen lämpötila oli 26 o C. Kun oletetaan, että täyttöluukun tiiviste irtoaa, kun vaipan lämpötila ylittää 200 o C, säiliössä on noin 0,25 bar ylipainetta ja nesteen lämpötila on noin 1 o C. Tämän jälkeen säiliö pysyy paineettomana, kunnes neste alkaa kiehua noin hetkellä 9,5 min. Kiehuvan talvibensiinin simulointi antaa tulokseksi, että säiliön repeämispaine saavutetaan hetkellä (9,5 +) 9,5 min. Tässäkään tapauksessa varoventtiilin mahdollinen avautuminen ei siirrä repeämishetkeä myöhemmäksi Soek-säiliövaunu Koska säiliön täyttöluukkua ei ole eristetty, voidaan olettaa, että luukun tiivisteen lämpötila nousee yhtä nopeasti kuin eristämättömällä So-säiliövaunulla. Kun tiivisteen lämpötila ylitti perustapauksessa 200 o C, säiliössä oli vasta 0,03 baaria ylipainetta ja nesteen lämpötila oli 15,5 o C. Ylipaineen hitaan nousunopeuden ansiosta tiiviste saattaa pysyä kauemmin paikoillaan kuin eristämättömällä vaunulla. Toisaalta täyttöluukun ja siten myös tiivisteen lämpötila nousee aluksi noin 150 K/min, joten tiiviste irtoaa jo pienestä ylipaineesta. Tiivisteen irtoamisen jälkeen säiliö pysyy paineettomana siihen saakka, kunnes neste alkaa kiehua. Perustapauksen simulointi osoitti, että nesteen lämpötila oli 41 o C lammikkopalon oletettuna sammumis- tai heikkenemishetkenä 30 min. Toisin sanoen neste ei vielä tuolloin kiehunut ja jos lammikkopalo jatkuisi samanlaisena, kiehumislämpötila 51 o C saavutettaisiin noin hetkellä 40 min.

16 2/16 Soek-vaunu ei ollut repeämisvaarassa, vaikka tiivisteen oletettiin pysyvän paikallaan. Tiivisteen irtoamisella ei siten ollut vaikutusta johtopäätöksiin. Talvibensiinillä voidaan tehdä samat johtopäätökset. 3.8 TULOSTEN TARKASTELUA Oletukset ja säiliön käyttäytyminen Perustapaukseksi valittiin bensiinin kesälaadulla kuormattu, pyörillään oleva ehjä säiliövaunu. Sisällön lämpötilaksi oletettiin 15 o C, joka vastaa heinäkuun keskilämpötilaa ja on siten käytännössä korkein arvo. Vaihtoehtona oletettiin säiliön kuormaksi bensiinin talvilaatu, jonka lämpötilaksi valittiin 0 o C. Tämäkin on käytännössä korkein arvo. Jos sisällön lämpötila on valittuja lämpötiloja alempi, varoventtiili avautuu, säiliö täyttyy nesteellä ja repeää hieman myöhemmin kuin esimerkkitapauksissa. Liekkien tehollinen lämpötila 850 o C, joka vastaa tehotiheyttä 90 kw/m 2, on kenttäkokeiden simulointien perusteella polttonestepalon liekkien suurin arvo. Vaihtoehtona tarkasteltiin tilannetta, jossa liekkien tehollinen lämpötila oli 800 o C, joka vastaa tehotiheyttä 75 kw/m 2. Alempi lämpötila voi johtua esim. runsaammasta noen muodostuksesta. Lammikkopalon liekkien oletettiin ympäröivän koko säiliön. Säiliö jää kokonaan liekkien ympäröimäksi silloin, kun sen alla on palava lammikko. Vaihtoehtona tarkasteltiin tilannetta, jossa liekit ympäröivät vain puolet säiliöstä. Säiliön oletettiin pysyvän tiiviinä siihen saakka, kunnes säiliön paine on riittävän korkea avaamaan varoventtiilin. Jos säiliö ei tähän mennessä ole täyttynyt nesteellä, varoventtiili avautuu, koska säiliön kaasutilassa oleva ilma on kuumentunut ja koska nesteen höyrynpaine on noussut. Tässä vaiheessa neste ei vielä kiehu säiliössä, joten varoventtiilin tarvitsee puhaltaa vain pieni määrä ilmaa ja höyryä. Varoventtiili avautuu siten useita kertoja lyhyeksi ajaksi. Kun nesteen lämpötila saavuttaa kiehumislämpötilan säiliön paineessa, säiliön kaasutilassa ei enää ole ilmaa. Nesteen kiehuminen ja höyryn purkautuminen varoventtiilin kautta alkavat hidastaa nesteen lämpötilan nousua. Nesteen lämpötilan nousun hidastuminen ja määrän väheneminen myös hidastavat nesteen tilavuuden kasvua. Tämä saattaa estää säiliötä täyttymästä nesteellä. Jos säiliön täyttöaste on riittävän suuri, se täyttyy nesteellä ennen kuin neste alkaa kiehua säiliössä. ENGULF-ohjelman rajoitusten takia (ajo päättyy, kun säiliö tulee 99-prosenttisesti nesteen täyttämäksi) säiliön täyttymistä ei voi simuloida. Kuitenkin säiliön täyttymishetki on helppo arvioida nesteen lämpölaajenemisen perusteella. Kun säiliö täyttyy nesteellä, varoventtiili alkaa purkaa nestettä. Jos varoventtiilin purkauskyky on riittävä, sen toiminta estää säiliötä repeämästä nestepaineen vaikutuksesta. Varoventtiili purkaa nestettä myös siinä tapauksessa, että vaunu on kaatunut ja varoventtiilin yhde on jäänyt tästä syystä nestepinnan alapuolelle. Hydrostaattisen paineen vaikutuksesta varoventtiili avautuu hieman aikaisemmin kuin pyörillään olevan vaunun tapauksessa. Toisaalta liekit kuumentavat kaatuneen vaunun säiliötä pienemmältä alalta kuin pyörillään olevan vaunun säiliötä, joten varoventtiili todellisuudessa avautuukin myöhemmin. Venäläisille säiliövaunuille sattuneissa tulipaloissa havaittiin, että säiliön täyttöluukun tiiviste oli

17 2/17 irronnut ja muodostuneessa raossa paloi liekki. Sekä kotimaisten että venäläisten säiliövaunujen täyttöluukun tiiviste on valmistettu nitriilikumista, jonka voidaan arvioida pehmenevän ja irtoavan noin 200 o C:n lämpötilassa. Tiivisteen irrottua muodostuu noin 5 mm leveä rako, joka toimii varoventtiilin tavoin. Kotimaisilla bensiinivaunuilla raon tehollinen ala on jonkin verran suurempi kuin varoventtiilin. ENGULF-ohjelmalla on periaatteessa mahdollista simuloida myös irtoavan tiivisteen muodostaman raon toimintaa varoventtiilinä. Käytännössä tämä ei kuitenkaan onnistunut, vaan ohjelman mukaan säiliöön muodostuisi alipaine. Todellisuudessa säiliö pysyisi paineettomana siihen saakka, kunnes neste alkaa kiehua. Ohjelman rajoitus voitiin kiertää aloittamalla simulointi hetkestä, jolloin neste on saavuttanut kiehumislämpötilansa ulkoisessa paineessa. Tällä hetkellä säiliössä on vielä käytännöllisesti katsoen koko alkuperäinen nestemäärä jäljellä. Tällä tavalla saadaan selville säiliön paineen käyttäytyminen ja nesteen tilavuus kiehumisen aikana. Jos säiliö ei täyty nesteellä, se repeää, kun paine saavuttaa säiliön murtumispaineen. Murtumispaineen lasku on seurausta säiliön vaipan lämpötilan noususta kaasutilan kohdalla. Murtumispaineen aikariippuvuus saadaan varsinaisesta simuloinnista, joka aloitetaan sisällön alkulämpötilasta. Säiliön repeämishetki saadaan laskemalla yhteen aika, joka kuluu kiehumislämpötilan saavuttamiseen, ja aika, joka kuluu murtumispaineen saavuttamiseen nesteen kiehuessa. Ohjelman ENGULF tärkein käyttötapa on arvioida, repeääkö liekkien kuumentama säiliö. Säiliön vaipan lämpötila kaasutilan kohdalla nousee aluksi nopeasti ja saavuttaa myöhemmin liekkien tehotiheydestä riippuvan tasapainoarvonsa. Ohjelma laskee joka hetki vaipan kuumimman osan lämpötilaa vastaavan säiliön murtumispaineen ja vertaa sitä säiliön paineeseen. Kun nämä paineet ovat yhtä suuret, ohjelma ilmoittaa säiliön repeävän. Jos säiliö täyttyy nesteellä (ja säiliön kaasutila häviää), neste jäähdyttää vaipan yläosaa ja estää sen lämpötilaa nousemasta niin korkeaksi, että säiliö olisi repeämisvaarassa. Tällöin säiliö kestää kauan tulipalon vaikutusta edellyttäen, että nestettä pääsee purkautumaan riittävä määrä varoventtiilistä ja/tai täyttöluukun tiivisteen raosta. Käytännössä lammikkopalo sammuu ennen kuin nestepinta laskee niin alas, että säiliöön muodostuu uudelleen kaasutila, jonka kohdalla vaippa voisi kuumeta So-säiliövaunu Perustapauksessa kesäbensiinillä täytetty So-säiliövaunu täyttyisi nesteellä noin hetkellä 13 min. Tätä ennen, noin hetkellä 7 min, säiliön murtumispaine on saavuttanut alimman arvonsa 2 bar ylipainetta. Koska neste ei kiehu, varoventtiili puhaltaa vain ajoittain ja säiliön ylipaine pysyttelee varoventtiilin avautumispaineen 1 bar vaiheilla. Ohjelma ennustaa, että säiliö kestää kuumennusta täyttymiseensä saakka. Säiliön täytyttyä varoventtiili pystyy purkamaan nesteen tilavuuden kasvun, joten säiliö ei paineistu nesteen lämpölaajenemisen vaikutuksesta. Säiliö kestää siten kuumennusta lammikkopalon sammumiseen saakka. Kun liekkien lämpötilaksi oletetaan 800 o C, sisällön ja vaipan lämpötilat nousevat hieman hitaammin kuin perustapauksessa. Olennaisin ero perustapaukseen verrattuna on, että säiliön murtumispaine ei laske yhtä alas, vaan jää 3 bar säiliön painetta korkeammaksi. Kun liekkien

18 2/18 oletetaan ympäröivän vain puolet säiliöstä, sisällön ja vaipan lämpötilojen nousunopeudet ovat noin puolet perustapauksen arvoista. Kun säiliössä on talvibensiiniä lämpötilassa 0 o C, säiliö käyttäytyy hyvin samalla tavalla kuin perustapauksessa. Jos täyttöluukun tiiviste irtoaa, säiliö pysyy paineettomana hetkeen 8 min saakka, jolloin neste alkaa kiehua. Kiehumisen ja raosta purkautuvan höyryn vaikutuksesta säiliö ei pääse täyttymään nesteellä. Sen suurin täyttöaste on 98,5 % hetkellä 18 min. Raon ja noin hetkellä 23 min avautuvan varoventtiilin yhteisvaikutuksesta säiliön paine nousee suhteellisen hitaasti ja säiliö repeää noin hetkellä 25,5 min. Kun säiliö on täytetty talvibensiinillä 0 o C:n lämpötilassa, se repeää noin hetkellä 24 min Sob-säiliövaunu Sob-vaunun säiliö on pitempi ja sen seinämä on ohuempi (7 mm) kuin So-vaunun säiliöllä (9 mm). Sob-vaunun varoventtiili avautuu korkeammassa paineessa (1,5 bar ylipainetta) kuin Sovaunun varoventtiili (1,0 bar ylipainetta). Lisäksi Sob-vaunun säiliön täyttöaste (87 %) on pienempi kuin So-vaunun (91 %). Perustapauksessa kesäbensiinillä täytetty Sob-säiliövaunu on repeämisvaarassa jo hetkestä 5,5 min lähtien. Tämä johtuu ennen muuta säiliön suhteellisen ohuesta seinämästä. Kun vaipan lämpötila ylittää 700 o C noin hetkellä 5 min, säiliön murtumispaine laskee lähelle varoventtiilin avautumispainetta. Ohjelma ENGULF ennustaa säiliön repeävän hetkellä 7,0 min, jolloin nesteen lämpötila on 46 o C eli alempi kuin nesteen kiehumislämpötila ulkoisessa paineessa 51 o C. Repeämishetkellä neste täyttää noin 90,5 % säiliön tilavuudesta. Kun liekkien lämpötilaksi oletetaan 800 o C, säiliö ei repeä. Vaipan lämpötila on korkeimmillaan 695 o C ja säiliön murtumispaine on vähintään 1,55 bar varoventtiilin avautumispainetta korkeampi. Neste alkaa kiehua säiliössä hetkellä 19 min, jolloin neste täyttää noin 96,5 % säiliöstä. Varoventtiilin toiminnan ansiosta säiliö ei täyty nesteellä. Kun liekkien oletetaan ympäröivän puolet säiliöstä, säiliö on repeämisvaarassa noin hetkestä 10 min alkaen. Ohjelma ENGULF ennustaa säiliön repeävän hetkellä 14,5 min, jolloin nesteen lämpötila on 49 o C eli hieman alempi kuin nesteen kiehumislämpötila ulkoisessa paineessa. Säiliön paine ei riitä avaamaan varoventtiiliä. Repeämishetkellä neste täyttää noin 90,8 % säiliön tilavuudesta. Kun säiliössä on talvibensiiniä lämpötilassa 0 o C, säiliö on repeämisvaarassa hetkestä 5 min lähtien ja repeää hetkellä 6,3 min. Varoventtiili avautuu ensi kerran hetkellä 5,6 min. Nesteen lämpötila repeämishetkellä on 26 o C eli 16 K alempi kuin kiehumislämpötila ulkoisessa paineessa. Jos täyttöluukun tiiviste irtoaa, säiliö pysyy paineettomana hetkeen 8 min saakka, jolloin neste alkaa kiehua. Kiehumisen ja raosta purkautuvan höyryn vaikutuksesta säiliö ei pääse täyttymään nesteellä. Säiliö repeää noin hetkellä 18 min. Kun säiliö on täytetty talvibensiinillä 0 o C:n lämpötilassa, se repeää samoin noin hetkellä 18 min. Varoventtiili ei välttämättä avaudu tänä aikana eikä sen mahdollinen avautuminen siirrä repeämishetkeä myöhemmäksi.

19 2/ Soek-säiliövaunu Soek-vaunun säiliö on eristetty 60 mm paksulla mineraalivillakerroksella. Sen ansiosta säiliön sisällön ja vaipan lämpötilat nousevat tulipalossa huomattavasti hitaammin kuin eristämättömän säiliön tapauksessa. Jos eriste pysyy paikoillaan, säiliö ei ole repeytymisvaarassa oletetun 30 min kestävän lammikkopalon aikana. Säiliön varoventtiili avautuu ensi kerran vasta aivan jakson lopulla. Koska säiliön täyttöluukkua ei ole eristetty, sen tiivisteen voidaan olettaa irtoavan jo parin minuutin kuluttua palon alusta. Tämän jälkeen säiliö pysyy paineettomana. Koska säiliö ei ole repeämisvaarassa, tiivisteen irtoamisella ei ole vaikutusta säiliön kestävyyteen Vertailutaulukko Taulukossa 3 vertaillaan kotimaisilla bensiinisäiliövaunuilla tehtyjen simulointien tuloksia. Taulukossa on annettu varoventtiilin avautumishetki sekä hetki, jolloin säiliö täyttyy nesteellä tai repeää. Jos säiliön arvioitiin kestävän repeämättä, taulukkoon on merkitty murtumispaineen ja säiliön paineen erotus hetkellä, jolloin säiliö tulee 99-prosenttisesti nesteen täyttämäksi. Jos tämä erotus on pieni, säiliö on repeämisvaarassa ennen täyttymistään nesteellä. Taulukko 3. Kotimaiset bensiinivaunut tilanne varo auki täyttyy repeää So-säiliövaunu tiiviste ei irtoa kesä, 850 o C 3,6 min 13,3 min ei, 1,0 bar kesä, 800 o C 4,4 min 16,0 min ei, 1,2 bar kesä, puolet 6,8 min 24,7 min ei, 1,5 bar talvi, 850 o C 3,6 min 12,9 min ei, 1,2 bar tiiviste irtoaa kesä, 850 o C 18 min 25,5 min talvi, 850 o C 17 min 24,0 min Sob-säiliövaunu tiiviste ei irtoa kesä, 850 o C 5,7 min 7,0 min kesä, 800 o C 7,3 min ei, 4 bar kesä, puolet 14,5 min talvi, 850 o C 5,6 min 6,3 min tiiviste irtoaa kesä, 850 o C 18 min 18 min talvi, 850 o C 18 min 18 min Soek-säiliövaunu tiiviste ei irtoa kesä, 850 o C 29 min ei, 13 bar talvi, 850 o C 29 min ei, 13 bar tiiviste irtoaa kesä, 850 o C ei, 14,5 bar talvi, 850 o C ei, 14,5 bar 4 VENÄLÄISET RAAKAÖLJYVAUNUT 4.1 VAUNUTYYPIT

20 2/20 Neliakselisia öljy- ja bensiinisäiliövaunuja on neljää kokoa ja kahdeksanakselisia kahta kokoa. Seuraavassa tarkastellaan kuitenkin vain neliakselista 73,1 m 3 :n säiliövaunua. Säiliön suurin täyttö on 71,7 m 3 eli 98 % ja suurin kuorma 60 t. Säiliön halkaisija on 3,0 m, pituus 10,77 m ja seinämän halkaisija 9 mm. Säiliössä on yksi yli- ja alipainevaroventtiili, joka avautuu 1,5 baarin yli- ja 0,1 0,2 baarin alipaineesta (Anon. 1993). Käsikirjassa (Anon. 1993) on öljyvaunun varoventtiilin poikkileikkauskuva. Kuvaan ei kuitenkaan ole merkitty mittakaavaa. Toisessa käsikirjassa (Anon. 1990) on samasta varoventtiilistä hieman erilainen poikkileikkauskuva (kuva 21), mutta siinäkään ei ole mittakaavaa. Varoventtilin koon selvittämistä varten VR Cargo mittasi Sköldvikissä varoventtiilin ulkomitat. Venttiilin yläosan korkeudeksi saatiin 120 mm ja kiinnitysyhteen ulkohalkaisijaksi 100 mm. Tällä perusteella kiinnitysyhteen sisähalkaisija on noin 80 mm, venttiilin tuloaukon halkaisija noin 40 mm ja karan halkaisija noin 10 mm. Venttiililautasen tiivistyspinnan halkaisija on noin 100 mm. Venttiilin sisäisten virtausaukkojen koot eivät käy ilmi poikkileikkauskuvista. Luultavasti tuloaukko rajoittaa virtausta. Venttiilin vapaa aukko on siten noin 11,7 cm 2. Venttiilin kuristuskerroin Cd arvioidaan sen tiedon perusteella, että tuloaukon halkaisija on puolet kiinnitysyhteen sisähalkaisijasta. Kaavasta (1) saadaan paikallisvastukselle? arvo 0,25 ja kaavasta (2) kuristuskertoimella Cd arvo 0,89. Tulipalossa, joka kuumentaa säiliön yläosaa, irtoaa täyttöluukun tiiviste. Muodostunut rako on noin 5 mm leveä ja raon ala noin 90 mm 2. Jos raon kuristuskertoimeksi Cd oletetaan 0,6, sen tehollinen ala on viisinkertainen varoventtiilin teholliseen alaan verrattuna. 4.2 RAAKAÖLJYLAADUT Suomeen tuodaan jatkuvasti erilaisia raakaöljy- ja kondensaattilaatuja. Fortum Oil and Gas Oy määrittelee raskaaksi kondensaateiksi sellaiset raakaöljystä valmistetut välituotteet, joista tyhjötislauksella ei saada pohjaöljyä. Tällaisesta tuotteesta ei siten voi valmistaa raskasta polttoöljyä. Vainikkalan onnettomuusjuna kuljetti kazakstanilaista Tengiz-raakaöljyä, jota ei enää tuoda Suomeen. Tengiz luokitellaan kevyeksi raakaöljyksi ja sen tiheys on 790 kg/m 3 (15 o C). Tengizistä saadaan 2 3 % pohjaöljyä (Erkki Ahola, Fortum Oil and Gas Oy, henkilökohtainen tiedonanto ). VTT Energian pyynnöstä Fortum Oil and Gas Oy mittasi Tengiziä lähinnä vastaavan RÖEKraakaöljyn höyrynpaineen kolmessa lämpötilassa. RÖEK-raakaöljyn tiheys on 783 kg/m 3 (15 o C). Tuotteen höyrynpaine 37,8 o C:n lämpötilassa oli 67 kpa (Kari Ahonen, Fortum Oil and Gas Oy, sähköpostiviesti ), joka on suunnilleen sama kuin bensiinin kesälaadun höyrynpaine (69 kpa) tässä lämpötilassa. RÖEK-raakaöljyä ei tuotu Suomeen vuonna VTT Energian pyynnöstä Fortum Oil and Gas Oy mittasi yhden kevyen raakaöljyn ja yhden raskaan kondensaatin tiheyden 15 o C:n lämpötilassa ja höyrynpaineen 37,8 o C:n lämpötilassa. Novosergijevskaja-raakaöljyn (seuraavassa lyhysti Novo) tiheys oli 816,9 kg/m 3 ja höyrynpaine 67,3 kpa. Vetlosja-kondensaatin (seuraavassa Vetlo) tiheys oli 732,7 kg/m 3 ja höyrynpaine 60,0 kpa (Tom Virokannas, Fortum Oil and Gas Oy, sähköpostiviesti ). Simuloinneissa näille kolmelle tuotteelle käytettiin taulukossa 4 esitettyjä pseudokomponenttimalleja.