MODULE 18. OVERDRUK Deze module beschouwt de overdrukfenomenen ten gevolge van een explosie. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen fysische explosies (met o.a. BLEVE en ontspanning van samengeperst gas) en chemische explosies (met o.a. gaswolkexplosie, stofwolkexplosie, explosieve ontbinding van ontplofbare stoffen). Verder in de tekst, ook in de andere modules, wordt het begrip BLEVE gebruikt voor fysische explosie bij tot vloeistof verdichte gassen en bij kokende vloeistoffen. Met het begrip fysische explosie wordt verder enkel de fysische explosie bij samengeperste gassen bedoeld. Al deze fenomenen leiden tot een drukgolf in de omgeving, waardoor letaal letsel kan ontstaan. Deze module beschrijft voor elk overdrukfenomeen de manier waarop de overdruk op een bepaalde afstand bepaald moet worden. Deze kan vervolgens in de probitfunctie gestoken worden om het letaliteitspercentage op die afstand te berekenen. Wanneer welk fenomeen dient beschouwd te worden, is beschreven in Module 14. Effecten ten gevolge van fragmentvorming horende bij de initiële explosie worden in het kader van de externe mensveiligheid niet beschouwd omwille van de verwaarloosbare trefkans. 18.1 SYMBOLEN E [J] Verbrandingsenergie H c [J/kg] Verbrandingswarmte van de stof m [kg] Massa m e [kg] Explosieve massa M eq [kg TNT] Equivalente explosieve massa P [Pa] Piekoverdruk van de drukgolf, explosie-overdruk P a [Pa] Atmosferische druk P [-] Dimensieloze overdruk Pr [-] Probitwaarde behorende bij de sterftekans r [m] Afstand van het explosiecentrum tot de plaats waarop de explosie-overdruk berekend wordt r' [mg/kg ⅓ ] Geschaalde afstand R [-] Dimensieloze afstand T c [K] Kritische temperatuur T sl [K] Superheat limit temperatuur U [J/kg] Specifieke inwendige energie 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-1
W [J] Explosie-energie Griekse symbolen η [-] Fractie van de brandbare wolk die ingesloten is 18.2 ALGEMENE ASPECTEN Hieronder worden enkele algemene aspecten die van belang zijn voor de verschillende explosiefenomenen besproken. 18.2.1 Receptorhoogte De receptorhoogte voor het berekenen van overdrukeffecten wordt vastgelegd op 1,5 m boven het maaiveld. 18.2.2 Probitfunctie voor overdruk Voor doding van mensen door overdrukeffecten wordt volgende probitfunctie (LIN, 1993) gehanteerd: Pr= 8,23+1,31.ln(P) Deze is gebaseerd op de doding van mensen door weggeslingerde glasscherven bij breuk van glasramen in gebouwen en door instorting van gebouwen. De probit wordt vervolgens omgerekend naar een kans op doding met behulp van de formule uit 1.5. De overdruk waarbij 1% van de blootgestelden overlijdt (Pr = 2,67) door impact van weggeslingerde glasscherven bedraagt (afgerond) 4000 Pa (of 40 mbar). 18.2.3 Maximale effectafstand De maximale effectafstand wordt opgemeten vanaf het vrijzettingspunt tot op het verste punt waar een letaliteit van 1% bekomen wordt. 18.3 BLEVE (FYSISCHE EXPLOSIE VAN TOT VLOEISTOF VERDICHTE GASSEN OF KOKENDE VLOEISTOFFEN) Om een BLEVE te bekomen moet aan bepaalde voorwaarden voldaan zijn. Het effect van een BLEVE wordt bepaald door de oorzaak en dus het type BLEVE en de condities bij falen. Verder wordt ook beschreven op welke manier de explosie-overdruk moet berekend worden. 18.3.1 Voorwaarden Volgende voorwaarden (CCPS, 2010) zijn noodzakelijk voor het optreden van een BLEVE: een vloeistof(fase) die aanwezig is boven het normaal (atmosferisch) kookpunt; 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-2
een houder onder druk waardoor het product in tot vloeistof verdichte vorm aanwezig is; een breuk van de houder waardoor de druk boven de vloeistof(fase) zeer snel daalt. Merk op dat een BLEVE zich dus kan voordoen bij zowel brandbare (vb. LPG) als bij toxische stoffen (bv. chloor). 18.3.2 Oorzaken Met betrekking tot het fenomeen BLEVE wordt onderscheid gemaakt tussen een thermisch geïnduceerde BLEVE en een niet-thermische geïnduceerde BLEVE. Bij een thermisch geïnduceerde BLEVE ligt een warmteaanstraling vanaf een externe warmtebron aan de basis van het instantaan falen (bv. een brand in de buurt van een LPG-opslagtank waardoor de inhoud van de tank opwarmt). Bij een niet thermisch geïnduceerde BLEVE is de instantane vrijzetting het gevolg van een oorzaak andere dan de hiervoor genoemde (bv. corrosie, materiaaldefect, externe mechanische impact). De oorzaak van de BLEVE bepaalt de faalcondities van de houder. Daarnaast kan een BLEVE ook voorkomen ten gevolge van een run-awayreactie (zie 18.6.2). 18.3.3 Faalcondities Bij een thermisch geïnduceerde BLEVE wordt de faaldruk gelijkgesteld aan 1,21 de openingsdruk (in overdruk) van de veiligheidsklep (RIVM, 2009). Indien geen veiligheidsklep aanwezig is, wordt uitgegaan van falen bij 2,5 x de ontwerpdruk (van Doormaal & van Wees, 2005). De temperatuur is de temperatuur horende bij de faaldruk. Bij een niet thermisch geïnduceerde BLEVE wordt uitgegaan van de maximale opslag- of werkingscondities van de druktank. 18.3.4 Explosie-overdruk De overdrukeffecten van een BLEVE worden bepaald met het model van Baker voor niet-ideale gassen (Baker, Cox, Westine, Kulesz, & Strehlow, 1983). Indien de temperatuur van de vloeistoffase bij faling hoger is dan of gelijk aan de maximale temperatuur waarbij oververhitte vloeistof kan bestaan (Engels: superheat limit temperature), dan wordt een drukvat beschouwd dat maximaal gevuld is met de vloeistoffase. De temperatuur T sl kan geschat worden op basis van de kritische temperatuur T c. =0,89 Indien de temperatuur van de vloeistoffase bij faling lager is dan de superheat limit temperatuur, dan wordt een drukvat beschouwd dat minimaal gevuld is met de vloeistoffase (en bijgevolg maximaal met de dampfase). 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-3
De explosie-energie wordt bepaald uit = ( ) Toestand 1 is de toestand van het gas in de drukhouder onmiddellijk voor het tijdstip waarop de drukhouder faalt, terwijl toestand 2 wordt bepaald uitgaande van een isentrope expansie tot op atmosferische druk. Er wordt aangenomen dat 100% van de explosie-energie wordt omgezet in drukgolven. Vervolgens wordt een dimensieloze afstand berekend volgens = Hiermee wordt de dimensieloze overdruk P bepaald met de formules uit Tabel 18-1 (Ferradás, et al., 2006). Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen bolvormige en cilindrische houders. Deze formules zijn gebaseerd op de methode van (Baker, et al., 1977) en houden rekening met de correctiefactor voor houders op grondniveau (of er net boven). Tabel 18-1: Formules voor de dimensieloze overdruk Bolvormige houders Cilindrische houders 0,1 R 0,2 =1,25, =4,99, 0,2 < R 1,5 =0,58, =0,86, 1,5 < R 1000 =0,26, =0,40, Uit de dimensieloze overdruk kan de explosieoverdruk berekend worden met = De explosieoverdruk P wordt vervolgens ingevoerd in de probitfunctie (zie 18.2.2) om de overdrukeffecten van een BLEVE te berekenen. 18.3.5 Aangrijpingspunt Het aangrijpingspunt van de BLEVE wordt gelijkgesteld aan het vrijzettingspunt. 18.4 FYSISCHE EXPLOSIE (VAN SAMENGEPERSTE GASSEN) De explosie-overdruk ten gevolge van een fysische explosie wordt berekend met de methode van Baker (zie 18.3.4), zowel voor ideale als niet-ideale gassen (van Doormaal & van Wees, 2005). Voor het bepalen van de faaldruk wordt voor een bovengrondse houder uitgegaan van 1,21 x de openingsdruk (in overdruk) van de veiligheidsklep (van Doormaal & van Wees, 2005). Indien geen 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-4
veiligheidsklep aanwezig is, wordt uitgegaan van falen bij 2,5 x de ontwerpdruk. De temperatuur is de temperatuur horende bij de faaldruk. Voor een ondergrondse houder (inclusief ingeterpte tank) wordt uitgegaan van de maximale opslag- of werkingscondities van de drukhouder. Het aangrijpingspunt bevindt zich ter hoogte van het vrijzettingspunt. 18.5 GASWOLKEXPLOSIE Het overdrukeffect van gaswolkexplosie wordt bepaald door de hoeveelheid explosieve massa in de wolk en het tijdstip waarop de ontsteking plaatsvindt. Hieronder wordt beschreven op welke manier dit bepaald wordt. Verder wordt ook het model voor het berekenen van de explosie-overdruk vastgelegd. Daarnaast moet bij het optreden van gaswolkexplosie ook verbranding binnen de brandbare wolk beschouwd worden. 18.5.1 Explosieve massa De explosieve massa m e is gelijk aan de massa aanwezig tussen de UEL en de LEL. Het overdrukeffect horende bij het scenario gaswolkexplosie mag uitgesloten worden als er minder dan 100 kg explosieve massa in de wolk aanwezig is. Dit geldt niet voor het effect van verbranding binnen de brandbare wolk. 18.5.2 Tijdstip van ontsteking Het dispersiemodel berekent de explosieve massa in de wolk in functie van de tijd. De wolk met de grootste explosieve massa gedurende de eerste 30 minuten na vrijzetting wordt geselecteerd voor het berekenen van het gevolg van gaswolkexplosie. Een andere mogelijkheid is om te werken met ontsteking op verschillende tijdstippen. De gebruikte werkwijze wordt dan wel uitgebreid beschreven en gemotiveerd in het veiligheidsdocument. 18.5.3 Explosie-overdruk De explosie-overdruk in functie van de afstand tot het explosiecentrum wordt berekend op basis van de multi-energiemethode (van den Berg, 1985). Eerst wordt de dimensieloze afstand bepaald uit = De multi-energiemethode wordt op een vereenvoudigde manier toegepast, waarbij = Voor de fractie van de brandbare wolk die ingesloten is (η) wordt uitgegaan van een waarde van 12%. De dimensieloze overdruk P wordt vervolgens berekend met de formules overeenkomend met curve 7 (explosie op grondniveau) volgens (Alonso, et al., 2006) Voor 0,23 <0,5: 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-5
Voor 0,5 100: =1 =0,406, De waarden voor de ingesloten fractie en de curve zijn arbitrair vastgelegd. Deze kunnen in specifieke omstandigheden aangepast worden mits motivatie. Indien andere curves gebruikt worden, worden de overeenkomstige formules uit (Alonso, et al., 2006, p. Table 2) overgenomen. Vervolgens wordt de explosie-overdruk berekend met = De explosieoverdruk wordt vervolgens ingevoerd in de probitfunctie (zie 18.2.2) om de gevolgen ten gevolge van overdruk van een gaswolkexplosie te berekenen. 18.5.4 Aangrijpingspunt De effecten van overdruk worden uitgezet vanaf het centrum van de overeenkomstige brandbare wolk (zie 18.5.2). Het centrum van de wolk wordt gelijkgesteld aan het geometrisch middelpunt van het brandbare deel op de lengteas in de richting van de wind. Voor het berekenen van het risico ten gevolge van een gaswolkexplosie wordt binnen de brandbare wolk 100% letaliteit verondersteld en wordt de letaliteit t.g.v. explosie-overdruk slechts meegenomen vanaf de rand van de wolk. De maximale effectafstand wordt gegeven t.o.v. het vrijzettingspunt (zie 15.2.3 en 16.5), zoals aangegeven in 18.2.3. 18.6 ANDERE EXPLOSIES 18.6.1 Ontplofbare stoffen Naargelang hun gevaarseigenschappen worden ontplofbare stoffen ingedeeld in 6 klassen, m.n. ADR-klasse 1.1 t.e.m. 1.6. Bij het uitwerken van een QRA worden de overdrukeffecten enkel beschouwd bij de instabiele ontplofbare stoffen en de stoffen uit klasse 1.1 en 1.5, zoals aangegeven in 14.8. In een eerste stap wordt de hoeveelheid bepaald die bij de massa-explosie betrokken kan zijn. Vervolgens wordt de equivalente explosieve massa M eq bepaald door deze hoeveelheid te delen door het TNTequivalent van de betrokken stof, zoals voor een aantal stoffen weergegeven in Tabel 18-2. Voor elk van de stoffen is de hoeveelheid aangegeven die dezelfde explosie-sterkte heeft als 1 kg TNT. Indien de stof niet in deze tabel is opgenomen, kunnen gegevens bij de producent opgevraagd worden. Er wordt dan uitgegaan van een waarde van 4,6 MJ/kg voor de explosie-energie van TNT. Voor een explosie op hoogte wordt de equivalente explosieve massa gedeeld door 2. Het komt er grosso modo op neer dat een houder zich op hoogte bevindt wanneer de berekende explosieoverdruk de grond niet raakt. 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-6
Tabel 18-2: TNT-equivalent van een aantal ontplofbare stoffen (RIVM, 2015) Stof kg/kg TNT Acetylcyclohexaansulfonylperoxide (12% < watergehalte < 82%) 5 Ammoniumnitraat (zuiverheid > 90%, brandbaar materiaal < 0,2%) 3 Ammoniumnitraat (brandbaar materiaal > 0,2%) 3 Ammoniumperchloraat (deeltjes < 45 µm) 4 Ammoniumpicraat (watergehalte < 10%) 1 Azodiisobutyronitril 5 Celluloid 1 Cellulosenitraat 1 Chloorperoxibenzoëzuur/3- (3-chloorbenzoëzuur < 82%) 4 Cyclohexanonperoxiden (watergehalte < 10%) 3 Cycloniet (watergehalte > 15% of flegmatiseermiddel > 10%) 0,8 Cyclotetramethyleentetranitramine (watergehalte > 15% of flegmatiseermiddel > 10%) 0,8 Cyclotrimethyleentrinitramine (watergehalte > 15% of flegmatiseermiddel > 10%) 0,8 Diazodinitrofenol (gehalte water/alcohol > 40%) 2 Dibarnsteenzuurperoxide 4 Dibenzoylperoxide (zuiverheid > 52%) 3 Dibenzylperoxidicarbonaat (watergehalte < 13%) 4 Dicyclohexylperoxidicarbonaat 5 Diglyceroltetranitraat 0,9 Diisopropylperoxidicarbonaat 3 Dimethyl-2,5-di-(tertiairbutylperoxi)hexyn/2,5-3 Dimethyl-2,5-di-(benzoylperoxi)hexaan/2,5-3 Dimethyl-2,5-dihydroperoxihexaan/2,5- (watergehalte < 18%) 2 Dinitroaniline/2,4-1 Dinitrobenzeen 1 Dinitrofenol (watergehalte < 15%) 1 Dinitrotolueen/2,4- of 2,6-1 Di-n-propylperoxidicarbonaat 3 Dioxiethylnitraminedinitraat 0,9 Di-sec-butylperoxidicarbonaat 3 Di-(tertiairbutylperoxi)cyclohexaan/1,1-3 Di-(tertiairbutylperoxi)ftalaat 3 Ethanolaminedinitraat 1 Ethyl-3,3-di-(tertiairbutylperoxi)butyraat 3 Etheendiaminedinitraat 1 Etheendinitramine 0,9 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-7
Stof kg/kg TNT Ethyeenglycoldinitraat 0,7 Ethylnitraat 1 Glyceroldinitraat 0,9 Glyceroltrinitraat (1 tot 10% alcohol) 0,9 Guanidinitraat 2 Hexamethyleentetraaminedinitraat 1 Hexamethyleentriperoxidediamine 0,9 Hexanitrodifenylamine 0,9 Hexanitrodipentaerytriet 0,8 Hexanitroethaan 1 Hexanitrostilbeen 0,9 Hexatonal 0,6 Hydrazinenitraat 1 Hydrazineperchloraat 1 Kwikfulminaat (watergehalte > 20%) 3 Loodazide (watergehalte > 20%) 4 Loodstyfnaat (watergehalte > 20%) 3 Mannitolhexanitraat (water/alcohol gehalte > 40%) 1 Methylaminenitraat 1 Methylnitraat 0,8 Methyltrimethylolmethaantrinitraat 0,9 Nitroethaan 1 Nitroethaanpropaandioldinitraat 1 Nitroguanidine (watergehalte 20%) 2 Nitroguanidine (watergehalte < 20%) 1 Nitroisobutylglyceroltrinitraat 0,6 Nitromethaan 1 Nitropropaan/2-1 Nitroureum 2 Octoliet (77% octogeen, 23% TNT, watergehalte < 15%) 0,8 Pentaerytraattetranitraat (PETN)(wasgehalte > 7%) 0,8 Pentaerytraattetranitraat (PETN)(watergehalte > 25% of flegmatiseermiddel > 15%) 0,9 Pentoliet (mengsel TNT/PETN) (watergehalte < 15%) 0,8 Rookzwart buskruit 1 Tetramethylcyclopentanontetranitraat 1 Tetranitroaniline 0,8 Tetranitrocarbazool 1 Tetranitromethaan 1 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-8
Stof kg/kg TNT Tetrazeen 2 Triaminotrinitrobenzeen 2 Triethyleenglycoldinitraat 3 Triethylaminenitraat 1 Trinitroaniline 0,9 Trinitroanisool 1 Trinitrobenzeen (watergehalte < 35%) 0,9 Trinitrobenzoëzuur 1 Trinitroerytriet 0,8 Trinitrofenetol 1 Trinitrofenol (watergehalte < 30%) 0,9 Trinitrofenol (watergehalte 30%) 1 Trinitrofenylethylnitramine/2,4,6-0,9 Trinitrofenylmethylnitramine 0,9 Trinitroftaleen 1 Trinitro-m-cresol 1 Trinitrophenoxiethylnitraat 0,9 Trinitroesorcine 1 Trinitrotolueen (TNT) 1 Trinitroxyleen 1 Tritonal 0,6 Ureumnitraat 2 Zilverazide 2 Zwart kruit 2 Daarna wordt de overdruk P in functie van de afstand r bepaald met behulp van volgende formules (NATO, 2006). = = 0,214362789151+1.35034249993 log Log (1000 P) =2,78076916577 1,6958988741 0,154159376846 +0,514060730593 +0,0988534365274 0,293912623038 0,0268112345019 +0,109097496421 +0,00162846756311 0,0214631030242 +0,0001456723382 +0,00167847752266 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-9
18.6.2 Run-awayreacties De explosie-overdruk ten gevolge van run-awayreacties wordt berekend met de methode van Baker (zie 18.3.4) (van Doormaal & van Wees, 2005). Voor het bepalen van de faaldruk wordt uitgegaan van 2,5 x de ontwerpdruk van de houder (van Doormaal & van Wees, 2005). Het aangrijpingspunt bevindt zich ter hoogte van het vrijzettingspunt. 18.6.3 Stofexplosie Indien relevant worden de effecten van stofexplosie van Seveso-stoffen behandeld. De manier waarop dit gebeurt wordt beschreven en gemotiveerd in het veiligheidsdocument. 18.7 VERSIEBEHEER Datum Versie Voornaamste aanpassingen April 17 1.0 1 e versie 28/04/2017 Handboek Risicoberekeningen pagina 18-10