DE2910762A1

DE2910762A1 - Lagerkessel

Info

Publication number: DE2910762A1
Application number: DE19792910762
Authority: DE
Inventors: Robert D Appleyard; Andrew Szego
Original assignee: EXPLOSAFE SA
Current assignee: EXPLOSAFE SA
Priority date: 1978-03-20
Filing date: 1979-03-19
Publication date: 1979-10-04
Also published as: GB2016670B; AU526850B2; FR2420717A1; IT1112331B; JPS54139112A; IT7921105A0; DK113179A; BR7901676A; ES478762A1; AU4523579A; GB2016670A; MX148054A; NL7902179A; FR2420717B1; SE7902450L

Description

"Lagerkessel"

Die Erfindung betrifft Lagerkessel, die so ausgelegt sind, daß die Gefahren der sogenannten "boiling liquid expanding vapor explosion" (BLEVE) - übersetzt "Explosion als Folge sich durch siedende Flüssigkeit ausdehnenden Dampfes" - verringert oder ganz vermieden werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen zum Schutz von geschlossenen Lagerkesseln

I für die Lagerung von Flüssigkeiten und.deren Gasen oder Dämpfen. Alle Lagerkessel dieser Art unterliegen der Gefahr eines Bruchs als Folge eines solchen BLEVE-Ereignisses bei Einwirken von \ Feuer oder einer anderen Erhitzung, die einen örtlichen Bereich der Außenseite des Kessels erfaßt.

Als Folge der Einwirkung von Hitze entsteht ein Druckaufbau im Kessel. Wenn die Flamme oder eine andere Form einer Erhitzung

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zunächst einen Bereich des Kessels unter dem Plussigkeitsniveau erfaßt, wird die Hitze zunächst durch Sieden der Flüssigkeit abgeleitet, so daß der Innendruck steigt. Nachdem eine bestimmte Druekgrenze erreicht ist, wird Dampf oder Gas durch Druckminderventile freigesetzt, die normalerweise als Sicherheitsvorkehrung an solchen geschlossenen Lagerkesseln vorgesehen sind. Weil jedoch die herkömmlichen Druckminderventile durch eine verengte Öffnung abblasen, kann die Geschwindigkeit des Wärmezuflussea und das Absieden von Dampf oder Gas schnell die Kapazität des Druckminderventils überschreiten, so daß ein Innendruck entstehen kann, der weit über der zulässigen Druekgrenze liegt. Nachdem ausreichende Mengen an Flüssigkeit verdampft sind und der Flüssigkeitsstand unter den erhitzten Bereieh abgesunken ist, wird der Seil der Wandung des Kessels, der der PIamme oder einer anderen Form der Erhitzung ausgesetxt ist j schnell heißer,- und die Zugfestigkeit des Metalls oder des anderen. Werkstoffs,, der die Wandung des Kessels bildet, wird In dem erhitzten Bereich örtlich bis zu einem Punkt gesenkt, bei dem die Kesselwandung explosionsartig als Folge des Innendruck» platzt, der sich im Kessel aufgebaut hat. Das Preiset .seit, von Energie, die die plötzliche Verflüchtigung und Ausdehnung der siedenden Flüssigkeit begleitet ₆ welche sich ia Druckkessel befindet, während der Druck plötzlich gesenkt wird, kann enorm sein, und ein BlißYE-Ereignis kann katastrophalt Schäden an Mensch und Gut über weite Strecken hinweg

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hervorrufen*

Obgleich eine Explosion als Folge eines solchen BLEVE-Ereignisses nicht nur dann erfolgen kann, wenn die Kessel brennbare Flüssigkeiten enthalten, sondern auch dann, wenn sie nicht brennbare Flüssigkeiten enthalten, haben die schwerwiegensten Fälle von BLEVE-Ereignissen in Verbindung mit Kesseln stattgefunden, die unter Druck stehende verflüssigte Brenngase enthalten, z.B. Eisenbahn-Kesselwagen. In solchen Fällen können Kesselwagen, die nach einem Unfall intakt bleiben, Flammen ausgesetzt werden, die von aus zerborstenen Wagen ausgelaufenem oder entwichenem Treibstoff stammen. Die entstehenden BIEVE-Ereignisse haben in einigen Fällen 15 Tonnen schwere Teile von Kesselwagen über Strecken von 840 Meter geschleudert, und Personen haben Verbrennungen in Entfernungen bis zu 500 Metern von der Explosionstelle als Folge der Intensität der Strahlungsenergie erlitten, die durch die Feuersbrunst im Moment der Explosion entstanden ist.

Ein anderes schwerwiegendes Problem, das mit dem BLEVE-Ereignis einhergeht, besteht darin, daß in Anschluß an das auslösende Unglück, das zu einem Ausbrechen von Feuer führt, eine Periode unbestimmbarer Dauer vorhanden ist, ehe die Erhitzung ausreichend stark ist, um die Metallhaut bis zu dem Punkt zu schwächen, an dem der Druckkessel platzt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eintritt eines

BLEVE-Ereignisses in zufriedenstellender Weise zu verhindern oder in angemessener Weise zu verzögern.

Die Erfindung sieht Anordnungen vor, mittels derer die Hitze, die einen örtlichen Bereich einer Kesselwandung erfaßt, ab- ; sorbiert und abgeleitet werden kann, so daß der Eintritt eines j BLEVE-Ereignisses verhindert oder zumindest in angemessener J

Weise bis au einem Zeitpunkt verzögert werden kann, der aus- i reicht, damit entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können, ; um Vorbeugungen gegen die Möglichkeit des Eintritts eines BLEVE-: Ereignisses zu treffen.

Die Erfindung sieht einen geschlossenen Lagerkessel mit einer druckbeständigen Wandung vor, die aus einem Wandungsmaterial ■ besteht, welches bei langer andauernder Erhitzung ihre Festigkeit verliert und einem mechanischen Bruch unterliegt, wobei der Lagerkessel unter Überdruck eine bestimmte Menge eines verflüssigten Gases und dessen Dampf bei Umgebungstemperatur enthält, wobei der Kessel an mindestens einem ausgesuchten Bereich der Innenfläche der Wandung, der der Gefahr der Erhitzung unterliegt, eine Innenhaut hat, die aus flammen-permeablem, wärme-beständigem, stark wärmeleitendem Material offener Textur besteht, wobei das Material offener Textur minetotens partiell Wärme ableitet und absorbiert, die von einer außerhalb des

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Kessels befindlichen Wärmequelle auf die Kesselwandung und den Inhalt des Kessels übertragen wird, derart, daß der Beginn des Platzens der Kesselwandung verzögert oder verhindert wird.

Zu verflüssigten Gasen, die in solchen Kesseln bei Umgebungstemperatur enthalten sein können, gehören verflüssigtes Erdgas, veifLüssigtes Ammoniak und neutrale verflüssigte Gase z.B. I¹REON und andere neutrale flüchtige Aerosol-iDreibfltissigkeiten sowie Kühlmittel.

Das Material offener Textur dient dazu, Wärme über den gesamten Kessel zu verteilen, wenn der Kessel einer Erhitzungsgefahr ausgesetzt ist· Auf diese Weise kann die Hitze, die auf einen örtlichen Bereioh an der Außenseite der Kesselwandung über dem Flüssigkeitsniveau einfällt, durch Leiten der Wärme durch die Innenhaut in die Flüssigkeit im Kessel verteilt werden, die als Wärmesenker wirken kann, und außerdem zu den Bereichen des Kessels, die nicht erhitzt werden, so daß die Wärme in die Umgebung abgeleitet werden kann· Ein eine Flüssigkeit enthaltender Kessel, der mit einer solchen Innenhaut ausgerüstet ist, kann einer erheblieh größeren Einwirkung von Wärme widerstehen, ehe ein bestimmter Innendruck erreicht wird. Ferner dient die Innenhaut dazu, einen Temperaturanstieg des Materials der Kesselwandung bis xu einem Punkt zu verzögern oder zu verhindern, an dem sie so ausreichend geschwächt wird, daß sie einem Platzen

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unterliegt, wenn der Innendruck zu hooh ist, der durch das Erhitzen des Inhalts entsteht.

Die Erfindung sieht ferner einen geschlossenen Kessel vor, der zur Aufnahme einer "bestimmten Flüssigkeits- und Dampf- oder Gasmenge unter Druck dient und eine druckfeste Wandung hat, die aus einem Wandungsmaterial besteht, welches einem 3?estigkeitsverlust und einem mechanischen Bruch unter langer anhaltender Erhitzung unterliegt, wobei der Kessel an mindstens einem ausgesuchten Bereich seiner Wandung, der einer Eiihitzungsgefahr unterliegt, eine Innenhaut hat, die aus hitzebeständigem, stark wärmeleitendem Material offener Textur besteht, wobei mindestens an einem Seil des Bereichs eine Außenhaut vorgesehen ist, die aus einem den Wärmedurchgang verzögernden Mittel besteht, wobei die Innenhaut und die Außenhaut das Eindringen von Hitze in die Wandung und in den Inhalt des Kessels von einer Wärmequelle außerhalb des Kessels verzögern und mindestens partiell die Hitze ableiten und absorbieren, die auf den Kesselinhalt übertragen wird, so daß das Beginnen des Bruchs der Kesselwandung verzögert oder verhindert wird. Ein solcher geschlossener Kessel kann jede form eines geschlossenen Lagerkessels sein, der eine Wandung hat, die in der Lage ist, einem erheblichen Innendruck zu widerstehen. Zu Beispielen gehören Lagerkessel für das Lagern der vorstehend genannten verflüssigten Gas unter Überdruck und bei Umgebungstemperatur. Zu anderen Beispielen ge-

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hörenLagerkessel für kyrogene Flüssigkeiten, z.B. für die lagerung von verflüssigtem Erdgas bei Unteirumgebungstemperattir, sowie andere Lagerkessel für entflammbare Flüssigkeiten wie Treibstoffe oder für nioht brennbare Flüssigkeiten wie Wasser.

Die die Wärmeeindringung verzögernde Haut an der Außenseite des Kessels kann ein intumeszentes Besohiohtungsmaterial sein, das sich bei Einwirkung von Hitze oder Flammen aufbläht, um eine hitzebeständige, isolierende, geschäumte oder sonstwie geblähte Oberfläohenhäut zu bilden, die das Eindringen von Hitze in die darunterliegende Wandungskonstruktion des Kessels verzögert. Das intumeszente Besiehtungsmaterial kann aus einem Beschieht ungsmaterial auf Kunststoff basis bestehen, z.B. aus einem intumeazenten Material auf Polyurethanbasis.

Weil bei bestimmten Rezepturen die Bestandteile der intumeszenten Besdiohtungsmaterialien dazu neigen, auszulaugen oder entaktiviert Buvwerden, wenn sie Witterungseinflüssen und besonders Regen ausgesetzt werden, kann es wünschenswert sein, eineninerten Schutzanstrich oder eine sonstige Schutzschicht auf die Lage aus intumeszentem Material aufzutragen.

Als Alternative oder zusätzlich zur intumeszenten Beschichtung kann die Außenhaut abführendes Material aufweisen, das die schnelle Abführung von Wärme von Metall oder einem sonstigem

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Material der Kesselwandung durch Pyrolyse des abführenden Materials gestattet· Das abführende Material hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und kann Wärme absorbieren oder ableiten, während es in Gas und in einenporösenverkohlten Rückstand zersetzt wird. Solehe abführenden Substanzen bestehen gewöhnlich aas einem Kunststoff, einer Keramik- oder glas-verstärkten Kunststoff, z.B. Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, Phenol, Schaumstoffen, verschmolzenem Siliziumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, geschäumter Keramik und verschiedenen Arten von Keraunik-Metall-Verbänden.

Als Alternative oder zusätzlich zur intumeszenten und/oder abführenden Beschichtung kann die Außenhaut des Kessels aus einem inerten, passiven, isolierenden Material bestehen, das den Wärmedurchgang durch die Kesselwandung verzögert oder verringert. Zu Beispielen für geeignete Isolierungen gehören hochtemperaturbeständige Kunststoffschäume, Steinwollschichten und Asbestsohiohten. Die intumeszenten Materialien werden den passiven Isolierungen vorgezogen, weil diese weniger zerbrechlich und weniger verletzlich gegen versehentliche Beschädigung durch Schlag· sind, und viele intumeszenten Rezepturen geben schützende, feuerhemmende Substanzen aus die Unbrennbarkeit unterstützenden inerten Gasen ab, wenn sie Wärme und Flammen ausgesetzt werden.

Die Außen- und Innenhaut, die hier benutzt werden, können den

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weiteren Vorteil mit sich bringen, daß im Falle von Kesseln, die aus hochtemperattirbeständigen Wandtuigswerkstoffen gebaut sind, die Innenhaut auf Material mit offener Textur daran gehindert werden kann, eine Temperatur zu erreichen, bei der sie ihren strukturellen Zusammenhalt verliert, z.B. durch Schmelzen oder Erweichen oder Abtropfen, so daß ein BLEVE-EreiLgnis ganz verhindert werden kann, wo es anderenfalls eingetreten wäre.

Das bevorzugte Material offener Textur, das hler benutzt wird, ist ein flammenpermeables Material, d.h. es handelt sich um ein Material offener Textur mit Zwischenräumen, die ausreichend groß sind, um die Fortpflanzung von Flammen durch sie hindurch zu ermöglichen, so daß, im Gegensatz zu Flammen eingrenzenden Materialien, es das Vordringen einer Flammenfront durch es hinduroh ermöglicht, wenn es einem entzündeten brennfähigen Luft- und Gas- oder Dampfgemisch ausgesetzt wird.

Eine besonders bevorzugte Form eines flammenpermeablen Materials offener Textur besteht aus einer Anzahl von Schichten aus expandierter Metallfolie, beispielsweise expandierter dünner Aluminiumfolie, wie sie in der südafrikanischen Patentanmeldung Nr. 77/7709 besehrieben ist, die am 25· Oktober 1978 veröffentlicht worden ist, oder in der US-Patentschrift 3.356.256, besonders dort im Zusammenhang mit Fig. 9. Dieses Material, das vor dieser Erfindung dazu benutzt worden ist, die explesions-

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artige Verbrennung von "brennbaren Dampf- oder Gasgemischen zu unterdrücken, ist unter dem Warenzeichen EXPLOSAPE von der Explosafe-Oiochter der Firma Vuloan Industrial Packaging Limited, Rexdale, Ontario, Kanada, erhältlich. Dieses Material wird aus mehreren Lagen gebildet, von denen jede aus expandierter Metallfolie besteht, bestehend aus miteinander verbundenen flachen Maschensträngen, die jeweils unter dem gleichen Winkel zur Haupt· ebene der Lage angestellt sind, und die jeweils zwischen sich diamantförmige Öffnungen bilden. Wie kommerziell erhältlich, hat dieses Material Poren oder Zwischenräume relativ .großer Größe, und es ist flammenpermeabel. Die Aluminiumfolie ist flammen- und hitzebeständig, und sie ist relativ leicht, und wegen ihrer Porosität stert sie den freien Fluß von [Flüssigkeit in den Kessel oder aus dem Kessel oder durch ihn nicht, und sie stört auch nioht die freie Entwicklung von Dampf oder Gas von der Oberfläche der Flüssigkeit aus während der normalen Verwendung des Lagerkessels.

Die Breiten der Stränge, die die expandierte Aluminiumfolie bilden, können zwischen 0,8 und 5_f5 mm betragen, und vorteilhafterweise liegen sie im Bereich von 0,8 bis 3,2 mm, und die Foliendicke liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,0127 bis 0,30 mm, noch besser zwischen 0,025 und 0,25 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,025 und 0,125 mm. Wenn Lagen der expandierten Folie zusammengelegt werden, um eine Masse zu bilden, bilden die

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Zwischenräume des Gitters offene Durchgänge, duroh die die Flüssigkeiten frei fließen können, die in dem Kessel enthalten sind, und wegen seines stark expandierten Zustande verringert das Metallgitter die volumetrische Kapazität des Inneren des Kessels kaum* Beispielsweise nimmt das Gitter weniger als etwa 2 Prozent des umschlossenen Volumens ein, das es im Inneren des Kessels einnimmt. Die Packungsdichte des Gitters innerhalb des Kessels liegt beispielsweise zwischen etwa 16 und 80 kg/m , noch besser zwischen 32 und 64 kg/m , am besten zwischen etwa 48 und 64 kg/nr⁵.

Entsprechende gasdurchlässige, wärmebeständige und wärmeleitende Materialien offener Sextur, die benutzt werden können, sind unter anderem Materialien in einer Zellen-Sandwich-Konstruktion, z.B, aus Aluminium oder einem anderen am besten inerten, hitzeleitenden Material, z.B. nichtrostendem Stahl. Zu Beispielen gehören die Metallzellenwerkstoffe, die unter dem Warenzeichen HEXCEL von der Firma Hexcel Corporation, Dublin, California, erhältlich sind, und gewirkte Drahtgitterprodukte, die unter dem Warenzeichen MEiDEX von der Firma Metex Corporation, Edison, New Jersey, erhältlich sind.

Ein Vorteil der flammenpermeablen Materialien ist, daß sie normalerweise eine vergleichsweise geringe Dichte haben, verglichen mit Flammen eingrenzenden Materialien, und sie sind des-

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halb auch etwas billiger als die Flammen eingrenzenden Materialen, und außerdem sind sie leichter im lagerkessel abzustützen.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen in AusfUhrungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen sind:

Pig. 1 eine Kurve, in der Innendrticke eingetragen sind, die in einem Druckkessel entstehen, welcher einer Wärmequelle ausgesetzt ist, und in der auch der Druck eingezeichnet ist, der zum Platzen des Kessels führt, errechnet aus der Änderung in der Zugfestigkeit des Wandungsmaterials mit dem Anstieg der Temperatur der Wandung,

Pig. 2 ein Schaubild als Detail eines Kessels, der eine Füllmasse aus expandiertem Aluminiumfolienmaterial enthält,

Pig. 3 ein Schaubild eines Stücks expandierten Folienmaterials,

Fig. 4 ein Schaubild eines mehrlagigen Verbandes aus Stücken aus expandierter Metallfolie,

Fig. 5 eine teilweise im senkrechten Schnitt und teilweise in schematischer Form gezeigte Ansicht eines Kessels zur Aufnahme verflüssigter Gase, der mit einer schützenden Innenhaut versehen ist, und

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich der Darstellung der Fig. 5, die einen Kessel mit einer Außenhaut aus die Wärmedurchdringung verzögerndem Material zeigt.

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In den Beispielen, aus denen die in dem Diagramm der Fig. 1 dargestellten Daten entnommen worden sind, wurden zylindrische Tanks in einer Größe von 5>7 1 benutzt. Die Tanks hatten eine druckfeste Kesselwandung 10 aus Kohlenstoffstahl. Die Kessel Tdzw. Tanks wurden in einem Ausmaß von 15% ihrer Volumina mit flüssigem FREON-22 gefüllt und mit Thermoelementen bestückt, um die Wandungstemperatur zu messen, außerdem waren sie mit einer Innendruck-Meßeinrichtung versehen.

In den Tests wurden die Tanks einer äußeren Wärmequelle ausgesetzt, bestehend aus einem Propan/Luft-Sohneidbrenner 11, der schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.

Die in dem Diagramm gestrichelt dargestellten Ergebnisse, die mit "Protected" (geschützt) bezeichnet sind, gelten für Tanks, die mit einer inneren Füllmasse 12 aus expandiertem Aluminiumfolienmaterial gefüllt waren.

Die Tests wurden auch mit glkiohen Tanks durchgeführt, die keine Füllmasse enthielten. Die Ergebnisse sind in Vollinien in dem Diagramm angegeben, und mit "Unprotected" (ungeschützt) bezeichnet.

Aus den gemessenen Wandungstemperaturen wurden die Zugfestigkeiten des Wandungsmaterials bei diesen Temperaturen aus

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Normtabellen entnommen, und daraus wurden die Drücke ermittelt, die erforderlich sind, um die Wandung platzen zu lassen. Die Ergebnisse sind in den oberen Kurven des Diagramms gezeigt und zeigen die Schwächung der Tankwandung 10 mit steigender Temperatur bei fortgesetzter Hitzeeinwirkung. Die unteren Kurven sind die gemessenen Druckwerte und zeigten den Anstieg des Innendrucks an.

Die getesteten Tanks waren mit einem Druckminderventil ausgerüstet, wie das bei 13 in Fig. 2 dargestellt ist. DiesesVentil war so eingestellt, daß es bei 19,25 bar abblies, und deshalb wurden Drücke über diesem Wert in dem Diagramm durch Extrapolation erhalten. Es läßt sich jedoch sehen, daß beim ungesohützten Tank ein Bruchpunkt, bei dem der entstandene Druck ausreicht, um die geschwächte Tankwandung platzen zu lassen, nach etwa 1,8 minütiger Einwirkung" der Hitze erreicht wurde, während beim geschützten Tank während der Testzeit ein Bruehpunkt nicht erreicht wird.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung handelt es sich bei den Druckkesseln, die geschützt werden können, typischerweise um Lagerkessel großen Volumens. Um Wärme von der Fläche des geschützten Kessels wegzuleiten und einen gefährlichen Anstieg in der Temperatur der Kesselwandung und des Kesselinhalts zu verzögern oder au verhindern, brauchen die Kessel nicht in ihrem

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gesamten Innenraum mit dem expandierten Metallgittermaterial oder einem anderen wärmeleitenden Material offener Textur gefüllt zu sein,_?denn ein Schutz läßt sich durch Abdecken der Innenfläche des Kessels erreichen. TJm die Menge an Material offener Textur, das benutzt wird, in einer wirtschaftlich vertretbaren Größenordnung zu halten, und um das einem Kessel zusätzlich verliehene Gewicht gering zu halten, kann es wünschenswert sein, die Innenhaut nur an jenen Bereichen vorzusehen, die besonders anfällig gegen die Einwirkung von Flammen oder sonstigen Hitzegefahren im Falle eines versehentlichen Ausbruchs eines Feuers sind. Im Falle eines Eisenbahn-Tankwagens oder eines anderen Kessels, bei dem eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, daß Flammen den Boden oder die Unterseite des Kessels erfassen, kann also die Innenhaut nur an der Seite und an der Oberseite der Wandung des Kessels vorgesehen sein. Aus gründen der Zweckmäßigkeit oder um eine feste und sichere Lageanordnung und Halterung des G-ittermaterials im Kessel zu erreichen, kann es jedoch vorzuziehen sein, das Innere des Kessels ganz zu füllen, so daß im wesentlichen keine inneren Freiräume vorhanden sind.

Wenn der Kessel einem Feuer ausgesetzt wird, bei dem die auf den Kessel einwirkenden Flammen unter dem Niveau der Flüssigkeit im Kessel wirksam sind, kann bei einem erfindungsgemäß geschützten Kessel zumindest anfangs Wärme durch die Flüssig-

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keit im Kessel abgeführt werden, wobei siedende und verdampfte Flüssigkeit durch das Druckminderventil- abgeblasen wird, das üblicherweise als Sicherheitsmaßnahme an Druekkesseln vorgesehen ist. Beim erfindungsgemäßen Kessel wird der Eintritt des Druckabblasens jedoch erheblieh verzögert. Auf der Basis der experimentellen Ergebnisse beispielsweise, die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt worden sind, läßt sich errechnen, daß ein Kessel mit einem Durchmesser von 5 m und einer Länge von 12,6 m, der 15% voll ist und mit einer Flamme mit einem Durchmesser von 110 cm Durchmesser bei einer Temperatur von 900°0 erhitzt wird, sein Druckminderventil nach einer Einwirkungszeit von etwa 88 Minuten im Falle eines ungeschützten Kessels öffnen würde, während mit der erfindungsgemäßen Innenhaut die entsprechende Zeit für das erste Abblasen des Kessels mehr als 175 Minuten beträgt.

Wenn das Flüssigkeitsniveau im Kessel als Folge von Verdampfung gefallen ist oder wenn der Kessel anfänglich fast leer ist, kann der Bereioh der Kesselwandung, den die Hitze und die Flamme erfaßt, über dem Niveau der Flüssigkeit im Kessel liegen, und in einem solchen Fall wird Wärme nicht mehr durch Verdampfung der Flüssigkeit absorbiert, aber beim erfindungsgemäßen Kessel wird dieser Punkt viel später erreicht, weil die Verdampfung des Inhalts des Kessels verzögert wird und die Wärme verteilt und absorbiert wird, und zwar durch das eingesetzte

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Füllmaterial.

Im Falle des ungeschützten Kessels verringert der Erhitzungseffekt jedoch schnell die Festigkeit der Wandung bis zu einem Punkt, bei dem ein BEEVE-Ereignis eintritt. Es ist festzustellen, daß deswegen, weil beim ungeschützten Kessel eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit in der Innentemperatur des Kessels auftritt, die Verdampfungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Kessel den maximalen Durehfluß von Dampf oder Gas überschreiten kann, der oder das aus dem Sicherheitsventil entweichen kann, so daß ein Druck über dem des Druckminderventils im Kessel zum Zeitpunkt seines Platzens und den Eintritt des BIEVE-Ereignisses entstehen kann.

Als ein bevorzugtes Beispiel für das Füllmaterial kann ein Foliengittermaterial genannt werden, z.B. wie in Fig. 3 dargestellt, entstanden aus Aluminiumfolie 14 mit einer Dicke von 0,075 mm, die mittels Rotationsschlitzung geschlitzt ist und entsprechend den Methoden expandiert ist, die in der südafrikanischen Patentschrift 78/0850 vorbesehrieben ist, veröffentlicht am 31. Januar 1979. Die Gitterstrangebreite, d.h. das Maß A-A in Fig. 3, beträgt 0,1375 mm, und die Expansion der geschlitzten Folie erfolgt von einer ursprünglichen geschlitzten und nicht expandierten Breite von 350 mm auf eine expandierte Breite von 975 mm. Stücke dieser expandierten Metall-

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folie, die man in lagen erhält, werden übereinandergelegt, um eine mehrlagige Masse zu bilden. Bevorzugte Methoden zur Herstellung der mehrlagigen Massen sind in der erwähnten südafrikanischen Patentanmeldung 77/7709 beschrieben, auf die man sioh bezüglich weiterer Einzelheiten beziehen kann. Eine mehrlagige Masse des Materials ist bei 16 in Pig. 4 gezeigt. Diese Massen bilden das JTillmaterial 12, das zum !Tüllen der Tanks nach Fig. 2 benutzt wurde. lypischerweise nähert sich die Pakkungsdichte der expandierten Folie im Kessel 48 kg/m .

Pig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines allgemein zylindrischen Kessels zur Aufnahme von verflüssigtem Gras unter hohem Druck bei Umgebungstemperatur, und er hat eine metallische Wandung 17 und eine Auslaßöffnung 18, die mit einem Druckminderventil 19 bestückt ist, das so eingestellt ist, daß durch eine verengte Ventilöffnung zur Atmosphäre abgeblasen wird, wenn der Innendruck über eine bestimmte Grenze hinaus ansteigt. Der Kessel ist weiter mit Öffnungen 21 und 22 versehen, und zwar an der Ober- bzw. Unterseite, die mit Durohflußregelventilen 23 und versehen sind, um das Süllen oder Abfüllen von Gas und/oder verflüssigtem Gas in den Kessel hinein oder aus ihm heraus zu erleichtern.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die gesamte Innenfläche der Kesselwandung 17 mit einer dicken mantelartigen Auskleidung aus

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Lagen aus expandierter Aluminiumfolie 26 offener Textur bedeckt, die flächig zusammengelegt sind. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um das expandierte Aluminiumfolienmaterial EXPLOSAi¹E (Warenzeichen), das vorstehend erwähnt worden ist. Die Richtung der Orientierung der expandierten 3?olienlagen relativ zur Wandung des Kessels ist nicht wichtig, solange ein guter Wärmekontakt zwischen der Auskleidung 26 und dem Metall der Wandung 17 vorhanden ist. Die Auskleidung kann also aus Folienlagen "bestehen, die parallel zur angrenzenden Wandung übereinandergelegt sind. Alternativ kann die Auskleidung 26 aus einzelnen blöckartigen Einheiten aus mehrlagigem Mab erial aufgebaut sein, das aus einem größeren mehrlagigen Stoß aus EXPLO-SAFE-Mat erial geschnitten ist, und die Blöcke können zusammengesetzt werden, in vieler Hinsicht ähnlich wie bei der Ausmauerung der feuerfesten Auskleidung eines Ofens, wobei die Lagen der Folie unter einem Winkel zur angrenzenden Metallwandung 17 stehen oder parallel dazu liegen.

Weil die Lagen aus dem EXPLOSAFE-Material eine federnde poröse Masse bilden, können sie ohne weiteres in fester Anlage an der Innenfläche der Wandung 17 gehalten werden, indem sine federnde Käfigkonstruktion eingesetzt wird, gebildet aus einem Netzwerk aus federnden Elementen 27, oder indem irgendeine andere zweckmäßige Anordnung aus federnden oder starren Elementen benutzt wird, die die Auskleidung 26 fest gegen die Wandung 17 drücken,

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so daß ein guter thermischer Kontakt zwischen der Auskleidung und der Wandung 17 besteht. Der Käfig 27 bildet einen leeren Hehlraum im Kessel 17, der von der Auskleidung 26 ganz umschlossen ist.

Die Dicke der Auskleidung, die erforderlich ist, um gut Hitze ira. rerteilen, die auf die Außenseite des Kessels 17 einwirkt, hängt von den allgemeinen Wärmeleitfähigkeitseigensohaften des Materials offener Textur ab, das eingesetzt wird. Typischerwd se beträgt die Dicke der Auskleidung mindestens etwa 50 mm. Im Falle des expandierten EXPLOSAFE-FoIienprodukts, auf das vorstehend bezug genommen worden ist, liegt die Dicke vorzugsweise im Bereich von 50 bis 500 mm, vorzugsweise jedoch zwischen etwa 125 bis 250 mm.

Wenn eine Flamme oder eine sonstige Erhitzungsursaohe auf einen Bereich der Kesselwandung von einer Wärmequelle S einwirkt, wie das in Fig. 5 gezeigt ist, wo die Hitze einen Bereich über dem Flüssigkeitsniveau 28 erfaßt, kann die Auskleidung 26 die Wärme seitlieh in den Flüssigkeitskörper 28 und in Teile der Auskleidung leiten, die von dem Bereich entfernt liegen, der von der Erhitzung betroffen ist.

Weil die Auskleidung 27 in bezug auf die Flüssigkeit durchlässig ist, wie das durch das Flüssigkeitsniveau in Fig. 5 gezeigt

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ist, das durch die Auskleidung durchführt, stört die Auskleidung den freien Fluß der Flüssigkeit oder ihres Dampfes oder Gases in den Kessel hinein und aus ihm heraus nicht, und sie verringert nicht nennenswert die volumetrische Kapazität des Kessels.

In Fig. 6 ist ein Lagerkessel ähnlich dem in Fig. 5 gezeigt, außer ..daß er zusätzlich mit einer Außenhaut 29 aus einem die Wärmeeindringung verzögernden Mittel versehen ist.

Zu Beispielen für geeignete Besohichtungen 29 gehören intumeszente Beschichtungen, die durch herkömmliche Auftragungsmethoden wie Streichen oder Besprühen aufgetragen werden. Das intumeszente Beschiohtungsmaterial kann ein herkömmliches feuerhemmendes Mittel sein, beispielsweise eine, der Substanzen, die von der Firma ALBI Manufacturing Go., Inc., Rockville, Gönn., USA, unter den Bezeichnungen ALBI 107-A Farbe, AlBIGLAD Mastic, ALBI-GRETE/CLAD oder DURASPRAY erhältlich sind. Die ALBICRETE/GLAD-Beschichtung wird besonders bevorzugt.

Um die intumeszente Beschichtung zu verstärken und sie im stärkeren Maße selbsttragend im geschäumten oder geblähten Zustand au machen, kann eine faserartige Verstärkung verzugsweise in der Form einer Bahn, z.B. einer Leinwand oder einer gewebten Matte, auf die Haut dee Kessels 17 vor dem Auftragen, des intumeszenten

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Beschichtungsmaterials aufgelegt werden, das normalerweise in der Form einer Mastic- oder Dickfarbe vorgesehen ist.

Abführende und isolierende Materialbeschiohtungen können auf die Kesseloberflächen durch die bekannten Auftragungsmethoden aufgetragen werden. Mitunter kann es wegen der Art der abführenden Substanzen erforderlich sein, den Kessel 17 aus vorgefertigten Blechen zu bauen, auf die abführende BeSchichtungen aufgeschmolzen oder aufgebrannt sind, während die Herstellung erfolgt, anstatt eine Beschichtung an Ort und Stelle an einem vorher gebauten Lagerkessel aufzutragen.

Wenn die Innenauskleidung 26 nur an ausgesuchten Stellen der Kesselwandung 17 vorgesehen wird, die besonders flammen- oder erhitzungsgefährdet sind, wenn ein Feuer ausbricht, kann die Außenbeschichtung 29 vorteilhafterweise über diese ausgesuchten Stellen aufgetragen werden. Ansonsten kann die Außenbeschichtung im wesentlichen^über die gesamte Außenfläche der Kesselwandung aufgetragen werden. Es versteht sich, daß die Anordnung und Iiagebestimmung der Stützkonstruktion für den Kessel und die Notwendigkeit, Flüssigkeitseinlaß- und -auslaßöffnungen in der Kesselwandung vorzusehen, eine Auftragung der Außenbeschichtung über alle Stellen der Kesselwandung hinweg verhindern kann oder es zumindest unzweckmäßig machen kann, eine vollständige Beschichtung vorzusehen. Wenn die Innenauskleidung 26 sich über das ganze Innere der Kesselwandung erstreckt, ist

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es normalerweise wünschenswert, eine Außenbeschichtung 29 vorzusehen, die sich so weit wie zweekmäßigerweise möglich über die Außenseite des Kessels erstreckt.

Das Torsehen der Beschichtung 29 kann dazu dienen, den Beginn der Verdampfung des PlussigkeitsInhalts 28 des Kessels zu verzögern, und es kann die Verdampfungsgeschwindigkeit verringern, nachdem die Verdampfung einmal begonnen hat. Verglichen mit Kesseln, die keine Außenbeschichtung 29 haben, läßt sich feststellen, daß beim ungeschützten Kessel ein höheres Maß an Wärmeaustausch in den Kessel hinein erfolgt, und deshalb kann die Verdampfungsgesohwindigkeit der Flüssigkeit im Kessel in einem selchen lall den maximalen Dampffluß überschreiten, der durch das Druckminderventil des Kessels entweichen kann, so daß ein Druok über demjenigen des Sicherheitsventils mit größerer Wahrscheinlichkeit im Kessel zum Zeitpunkt seines Bruchs und des Eintritts des BLEVE-Ereignisses entsteht.

Es folgen nun einige praktische Beispiele für das Vorsehen von Außenbesohiohtungen wie der. Beschichtung 29.

Beispiel 1

Ein Stahldruokkessel wird vollständig unter Beseitigung von üfreiräumen mit einem expandierten Aluminiumfoliengitter gefüllt.

Das JOliengittermaterial stammt aus Aluminiumfolie mit einer

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Dicke von 0,075 mm, und es handelt sich dabei um drehgeschlitz- | tes Material, das entsprechend den Methoden expandiert ist, die in der erwähnten südafrikanischen Patentanmeldung 78/0850 beschrieben sind. Der G-itterstrang hat eine Breite von 0,1375 mm, und die Expansion der geschlitzten Folie erfolgt von einer ursprünglich geschlitzten und nicht expandierten Breite von 350 mm auf eine expandierte Breite von 975 mm. Die Packungsdichte der expandierten im Kessel nähert sich etwa 48 kg/m .

Die äußere Stahlfläche des Kessels wird gereinigt, vorzugsweise durch Sandstrahlen, um eine gute Haftung für die Besehiehtungslagen jeu ergeben, und sie wird mit wetterbeständigen Dreikomponenten-Feuerhemmanstrich versehen, der von der Firma AIBI Manufacturing Oo, Ine. erhältlich ist. Zunächst wird das Metall durch Bürste, Rolle oder Düse mit Primer 487-S beschichtet, bei dem es sich um einen ßostsohutz-Primer auf modifizierter Phenolalkylbasis handelt, der mit einer Dicke von etwa 0,050 mm im trockenen Zustand aufgetragen wird (etwa 6 bis 7 m pro Liter). Zweitens wird die Primer-Besohichtung mit einem feuerhemmenden intumeszenten Anstrich 107-A auf Lösungsmittelbasis bestrichen. Zum dritten wird eine Deckschicht aus inerter, schützender, wetterfester Farbe aufgetragen, nämlich Nr. 144.

Beispiel 2

Das Verfahren nach Beispiel 1 wird angewendet, außer daß an-

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stelle des drei-phasigen Anstriche die Metallaußenseite des Kessels mit feuerhemmendem schwerem Mastie-Material der Type ALBIOLAD beschichtet wird. Dieses Material wird unter Verwendung einer Spezialspritzpistole aufgespritzt, die vom Lieferanten des Beschichtungsmaterials erhältlich ist.

Beispiel 5

Das Verfahren nach Beispiel 1 wird wiederholt, wobei als Beschichtung eine aufgespritzte Lage aus ALBI DURASPRAY benutzt wird. Dabei handelt es sich um ein leichtes, belüftetes Magnesiumoxyohlorid-Peuerschutzmaterial, und es handelt sich um eine Biteikomponenten-Misohung, die das Zugeben von Wasser vor dem Spritzen erfordert, oder sie kann in mehreren Schichten in Abständen von 4 bis 6 Stunden auf ge spachtelt werden, jeweils in einer Dicke von 16 mm oder mehr, um eine G-esamtdicke von 16 bis 55 mm zu erhalten.

Beispiel 4

Das Verfahren nach Beispiel 1 wird wiederholt, wobei als Beschichtung eine ALBIÖRETE/OLAD-Rezeptur benutzt wird, wie das in der ALBI-Produktbrochüre Nr. 7.14/AL "Albi, Fireproofing and Etiermal Fire Barrier Coatings" beschrieben ist. Das Albiorete-Material wird als eine Grundsohioht durch direktesProfilspritzen aufgetragen, und es handelt sich dabei um einen hochfesten Magnesiumoxyehlorid-Zement, Der Grundschicht folgt eine

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Deckschicht aus Albi Clad intumeszentem Mastic-Material, das so aufgetragen wird, wie das im Beispiel 2 beschrieben worden ist. Eine bevorzugte Dicke für das Verbundsystem liegt im Bereich von etwa 5 bis 38 mm, noch besser von etwa 35 bis 38 mm.

Die Druckkessel mit den in den Beispielen beschriebenen Besehich4 tungen und Innenhäuten haben eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen die Gefahren eines BLEVE-Ereignisses als Folge von Flammen oder Hitze, die die äußere beschichtete Fläche der Kessel erfassen.

Anstelle der beschriebenen feuerhemmenden Anstriche und Mastic-Materialien können andere Form von Wärmeschutzsubstanzen benutzt werden, die Hitze ableiten und absorbieren und dazu dienen, die Durchdringung von Hitze in der Kesselwandung und in den Inhalt des Kessels zu verzögern.

Als Beispiele für Kessel^ für die die vorstehend beschriebenen Innenhäute aus Material offener üJextur angewendet werden können₉ und zwar entweder allein oder in Verbindung mit den vorstehend besohriebenen Außenbeschiohtungen, können Druckkessel-Lastwagen, Druokkesselwaggons für die Schiene und ortsfeste Drucklagerkessel erwähnt werden, besonders Lagerkessel großen Volumens für! das Lagern verflüssigter Fetroleumgase. Diese verflüssigten Petroleumgase erzeugen recht hohe Dampfüberdrücke selbst bei re-

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lativ niedrigen Temperaturen. Beispielsweise beträgt bei 27°C der Dampfdruck von flüssigem Propan 10 bar, und bei 58⁰C beträgt der entsprechende Druck 20 bar. Flüssiges Butan hat einen Dampfdruck von 2 bar bei 19⁰C und 5 bar bei 5O⁰C. Beispiele für andere verflüssigten Gase, die in den Lagerkesseln gelagert werden können, sind unter anderem inerte, nicht entflammbare Flüssigkeiten wie FEEON, d.h. halogenierte niedere Alkane mit chlorierten, bromierten und/oder fluorierten Methanen, Ä'thanen, Butanen, sowie andere Aerosol-Treibflüssigkeiten, verflüssigte inerte Gase und dergleichen.

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Claims

Dipl.-lng. H.-]. Lippert

Patentanwälte 16. März 1979

Frankenforster Straße 137 D/_w

5060 Bergisch GIadbadi 3

Explosafe S.A.
Genf, Schweiz

Pat ent anspräche

1· beschlossener lagerkessel mit einer druckfesten Wandung, bestehend aus Wandungsmaterial, das bei lang andauernder Erhitzung seine Festigkeit verliert und einem mechanischen Bruch unterliegt, wobei der Kessel unter Überdruck ein Volumen an verflüs- , sigtem Gas und dessen Dampf bei Umgebungstemperatur enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel mindestens an einer ausgesuchten Stelle der Innenfläche seiner

Wandung, die einer Erhitzungsgefahr ausgesetzt ist, eine Innenhaut aufweist, die aus flammenpermeablem, hitzebeständigem, hochgradig wärmeleitendem Material offener Textur besteht, wobei das

j Material offener Textur mindestens teilweise Hitze ableitet und absorbiert, die auf die Kesselwandung und den Inhalt des Kessels von einer Hitzequelle übertragen wird, die sich außerhalb des Kessels befindet, derart, daß der Beginn des Platzens des Kessels verzögert oder verhindert wird.
2. Geschlossener Kessel zur Aufnahme eines Volumens an Flüssigkeit und Dampf oder Gas unter Druck, mit einer druckfesten Wandung, bestehend aus einem Wandungsmaterial, das bei lang andauernder Erhitzung seine Festigkeit verliert und einem mechanischen Bruch unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel an mindestens einer ausgesuchten Stelle seiner Wandung, die einer Erhitzungsgefahr ausgesetzt ist, eine Innenhaut aufweist, die aus hitzebeständigem, hochgradig wärmeleitendem Material offener Textur besteht, und an mindestens einer Partie dieser Stelle eine Außenbeschichtung hat, die aus mindestens einem die Wärmeeindringung verzögernden Mittel besteht, wobei die Innenhaut und die Außenbeschichtung das Eindringen von Hitze in die Wandung und in den Inhalt des Kessels von einer Hitzequelle verzögern, die sich außerhalb des Kessels befindet, und mindestens teilweise die Hitze ableiten und ab-

sorbieren, die auf den Kesselinhalt übertragen wird, derart,

daß der Beginn des Platzens der Kesselwandung verzögert oder ! verhindert wird.

;
3. Kessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- -3-

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net, daß die Außenbeschichtung sich im wesentlichen über ! die gesamte Wandung des Kessels erstreckt. !
4. Kessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeieh-} net, daß die Außenbeschichtung sich nur über einen Teil der ' Wandung des Kessels erstreckt. j
5. Kessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch ge-j kennzeichnet , daß das die Wärme eindringung verzö- ' gerade Mittel aus einem feuerhemmenden Anstrich besteht. j
6. Kessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge-i kennzeichnet , daß die Beschichtung aus einem intumeszenten Beschichtungsmaterial besteht. !
7. Kessel nach Anspruch 6, gekennzeichnet ; durch eine Lage aus intumeszentem Beschiohtungsmaterial,
die mit einer lage aus inertem Schutzmaterial bedeckt ist.
8. Kessel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- , zeichnet , daß das Material ein intumeszentes Beschichtungsmat erial auf Kunststoffbasis ist.
9. Kessel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ,

gekennzeichnet , daß das Material ein intumeszen- ■

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tes Material auf Polyurethanbasis ist.
10. Kessel nach einem der Ansprüche 6 "bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Beschichtung eine lage aus faserartigem Yerstärkungsmaterial aufweist.
11. Kessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4_f dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeeindringung verzögernde Mittel aus einem abführenden Material besteht.
12. Kessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4_f dadurch gekennzeichnet , daß das die Wärme eindringung verzögernde Mittel ein wärmeisolierendes Material ist.
13. Kessel nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Innere des Kessels mit verflüssigtem Erdgas befüllt ist, das auf einer Temperatur unter Umgebungstemperatur gehalten ist.
14· Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Innere des Kessels mit verflüssigtem Petroleumgas gefüllt ist,
15. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Innere des Kessels mit einem verflüssigten, nicht entflammbaren Gas gefüllt ist.

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16. Kessel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das verflüssigte Gas ein verflüssigtes Aerosol-üreibmittel ist.
17. Kessel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das verflüssigte Gas ein verflüssigtes Kühlmittel ist.
18. Kessel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das verflüssigte Gas ein halogeniertes niederes Alkan ist,
19. Kessel naoh einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Innenhaut die Innenfläche an den Seiten und an der Oberseite des Kessels bedeckt.
20. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen das gesamte Innere des Kessels mit dem Material offener !Textur gefüllt ist,
21. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß das Material offener lextur aus expandierter Metallfolie besteht.
22. Kessel naoh einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß das Material offener !Eextur

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aus expandierter Aluminiumfolie besteht.
23. Kessel nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das expandierte Aluminiumfoliengitter

G-itterstränge in einer Breite von etwa 0,8 bis 5,5 mm und in ! einer Dicke von etwa 0,0125 bis 0,30 mm hat. =
24. Kessel nach Anspruch 23, dadureh gekennzeichnet , daß die Breite zwischen etwa 0,8 und 3,175

j mm und die Dicke zwischen etwa 0,025 und 0,25 mm betragen.
25. Kessel nach Anspruch 24, dadureh gekennzeichnet, daß die Dicke zwischen etwa 0,025 und 0,125 mm beträgt.
26. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß das Material offener Textur aus expandiertem nichtrostendem Stahlmaterial besteht.
27. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadureh gekennzeichnet , daß der Kessel eine druokfeste WandungskoiB truktion aus Metall aufweist.
28. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadureh gekennzeichnet , daß die Wandung des Kessels aus Stahl gefertigt ist.

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29. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Innenhaut über die gesamte Innenfläche der Kesselwandung erstreckt.
30. Kessel nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenhaut ein Preivolumen im Mittelbereioh des Kessels bildet, wobei das Freivolumen innerhalb der Haut umschlossen ist.
31. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsventil zum Belüften des Inneren des Kessels zur ümgebungsatmosphäre durch eine verengte Ventilöffnung dann, wenn der Innendruck im Kessel eine bestimmte überatmosphärische Druckgrenze überschreitet.

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