Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství
Katedra požární ochrany
Analýza chování tlakových nádob při průstřelu a požáru
Student: Bc. Tadeáš Koplík
Vedoucí diplomové práce: Ing. Miroslav Mynarz, Ph.D.
Studijní obor: Technika požární ochrany a bezpečnosti průmyslu
Termín odevzdání diplomové práce: 12. 4. 2019
Zadání
Místopřísežné prohlášení:
„Místopřísežně prohlašuji, že jsem celou diplomovou práci vypracoval samostatně.“
V Ostravě dne 12. 4. 2019
...
Bc. Tadeáš Koplík
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že:
jsem byl seznámen s tím, že moji diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.
121/2000 Sb. O Autorském právě, o právě související s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších předpisů;
beru na vědomí, že odevzdáním diplomové práce souhlasím se zveřejněním své práce podle zákona č. 11/1998 Sb., o vysokých školách a změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách) ve znění pozdějších předpisů, bez ohledu na výsledek obhajoby1);
beru na vědomí, že diplomová práce bude vložena v elektronické podobě v univerzitním informačním systému Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava (dále jen VŠB – TUO), dostupná k prezenčnímu nahlédnutí;
beru na vědomí, že VŠB – TUO má právo neziskově ke své vnitřní potřebě diplomovou práci využít v souladu s § 35 odst. 3 2);
beru na vědomí, že podle § 60 odst. 1 autorského zákona má právo VŠB – TUO na uzavření licenční smlouvy o užití školního díla v rozsahu § 12 odst. 4 autorského zákona;
beru na vědomí, že podle § 60 odst. 2 a 3 mohu použít svoje dílo – diplomovou práci a nebo poskytnout licenční smlouvy k jejímu využití je s předcházejícím písemným souhlasem VŠB – TUO, která je oprávněna v takové případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly VŠB – TUO na vytvoření díla vynaložené (až do jejich skutečné výše);
beru na vědomí, že jestli byl k vypracování diplomové práce použít software VŠB – TUO a nebo jinými subjekty pouze ke studijním a výzkumným účelům (tedy pouze k nekomerčnímu využití), nejde výsledky diplomové práce využít ke komerčním účelům;
beru na vědomí, že pokud bude výsledkem diplomové práce jakýkoli softwarový produkt, považují se za součást práce také zdrojové kódy, popř.
soubory, ze kterých se projekt skládá. Neodevzdání této součásti může být důvodem k neobhájení práce.
Jméno a příjmení: Tadeáš Koplík
Dne: 12. 4. 2019
Podpis:...
1) zákon č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších právních předpisů, § 47 b Zveřejňování závěrečných prací:
(1) Vysoká škola nevýdělečně zveřejňuje disertační, diplomové, bakalářské a rigorózní práce, u kterých proběhla obhajoba, včetně posudků oponentů a výsledku obhajoby prostřednictvím databáze kvalifikačních prací, kterou spravuje. Způsob zveřejnění stanoví vnitřní předpis vysoké školy. Vysoká škola disertační práci nezveřejňuje, byla-li již zveřejněna jiným způsobem.
(2) Disertační, diplomové, bakalářské a rigorózní práce odevzdané uchazečem k obhajobě musí být též nejméně pět pracovních dnů před konáním obhajoby zveřejněny k nahlížení veřejnosti v místě určeném vnitřním předpisem vysoké školy nebo není-li tak určeno, v místě pracoviště vysoké školy, kde se má konat obhajoba práce. Každý si může ze zveřejněné práce pořizovat na své náklady výpisy, opisy nebo rozmnoženiny.
(3) Platí, že odevzdáním práce autor souhlasí se zveřejněním své práce podle tohoto zákona, bez ohledu na výsledek obhajoby.
(4) Vysoká škola může odložit zveřejnění bakalářské, diplomové, disertační a rigorózní práce nebo jejich části, a to po dobu trvání překážky pro zveřejnění, nejdéle však na dobu 3 let. Informace o odložení zveřejnění musí být spolu s odůvodněním zveřejněna na stejném místě, kde jsou zveřejňovány bakalářské, diplomové, disertační a rigorózní práce. Vysoká škola zašle bez zbytečného odkladu po obhájení bakalářské, diplomové, disertační a rigorózní práce, jíž se týká odklad zveřejnění podle věty první, jeden výtisk práce k uchování ministerstvu.
2) zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších právních předpisů, § 35 odst. 3:
(3) Do práva autorského také nezasahuje škola nebo školské či vzdělávací zařízení, užije-li nikoli za účelem přímého nebo nepřímého hospodářského nebo obchodního prospěchu k výuce nebo k vlastní potřebě dílo vytvořené žákem nebo studentem ke splnění školních nebo studijních povinností vyplývajících z jeho právního vztahu ke škole nebo školskému či vzdělávacího zařízení (školní dílo).
3) zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších právních předpisů, § 60 Školní dílo:
(1) Škola nebo školské či vzdělávací zařízení mají za obvyklých podmínek právo na uzavření licenční smlouvy o užití školního díla (§ 35 odst. 3). Odpírá-li autor takového díla udělit svolení bez vážného důvodu, mohou se tyto osoby domáhat nahrazení chybějícího projevu jeho vůle u soudu. Ustanovení § 35 odst. 3 zůstává nedotčeno.
(2) Není-li sjednáno jinak, může autor školního díla své dílo užít či poskytnout jinému licenci, není-li to v rozporu s oprávněnými zájmy školy nebo školského či vzdělávacího zařízení.
(3) Škola nebo školské či vzdělávací zařízení jsou oprávněny požadovat, aby jim autor školního díla z výdělku jím dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutím licence podle odstavce 2 přiměřeně přispěl na úhradu nákladů, které na vytvoření díla vynaložily, a to podle okolností až do jejich skutečné výše; přitom se přihlédne k výši výdělku dosaženého školou nebo školským či vzdělávacím zařízením z užití školního díla podle odstavce 1.
Poděkování
„Tímto chci velmi poděkovat vedoucímu diplomové práce panu Ing. Miroslavu Mynarzovi, Ph.D., který se mnou absolvoval měření a vyhodnocování dat pro tuto diplomovou práci a také mi byl nápomocen při zpracovávání dat a při cenných konzultacích.
Anotace
Koplík, Tadeáš. Analýza chování tlakových nádob při průstřelu a požáru. Diplomová práce.
Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, 2019, 91 s.
Klíčová slova:
Požár, tlaková láhev, teplotní zátěž, průstřel
Diplomová práce řeší problematiku tlakových nádob, jejich základním popisem, plnivem, kterým pro dané zkoušky sloužil acetylen. Dále se pak zaobírá účinky a chováním při požáru. Speciální částí je oblast řízené a neřízené destrukce lahve, ve které jsou popisovány grafy a jejich vzájemné srovnání při podmínkách tepelného zatížení, kterým jsou lahve vystavovány. Dále pak práce řeší jevy Jet-fire a Fireball, poukazuje na jejich rozdíly, možné kombinace těchto jevů při požáru s výskytem tlakových lahví a nastiňuje výpočtovou metodou možnou zónu ohrožení působením těchto jevů. Diplomová práce má dále část praktickou. Tím je myšleno rozbor grafů ze zpracovaných a analyzovaných dat.
Koplík, Tadeáš. Analysis of behavior of the Pressure Vessels in a Fire and cracked.
Diploma thesis. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, 2019, 91 p.
Keywords:
Fire, pressure bottle, heat load, shot
The diploma thesis deals with the issue of pressure vessels, their basic description, the filler used for acetylene for the given tests. Furthermore, it deals with the effects and behavior of the fire. A special part is a region of controlled and uncontrolled destruction of the bottle, in which the graphs are described and their mutual comparison under the conditions of the thermal load to which the bottles are exposed. Furthermore, the marginal work solves the Jet-fire and Fireball phenomena, points out their differences, the possible combinations of these phenomena in a fire with the occurrence of pressure bottles, and outlines the possible zone of threat by the effect of these phenomena. The diploma thesis
also has a practical part. This is meant to analyze the graphs from the processed data provided by the measuring instruments during several challenging experiments.
Obsah
Úvod ………1
1 Rešerše literatury... 3
2 Tlakové lahve ... 5
2.1 Rozdělení tlakových nádob ... 5
2.1.1 Rozdělení tlakových lahví dle metodiky ČATP ... 5
2.1.2 Rozdělení tlakových lahví dle použitého materiálu ... 6
2.2 Značení tlakových lahví ... 6
2.2.1 Značení vyražením ... 7
2.2.2 Barevné značení lahví ... 7
2.2.3 Značení dle ADR a CLP ... 10
2.3 Rozdělení tlakových lahví dle metodiky ČAHD ... 11
2.3.1 Další dělení tl. lahví ... 11
3 Tlakové lahve plněné acetylenem ... 12
4 Acetylen ... 14
4.1 Rozklad acetylenu ... 14
4.2 Výroba acetylenu ... 15
4.3 Technicko – bezpečnostní parametry a pokyny při manipulaci ... 17
4.4 Vliv acetylenu a lidský organismus ... 18
5 Nebezpečí a jevy spojené s tlakovými lahvemi plněné acetylenem ... 18
5.1 Tepelný rozklad acetylenu ... 19
5.2 Fireball ... 19
5.3 Jev Jet-fire ... 21
6 Popis experimentálních měření ... 24
6.1 Zkoušky měření... 27
6.1.1 Popis místa měření ... 28
6.1.2 Popis tlakových lahví ... 29
7 Analýza a vyhodnocení měření ... 32
7.1 Měření Brdy A1 a A2... 32
7.2 Měření Doupov_A1 ... 36
7.3 Měření Brdy_A2 ... 43
8 Závěr ... 50
9 Seznam použité literatury ... 52
10 Seznam obrázků ... 56
11 Seznam grafů... 57
12 Seznam tabulek ... 61
Příloha 1 ... 62
Příloha 2 – Brdy_A1_duben ... 63
Příloha 3 – Brdy_A3_duben ... 66
Příloha 4 – Doupov_A3_červen ... 70
Příloha 5 – Doupov_A4_červen ... 75
Příloha 6 – Brdy_A1_listopad_2 ... 80
Příloha 7 – Brdy_A3_listopad_2 ... 82
Příloha 8 – Brdy_A4_listopad_2 ... 85
Seznam použitých zkratek
Zkratka Název
BAM
Bundesanstalt für Materialforschung und - prüfung
ČR Česká republika
ČSN Česká technická norma
ČSN – EN ČSN – česká verze evropské normy ČSN EN ISO ČSN – česká verze mezinárodní normy
ES Evrospký parlament a Rada
AVG Průměrná hodnota
PHP Přenosný hasicí přístroj JPO Jednotka/y požární ochrany
MU Mimořádná událost
ADR
Evropská dohoda o mezinárodní přepravě nebezpečných věcí po silnici
CLP
Nařízení o klasifikaci, oznařování a balení látek a směsí
UN Číslo pro označování látek a směsí H věty Standardní věty o nebezpečnosti P věty
Standardizované pokyny pro bezpečné zacházení
ČAHD Česká asociace hasičských důstojníků
Úvod
Požární bezpečnost je nedílnou součástí dnešní moderní doby, ve které se snažíme díky vyspělým technologiím předcházet mimořádným událostem, které mohou potenciálně zranit či dokonce způsobit ztráty na životě. Nároky na pohodlný život se stupňují a s tímto přichází také potřeba uspokojit společnost různými produkty průmyslu, které si vyžadují technický a progresivní pokrok.
S prvním objevem nejrůznějších plynů, z nichž jedním z prvních byl zemní plyn, vznikla také potřeba tyto produkty distribuovat ke konečným spotřebitelům. Člověk, jako tvor vynalézavý byl tedy nucen stvořit nádobu, ve které by se dalo přepravovat požadované množství média. Z hlediska hospodárnosti, ekonomiky a času se využilo stlačitelnosti plynů a do nádob se začalo médium plnit stlačeně. Tlakem vyšším než okolí atmosférický tlak se docílilo přetlaku, který je pro tlakovou láhev charakteristický.
Nemálo plynů se v dnešní době používá v široké škále odvětví jako je potravinářství, lékařství, průmysl či požární ochrana, kde se využívá jejich vlastností a charakteristik např.
ke chlazení, topení, svařování, desinfekci, hašení či podpoře životních funkcí člověka.
Pozitivní vlastností tlakových nádob je jejich znovupoužití po vyprázdnění nádoby, relativně snadná přeprava a manipulace. Na tyto kladné vlastnosti se však váže řada nebezpečí, která mohou obsluhující pracovníky ohrozit na životě. Jedná se především o porušení či roztrhnutí samotné nádoby vlivem mechanického, fyzikálního či chemického namáhání, která se po poruše pláště a požadovaném přetlaku chová neřízeně.
V teoretické části práce je stručný popis rozdělení tlakových nádob dle konstrukce a označování. Dále pak dělení dle objemu lahve a možnosti plnění tlakových lahví danými plyny. Následuje část, která se zaobírá popisem acetylenu, jeho výrobou, vlastnostmi, možnostmi použití a především nebezpečími s ním spojenými. Závěrečná část teorie se zabývá problematikou jevů Fireball a Jet-fire, která úzce souvisí s porušením tlakových lahví a může se jevit jako potenciální nebezpečí.
Praktická část začíná popisem samotného experimentu týkající se tepelným namáháním a destrukcí tlakových lahví plněných acetylenem. Po té se popis zmiňuje o měřících přístrojích, přípravě tlakových lahví a tepelným zdrojem. Jako tepelný zdroj byla zvolena dřevěná hranice.
Hlavním oddílem praktické části diplomové práce je vyhodnocování tepelného namáhání tlakových lahví, které byly vystaveny teplu z hořících hranic a výstupy, které byly znázorněny do grafů, jsou analyzovány, vyhodnoceny a srovnávány.
V závěru práce je souhrn poznatků z praktické části, vyhodnocení jednotlivých zkoušek a dále návrhy na další měření, experimenty či zvětšení bezpečnosti v souvislosti s tlakovými lahvemi
1 Rešerše literatury
Kapitola rešerše literatury pojednává o informačních zdrojích, ze kterých jsem čerpal a získal podklady k sepsání této diplomové práce, které jsou důležité pro porozumění dané problematiky a oboru týkající se zkoušek tlakových lahví, jevů které mohou doprovázet požár s výskytem tlakových lahví. Dle nastudovaného materiálu jsem po té analyzoval chování a výsledky jednotlivých zkoušek.
KRATOCHVÍL, Václav. Tlakové láhve z hlediska požární bezpečnosti. V Ostravě:
Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2009. Spektrum (Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství). ISBN 978-80-7385-070-8.
Tato kniha pojednává o namáhání tlakových lahví, které byly vystaveny účinkům ohně.
Jako zdroj paliva sloužily autorovi dřevěné kulatiny a při experimentech se zkoušející soustředil především na veličinu tepelného záření na tlakovou láhev. [2]
BAM. Acetylene cylinders in a fire, phase 3: Experiments, observations, and conclusions.
V Berlíně: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, 2009. Bundesanstalt Für
Materialforschung und – prüfung
Federální institut pro materiálový výzkum a testování (BAM) německý státní úřad pro materiálové namáhání, který se mimo jiné zabývá problematikou působení tepelných účinků na tlakové lahve, které jsou plněny acetylenem. Jako zdroj tepla slouží normová hranice, která má předepsaný rozměr a je zapálena dle normy. Celý průběh zkoušek je normalizován a smyslem je minimalizovat odchylky od jednotlivých pokusů. Tento zdroj byl pro zpracování diplomové práce zásadní, jelikož se zabývá analýzou tlakových lahví naplněné především acetylenem. [1]
ČSN EN 3-7+A1. Přenosné hasicí přístroje - Část 7: Vlastnosti, požadavky na hasicí schopnost a zkušební metody. Praha: Český normalizační institut, 2008. Tuto normu jsem v rámci mé bakalářské práce využíval pro měření SBI testu, která stanovuje předepsané rozměru hranolků, ze kterých se složí hranička sloužící jako zdroj paliva pro normový požár. Nejinak tomu bylo i u této diplomové práce. Norma dále stanovuje vlastnosti,
požadavky na hasicí schopnost i zkušební metody pro PHP. V neposlední řadě norma udává způsob zapalování dané hraničky, druh dřeva a další. [12]
2 Tlakové lahve
Dle metodiky, která slouží pro požární zásah lze tlakovou láhev definovat jako nádobu, která slouží pro přepravu a skladování plynů o vyšším tlaku než je atmosférický o vodním objemu nejčastěji 40l. Dalšími nejčastějšími variantami jsou láhve o menším vodním objemu 5,6 či 10 litrů či varianty objemnější o vodním objemu až 50l. Vzhledem k vnitřním tlakům, které působí na stěny láhve je volen válcovitý tvar konstrukce, kde jsou síly přenášeny rovnoměrně na tyto stěny. Pokud však dojde k destrukci láhve, je nejčastější podélné porušení z důvodu překročení maximálního vnitřního přetlaku, který způsobí roztržení pláště láhve. [5]
Další možností jak definovat tlakovou láhev je nahlédnutí do normy ČSN 07 8304, která se zabývá tlakovými lahvemi. Norma dále platí pro podmínky plnění, vyprazdňování, skladování, dopravu a veškerou obsluhu a údržbu či manipulaci s kovovými tlakovými lahvemi, které slouží k dopravě plynů s výpočtovým přetlakem větším než 0,7 barů a pro zařízení souvisící s tímto provozem a také pro objekty a prostory, v nichž jsou tato zařízení umístěna. Dále se norma zabývá nejenom kovovými tlakovými lahvemi, ale také kompozitními či lehkoslitinovými lahvemi objemu až 150l. [9]
2.1 Rozdělení tlakových nádob
Z hlediska více kritérií a možných oborů lze tlakové lahve rozdělit normově, metodicky či oborově. Následující text se bude týkat rozdělení dle České asociace technických plynů dále jen ČATP a podle souhrnné metodiky pro činnost jednotek požární ochrany, označovaná také jako Bojový řád jednotek požární ochrany.
2.1.1 Rozdělení tlakových lahví dle metodiky ČATP Rozdělení lahví podle druhu plynu
– lahve na stlačené plyny → Plyny za normálních podmínek nekondenzují a stlačují se do tlakových lahví o objemu do 50l s přetlakem až 200bar.
– lahve na rozpuštěné plyny → plyny se do lahve nestlačují z důvodu předcházení explozi. Proto jsou tyto lahve naplněné porézní hmotnou, ve které je plyn rozpuštěn pod zvýšeným tlakem. Příkladem je Acetylen.
– lahve na zkapalněné plyny s vysokým tlakem → „Oxid uhličitý nebo dusný se dodávají v lahvích ve zkapalněném stavu. Protože při provozu může být překročena jejich kritická teplota, kdy dojde ke změně kapaliny na plyn, musí být pro jejich skladování používány vysokotlaké lahve podobné těm pro stlačené plyny.“ [11]
– lahve na zkapalněné plyny s nízkým tlakem → „Plyny, které mají nízký tlak par, jako např. LPG (propan a propan – butan) nebo chladiva, se dodávají v tzv. nízkotlakých lahvích. Tyto lahve často bývají svařované.“ [10][11]
2.1.2 Rozdělení tlakových lahví dle použitého materiálu
Rozdělení lahví z hlediska použitého materiálu lze rozdělit dle následujícího obrázku.
2.2 Značení tlakových lahví
Následující řádky budou popisovat způsob značení tlakových lahví. Každá tlaková lahev musí být řádně značena dle platné legislativy. Současný platný způsob značení tlakových lahví je ražením do pláště lahve, barevným značením a označení informačními štítky.
Obrázek 1 - Materiál
2.2.1 Značení vyražením
Označování se provádí v prostoru vrchlíku lahve pomocí razidla, či jiným způsobem, kde jsou evidentně viditelné potřebné údaje. Výhodou tohoto způsobu označování je bezesporu zvýšená odolnost vůči mechanickému poškození. Nevýhodou je však relativně malé písmo a tím tedy nutnost blízkého kontaktu z lahví. Z hlediska požárního zásahu a tedy bezpečnosti zasahujících hasičů je tento způsob označování pro požární zásah méně důležitý než další způsoby označování. Údaje na lahvi, které se na láhev razí, jsou znázorněny na následujícím obrázku.
2.2.2 Barevné značení lahví
Na území ČR jsou tlakové lahve pro technické a medicinální účely značeny v souladu s normou ČSN EN 1089–3. Specifické pro barevné značení je označení vrchlíku a válcové části stejnou nebo odlišnou barvou. Toto značení je velmi výhodné pro identifikaci plynu z větší vzdálenosti, které ocení především JPO při MU s výskytem tlakových lahví. Na barvu, používanou pro nátěr, jsou kladeny požadavky barevné stálosti a odolnosti v podmínkách manipulace, přepravy či požáru. Dle staré legislativy se některé barvy lahví
Obrázek 2 – Ražení [13]
lišily od současného značení. Aby došlo ke sjednocení barev, muselo se přistoupit k barevné koordinaci a to od roku 2008 dle ČSN EN 1089–3. Tyto lahve jsou tedy v horní části označeny dvěma tiskacími písmeny N, které jsou na protilehlé straně. V následující tabulce, jsou uvedeny barevné varianty značení tlakových lahví. [5][11]
9
Tabulka 1 – Barevné značení [11]
9
2.2.3 Značení dle ADR a CLP
Označování dle ADR a CLP se provádí pomocí informačních tabulek na plášti lahve.
Požadavky dle CLP vychází z Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1272/2008, vydaného dne 16. Prosince 2008, o klasifikaci, balení a označování látek. V tomto nařízení je uvedeno, co musí obsahovat informační štítek. Musí tedy obsahovat jen údaje, kterými je možné látky jednoznačně identifikovat. Identifikační tabulka je také označována jako identifikační etiketa.
Etiketa musí obsahovat:
− číslo UN, ES;
− H a P věty;
− úplný název a popis plynu dle ADR;
− bezpečnostní značení;
− informace o výrobci (kontakt, adresu, název společnosti)
V následujícím obrázku je znázorněn vzor etikety včetně nutných informací. Jedná se především o jednoznačnou identifikaci, která slouží ve spojení s obchodními účely daného plněného média. Etiketa se nachází v horní části lahve a na první pohled jsou nejvýraznější bezpečnostní značky a UN číslo. [13]
Obrázek 3 – Etiketa [13]
2.3 Rozdělení tlakových lahví dle metodiky ČAHD Rozdělení plynů v tlakových láhvích;
− plyny rozpuštěné pod tlakem → plyny rozpuštěné v látce např. acetylen
− stlačené plyny → kyslík, vodík, dusík
− plyny zkapalněné → oxid uhličitý, oxid dusný, amoniak, Chlor 2.3.1 Další dělení tl. lahví
Rozdělení podle plnícího tlaku;
− nízkotlaké → do plnícího tlaku 2,5Mpa
− vysokotlaké → nad plnící tlak 2,5MPa Rozdělení podle konstrukce láhve;
− plechové svařované
− bezešvé
− Kompozitní láhve jsou v současně hojně využívané především u záchranných sborů, kde se využívá jejich nízká hmotnost oproti ocelovým lahvím. Kompozitní láhve však mají větší náchylnost na mechanické poškození. Pokud dojde vlivem manipulace k pádu lahve, mohou vznikat v jejím plášti mikrotrhlinky, které mohou mít fatální následky při dalším pádu či prosté manipulaci. [5]
Obrázek 4 – Kompozitní tlaková lahev [14]
Možné varianty výstroje TL
− s patkou (obr. 5)
− bez patky
− s pojistným prvkem, který funguje na principu přetlačení pružiny, která vyvíjí určitý tlak na disk, který je otvíracím prvkem lahve. V normálním režimu, kdy tlakový přetlak v lahvi je přijatelný, je pružina schopna přitlačit disk a tudíž otvírací mechanismus ventilu. Situace se však mění v momentě, kdy dojde překonání síly pružiny tlakem, který je uvnitř lahve. Po té dojde k otevření pojistného mechanismu a odpuštění tlaku z vnitřního prostoru lahve do venkovního prostředí popřípadě do vedlejšího zásobníku tomu určeném.
− bez pojistného prvku [5][6]
3 Tlakové lahve plněné acetylenem
Tlakové lahve plněné acetylenem podléhají normě ČSN ISO 4705 a jejich možné provedení je v objemech o 3 do 60 objemových litrů v provedení ocelovém bezešvém.
Vnitřní prostor lahve obsahuje bílou bezazbestovou porézní hmotu připomínající křídu (obr.6), která je nasycena rozpouštědlem, ve kterém je acetylen absorbován. Monolitická, nebo-li litá hmota, je tvořena vzájemně reagujícími látkami či materiály, které jsou vzájemně spojeny pojivem a umožňují míru plnění lahve cca 200g acetylenu (C2H2) na 1 litr objemu lahve což je v běžné praxi pro 50–ti litrovou láhev cca 15,5kg acetylenu.
Obrázek 5 – TL s patkou [15]
Z následujícího vyplývá, že se acetylenové láhve plní dle hmotnosti, tudíž je tlak pouze orientační hodnotou při plnění láhví.
[11][17]
Obrázek 6 – Řez láhve naplněné porézní hmotou nasycenou acetonem [21]
Jak bylo již zmíněno, rozpouštědlo tvoří kapalná látka, která je absorbována na porézní hmotu a je schopná uvolňovat i rozpouštět acetylen. Samotné rozpouštědlo tedy převážně tvoří aceton (C3H6O) nebo také v menším měřítku DMF – dimethylformamid.
Rozpouštědlo se do láhví doplňuje v závislosti na jeho úbytku, který je závislý na četnosti plnění. Vzhledem k fyzikálně – chemickým vlastnostem acetylenu a velmi široké mezi výbušnosti (2% - 80% obj.), musí tlakové lahve a manipulace s nimi splňovat nejpřísnější bezpečností pravidla. [11][17][20]
Plnění do tlakových lahví probíhá v autorizovaných plnírnách, které splňují především podmínky požární bezpečnosti, bezpečnosti práce a další. Při plnění acetylenu vzrůstá tlak v lahvi na hodnotu 25 barů při vnější teplotě 10°C. Vzhledem ke zdlouhavému procesu při výrobě acetylenu z reakce karbidu vápníku (CaC2) a vody přes chemické čištění, vysoušení a následné plnění kompresorem, po kterém se musí láhev nechat vlivem tlačení acetylenu tepelně ustálit, se doba plnění pohybuje v řádu desítek hodin. [11][17][19][20]
Každá tlaková lahev s acetylenem musí být barevně označena dle příslušné normy a při jejich přepravě se užívá přepravních košů, ve kterých je zpravidla 12 lahví osazeno a zajištěno proti pohybu či pádu. Další variantou přepravy je přepravní baterie, nazývaná také acetylenový svazek lahví, ve kterém je 6 až 20 lahví trvale a pevně spojeno a není potřeba každou lahev značit samostatně. Postačí pouze přepravní štítek na konstrukci přepravní baterie. Spojením lahví pomocí vysokotlakých hadic v jednu soustavu se docílí jednoho manipulačního svazku, který má na manipulační straně vyvedenou koncovku pro napojení daného spotřebiče či další soustavy a je osazena hlavním uzavíracím ventilem.
Pro další manipulaci slouží ovládací panel složený z uzavíracích, vypouštěcích, regulačních a pojistných ventilů či dalšího příslušenství. [6][11][20]
Dle obecných zásad platí, že při manipulaci a skladování musí být splněny podmínky stanovené normami a zákony v oblasti požární ochrany, bezpečnosti práce, životního prostředí, chemického průmyslu, přepravy nebezpečných látek a další. Každá tlaková lahev musí být dále označena dle předepsaného značení, podrobit se pravidelné periodické zkoušce tlaku včetně kontroly komponentů jako jsou ventily a výstroje, které nesmí být poškozeny a musí být bezpečné a provozuschopné. [11]
4 Acetylen
Acetylen je organický uhlovodík náležící do skupiny alkynů a při normální teplotě a tlaku se jedná o bezbarvý plyn charakteristický po etheru s narkotickými účinky. Technický acetylen se vyznačuje nepříjemným česnekovým zápachem. Je charakteristický vysokou hořlavostí a při optimální směsi se vzduchem je výbušný. Jeho nejhojnější použití je při řezání a svařování kovů, kdy teplota plamene může dosahovat až 3 300°C. Této optimální řezací teploty se docílí směsí acetylenu a kyslíku, které jsou náplní tlakových lahví a které tvoří tzv. řezací soupravu. Acetylen se také používá jako výchozí surovina pro výrobu některých organických sloučenin, z nichž nejznámější je PVC. [23]
4.1 Rozklad acetylenu
Na následujícím obrázku je znázorněna molekula acetylenu, která na první pohled tvoří trojnou vazbu a je složena ze dvou atomů uhlíku, které jsou vzájemně spojeny touto
trojnou vazbou a dále pak dvěma atomy vodíku. Z důvodu trojné vazně není molekula acetylenu příliš stabilní a působením tepla dochází k jejímu rychlému rozkladu na uhlík a vodík, který způsobuje explozivní hoření. Dalším aspektem, který má výrazný vliv na explozivní hoření je vnitřní tlak a teplota láhve. [23]
Obrázek 7 – Molekula acetylenu
4.2 Výroba acetylenu
Jeden ze způsobu jak vyrobit acetylen je z Acetylidu vápenatého (CaC2), známější pod názvem karbid vápenatý, který se vyrábí reakcí uhlíku a oxidu vápenatého při vysoké teplotě.[23]
(4.1)
Karbid vápenatý je charakteristický tím, že při styku s vodou je rozkládán a uvolňuje ethyn neboli acetylen, který je schopen hořet svítivým plamenem.
(4.2)
V minulosti se tento chemický proces hojně využíval při svícení pouličních lamp a v hornickém průmyslu jako zdroj světla v zařízení zvaném karbidka. [23]
Pro srovnání se ve větším, průmyslovém měřítku vyrábí acetylen v chemických reaktorech.
Proces výroby se nazývá “Chemical reaction process“ v ČR známý pod názvem Chemický
proces výroby acetylenu v reaktoru. Při výrobě v reaktoru je princip výroby stejný jako v karbidce. Jediným rozdílem se míchadlo, které míchá směs karbidu vápenatého a vody.
[28]
Obrázek 8 – Chemický reaktor [28]
Dalším způsobem výroby acetylenu je proces “Thermal cracking process“, nebo-li termický proces krakování lehkých benzínů dle následující rovnice. [28]
(4.3) [23]
Výrobu acetylenu krakováním znázorňuje následující obrázek. Lehký benzín, který je předehřátý na teplotu 650°C je schopen samovznícení a při optimální koncentraci se vzduchem je schopen plamenného hoření. Tato směs postupuje do difuzéru, kde je samovznícením dosaženo plamenného hoření, které prostupuje cca 100 tenkými trubičkami, kdy je tento soubor trubiček zvaný hořák, ve kterém je dosažena teplota až 1 500 °C. Hořící směs proudí do reakčního prostoru těsně za hořákem, kde vysoká teplota způsobí, že asi jedna třetina methanu se převede na acetylen, zatímco většina zbytku methanu je spálena. Celý proces spalování trvá jen několik milisekund. Hořící směs se rychle potlačí vodními sprchami v místě, kde je největší převedení na acetylen. Ochlazený plyn obsahuje velké množství oxidu uhelnatého a vodíku, s menším množstvím uhlíkových sazí, plus oxid uhličitý, acetylen, methan a další plyny.
Plyn prochází skrz vodní clonu, která odstraní většinu uhlíkových sazí. Plyn pak prochází druhým čističem, kde je nastříkán rozpouštědlem známým jako N-methylpyrrolidinon, který absorbuje acetylen, ale ne ostatní plyny.
Dalším krokem je přítomnost rozpouštědla, které se přečerpává do oddělovací věže, kde se acetylen vyváří z rozpouštědla a odvádí se na vrchol věže jako plyn, zatímco rozpouštědlo se vytáhne ze dna. [28]
4.3 Technicko – bezpečnostní parametry a pokyny při manipulaci
V následujících tabulkách jsou uvedeny technicko – bezpečnostní parametry a další bezpečnostní informace dle bezpečnostního listu, které splňují požadavky dle Klasifikace nařízení (ES) č. 1272/2008 v platném znění. Dále jsou v Tabulce č. 3, uvedena fyzická nebezpečí a obrázek č. 10 znázorňuje prvky označení nákladu.
Tabulka 2 – Technicko – bezpečnostní parametry [23][25]
Strukturální vzorec C2H2
relativní molekulová hmotnost měrná hmotnost při 15°C/1 bar
kritická teplota krtický tlak teplota vznícení mez výbušnosti výhřevnost teplota plamene teplotní třída
relativní hustota par
T2 0,91 Acetylen (ethyn)
sumární vzorec
26,038 g.mol-3 1,1 kg.m-3
35,18 °C 61,91 bar 305 °C 2 - 81 obj.%
48 148 kJ.kg-1 3 300 °C
Tabulka 3 – Klasifikace ES [25]
Obrázek 9 – Prvky značení [25]
4.4 Vliv acetylenu a lidský organismus
Z hlediska působení na lidský orgasmus je acetylen ve vysokých koncentracích dusivý a způsobuje nevolnost či bolest hlavy. Dalšími příznaky mohou být ztráta pohyblivosti, která může vést až ke zvracení a bezvědomí, kdy postižena osoba nemusí vůbec vnímat, že se dusí. Jedinou předlékařskou pomocí je vynesení postiženého ze zamořeného prostředí a inhalování čerstvého vzduchu. [6][25][26]
5 Nebezpečí a jevy spojené s tlakovými lahvemi plněné acetylenem
Za místa, kde se dá očekávat zvýšené nebezpečí případně i požár či výbuch se řadí výrobní prostory, domácí dílny a garáže, půdy, sklady, staveniště a v případě přepravy také nákladní vozidla. Jako charakteristická nebezpečí při požáru se z hlediska hašení za přítomnosti tlakových lahví s acetylenem řadí nebezpečí popálení, zadušení a především fyzikálního výbuchu a explozivního hoření.
Č. CAS 74-86-2
ES – číslo 200–816-9
hořlavý plyn kategorie 1
plyny pod tlakem rozpuštěný plyn
– –
signální slovo standardní věty
o nebezpečnosti H220: Extrémě hořlavý
H230: Může reagovat výbušně i bez přítomnosti vzduchu H280: Obsahuje plyn pod tlakem, při zahřívání může vybuchnout Acetylen (ethyn)
Fyzické nebezpečí
H220: Extrémě hořlavý plyn
H280: Obsahuje plyn pod tlakem, při zahřívání může vybuchnout nebezpečí
+65 °C +100 °C +350 °C
rozpuštěné plyny (acetylen) NV NV NV
skapalněný plyn – NV NV
stlačený plyn – – –
láhev s plynem teplot láhve
5.1 Tepelný rozklad acetylenu
Při zahřívání vnějšího pláště tlakové láhve dochází i k zahřívání obsahu tlakové lahve, které je způsobeno nestejnou teplotou v prostředích. Vlivem nárůstu teploty uvnitř láhve se také začne zvyšovat vnitřní tlak plynu, až dochází k porušení pevnosti pláště lahve, a může vznikat tzv. BLEVE, nebo-li výbuch oblaka par expandujícího plynu s následným Fireballem.
„V podmínkách požáru dochází v tlakové láhvi (dále jen „láhev“) působením tepla k vytěsnění acetylenu z acetonu a následně k rozkladu acetylenu na uhlík a vodík.“
[5]
Z citace vyplývá, že uvnitř se vlivem chemické reakce rozkladu a vlivem samotné teploty zvyšuje celková teplota, tím také již zmiňovaný vnitřní tlak, klesá pevnost stěny láhve a s příbytkem teploty je tento proces stále rychlejší. [5][6][27]
V následující tabulce, jsou znázorněny nebezpečné teploty pláště, které mohou při působení způsobovat nebezpečí výbuchu (NV). Již při prvním pohledu je zřejmé, že při působení nepříliš velké teploty se tlakové láhve s acetylenem stávají velmi nebezpečné.
Tabulka 4 – Nebezpečné teploty [5]
5.2 Fireball
Mezi největší nebezpečí při hašení požárů se řadí nebezpečí fyzikálního výbuchu a explozivního hoření, které nastane při destrukci láhve a dojde k výronu plynu do prostoru.
Jako sekundární odezva výbuchu je rozlet střepin z láhve do vzdálenosti několika set metrů, které mohou způsobovat zranění či usmrcení osob a narušují také konstrukce. Při takovémto výbuchu vzniká jev ohnivé koule také označované jako jev Fireball, který je
doprovázen značným množstvím sálavého tepla a následnou tlakovou vlnou, která se šíří ve všech směrech. [5]
Obrázek 10 – Fireball [30]
Podle odborné literatury mohou nastat dvě varianty Fireballu a to jako celá souvislá ohnivá koule nebo polokoule, která vznikne v případě toho, že se “ohnivá koule“ po výbuchu nepohybuje ve svislém směru nahoru. V následujících řádcích jsou uvedeny vzorečky (většinou empirické) pro výpočet rozměrů ohnivé koule a doby trvání. Výrazy ve vzorcích jsou založeny na znalosti hmotnosti, M [kg] hořlavé látky. Tato veličina se obvykle získává z počátečního objemu nádoby V [m3], frakce, popř. procento plnění f tohoto objemu, která je stlačeným plynem v kapalné fázi a hustotou mat [kg/m3] hořlavé látky.
[5][34][29]
𝑀 = 𝑓 ∗ 𝑉 ∗ 𝜌𝑚𝑎𝑡 (5.1)
V první třetině doby trvání ohnivé koule se její průměr zvyšuje dle vzorečku 5.2.
𝐷 = 𝑐1 ∗ 𝑀1/4∗ 𝑡1/3 (5.2) Kde c1= 8,664m * kg-1/4* s-1/3.
Následuje vzorec pro výpočet maximální doby trvání fireballu tmax a maximálního průměru Dmax. [34]
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝑐2∗ 𝑀1/3 (5.3) 𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑐3∗ 𝑀1/3 (5.4) Kde c2 = 5,8 m*k-1/3 , c3 = 0,45 s*kg-1/3 [34]
5.3 Jev Jet-fire
Jedná se o havarijní tryskavý požár, který dostal název Jet-fire, který může vznikat při mnoha situacích z mnoha důvodů. V průmyslu se s jevem Jet-fire lze setkat ve flérách a u hořáků acetylenové soupravy, kdy je tento jev bezpečný, ba dokonce žádaný. Pokud se však budeme bavit o situacích, při kterých unikají mimo svůj zásobník či prostor, díky netěsnosti nebo z jiného důvodu, hořlavé látky pod tlakem, které jsou iniciovány, jedná se o nežádoucí tryskavý požár, který ve svém okolí ohrožuje osoby, stavby či další technologická zařízení.
Obrázek 11 - Jet-fire [32]
S jevem Jet-fire mají zkušenosti především v zahraničí a to například v Číně, kde bylo nutné vzhledem k vývoji městských a průmyslových oblastí brát ohled i na bezpečnost potrubí, které dopravuje zemní plyn a vlivem vnějšího či vnitřního porušení by vznikaly nevyčíslitelné škody. Z tohoto důvodu vznikly výzkumy týkající se analýzy rizik, které se problematikou Jet-fire začaly matematicky zabývat. [31][33]
Výstupní rychlost, uj [m/s], je u hořlavých palivových plynů v rozpínajícím se proudu obvykle vyjádřená ve vztahu k Machovu číslu, Mj = uj / uzvuku, kde uzvuk představuje rychlost zvuku. Pro ideální plyn je rychlost zvuku dána výrazem;
𝑢𝑧𝑣𝑢𝑘𝑢 = √𝛾∗𝑅∗𝑇𝑊
𝑔 (5.5)
Ve výše uvedeném výrazu je gama poměr specifické tepelné kapacity při konstantním tlaku Cp (J/kg * K), ke specifické tepelné kapacitě při konstantním objemu Cv [J/kg * K], R je univerzální konstanta plynu [R = (Cp-Cv)*Wg = 8,314 J/mol * K], T [K] teplota plynu a Wg [kg/mol] molekulovou hmotnost plynného paliva v proudu. Výstupní rychlost, uj [m/s], hořlavého paliva v rozpínajícím se proudu je dána výrazem;
𝑢j = 𝑀j√𝛾∗𝑅∗𝑇𝑊
g (5.6)
S Machovým číslem [Mj], je možné počítat pro dvě varianty rychlosti tryskání a to výpočtem pro nadzvukovou rychlost a výpočtem pro podzvukovou rychlost.
𝑀𝑗 = √(𝛾+1)∗(
𝑃0 𝑃𝑎)
𝛾−1
−𝛾−2
(𝛾−1) (5.7)
Ve výše uvedeném výrazu Pa [Pa], reprezentuje okolní tlak a Po [Pa], tlak v bodě výstupu paprsku z otvoru, daný výrazem;
𝑃𝑜 = 𝜌0
𝑊𝑔∗ 𝑅 ∗ 𝑇 = 𝑚4
𝜋∗𝑑02∗ √𝛾∗𝑊𝑅∗𝑇0
𝑔 (5.8)
Kde m [kg/s], reprezentuje hmotnostní průtok hořlavého plynu v trysce, Do [m], průměr otvoru, 𝜌0 [kg/m3], hustotu plynu ve výstupním bodě z otvoru a To [K], teplotu ve stejném bodě. Teplota, To [K], může být vypočtena z energetické bilance mezi vnitřkem nádoby
„s“ a otvorem „o“;
𝑚 ∗ 𝐶𝑝∗ 𝑇𝑠+ 𝑚 ∗𝑢𝑠2
2 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝∗ 𝑇𝑜+ 𝑚 ∗𝑢02
2 (5.9)
Substitucí, us = 0, Cp = (1/𝑊𝑔)[∗ 𝑅/(− 1)] a u0 ze vzorce (5.7) pro Mj = 1, se získá;
𝑇0 =2∗𝑇𝑠
1+𝛾 (5.10)
V případě adiabatického proudění (např. rychlá expanze plynu) mohou být pro výpočet tlaku P0 [Pa] a teploty trysky Tj za otvorem použity následující vztahy;
𝑃0 = 𝑃𝑠 ∗ ( 2
𝛾+1)
𝛾
𝛾−1 (5.11)
𝑇𝑗 = 𝑇𝑠∗ (𝑃𝑎
𝑃𝑠)
𝛾−1
𝛾 (5.12)
Vzorec 5.12 je široce používán v případech, kdy hmotnostní průtok paliva v trysce není přímo znám. [34]
Ekvivalentní průměr trysky
Použití ekvivalentního průměru trysky je poměrně běžné při simulaci spalovacích procesů.
Ekvivalentní průměr trysky, Ds [m], vyjadřuje průměr hypotetické trysky, která prochází vzduchem o hustotě 𝜌𝑣𝑧 [kg/m3], s průtokem m [kg/s], a výstupní rychlostí 𝑢𝑗 [m/s]. [34]
𝐷𝑠 = √𝜋∗𝜌4∗𝑚
𝑣𝑧∗𝑢𝑗 (5.13)
Pokud samotný proud skrz trysku o průměru D0 [m] proudící vzduchem o hustotě 𝜌𝑣𝑧 [kg/
𝑚3] je homogenní, pak platí zákon zachování hybnosti. [34 nová]
𝐷𝑠 = 𝑑0√𝜌𝜌0
𝑣𝑧 (5.14)
6 Popis experimentálních měření
Z charakteru zadání diplomové práce vyplývá, že pro zpracování dat jsou nejdříve nutná experimentální měření, která byla základním stavebním kamenem projektu
„VI20172020103 – Bezpečnost tlakových láhví v pracovních podmínkách a možnosti zneškodnění tlakové láhve průstřelem (2017-2020, MV0/VI)“.
Podstatou projektu je zhodnocení chování tlakových lahví, které jsou vystaveny podmínkám tepelného namáhání v našem případě požárem a tím také stanovit bezpečný způsob jejich zneškodnění či zmírnění nebo úplné odstranění nebezpečí, které hrozí z těchto lahví. Hlavním nebezpečím je převedším “samodestrukce“ lahve, která může mít za následek ohrožení života lidí, zvířat, majetku, životního prostředí a v neposlední řadě zasahujících složek, které mohou být ohroženy unikajícím hořlavým plynem z lahve, požárem způsobným v důsledku porušení těsnosti, tepelným zářením, tlakovou vlnou či fragmenty ze zbytků tlakové lahve.
Jedním ze způsobů jak předejít samodestrukci lahve je její průstřel, kterým se docílí úniku acetylenu a tím zmírnění případného nebezpečí. Proces samotného prostřelení však není hlavní problematikou mé diplomové práce.
Samotné zkoušky tlakových lahví, kde pro mé účely sloužily tlakové lahve plněné acetylenem, probíhaly v uzavřených areálech, kde se z hlediska bezpečnosti nemohly vyskytovat civilní osoby. Příprava zkoušek byla zdlouhavá a jak časově, tak i organizačně velmi náročná. Jako tepelný zdroj sloužila hranice dřeva a vzhledem ke snaze sjednotit podmínky tepelného záření, byly rozměry těchto hranic sjednoceny. Pro sjednocení rozměrů sloužila norma na ověřování schopnosti hasicích přístrojů třídy A a jednalo se tedy o hranoly určitého rozměru, které byly systematicky rozloženy na stojanu a tvořily tak již zmiňovanou hranici dřeva. Celá tato soustava byla osazena na měřícím zařízení, které měřilo hmotnost. Kvůli zjišťování teplot na povrchu pláště a případně i ve vnitřním prostoru lahve, sloužily k této nutnosti termočlánky, které byly systematicky rozloženy a propojeny tak, aby byla možnost jednoznačného určení pozice daného článku. Datový výstup z každého termočlánku byl zpracován a sloužil jako poklad pro mou analýzu. Další
měřenou veličinou byl vnitřní tlak v tlakové lahvi, který byl zjišťován pomocí adaptéru instalovaného na hrdle tlakové lahve, na který byla napojena soustava trubiček malého průměru vedoucích do záznamového zařízení. Celý tento soubor zařízení a materiálů byl vystavován atmosférickým podmínkám, které byly měřeny po celou dobu zkušebního dne.
Průběh zkoušek;
− umístění stojanů a váhy
− umístění van na vodu a zápalnou látku (n-heptan)
− osazení tlakové lahve do středu stojanů, na které byly osazeny termočlánky
− napojení tlakového adaptéru a propojení trubiček
− vyskládání hranice dřeva na stojany
− naplnění vody a n-heptanu do van v určitém poměru
− zapnutí měřících přístrojů a záznamových zařízení
− iniciace zápalné látky Měřící přístroje;
ústředna Ahlborn Almeno 5690-2 + Almeno 2590 pro sběr dat, kde je možné připojit až 90 snímačů. Je možné připojení USB pro sběr dat.
Obrázek 12 - Ústředna Alemeno
− Termočlánky typu K, které byly připojeny do ústředny a pomocí nichž je možné měřit teplotu na povrchu lahve.
− Hlavice pro měření tlaku, která se osadí na ventil tlakové lahve, na které se napojí soustava tenkých trubiček.
Obrázek 14 – Hlavice
− Rychloběžná kamera Fastcam SA–Z, pomocí které se natáčel celý proces destrukce.
Obrázek 15 – Rychloběžná kamera Fastcam Obrázek 13 – Termočlánek typu K
− Váha DFW, která sloužila pro vážení hmotnostního úbytku hořící hranice nebo hmotnostního úbytku plynu.
Obrázek 16 – Vážící jednotka DFW
6.1 Zkoušky měření
Celý projekt bezpečnosti tlakových lahví započal již v roce 2017 a s plynoucím časem bylo do dnešního dne uskutečněno několik měření v různém rozmezí. Během jednoho měřícího dne se podařilo odměřit cca 4 lahve, u kterých se měřily různé veličiny. Za další se také ohled na průběh jednotlivých veličin, které znázorňuje následující tabulka.
Tabulka 5 – zkoušky měření
Z tabulky tedy vyplývá, že zkoušky byly prováděny ve vojenském prostoru Doupov a Brdy v rozmezí let 2017 a 2018. Měření Brdy A1 a A2 probíhala jako jedna z prvních, kde se zkoušela součinnosti jednotlivých systémů mezi sebou a především prostřelení těchto lahví a jejich průběh uniku tlaku a hmotnosti. Tímto se také zkoušela simulace řízené destrukce lahve. Nebylo zde však přítomno tepelné záření, které by ovlivňovalo teplotu lahví.
Z tohoto důvodu nebyla také osazena tepelná čidla na plášti ani ve vnitřním prostoru lahve.
U měření, která probíhala v Doupově v roku 2018, již bylo zprostředkováno tepelné záření a tlaková lahev, ve které byl naplněn pouze aceton bez acetylenu, byla namáhána zdrojem tepla z požáru. Byly měřeny veličiny tlaku, vnější i vnitřní teploty a v neposlední řadě také
místo měření
označení
měření měsíc čas
teplota na povrchu
lahve
vnitřní tlak
vnitřní teplota
úbytek hmotnosti
atmosferi cké vlivy
Brdy A1 listopad – A – A A
Brdy A2 listoapd – A – A A
Doupov A1 červenDOPSATA A A A A
Brdy A2 dubenDOPSATA A – A A
sledované veličiny, průběh veličin
průběh úbytku hmotnosti. Zmiňovaná zkouška probíhala metodou neřízené destrukce, kdy se nechala lahev vystavovat účinkům tepelného namáhání, až došlo k její explozi.
Koncem měsíce dubna probíhalo ve vojenském prostoru Brdy další měření, u kterého byl taktéž přítomen tepelný zdroj avšak nebyla zde přítomna čidla na měření vnitřního tlaku.
Dalším rozdílem byla metoda řízené destrukce, která byla uskutečněna střelbou ze vzdálenosti 100m.
Součástí každého měřícího dne byla meteostanice, která sbírala informace o atmosférických podmínkách po celou dobu všech měření. V Tabulce 5 jsou uvedena pouze některá měření, ze kterých jsou v této práci vygenerovány různé grafy, které jsou analyzovány, porovnávány, popisovány a hodnoceny. Vzhledem k množství grafů jsem přistoupil k výběru pouze některých měření tak, abych poukázal na problematiku samodestrukce lahví a také řízené destrukce v případě průstřelu. Zbytek grafů, je uvedeno a popsáno v příloze této diplomové práce.
6.1.1 Popis místa měření
Jak již bylo zmíněno, byl typ hranice dřeva na základě normy ČSN EN 3–7+A1 respektive kombinací dvou hranic a to hranice 5A a hranice 13A. Bylo tak stanoveno z důvodu rovnoměrného tepelného zatěžování stojící tlakové lahve. Jednotlivé hranolky měly rozměr 39x39 ± 2mm zhotoveny z borovicového dřeva, které by mělo vykazovat vlhkost 10 – 15%.
Zkušební hranice 5A byla zhotovena z hranolků 500x500mm, které byly naskládány do 14-ti vrstev. Každá vrstva spolu tvořila pravý úhel k vrstvě předešlé. Zkušební hranice 13A byla zhotovena z hranolků 1300x500mm. Vzdálenost mezi jednotlivými hranolky v jedné vrstvě činí 100mm v ose prvků.
Stojany, které slouží pro ustavení hranic, jsou rozměru 800x1300x250mm pro hranici 13A a 700x500x250mm pro hranici 5A. Materiál stojanů tvoří ocelové profily. Následující
obrázek znázorňuje celou zkušební sadu, kterou tvoří hranice na stojanech, tlaková lahev a měřící zařízení.
Obrázek 17 - Zkušební sada
6.1.2 Popis tlakových lahví
Tlaková lahev, jako hlavní předmět měření, musel být před samotným měřením osazen měřícími články a systémy, které jsou schopny v průběhu tepelného zatěžování schopny přenáset potřebé inforamce k záznamovým přístrojům. V první fázi se na povrch tlakové lahve osadily 4 termočlánky po 90° vzájemně od sebe dle hodinových ručiček a v různých výškových úrovních. Po té se termočlánky osadily na lahev, přípevnily páskou a stáhly ocelovou páskou šířky cca 10mm. Posledním krokem bylo obalení folií, která zaručovala určitou míru ochrany před mechanickým poškozením při dopravě na místo měření.
Obrázek 18 – Tlaková lahev
Na obrázku tlaková lahev osazeny termočlánky ve výškových úrovních 180, 480, 780, 1080 a 1380mm pro výšku tlakové lahve 1 667mm. Dále se pro účely vyhodnocování výškové úrovně značily písmeny P, Q, R, S, T
Tabulka 6 – rozmístění termočlánků
V každé výškové úrovni byly osazeny 4 termočlánky a celkový počet termočlánku na jednu tlakovou lahev činil 20. Na následujícím obrázku je možné vidět rozmístění termočlánků v jedné výškové úrovni. Pro snadnější orientaci, bylo každému termočlánku přiděleno písmeno A, B, C nebo D, které jednoznačně určilo polohu.
Obrázek 19 – Orientace lahví
U některých tlakových lahví se měřil také vnitřní tlak. Bylo tak uskutečněno pomocí dvou tlakových čidel, které byly uvnitř samotného lahve. Čidla byla osazena do ¼ a ½ průměru lahve a vedla přes speciálně upravený vstup do lahve, který byl zhotoven z důvodu samotného měření.
Obrázek 20 – Vstup pro vnitřní termočlánky
Z následujících informací tedy vyplývá, že pokud se například budeme bavit o termočlánku Q – C, bude se jednat o termočlánek ve výškové úrovni 1 000 (1 080)mm dle typu lahve, a který je od šroubení lahve otočen o 180° ve směru hodinových ručiček.
7 Analýza a vyhodnocení měření
V této části diplomové práce se budu zabývat analýzou a vyhodnocováním dat, které byly naměřeny při měřeních. V Tabulce 5 str. 26 jsou uvedena měření, kterými se budu zabývat.
V Přílohách této práce jsou po té uvedeny další grafy.
7.1 Měření Brdy A1 a A2
V následující části jsou vyhodnoceny a analyzovány grafy z měření Brdy A1 a A2.
Při této zkoušce nebyl přítomen tepelný zdroj. Jednalo se o zkoušku průstřelu tlakové láhve za normálních teplot ze vzdálenosti cca 100m dvěma projektily, které úspěšně penetrovaly plášť tlakové lahve a po průstřelu došlo k úniku obsahu lahve.
Graf 1 – Brdy_A1
Z Grafu 1 je patrný plnící tlak cca 22 barů, který ihned po průstřelu začal klesat. Černá křivka v grafu znázorňuje hmotnostní únik acetylenu, ze kterého je také patrný čas průstřelu. Po té průběh klesající až do konce.
Graf 2 – Brdy_A2
Graf 2 také znázorňuje poměr úniku hmotnosti a tlaku. Plnící tlak druhé lahve při měření A2 byl nad hodnou 15 barů a tudíž menší než v předchozím případě. Únik hmotnosti není tak rychlý jako v předchozím případě. Protnutí křivek je v časovém intervalu do dvou minut.
Graf 3 – Brdy_A1_A2_hmotnost úniku
Ze srovnání je tedy možné říci, že se zvyšujícím se plnícím tlakem je hmotnost úniku vyšší, což vyplývá i ze srovnání křivek hmotností úniku v Grafu 3. Za zmínku také stojí impuls křivek, které znázorňují prvotní impuls po průstřelu a je patrný vyšší prvotní impuls při měření A1, kde byl vyšší plnící tlak.
Během měření byly sledovány povětrnostní a meteorologické vlivy, které jsou znázorněny v následujících grafech. U grafu 4 se jedná se o průměrnou hodnotu rychlosti větru v určitém směru, který se pohyboval převážně západním směrem rychlostí cca 0,64m/s. Na grafu 5 jsou znázorněny průběhy sledovaných veličin, jako byla teplota [°C], vlhkost [%], atmosférický tlak [bar] a sluneční záření [lux]. Jelikož se jednalo o měsíc listopad, byla venkovní teplota pod 10°C, vlhkost dosahovala místy až 63%, atmosférický tlak se pohyboval mezi 1016,8 – 1016,9 bary a sluneční záření dosahovalo 200 – 250lux.
Graf 4 – Větrná růžice A1_A2
Graf 5 – Meteo_Brdy_A1_A2
7.2 Měření Doupov_A1
Pří tomto měření byl přítomen zdroj tepla v podobě hořící hranice, tudíž byla tlaková lahev tepelně namáhána a je nutné podotknout, že byla naplněna pouze acetonem bez acetylenu.
Další měřené hodnoty jsou znázorněny v Tabulce 5 str. 26. Měření probíhalo dle scénáře neřízené destrukce. Dle popisů grafů je možné zjistit, o jakou výškovou úroveň se jedná.
Následující graf Teplota_A1_180 znázorňuje výškovou úroveň 180mm. Zkratka AVG je zkratkou pro AVERAGE neboli průměr. Legendy grafu tedy vyplývá, že se jedná o teploty čtyř termočlánků v jedné výškové úrovni a značka AVG reprezentuje jejich průměrnou hodnotu.
Graf 6 – Teplota_A1_180
Graf 7 – Teplota_A1_480
Graf 8 – Teplota_A1_780
Graf 9 – Teplota_A1_1080
Graf 10 – Teplota_A1_1380
Graf 11 – Teplota_AVG_A1
Povrchové teploty na plášti tlakové lahve jsou v jednotlivých výškových úrovních rozdílné.
Ve vyšších úrovních je možné pozorovat intenzivnější nárůst teploty, který je způsoben hořením n-heptanu a po jeho vyhoření tyto teploty klesly na nižší hodnoty. Po zapálení hranice, začaly teploty stoupat až do doby 930s. Z Grafu 10, kde jsou vykresleny průměrné teploty z každé výškové úrovně lze říci, že nejvyšší průměrné teploty byly dosaženy ve výškové úrovni 480mm a nejnižších průměrných teplot bylo dosaženo ve výškové úrovni 1380mm. V době mezi 900 a 960s (15. – 16. minutou), docházelo dle grafu ke klesající tendenci hoření a postupnému hašení hořící hranice.
Pro lepší představu a znázornění tepelného namáhání pláště tlakové lahve jsou na obrázku pod textem teplotní mapy, které reprezentují rozdílné tepelné namáhání pláště v různých výškových úrovních. Rozmezí stupnice je od teploty 90°C až po teplotu přesahující 800°C.
Graf 12 – Teplotní mapy_Doupov_A1
Graf 13 – Teplota_A1_IN_180
Graf 14 – Teplota_A1_IN_780
Graf 15 – Teplota_A1_IN_1380
Graf 16 – Teplota_IN_AVG
Průběh vnitřních teplot znázorňují Grafy 12 – 15. Ve vyšších úrovních je možné pozorovat intenzivnější nárůst teploty, který je způsoben hořením n-heptanu a po jeho vyhoření tyto teploty klesly na nižší hodnoty tak, jako v případě termočlánků osazených na povrchu lahve. Nejvyšší teploty bylo dosaženo ve výškové úrovni 1380mm. V době mezi 900 a 960 sekundami, docházelo dle grafů znázorňující teplotu pláště, ke klesající tendenci hoření a postupnému hašení hořící hranice. Tento jev je možné pozorovat také u grafů znázorňující vnitřní teplotu. Jediný rozdíl je pouze časový posun a to mezi 930 a 960 sekundami.
Další sledovanou veličinou byl vnitřní tlak v lahvi, který znázorňuje modrá křivka. V první fázi, kdy došlo k zapálení hranice a vnitřní teplota se začala zvyšovat, byl tlak stálý. Po vyhoření n-heptanu je patrný zvyšující se vnitřní tlak až do doby cca 960s. Tento moment je možné brát při zkoušce jako rozhodující, jelikož došlo k destrukci lahve. Vnitřní tlak se začal snižovat k nulovým hodnotám a teplotní čidla, která v tento moment již nebyla součástí lahve, zaznamenávala teploty okolí.
Graf 17 – AVG_A1_IN_Tlak
Poslední sledovanou veličinou byl úbytek hmotnosti. Celková hmotnost celé sestavy se pohybovala okolo 550kg, ze kterých cca 200kg tvořila samotná hranice, která měla ne vždy stejnou hmotnost. Z toho důvodu, se také hmotnost sledovala pouze procentuálně, jelikož nebylo možné docílit stejné hmotnosti hranice při každém měření. Z grafu je možné sledovat úbytek hmotnosti z hodnoty 100% na hodnotu 60%, kdy hranice vyhořela.
Graf 18 – A1_tlak_hmotnost
Během všech měřících dnů byly sledovány povětrnostní podmínky, které jsou znázorněny v následujícím grafu. Jedná se o průměrnou hodnotu rychlosti větru v určitém směru, který se pohyboval severovýchodním směrem rychlostí 1,5m/s. Největšího nárazový vítr dosahoval rychlosti až 1,8m/s, který se pohyboval východním směrem.
Graf 19 –Větrná růžice_Doupov_A1_A3_A4
Graf 20 – Meteo_Doupov_7.6
7.3 Měření Brdy_A2
Měření v Brdech probíhala dle podobného scénáře jako v Doupově. Rozdílem byly pouze řízené destrukce lahví, jejichž rozdíly jsou patrné v následujících grafech.
Graf 21 – Brdy_A2_180
Graf 22 –Brdy_A2_480
Graf 23 – Brdy_A2_780
Graf 24 – Brdy_A2_1080
Graf 25 – Brdy_A2_1380
Graf 26 – Brdy_A2_AVG
Graf 27 – Brdy_A2_AVG_780_tlak
Graf 28 – Brdy_A2_hmotnost_tlak
Z obrázku je patrný tvar plamene, který vzhledem k povětrnostním podmínkám nenamáhal plášť tlakové lahve stejnoměrně, což lze vyčíst i na grafu znázorňující průběh teploty ve výškové úrovni 1380mm.
Obrázek 21 – Hořící hranice
Graf 29 – Teplotní mapy_Brdy_A2
Teplotní mapy znázorňují teplotu na povrchu lahve v páté, desáté a patnácté minutě.
Největší teploty na povrchu dosahovala lahev v 15. Minutě, kde se teplota pohybovala v rozmezí 800 – 925°C ve výškové úrovni od 180 do 780mm.
Graf 30 – Větrná růžice_Brdy_A1_A2_A3
Graf 28 znázorňuje směr a průměrnou rychlost větru. Nejvyšší nárazový vítr se pohyboval severo-severovýchodním směrem rychlostí až 1,9m/s.
