01.05.2017, 00:00 Uhr

Druckabhängigkeit des Detonationsanlaufs in Rohrleitungen

Die Anlauflänge von Gasdetonationen in einer Rohrleitung wurde in Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen Druck bzw. Dichte untersucht. Dafür wurde eine Rohrstrecke mit einem transparenten Abschnitt eingesetzt, der es gestattete, Position und Zeitpunkt des Detonationsumschlags (deflagration-to-detonation-transition: DDT) zu bestimmen. Dies wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Durch eine Einzelbildanalyse wurde die Anlauflänge bestimmt. Eine Verkürzung der Anlauflänge mit zunehmendem Druck wurde beobachtet. Der mögliche Einfluss dieses Befunds bezüglich des adäquaten Einsatzes von Flammendurchschlagsicherungen wird diskutiert.

Dampfaustritt in Wärmeleitung. Dampf, der aus dem Rostboden austritt Quelle: PAntherMedia: Mulderphoto

Dampfaustritt in Wärmeleitung. Dampf, der aus dem Rostboden austritt

Foto: PAntherMedia: Mulderphoto

Im Dreiklang der Maßnahmen des Explosionsschutzes, Vermeidung explo­sionsfähiger Gemische und wirksamer Zündquellen und dem konstruktiven Explosionsschutz, ist die explosionstechnische Entkopplung eine gängige Maßnahme. An Behältern und in Rohrleitungen werden zu diesem Zweck zumeist Flammendurchschlagsicherungen eingesetzt, wenn es um explosionsfähige Gas/Dampf-Luft Gemische geht. In Rohrleitungen kann sich in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen eine Explosion von einer Deflagra­tion zu einer Detonation entwickeln. Dabei beschleunigt die zunächst mit Unterschallgeschwindigkeit fortschreitende Explosion, hier als Deflagration bezeichnet, unter Ausbildung einer Stoßwelle auf Überschallgeschwindigkeit. Während die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Deflagration durch die Verbrennungsgeschwindigkeit dominiert wird, wechselt bei der Detonation der Zündmechanismus. Die Stoßwelle führt zur Zündung durch adiabatische Kompres­sion. Die Front der Detonation wird quasi durch die Zündquelle gebildet. Da sich die Stoßwelle mit Überschallgeschwindigkeit fortbewegt, folgt ihr die Verbrennung mit eben dieser Geschwindigkeit. Daher erscheint die Flamme einer Detonation oft auch deutlich ausgedehnter als bei einer Deflagration. Bild 1 zeigt den charakteristischen, idealisierten Druckverlauf einer Detonation in einer Rohrleitung über der Zeit.

 

Bild 1 Idealisierter Druckverlauf einer Rohrdetonation. Quelle: PTB

Bild 1 Idealisierter Druckverlauf einer Rohrdetonation.

Foto: PTB

Drei Phasen der Entwicklung sind zu unterscheiden:

  1. Beschleunigung der Deflagration,
  2. Umschlag zur Detonation und
  3. Fortschreiten als stabile Detonation.

Im Druckverlauf ist der DDT durch eine charakteristische Druckspitze gekennzeichnet. Sie kann das Mehrhundert­fache des Anfangsdrucks betragen. In einer transparenten Rohrleitung ist beim DDT ein typisches Aufblitzen der Flamme mit einem anschließend deutlich schnelleren Fortschreiten zu beobachten. Die Phase zwischen der Druckspitze und dem Erreichen des stabilen Detonationsdrucks wird als instabile Detona­tion bezeichnet. An der Stelle, wo der DDT stattfindet, ist die Rohrleitung extremen Druck- und Temperaturbelastungen ausgesetzt.

Soll eine Flammendurchschlagsicherung als explosionstechnische Entkopplungsmaßnahme zum Einsatz kommen, so ist ihre Einbauposition gemäß ihrer Eignung sorgfältig zu wählen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. In der Europäischen Union müssen Flammendurchschlagsicherungen ihre Leistungsfähigkeit im Rahmen einer EU-Baumusterprüfung nachweisen. Diese Prüfungen erfolgen in der Regel nur unter atmosphärischen Bedingungen1) und diese Flammendurchschlagsicherungen sind damit auf diese Bedingungen in ihrer Anwendung beschränkt.

Die aktuell bei Prüfungen von Flammendurchschlagsicherungen zur Anwendung kommende Norm ist die DIN EN ISO 16852 [1]. Darin werden auch Prüfungen bei erhöhtem Druck bis 160 kPa berücksichtigt. Drücke oberhalb von 110 kPa liegen bereits außerhalb der von der Richtlinie 2014/34/EU (ATEX-Richtlinie) in Bezug genommenen atmosphärischen Bedingungen. Bei den Prüfungen nach Norm kommt ausschließlich Luft als Oxidationsmittel zum Einsatz.

Die Prüfnorm gibt eine Abschätzung für die Anlauflänge einer Detonation an. Der Abstand zwischen Zündquelle und DDT wird als ein Vielfaches des Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (L/D) angegeben. Als Faustregeln wird für explo­sionsfähige Atmosphäre bis zur Explo­sionsgruppe IIB ein L/D von  50 angenommen und für die Explosionsgruppe IIC von  30 L/D, bei dem noch nicht mit dem Anlaufen einer Detonation zu rechnen ist. Darüber hinaus wird die Anlauflänge noch von weiteren Faktoren mitbestimmt:

  •  Zusammensetzung der explosions­fähigen Atmosphäre,
  •  Rohrgeometrie (Bögen, Abzweige, Reduzierungen),
  •   Rauigkeit der Rohrinnenwand,
  •  initiale Turbulenz der explosionsfähigen Atmosphäre,
  •  turbulenzinduzierende Einbauten,
  •  Anfangsdruck im System,
  •  Art und Intensität der Zündquelle.

Der Druck vor der Zündung, kurz Anfangsdruck genannt, einer explosions­fähigen Atmosphäre beeinflusst die Flammengeschwindigkeit. Sie nimmt mit steigendem Druck zu. Dies lässt erwarten, dass sich die Anlauflänge reduziert und der DDT früher eintritt. Wie ausgeprägt dieser Einfluss ist, und ob er sich von den zu erwartenden statis­tischen Schwankungen unterscheiden lässt, ist Gegenstand der im Folgenden beschriebenen Untersuchung. Das betrachtete Druckintervall erstreckt sich über den Bereich von 100 bis 160 kPa, in Anlehnung an die Prüfnorm [1].

Versuchsaufbau und Durchführung

Ionisationsdetektoren, Fotosensoren oder Druckaufnehmer sind nur eingeschränkt geeignet, den Ort des DDT gut zu lokalisieren. Die Ortsauflösung hängt vom Abstand und der Anzahl der eingesetzten Sensoren ab. Gute Erfahrungen wurden mit der Verwendung transparenter Rohre und dem Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera gemacht. Kersten und Förster [2] haben darüber berichtet. Der für diese Untersuchungen verwendete Versuchsaufbau ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2 Versuchsaufbau zur Bestimmung der Anlauflänge von Rohrdetonationen. Quelle: PTB

Bild 2 Versuchsaufbau zur Bestimmung der Anlauflänge von Rohrdetonationen.

Foto: PTB

Die Länge der Rohrstrecke betrug 21,5 m. Die Rohrstrecke wurde mit Blindflanschen verschlossen. Der am Beginn der Rohrstrecke angebrachte Blindflansch war neben dem Gemischeinlass mit einer Funkenstrecke zur Zündung der Explosion versehen. Zur Druckentlastung des Systems, bei hohen Drücken, trug der endständige Blindflansch eine Platzmembran. Für diese Platzmembran wurden zwei Lagen 0,15 mm starke Polyethylen-Folie übereinandergelegt und ein dünner Draht zwischen den Folien quer über den Rohrquerschnitt platziert. Dieser Draht dient der elektrischen Detektion des Reißens der Folie. Für die ersten 15 m der Rohrstrecke wurden Polycarbonatrohre mit einem Innendurchmesser von 68 mm und einer Wandstärke von 10,5 mm eingesetzt. Für die verbleibende Rohrstrecke wurden Edelstahlrohre zum Auslaufen der Detonationen eingesetzt. Die Polycarbonatrohre wurden mit Längenmarkierungen ver­sehen. So war es möglich, die Anlauflängen aus den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu bestimmen. Die verwendete Hochgeschwindigkeitskamera wurde mit Bild­raten von 4 000 Bilder/s oder 8 000 Bilder/s betrieben. Die resultierende Bildgröße betrug 512 x 32 Pixel. Aufgenommen wurde ein 7 m langer Ausschnitt des transparenten Rohrabschnitts. Dieser Ausschnitt wurde auf den Bereich zwischen 6 und 15 m Abstand vom Beginn der Rohrstrecke ausgerichtet und den sich verschiebenden Umschlagpunkten angepasst. Da sowohl statische (Anfangsdruck) wie auch dynamische Drücke (DDT) zu bestimmen waren, wurden ein piezoresistiver und ein piezoelektrischer Drucksensor eingesetzt. Daneben wurden auch zwei Fotodioden verwendet, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme zu bestimmen. Explosionsdruck und Ausbreitungsgeschwindigkeit dienen der Identifikation einer Detonation. Mit einem NiCr-Ni-Thermoelement wurde die Anfangstemperatur des Gemischs in der Rohrstrecke bestimmt.

Als Brennstoff für das explosionsfähige Gemisch wurde Ethen gewählt. Wie das in der DIN EN ISO 16852 für Prüfungen beschriebene Ethen-Luft- Gemisch wurde ein Ethen-Luft-Gemisch mit einer Ethenkonzentration von 6,6 Vol-% verwendet. Diese Gemischzusammensetzung gewährleistet bei einem geeigneten L/D der Rohrstrecke die reproduzierbare Erzeugung von Detonationen. Zur Versuchsvorbereitung wurde die Rohrstrecke vor jedem Versuch für ca. 30 min mit 180 l/min Gemisch gespült. Mit einer zusätzlichen Kolbenpumpe konnten Anfangsdrücke über 110 kPa eingestellt werden.

An jedem Versuchstag wurde eine Reihe von Versuchen mit verschiedenen Anfangsdrücken durchgeführt. Dadurch stammen die Messungen für einen einzelnen Anfangsdruck immer von verschiedenen Versuchstagen. Einflüsse durch die täglich wechselnden Umweltbedingungen – die Versuche fanden auf dem Freigelände der PTB statt – konnten so reduziert werden.

In Vorversuchen wurde ermittelt, dass die Platzmembran immer erst nach dem Detonationsumschlag öffnet. Das Öffnen der Platzmembran hat also keinen Einfluss auf die Anlauflänge der Detonation.

Bild 3 Zustand des Signaldrahts in der Platzmembran. Das eingefügte Foto zeigt das „Aufblitzen“ des DDT. Die gestrichelte Linie markiert den Aufnahmezeitpunkt des Bildes. Quelle: PTB

Bild 3 Zustand des Signaldrahts in der Platzmembran. Das eingefügte Foto zeigt das „Aufblitzen“ des DDT. Die gestrichelte Linie markiert den Aufnahmezeitpunkt des Bildes.

Foto: PTB

In Bild 3 ist die zeitliche Korrelation zwischen dem Aufreißen der Platzmembran und dem DDT dargestellt. Der DDT wurde durch die Einzelbildanalyse identifiziert (siehe Foto in Bild 3). Der Zustand des Signaldrahts wird über die Bildnummer der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen dargestellt. Es ist klar zu erkennen, dass der DDT bereits deutlich vor dem Platzen der Membran erfolgt. Dies wurde für alle in die Auswertung einbezogenen Versuche überprüft.

Bestimmung der Anlauflänge

Durch Intensitätssättigung und Bewegungsunschärfe ist das Aufblitzen der Flamme beim DDT nur als ein erster Indikator zu sehen. Eine lokale Zündung vor der beschleunigenden Flammenfront – dies ist die erste Zündung durch adiabatische Kompression der Stoßwelle – ist ein weiteres Charakteristikum für den DDT [3]. Eine Folge von Bildern zur Entwicklung der Flammenfront bis zum DDT und kurz danach ist in Bild 4 zusammengestellt.

Bild 4 Beispielhafte Bildsequenz zum DDT. Die Bildausschnitte sind auf die Flamme zentriert. In d) ist die Zündung vor der Flammenfront gut zu erkennen. Quelle: PTB

Bild 4 Beispielhafte Bildsequenz zum DDT. Die Bildausschnitte sind auf die Flamme zentriert. In d) ist die Zündung vor der Flammenfront gut zu erkennen.

Foto: PTB

Mit kalibrierten Abstandsmessungen wurde aus Einzelbildern der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die Anlauflänge bestimmt. Die bereits erwähnten Abstandsmarken auf dem transparenten Rohrabschnitt dienten der Kalibrierung der Abstände in den Einzelbildern. Die beschränkte Bildfrequenz konnte dazu führen, das der DDT in der Pause zwischen zwei Einzelbildern stattfindet. Die Verschlusszeit ist im Vergleich zur Flammengeschwindigkeit groß, sodass auch Bewegungsunschärfen auftreten. Um die Einflüsse zu minimieren, wurden jeweils zwei Bilder für die Auswertung herangezogen. Gewählt wurden dazu ein Bild mit den ersten Anzeichen des DDT und ein Bild mit sicherer Identifizierung des DDT. Aus diesen beiden Ablesungen konnte ein zuverlässiger Mittelwert für die ermittelten Anlauflängen gebildet werden.

Dichte- und Druckskalierung

Durch wechselnde Umweltbedingungen über die gesamte Versuchsreihe mussten die Versuche bei unterschied­lichen Anfangstemperaturen durchgeführt werden. Bei den hier durchgeführten Versuchen ist der Einfluss deutlich kleiner anzunehmen als in [4] beschrieben. Anfangsdruck und Anfangstemperatur haben einen Einfluss auf den Ablauf von Explosionen. Beide Größen spiegeln sich in der anfänglichen Dichte des explosionsfähigen Gemischs wider. Diese Dichte ist über das ideale Gasgesetz einfach und hinreichend zuverlässig zu berechnen. Für weitergehende Vergleiche kann aus dieser Dichte der korrespondierende Druck bei 0 °C berechnet werden. Bild 5 stellt dies dar. Aus den beiden Messwerten für eine Anlauflänge ist die Spanne der Fehlerbalken abgeleitet.

Bild 5 Anlauflänge zum DDT in Abhängigkeit von der anfänglichen Dichte oder des anfänglichen Drucks. Quelle: PTB

Bild 5 Anlauflänge zum DDT in Abhängigkeit von der anfänglichen Dichte oder des anfänglichen Drucks.

Foto: PTB

 

Systematische Abweichungen und Messunsicherheiten

Die Innenwand der Polycarbonatrohre wird mit zunehmender Anzahl von Versuchen sichtbar rauer. In Bild 6 sind zwei Rohrstücke, eines nach ca. 40 Versuchen, zu sehen. Die sichtbaren Erosionen schlagen sich nicht in den Mess­daten nieder.

Bild 6 Rohrbruchstücke nach wenigen Versuchen (links) und nach ca. 40 Versuchen (rechts). Quelle: PTB

Bild 6 Rohrbruchstücke nach wenigen Versuchen (links) und nach ca. 40 Versuchen (rechts).

Foto: PTB

 

Ein signifikanter Einfluss, der als entsprechender Trend interpretiert werden könnte und in der weiteren Auswertung zu berücksichtigen wäre, ist in den Bildern 7 und 8 nicht zu erkennen.

Bild 7 Anlauflängen in aufsteigender chronologischer Reihenfolge. Quelle: PTB

Bild 7 Anlauflängen in aufsteigender chronologischer Reihenfolge.

Foto: PTB

 

Bild 8 Darstellung der Anlauflänge über der Anfangsdichte mit verschiedenen Symbolen für die Versuchstage. Quelle: PTB

Bild 8 Darstellung der Anlauflänge über der Anfangsdichte mit verschiedenen Symbolen für die Versuchstage.

Foto: PTB

Das explosionsfähige Gemisch besteht aus 6,6  0,3 Vol-% Ethen in Luft. Die Unsicherheit ist damit besser als in [1] gefordert. Der Druckaufnehmer zur Messung des Anfangsdrucks ist mit einer Unsicherheit von  0,7 kPa, jener für die die Messung des Explosionsdrucks ist mit einer Unsicherheit von  40 kPa anzunehmen. Die Messunsicherheit der verwendeten Thermoelemente beträgt weniger als  1,6 °C. Die Unsicherheit in der Bestimmung der Anlauflänge ergibt sich aus der Ortsauflösung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu  5 cm. Die bestimmten Anlauflängen wurden für die weitere Auswertung auf volle 0,1 m gerundet. Es ist festzustellen, dass die resultierende Messunsicherheit in allen Fällen deutlich kleiner ist als jene Unsicherheit, die durch die statistische Streuung der Daten einfließt.

Ergebnisse

Bild 9 fasst die Ergebnisse der Messungen zusammen.

Bild 9 Abhängigkeit der Anlauflänge einer Gasdetonation von Gasdichte vor der Zündung. Erläuterung der Geraden siehe Text.

Bild 9 Abhängigkeit der Anlauflänge einer Gasdetonation von Gasdichte vor der Zündung. Erläuterung der Geraden siehe Text.

Aufgetragen ist die Anlauflänge einer Gasdetonation als Funktion der anfänglichen Dichte des explosionsfähigen Gemischs. Als alternative Darstellung ist die Anlauflänge in m (linke y-Achse) oder als ein Vielfaches des L/D-Verhältnisses (rechte y-Achse) skaliert. Alternativ zur Anfangsdichte (untere x-Achse) ist der Anfangsdruck bei 0 °C (obere x-Achse) angegeben. Die minimale und die maximale Ablesung für den jeweiligen Wert werden durch die Fehlerbalken repräsentiert. Für diesen Datensatz lässt sich der Pearsonsche Korrelationskoeffizient zu r = 0,39 berechnen. In Anbetracht der bekannt großen Streuung verschiedener charakteristischer Größen von Explosionen und des Detonationsanlaufs im Besonderen ist dieser Wert für eine weitere Auswertung vertretbar.

Bild 9 zeigt zwei verschiedene lineare Anpassungen an den Datensatz. Anfangsdichte und -länge wurde als Eingangswerte verwendet. Die gestrichelte Gerade folgt aus einer Anpassung, ohne die Standardabweichung in der Anlauflänge zu berücksichtigen. Die Steigung beträgt -2,27  0,81 m4/kg, der Achsenabschnitt berechnet sich zu 13,41  1,34 m. Eine Geradenanpassung mit Berücksichtigung der Standardabweichungen in den Anlauflängen zeigt die gepunktete Gerade. Sie weist eine Steigung von -1,19  0,08 m4/kg und einen Achsenabschnitt von 11,12  0,13 m auf. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass diese Anpassungen nur für das Intervall der Messungen und den verwendeten Versuchsaufbau als gültig anzusehen sind.

Folgerungen

Die durchgeführten Messungen weisen auf eine Verminderung der Anlauflänge einer Gasdetonation mit zunehmendem Druck hin. Zur Veranschau­lichung sollen Rohrleitungen in tech­nischem Maßstab betrachtet werden. Als Ausgangsgröße wird der Druck bei 0 °C betrachtet und die resultierende Anlauflänge als ein Vielfaches des L/D.

Tabelle 1 Verkürzung der Anlauflängen entsprechend der punktierten Geraden.

Tabelle 1 Verkürzung der Anlauflängen entsprechend der punktierten Geraden.

 

Tabelle 2 Verkürzung der Anlauflängen entsprechend der gestrichelten Geraden.

Tabelle 2 Verkürzung der Anlauflängen entsprechend der gestrichelten Geraden.

Die Tabellen 1 und 2 fassen die Werte für die beiden dargestellten Anpassungen zusammen und wenden sie zur Veranschaulichung auf eine Rohrleitung der Nennweite DN 250 an. Die mit einer Nennweite von 68 mm gewonnenen Daten auf einen technischen Maßstab von DN 250 zu übertragen, gibt einen guten Eindruck über die potenziellen Auswirkungen einer Druckerhöhung. Eine Druckerhöhung von 10 kPa führt zu einer Verkürzung der Anlauflänge von 1,6 bis 2,8 %. Bei einer Nennweite von DN 250 entspricht dies einer Verkürzung der Anlauflänge von  1 m. Eine Steigerung des Anfangsdrucks um 60 kPa, bis an die Gültigkeitsgrenze von [1], führt zu einer Verkürzung der Anlauflänge von bis zu 16 %, entsprechend ca. 5 m, bei einer Nennweite von DN 250. Diese Abnahme der Anlauf­länge ist im Hinblick auf Art (Deflagra­tionssicherung, Flammendurchschlag­sicherung gegen stabile oder instabile Detonationen) und Platzierung von Flammendurchschlagsicherungen nicht zu vernachlässigen. Dabei sind das potenzielles Versagen einer falsch eingesetzten Flammendurchschlagsicherung ebenso abzuwägen wie der stark erhöhte Druckverlust bei Verwendung einer Flammendurchschlagsicherung gegen instabile Detonationen. Die Eignung der Flammendurchschlagsicherung für den vorgesehenen Betriebsdruck bleibt davon unberührt.

Abschließend sei angemerkt, dass die diskutierten Untersuchungen nur mit einem Prüfgemisch und einer Nennweite durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind daher nur als richtungsweisend für weitergehende Untersuchungen zu betrachten.  TS 590

 

1) Atmosphärische Bedingungen sind die möglichen Umweltbedingungen. Sie werden mit einem Temperaturbereich von -20 °C bis +60 °C, einem Druck­bereich von 80 kPa bis 110 kPa und Luft als Oxida­tionsmittel beschrieben.

Literaturverzeichnis

[1] DIN EN ISO 16852: Flammendurchschlagsicherungen – Leistungsanforderungen, Prüfverfahren und Einsatzgrenzen. Berlin: Beuth Verlag 2017.

[2] Kersten, C.; Förster, H.: Investigation of deflagrations and detonations in pipes and flame arresters by high-speed framing. J. Loss Prev. Process Indust. 17 (2004), S. 43-50.

[3] Li, J.; Lai, W. H.; Chung, K.; Lu, F. K.: Uncertainty analysis of deflagration-to-detonation run-up distance. Shock Waves, 14 (2005) Nr. 5/6, S. 413-420.

[4] Ciccarelli, G.; Boccio, J. L.; Ginsberg, T.; Finfrock, C.; Gerlach, L.; Tagawa, I.; Malliakos, A.: The effect of initial temperature on flame acceleration and deflagration-to-detonation transition phenomenon. Technical report 17 BNL-NUREG-52515, Brookhaven: National Laboratory 1998.

Von Dr. rer. nat. Frank Stolpe und Andre Zobel

Dr. rer. nat. Frank Stolpe, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig. Andre Zobel, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

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