Zjawisko wyrzutu i wykipienia

Sobotni wieczór 26 czerwca 1971 r. był wyjątkowo ulewny, a niebo rozświetlały błyskawice. To od jednej z nich około godz. 19.50 doszło do największej tragedii w historii polskiego pożarnictwa - pożaru rafinerii w Czechowicach-Dziedzicach.

Po 5 godzinach i 30 minutach walki z pożarem nastąpił katastrofalny w skutkach wyrzut ropy naftowej z palącego się zbiornika, który pozbawił życia 37 ratowników. Jak to możliwe, że ropa ze zbiornika nie wylała się przez jakąś nieszczelność jego płaszcza, tylko przelewała przez górną krawędź, a potem wystrzeliła w górę, żeby opadając, zapalić wszystko w odległości nawet 250 metrów? Do jakiego niecodziennego zjawiska doszło? A może to zjawisko znane, ale niezauważane w codziennym życiu? Weźmy na przykład zwykłe mleko. Gotował je chyba każdy i z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością każdemu choć raz w życiu takie mleko wykipiało. Wykipiało, ale rzadko kto zastanawiał się, dlaczego. W celu lepszego zobrazowania tego mechanizmu, zawęźmy skład mleka do jego głównych składników. Są nimi woda, tłuszcz i białko. Woda interesuje nas najbardziej, ponieważ zapewne niewielu z nas wie, że zmieniając stan skupienia w formę gazową, zwiększa ona swoją objętość 1700 razy! Tak, z jednego litra wody podgrzanego do 100oC powstanie 1700 litrów pary wodnej. Co się więc dzieje z cząsteczkami wody zawartymi w mleku podczas gotowania? Niewidoczne do tej pory maleńkie cząsteczki zwiększają swoją objętość i w postaci widocznych już pęcherzy pary wodnej wydostają się na zewnątrz oblepione tłuszczem i białkiem.

Kipienie ropy naftowej

Mechanizm kipienia ropy naftowej jest nieco bardziej skomplikowany, niemniej jednak część wspólną obu zjawisk stanowi właśnie woda, której zawartość w ropie naftowej związana jest z procesem jej wydobywania. Ropa naftowa to kopalina, a więc obecność w jej składzie wody, a dokładnie mówiąc wody i soli (solanki), jest nieunikniona. W zależności od pochodzenia ropy zawartość wody waha się od 0,03% do nawet 1% i wynika z charakterystyki złoża (typowe złoże składa się z trzech głównych warstw: wody - solanki, ropy naftowej oraz gazu ziemnego, ułożonych według gęstości).

W zbiorniku rafinerii Czechowice-Dziedzice, w którym nastąpiło wykipienie i wyrzut ropy, 1% samej tylko wody kopalnianej stanowiłby więc aż 125 m3, z czego na skutek całkowitego odparowania mogłoby powstać 212 500 m3 pary wodnej. To 17 razy więcej niż całkowita pojemność zbiornika!

W pierwszej fazie po napełnieniu zbiornika magazynowego woda jest zemulgowana z ropą naftową, ale w trakcie procesu magazynowania część wody wytrąca się i jako środek o większej gęstości tworzy warstwę na dnie zbiornika, której grubość zależna jest od procentowej zawartości wody w masie ropy, czasu magazynowania, ale także od ilości i od rozkładu zanieczyszczeń stałych na dnie zbiornika (wpływają na efektywność jego odwadniania). Reszta wody jest nadal mniej lub bardziej równomiernie rozłożona w masie cieczy. Niezależnie od wody dostarczonej z ropą naftową do zbiornika może zostać wprowadzona pewna ilość nieodparowanej wody, wytrąconej z podawanych na powierzchnię pożaru środków gaśniczych.

Od momentu wystąpienia pożaru, a najintensywniej w czasie rozwiniętego pożaru powierzchniowego, mamy do czynienia z destylacją ropy naftowej w wyniku oddziaływania ciepła. Temperatura powierzchni cieczy jest równa temperaturze wrzenia. Odparowują i spalają się jej najbardziej lotne frakcje, a pod jej powierzchnią tworzy się przegrzana warstwa ropy o temperaturze przewyższającej jej temperaturę wrzenia (może osiągnąć nawet 350oC). Jej grubość stale wzrasta w trakcie trwania pożaru, ponieważ destylacja tej warstwy powoduje zmniejszenie jej lepkości i wzrost gęstości, a w konsekwencji przesuwanie się warstwy przegrzanej ku dołowi. Na jej miejsce napływa lżejsza, nieoddestylowana jeszcze ropa, która ulega temu samemu mechanizmowi.

Szybkość przegrzewania i temperatura warstwy przegrzanej zależne są od dwóch głównych czynników, tj. procentowej zawartości wody oraz prędkości wiatru nad powierzchnią palącej się ropy.

Na skutek ogrzewania i odparowywania lżejszych frakcji ropy zawieszone krople wody stopniowo opadają, zatrzymując się w głębszych warstwach cieczy o stosunkowo dużej lepkości. Jednocześnie nagrzewają się i gdy osiągają temperaturę wrzenia, wyparowują. Wytwarzająca się para wodna powoduje spienienie ropy, która paląc się, przelewa się przez górną krawędź zbiornika - to zjawisko nazywane kipieniem. Z danych literaturowych wynika, że zdolność kipienia ma ropa naftowa o zawartości wody powyżej 0,5%.

Szybkość przegrzewania ropy naftowej nie jest wielkością tożsamą z szybkością spalania, dotyczy bowiem zjawisk przemieszczania się fali ciepła wewnątrz zbiornika, podczas gdy szybkość spalania odnosi się do procesów chemicznych na powierzchni ropy i obniżania jej poziomu w trakcie spalania.

Na podstawie opracowania M. Pofit-Szczepańskiej i W. Jarosza pt. „Analysis of creation of boilover and slopover during a fire of crude oil tanks, part I, Study of a time to boilover” („Archiwum Spalania”, 2002, No. 2, p. 5-21, in Polish) w tabeli 1 przedstawiono szybkość przegrzewania ropy naftowej i temperaturę warstwy przegrzanej, w zbiornikach o średnicy powyżej 50 m, dla prędkości wiatru równej 1 m/s oraz 10 m/s, w zależności od procentowej zawartości wody w magazynowanej ropie naftowej.

Tabela 1. Szybkość przegrzewania i temperatura warstwy przegrzanej w zależności od procentowej zawartości wody w ropie naftowej oraz prędkości wiatru

Według publikacji „Experiences and research experiments of boilover test in Japan” autorstwa Hiroshi Koseki z japońskiego National Research Institute of Fire and Disaster, specjalizującego się w badaniu zjawiska wyrzutu, szybkość przegrzewania ropy naftowej w zbiornikach wynosi od 0,34 do 0,4 m/h.

Niezależnie od danych literaturowych Zakładowa Straż Pożarna PERN SA wielokrotnie przeprowadzała na poligonie testy, doprowadzając do wyrzutu ropy naftowej ze zbiornika o średnicy 1,2 m w celu ustalenia czasu od zapłonu do zaistnienia wyrzutu. Próby prowadzone były w różnych warunkach atmosferycznych i prędkościach wiatru (od 1 m/s do 10 m/s). Wyliczona łącznie szybkość spalania i przegrzewania ropy naftowej nawet przy największych prędkościach wiatru nigdy nie przekroczyła 40 cm/h. Na podstawie doświadczeń stwierdzono również, że zmieszanie warstwy wody znajdującej się na dnie zbiornika testowego z ropą naftową eliminuje wyrzut lub znacząco ogranicza jego zasięg. Każdorazowo jednak dochodziło do wykipienia ropy ze zbiornika. W tabeli 2 przedstawiono wyznaczoną doświadczalnie łączną szybkość przegrzewania i spalania ropy naftowej dla warunków pośrednich (Vwiatru = 3,5 m/s).

Jak wynika z danych zawartych w tabelach, szybkość przegrzewania ropy naftowej i temperatura warstwy przegrzanej wzrastają wraz z zawartością wody w ropie naftowej. Szybkość przegrzewania ropy naftowej rośnie również wraz ze wzrostem natężenia prędkości wiatru, co związane jest z rozwojem intensywności spalania.

Zawartość wody w ropie naftowej dostarczanej do zbiorników magazynowych nie przekracza 0,5%, jednak rzeczywista zawartość wody w ropie naftowej oscyluje w okolicach 0,2%. W tabeli 1 zaznaczono pogrubioną czcionką odpowiadającą tej zawartości wody szybkość przegrzewania ropy i temperaturę warstwy przegrzanej.

Zjawisko wyrzutu

W momencie zetknięcia przegrzanej warstwy ropy z zalegającą na dnie zbiornika wodą następuje gwałtowne odparowanie wody i jej przejście w stan gazowy, z zachowaniem opisanej wcześniej zależności objętościowej. Gwałtowny wzrost objętości przy przejściu międzyfazowym „woda - para” powoduje nagły wzrost ciśnienia i wyrzucenie palącej się ropy na zewnątrz zbiornika, co znacznie zwiększa powierzchnię pożaru. Zmniejszenie lepkości ropy w warunkach pożarowych powoduje, że ropa porywana jest przez parę wodną i wyrzucana w górę. Wysokość wyrzutu może dochodzić do kilkunastu metrów, a średnica powierzchni zalanej płonącą ropą sięga nawet 300 m. Zasięg wyrzutu ropy naftowej ze zbiornika w rafinerii Czechowice-Dziedzice wynosił od 90 do 250 m. Udowodniono, że w zbiornikach o średnicy powyżej 50 m wyrzut następuje szybciej niż w zbiornikach o mniejszej średnicy, a wysokość warstwy wody na dnie nie ma decydującego wpływu na jego siłę. Najistotniejsza jest natomiast wielkość powierzchni dna zbiornika, tj. powierzchnia zetknięcia się warstwy wody z warstwą przegrzaną ropy naftowej.

Na zasięg wyrzutu ma również wpływ poziom cieczy w zbiorniku. Wraz ze spadkiem jej poziomu zasięg wyrzutu będzie mniejszy, a większa część wyrzuconej ropy powróci do zbiornika.

Po pierwszym wyrzucie ogrzana do bardzo wysokiej temperatury warstwa ropy styka się znów z wodą, powodując następny, jeszcze silniejszy wybuch fizyczny. Zazwyczaj zjawisko to trwa kilka minut i charakteryzuje się wieloma następującymi po sobie wyrzutami. Siła wybuchu zależy od masy wyrzucanej ropy i wielkości powierzchni warstwy wody, z którą styka się przegrzana ropa. Na podstawie dostępnych danych literaturowych można przyjąć, że podczas jednego wyrzutu usuwane jest od 25% do 65% pierwotnej objętości ropy zawartej w zbiorniku.

Należy pamiętać, że wyrzut ropy może spowodować rozprzestrzenienie się pożaru na sąsiednie zbiorniki (tzw. efekt domina). Warto podkreślić, że choć mechanizm powstawania wyrzutu jest stosunkowo dobrze poznany, zdarzają się długotrwałe pożary powierzchniowe zbiorników ropy naftowej bez zaistnienia tego zjawiska. Przykładem może być pożar zbiornika ropy naftowej w 2002 r. w rafinerii w Trzebini, gdzie doszło najprawdopodobniej do kipienia palącej się ropy naftowej, a następnie do jej niemal całkowitego wypalenia w zbiorniku bez zaistnienia wyrzutu.

Zjawiska kipienia i wyrzutu nie są więc ze sobą ściśle powiązane, a ich występowanie może, ale nie musi zaistnieć i jest zależne od wielu zmiennych występujących w warunkach pożaru.

Kipienie jest zjawiskiem przebiegającym znacznie łagodniej, mniej dynamicznym niż wyrzut. Powiększanie powierzchni pożaru spowodowane kipieniem ropy naftowej ograniczone jest ścianą osłonową lub wymiarami obwałowania w zależności od budowy zbiorników, natomiast zasięg wyrzutu może mieć skutek katastrofalny. Obydwa zjawiska sygnalizowane są wzrostem intensywności palenia się. Płomień staje się jaśniejszy i wyższy, pojawia się charakterystyczny szum wrzenia płynu i falowy ruch pasm białego dymu.

Początkowa faza wyrzutu ze zbiornika testowego
fot. ZSP PERN SA 998, YouTube

Wyrzut palącej się ropy naftowej. Kilkukrotne zwiększenie powierzchni pożaru.
fot. ZSP PERN SA 998, YouTube

Warunki zaistnienia wyrzutu

Aby mogło dojść do wyrzutu ropy naftowej, muszą być spełnione wszystkie opisane poniżej warunki:

• zatonięcie lub spłynięcie pływającego dachu zbiornika (zatonięcie może być spowodowane np. jego zakleszczeniem, zalaniem przez bardzo intensywne opady deszczu, tzw. deszcz nawalny, a spłynięcie np. przelaniem zbiornika ponad stany alarmowe),
• efektywne źródło zapłonu,
• pożar powierzchniowy zbiornika,
• warstwa wody występująca na dnie zbiornika,
• brak efektu zastosowanych działań ograniczających prawdopodobieństwo wyrzutu ropy naftowej ze zbiornika wskazanych w tabeli 3,
• nieskuteczna akcja gaśnicza.

Uwaga: wyrzut może nastąpić nawet po ugaszeniu pożaru, ponieważ warstwa przegrzana pod wpływem grawitacji może w dalszym ciągu opadać w kierunku dna zbiornika i po dotarciu do dna spowodować wybuch rozgrzanej ropy.

Metody zapobiegania wyrzutowi lub opóźniania go

W tabeli 3 przedstawione zostały możliwe do zastosowania metody zapobiegania wyrzutowi ropy naftowej lub opóźniania go, jednakże o niepotwierdzonej skuteczności. Należy zaznaczyć, że poziom ich skuteczności może być zróżnicowany i zmienny, w zależności od konstrukcji zbiornika, poziomu jego napełnienia czy okoliczności zdarzenia.

Kipienie i wyrzut a bezpieczeństwo ratowników

Zasady postępowania podczas wystąpienia omawianych zjawisk oraz świadomość zagrożeń z nimi związanych to z pewnością niezwykle ważna tematyka. Ich znajomość pozwoli przewidzieć czynności techniczne i organizacyjne konieczne do zrealizowania w trakcie prowadzenia działań gaśniczych.

Należą do nich w szczególności:

• odwodnienie dna zbiornika (w początkowej fazie pożaru jest możliwe do zrealizowania),
• ustalenie poziomu ropy w zbiorniku, a na jego podstawie potencjalnego czasu dotarcia warstwy przegrzanej do dna zbiornika (licznik czasu),
• ewakuacja ludzi niezaangażowanych w akcję ratowniczą z zagrożonego terenu i terenu bazy,
• informacja i ewentualne przygotowanie do ewakuacji okolicznych mieszkańców,
• ciągła kontrola położenia warstwy przegrzanej z wykorzystaniem kamery termowizyjnej (możliwa jedynie w przypadku zbiorników jednopłaszczowych),
• wyznaczenie tzw. oficera bezpieczeństwa, odpowiedzialnego za obserwację zbiornika pod kątem oznak zbliżającego się wyrzutu i alarmowanie uczestników akcji w sposób wcześniej jednoznacznie ustalony,
• odprawa z uczestnikami akcji, uświadomienie zagrożeń, ustalenie sygnałów, zasad i dróg ewakuacji,
• bezwzględna, natychmiastowa ewakuacja ratowników z odcinka gaśniczego na sygnał oficera bezpieczeństwa.

Przedstawione powyżej sposoby postępowania wpłyną z pewnością na zapewnienie bezpieczeństwa ratownikom. Pozwolą uniknąć sytuacji, w których wystąpi możliwość powstania zagrożenia dla zdrowia i życia członków służb ratowniczych, szczególnie podczas niebezpiecznych akcji, gdy mamy do czynienia ze zjawiskami kipienia czy wyrzutu ropy naftowej.

Artur Krakowski jest głównym specjalistą ds. operacyjnych i prewencji ppoż. oraz ds. zarządzania ciągłością działania w Dziale Bezpieczeństwa Pożarowego PERN SA, a Roman Jaroszewski - kierownikiem Działu Bezpieczeństwa Pożarowego PERN SA