DD141944A5 - Druckgasbehaelter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Ausbildung eines Behälters zur Aufnahme von verflüssigten Petroliumgasen wie Butan, Propan,· Ethylenoxid, Hydrazin, Venylazetat und dergleichen. Durch die Erfindung wird eine beträchtliche Verminderung der Beistgefahr und somit eine hohe Explosionssicherheit erzielt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Behälter zumindest teilweise mit einem expondierenden Metallgitter gefüllt ist und an der Außenseite einen inturceszierenden Überzug aufweist. ~ Fig.2A

Description

Druckgasbehälter

Anwendungsgebiet der Erfindung; .

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Behälter, die hauptsächlich zur Aufnahme von verflüssigten Pe-troleuingasen, wie Butan, Propan, Ethylenoxid, Hydrazin, Venylazetat u.dgl. bestimmt sind«, pie Erfindung "beschäftigt sich mit einer Behälterkonstruktion, die "bei einer intensiven Erhitzung des Behälters, z.B. im 3?alle eines Feuers, eine Explosion des Behälters entweder vollständig verhindert oder die Zeit bis zu einer Explosion des Behälters beträchtlich verzögert.

In vergangenen Jahren hat sich gezeigt, da.3 es möglich ist, entflammbare Gas/Luft- oder Dampf/Luftgemische enthaltende Behälter gegen Brandexplosion zu schützen, indem das Behälterinnero mit expandierter Aluminiumfolie gefüllt wird. Derartige Behälter, z.B. Benzintanks für Fahrzeuge, enthalten üblicherweise eine ausreichende Menge an Sauerstoff, um die Verbrennung zu unterstützen

'und es der Flaiumenfront zu gestatten, Detonationsgeschwindi-gkeiten zu erreichen; die expandierte Folie •verhindert die explosive Zündung der Gas- oder Dampfgemische, indem sie die Wärine von der Verbrennungsstelle so rasch ableitet,' daß die Flammenfront sich nicht ausbreiten kann.

Behälter für verflüssigtes Petroleumgas stehen stets unter Atmosphärenüberdruck, um das Gas in der flüssigen Phase zu halten, und in diesem Fall ist es nicht möglich, daß Luft in den Behälter eintritt und ein explosives Gemisch bildet. Es hat jedoch eine Reihe von schweren Zwischenfällen gegeben, bei denen derartige Behälter, wie Eisenbahntankwagen, einem Feuer ausgesetzt waren und die resultierenden Explosionen erschreckende Proportionen angenommen haben, wobei beispielsweise Feuerkugeln mit einem. Durchmesser von 60 m oder mehr erzeugt worden sind. Solche Explosionen sind als "Siedende Flüssigkeit/expandierender Dampf-Explosion bekannt und Untersuchungen dieser Explosionen haben gezeigt, daß sie das Ergebnis einer besonderen Folge von Ereignissen sind. Zunächst gibt es einen auslösenden Unfall, ZoB, die Entgleisung eines Zuges mit Flüssiggasbehältern, und sodann bricht durch das Austreten von Flüssiggas oder des Inhaltes anderer.Waggons ein Feuer aus. Dieses bewirkt seinerseits die Erhitzung der Außenseite eines oder mehrerer Flüssiggasbehälter. Beim Anstieg der Temperatur kommt die flüssige Phase zum Sieden und der Druck im Behälter steigt an, bis das normalerweise vorhandene Druckentlastungsventil öffnet. Der aus dem Sicherheitsventil ausströmende Gasstrom wird entzündet. Ferner gelangt der entzündete Gasstrom aus einem Leck oder aus dem Druckentlastungsventil eines Behälters zu einem anderen Behälter. Bei

fortgesetzter Erhitzung des unter Druck stehenden Behälters oberhalb des inneren Flüssigkeitsspiegels wird die .üblicherweise aus Stahl bestehende Wand des Behälters auf eine Temperatur gebracht, bei der ihre Zugfestigkeit so vermindert ist, daß sie bricht. Wenn der Bruch auftritt, fällt der Behälterdruck rasch ab und die Flüssigkeit verdampft sehr rasch und expandiert zu einer großen Gaswolke, die vom Feuer entzündet wird und eine zerstörende Feuerkugel ergibt. Gleichseitig wird die Kugel durch das aus dem zerborstenen Behälter ausgestoßene brennende Gas sehr häufig viele hundert Meter hoch getrieben. Wenn aus irgendeinem Grund das Druckentlastungsventil nicht öffnet oder sich infolge Umstürzens des Behälters unter dem Flüssigkeitsspiegel befindet, so kann ein Bersten des Behälters als einfacher Druckbruch bereits früher auftreten, aber mit den gleichen zerstörenden Folgen. Dies gilt auch für Behälter ohne Druckentlastungsventile

Pari Qß^ß

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Behälter, insbesondere ein Druckbehälter für verflüssigtes Petroleumgas zumindest teilweise mit einer Füllung aus einem expandierten Metallnetzwerk bzw.· -gitter versehen und weist an der Außenseite einen intumeszierenden bzw. schwellbaren Überzug auf.

Kleine Behälter, wie Gasflaschen für tragbare öfen, können über ihren gesamten Innenraum eine Füllung aus expandierter Folie aufweisen, wenn es zweckmäßiger ist, den Behälter in dieser Weise auszustatten. Größere Behälter können teilweise gefüllt sein, um den gleichen wirksamen Schutz gegen eine Explosion zu erzielen. Die teilweise Füllung ist billiger, nimmt weniger Saum ein und wiegt weniger.

Je nach der Wärmeleitfähigkeit des im Behälterinneren "befindlichen expandierten Metalls ist es möglich, die Innenseite des Behälters einfach mit dem expandierten Metallgitter auszukleiden und den zentralen Teil des Behälters füllungsfrei zu halten. Dies vermindert das vom expandierten Metall eingenommene Volumen und gestattet es, falls erforderlich, ein dickeres Material zu verwenden. ;

Der intumeszierende Überzug sollte insbesondere "bei der Verwendung für mobile oder tragbare Behälter sehr schlag- und abriebfest sein. . ;

Intumeszierende Farben und Anstriche sind bekannt und werden insbesondere in Gebäuden verwendet, um das Brennen von Holzmaterialien und das Überhitzen von. Stahlstrukturen zu verzögern. Die intumeszierenden überzüge schäumen und verkohlen, wobei sie eine hitzeisolierende Schicht bilden«, Ein solches Überzugssystem kann nur eine einzige Schicht aufweisen oder eine Vielzahl von Schichten, einschließlich Unterlagen und Deckschichten, je nach dem geforderten besonderen Behälterschutz O

Intume£3zierende Überzüge enthalten normalerweise ein Karbonifizierungsiaittel, einen Schaumbildner, einen' Katalysator und ein harziges Bindemittel. Das Karbonifizierungsmittel ist eine chemische Mischung, die durch Reaktion mit dem Katalysator eine große Menge an kohlenstoffhaltigem bz\v. gekohltem Material bildet. Dieser schäumbare Kohlenstoff erzeugt die nicht brennbare Schutzschicht, die für intumeszierende Überzüge charakteristisch ist. Ein typisches Karbonifizierungsmittel ist Di- bzw.^Tripentaerythrit. Der Schaumbildner oder das "Treibmittel" setzt bei seiner bei einer Ke-

gebenen Temperatur stattfindenden Zersetzung unbrennbares Gas frei. Geeignete Schaumbildner sind chloriertes Paraffin und kristallines Melamin. Der Katalysator, ist ein Material, das einen hohen Prozentsatz an Phosphor enthält und sich unter Wärmeeinwirkung und bei einer Temperatur unter der Zersetzungstemperatur des Karbonifizierungsmittels zu Phosphorsäure zersetzt. Gebräuchliche Materialien sind Ammoniumpolyphosphat und Melominphosphat. Geeignete Bindemittel' sind chlorierter Kautschuk und Vinyltoluol/Acrylat-Bindemittel.

Die Intumeszenz umfaßt eine Anzahl von Vorgängen, die gleichzeitig ablaufen können: Zersetzung des Katalysators; Reaktion der so entstandenen Säure mit dein Karbonifizierungsmittel unter Bildung eines kohlenstoffhaltigen bzw. gekohlten Materials; Erweichen des Bindemittels unter Bildung einer Haut, die ein Entweichen des aus dem Schaumbildner freigesetzten unbrennbaren Gases vorhindert; Schäumen des Kohlenstoffmaterials unter Bildung einer honigwabenförmigen Decke, die eine hochwirksame Isolation ergibt.

Es wurde anfänglich angenommen, daß das Aufbringen, eines intumeszierenden Überzuges auf einen Behälter, der bereits ein expandiertes Metallgitter enthält, möglicherweise die Zeit bis zu einer Explosion in einem Feuer herabsetzt, weil die erzielte Isolation eine Wärmeableitung aus einem kühleren Teil der Behälterwand verhindern könnte.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Wärme in das Flüssiggas übertragen wird, wo die Energie dazu verwendet wird, um die Flüssigkeit in Gas umzuwandeln, , und eine Beschränkung der in die Behälterwand einströmenden Wärme ist deshalb von großer Bedeutung.

Da der Isoliereffekt des Überzuges vor der Intumesaenz klein ist, wird im Gebrauch "bei der Übertragung von Wärme durch die Behälterwand zur Verdampfung der Flüssigkeit die normale Betätigung durch den Überzug nicht behindert.

Natürlich können die auf die vorgeschlagene V/eise zu ~ schützenden Behälter in der Größe variieren, u.zw. von unterirdischen Vorratsbehältern bis zu Gasbehältern für Campingöfen und zu Aerosoldosen«, Freon, das normaler-.weise als Treibgas in Aerosoldosen verwendet wird, ist in vielen Ländern aus verschiedenen Gründen angegriffen worden, und es ist vorgeschlagen worden, Preon beispielsweise durch Butan zu ersetzen, doch stellt natürlich die Gefahr der Explosion eines derartigen Behälters ein schwerwiegendes Problem dar, das bei dem nicht brennbaren 3?reon nicht besteht.

Das Erfordernis von großvolmaigen Lagerräumen für Flüssiggas hat dort zu einer noch größeren Anzahl von möglichen Risiken geführt, wo Aerosol-Abfüllfabriken vorhanden sind» .

Es v/ird angenommen, daß der Mechanismus zur \ferhinde-'rung einer Explosion von Behältern gemäß der vorliegenden Erfindung während eines 5'euers erstens eine Verzögerung der Geschwindigkeit umfaßt, mit welcher die Wärme zur Außenseite des Behälters gelangt, u.zw. infolge des Vorhandenseins des intumeszierenden Überzuges, und zweitens eine rasche Wärmeableitung von der Behälterwand durch das expandierte Metall in die Flüssigkeit, die durch Verdampfung sehr viel Wärmeenergie absorbiert.

Wenn der Behälter ein Druckentlastungsventil aufweist, so verdampft beim Öffnen desselben zusätzlich einiges Flüssiggas, wobei große Mengen von Wärmeenergie aufgebraucht werden, die durch die Wände des Behälters und durch das expandierte Metallgitter in die Flüssigkeit gelangt. Da die Wandung des Behälters an der Außenseite durch den geschäumten intumeszierendeη Überzug isoliert ist, wird die Temperatur der Behälterwand im Vergleich zu ihrer vorherigen Temperatur stark abgesenkt. Die Behäiterwände werden dadurch daran gehindert, eine Temperatur anzunehmen, bei der sie eine bemerkenswerte Schwächung erleiden, und der- im Behälter' vorhandene Innendruck kann deshalb die Behälterwand nicht bersten. Der Kühleffekt vergrößert auch die Zeitspanne zwischen dem Schließen und Öffnen des Druckentlastungsventils und verringert so die Menge an austretendem Gas.

Bei nicht stabilen Gasen, wie Ethylenoxid, das als 100 %~iges Gas ohne zusätzlichen Sauerstoff explosiv sein kann, und das bei relativ niedrigen Temperaturen selbstentzündlich ist, möglicherweise als Ergebnis einer Zersetzung, kann das expandierte Metall an jedem Punkt des verflüssigten -Gases verhindern,. daß dieses eine selbstentzündliche Temperatur annimmt. Ethylenoxid ist besonders gefährlich, weil es nach Erreichen einer Temperatur von $60° C zu einer explosiven Zersetzung kommt, die sich fortsetzt, auch wenn die Temperaturquelle entfernt wird. Die Zersetzung kann sich mit anderen V/orten fortsetzen, ohne daß dies augenfällig wird, bis die Selbstentzündung erreicht ist. Es versteht sich, daß das expandierte Metall infolge seiner inhärenten Fähigkeit, Wärme sehr rasch zu dissipieren, verhindert, daß die Zersetzungstemperatur erreicht wird, so daß die Gefahr wesentlich vermindert wird-

Ein Paket aus expandiertem Aluminiumgitter mit einem Gewicht von 25 g/l hat eine "bis zu 500-fach größere Wärmeleitfähigkeit als Petroleumgas, und überträgt ' deshalb Wärme von der Behälterwand 500 mal schneller als dies der Fall wäre, wenn nur das Gas vorhanden wäre. Da jedoch das Gas an allen Punkten der Oberfläche der Behälterwandung mit dieser in Berührung steht, außer an Stellen, an denen expandiertes Metall mit der Behälterwand in Berührung steht, wird wahrscheinlich der größere Teil der Wärme von der Wand in das Gas geleitet und dann unmittelbar in das expandierte Metallgitter. Tests haben gezeigt, daß das expandierte Metallgitter an relativ wenigen Punkten mit der Wand des Behälters in Berührung stehen kann. Dies ist bedeutsam, weil bei transportablen Behältern das expandierte Metall an einigen Stellen, z.B. infolge von Vibrationen, von der Wand des Behälters wegbrechen kann, was ein schwerwiegendes Problem darstellen würde, wenn das expandierte Metall der Hauptableiter für die Wandwärme wäre.

Es sind verschiedene Tests durchgeführt worden, um das Ausmaß an Schutz festzustellen, das mit Behältern gemäß der Erfindung erzielt wird, und Fig. Λ zeigt eine Versuchs anordnung für diese Zwecke.

*-o

Die Tests wurden an domförmigen, ventillosen Campinggaspatronen aus Stahl in Standardausführung vorgenommen, die 200 g flüssigen Butans enthielten. Der Testständer ist einfach und weist eine aus Stahl bestehende Schutzplatte A auf, durch die ein Gasbrenner B ragt und an der eine Klemme C für den Gasbehälter D befestigt ist. Die Flamme E aus dem Gasbrenner'ist auf die Oberseite und auf die Seitenwand des Behälters gerichtet, u.zw.

an einem Punkt, der sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegeis befindet.

Ein erster Test wurde mit einer Patrone durchgeführt, wie sie normalerweise geliefert wird, d.h. ohne Schutzschicht. Nach. 31 see kehrte der domfö'rmige Boden F des Behälters seine Wölbung um und der Behälter platzte nach 2 min und 26 see. Das Bersten des Behälters war nicht auf eine Schwächung der Behälterwand zurückzuführen, sondern einfach auf den sehr hohen Druck, der durch das expandierende Gas erzeugt wurde.

Ein zweiter Behälter mit einer vollständigen Füllung aus einem expandierten Gitter 'aus einer Aluminiumlegierung mit 0,04 ran Dicke wurde getestet und die Zeit bis zur Umkehr der Bodenwölbung dieses Behälters be-' trug 54- see und ein Druckbersten trat erst nach 4· min und 18 see auf.

Zwei weitere Tests wurden sodann ausgeführt. Zunächst mit- einem Behälter, der im Inneren das sieiche exoandierte Aluminiumgitter enthielt, aber/einein 15 mm dicken Isolierüberzug versehen war (der. Überzug wird von der Firma Sigma Coatings B-.V. in Holland hergestellt und ist unter dem Namen "Firescreen" bekannt). Der Boden des Behälters kehrte erst nach 23 min und 51 see seine Wölbung um und ein Bersten des Behälters trat nicht ein.

Der vierte getestete Behälter entsprach im wesentlichen dem dritten, wies jedoch eine weitere intumeszierende Schutzschicht von 7OO um Dicke auf. Eine Umkehr der Bodenwölbung trat nach 33 min ein und es kam eben falls zu keinem Bersten des Behälters.

Aus den vorstehenden Angaben zeigt sich., daß durch eine erfindungsgemäße Konstruktion eine "beträchtliche Verminderung der Berstgefahr erzielt werden kann.

•Eine weitere Reihe von Tests wurde mit einem Brenner mit einer "besseren Flamme durchgeführt, die größere Hitze erzeugte, und zugleich bei einer Umgebungstemperatur, die wesentlich niedriger war, u.zw. in der Größenordnung von 10 bis 15° C, wodurch ein größerer Unterschied in den Flüssigkeits/Gasphasen bewirkt wurde. Bei einer ungeschützten Patrone, die an der Seite geteilt war, ergab sich eine Explosion nach 45 see, und bei einer Patrone, die lediglich mit einer Folie gefüllt war, trat eine Explosion" nach 50 see auf. Eine dritte Patrone mit einer Folienfüllung und einem 15 ¹^ dicken Feuerschutzüberzug ("Firescreen") sowie einer 700 um dicken Deckschicht explodierte im Bodenbereich· nach 26 min und 45 see unter dem hohen Innendruck. Ein Bersten der Behälterseite infolge Schwächung der Be- . hälterwand trat nicht auf, das Wegsprengen des Bodens war vielmehr zu vergleichen mit einer Druckentlastungswirkung, wie sie beim Vorhandensein eines Druckentlastungsventils auftritt. Es versteht sich jed.och_v daß bis zum Druckbersten eine beträchtliche Verzögerung erzielt wurde»

Beispiele von Behältern gemäß der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 2A und 2B schematisch in einem Vertikal- und in

einem Horizontalschnitt einen tragbaren Flüssiggasbehälter, wie er für Öfen in Caravans u.dgl. verwendet wird;

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Fig. 3A schematisch im Querschnitt einen Behälter, wie er für Schienenfahrzeuge verwendet wird;

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Fig. 3B schematisch im Querschnitt einen weiteren Behälter für Schienenfahrzeuge, und

Fig. JC einen Längsschnitt des Behälters nach Fig. JB.

Der in den Fig. 2A und 2B gezeigte Behälter bekannter Art weist eine langgestreckte zylindrische Wand 1 auf, die mit domf'örmigen Enden 2 und 3 versehen ist, wobei am unteren Ende 3 eine zylindrisch geformte Basis 4-befestigt ist, die einen unteren Flansch 5 aufweist, mit welchem der Behälter sicher am Boden stehen kann. Das obere Ende des Behälters hat einen Gasauslaß 6, an dem eine Ventileinheit 7 befestigt ist, die ein von Hand betätigbares Ventil und.ein Druckentlastungsventil aufweist. Diese Elemente des Behälters sind Standardelemente. In seinem Inneren weist der Behälter zusätzlich eine spiralförmig gewundene Wicklung 8 einer expandierten Folie aus einer Aluminiumlegierung auf, die zwar nur zwischen 1 und 2 % des Innenraumes des Behälters einnimmt, sich aber so durch den Behälter erstreckt, daß sie die Wärme von den Behälterwänden in das im Behälter befindliche Flüssiggas leiten kann, u.zw. gleichgültig welche Orientierung der Behälter hat. Das Gitter aus expandierter Aluminiumlegierung hat eine Dicke von 0,04 mm und eine Stegbreite von 1,78 mm. In der Längsrichtung des Gitters, d.h. entlang der Länge der rautenförmigen Öffnungen, die während des Expandiervorganges im Gitter erzeugt worden sind, hat jede Öffnung eine Länge von 15 mm. Die Breite jeder Öffnung beträgt etwa 8,A- mm im expandierten Zustand. Wenn ein solches Gitter zu einer Spule gewickelt wird, hat es eine Dichte von etwa 0,03 g/cm .

An der Außenseite des Behälters ist ein intumeszierender Überzug 9 vorgesehen, der entweder in Form einer einzigen Schicht aufgebracht v/erden kann oder in Form mehrerer Schichten, wie bei den vorstehend erläuterten Versuchen.

Fig. 3A zeigt einen Querschnitt durch einen wesentlich ~ größeren Behälter, der normalerweise auf einem Eisenbahnfahrzeug montiert ist. Per Behälter hat ebenfalls eine im wesentlichen zylindrische Wand 11 und domförinige Enden 12 und 13, die bei diesem Beispiel halbkugelförmig ausgebildet sind, wie dies Fig.. ~$0 zeigt. Im Gegensatz zu dem tragbaren Behälter, der in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, liegt der für ein Eisenbahnfahrzeug bestimmte Behälter mit der Zylinderhauptachse .im wesentlichen horizontal und weist ein nicht gezeigtes Druckentlastungsventil auf. An der Außenseite hat der Behälter eine einzige Schicht oder mehrere Schichten eines intumeszierenden Überzuges 14, wie beim vorhergehenden Beispiel, wogegen er in seinem Inneren nur eine teilweise Füllung aus einem expandierten Metallgitter 15 aufweist., wobei das Gitter in Form von großen Spulen 16 vorgesehen ist, die getrennt in einer ringförmigen Anordnung durch ein expsjidiertes Metallgitter, das sich in Form von Folien 17 radial erstreckt, und durch ein Paar von im wesentlichen halbzylindrischen expandierten Metallgitterfolien 18 abgestützt werden.

Die Fig. 3B und 3C zeigen eine alternative Ausführungsform zu der in Fig. 3A gezeigten. Bei diesem Beispiel ist das expandierte Metallgitter in Form mehrerer.Lagen 19 vorgesehen und bildet an der Wand des Behälters einen Ring, wobei es an der Innenseite durch einen Zylinder 20 aus einem expandierten Metallgitter mit

größeren Gesamtabmessungen abgestützt ist, der im Inneren durch Querstangen 21 versteift ist.

Es versteht sich, daß die Anordnung des expandierten Metallgitters im Inneren eines Behälters von Fall zu Tall und je nach der Größe des Behälters geändert werden kann.

Claims (10)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise mit einem expandierten Metallgitter gefüllt ist und an der Außenseite einen intumeszierenden Überzug auf v/eist.
2. 2. Behälter nach Punkt Ί, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Druckbehälter für verflüssigte Petroleumgase ist.

   J. Behälter nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er über seinen gesamten Innenrauia mit einem expandierten Metallgitter gefüllt ist.
3. 4. Behälter nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus einem expandierten Metallgitter eine Auskleidung des Behälters bildet.
4. 5. Behälter nach eineEi der Punkte 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß das expandierte Metallgitter

   aus einer expandierten Aluminiumfolie gebildet ist.
5. 6. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 5? dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gasflasche ist.'
6. 7. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet., daß er ein Schienen- oder Straßen-.

   transportertank ist. .
7. 8. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß er ein ortsfest montierter

   Vorratstank ist.
8. 9. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 5> dadurch . gekennzeichnet, daß er eine Aerosoldose ist.
9. 10. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,, daß der intuineszierende Überzug

   durch eine einzige Schicht gebildet ist.
10. 11. Behälter nach einem der Punkte 1 bis 9> dadurch

    gekennzeichnet, daß der intumeszierende Überzug eine Vielzahl von Schichten aufweist.

    Hierzu....^. Seilen Zeldmungen