Deflagrasyon, detonasyon ve aşırı basınç: bir gaz veya toz patlamasında neler olur

Endüstrideki gaz, buhar veya toz patlamalarının neredeyse tamamı deflagrasyondur: yakıt-hava karışımı içinde ses hızından yavaş ilerleyen ve genleşen sıcak gazları önüne iten bir alev. Ne kadar basınç oluşturduğu yakıttan çok çevresine bağlıdır: açık alanda deflagrasyon basıncı çok düşük bir parlama yangını olabilir, kapalı bir kabın içinde kabaca 7 ila 9 bar'a ulaşır, ekipman yoğun bir tesiste ise saniyede yüzlerce metreye kadar hızlanabilir. Detonasyon farklıdır: yaklaşık 1.800 ila 2.000 m/s hızla birlikte ilerleyen bir şok dalgası ve alev; herhangi bir yansıma olmadan önce basınç yaklaşık 15 ila 20 bar'dır.

Bu yazı yanma hızını ve alev hızını, deflagrasyonu ve detonasyonu, kapalılık ve engel yoğunluğunun bir yangını nasıl patlamaya dönüştürdüğünü, aşırı basıncın binalara ve insanlara ne yaptığını, toz patlamalarının neden çoğunlukla çift hâlinde geldiğini ve BLEVE'nin neden ayrı bir olay olduğunu açıklar.

Temel noktalar

• Deflagrasyon, yanmamış karışıma ısı ve kütle aktarımıyla ses hızından düşük hızda yayılır; detonasyon ise şok dalgasıyla desteklenen bir reaksiyon cephesi olarak ses hızının üzerinde yayılır.
• Metan ve propanın havadaki laminer yanma hızı yaklaşık 0,5 m/s'nin altında, hidrojeninki ise yaklaşık 3 m/s'dir; engellerin yarattığı türbülans alev hızlarını yüz kat artırabilir.
• Kapalı bir kapta stokiyometrik metan-hava deflagrasyonu, atmosfer basıncında başladığında kabaca 7 ila 9 bar maksimum patlama basıncına ulaşır.
• Stokiyometrik metan-hava detonasyonu yaklaşık 17 bar basınçla yaklaşık 1.800 m/s hızla ilerler; hidrojen-hava karışımı 2.000 m/s'ye yakın hızla detonasyon yapar.
• Yaklaşık 7 kPa (1 psi) aşırı basınç evleri kısmen yıkar ve camları kırar; yaklaşık 14 kPa (2 psi) duvar ve çatıların kısmen çökmesine yol açar.
• İlk ve daha küçük bir patlamanın havalandırdığı çökelmiş tozla beslenen ikincil toz patlamaları, genellikle bir toz patlamasının en yıkıcı kısmıdır.
• BLEVE, kabı hasar gördüğünde basınçlı bir sıvının ani kaynamasıdır; patlayıcı ortam gerektirmeyen fiziksel bir patlamadır, ancak içerik yanıcıysa buna bir ateş topu eklenir.

Alevden patlamaya: yanma hızı, alev hızı ve genleşme

Önceden karışmış bir yakıt-hava karışımı tutuşturulduğunda ince bir alev cephesi oluşur ve yanmamış gaz içine doğru ilerler. Bu cephenin hemen önündeki yanmamış gaza göre hızı yanma hızıdır (burning velocity) ve karışımın bir özelliğidir. Laminer koşullarda havadaki en yüksek değerler metan için yaklaşık 0,45 m/s, propan için 0,46 m/s ve hidrojen için 2,8 m/s'dir (ABD Enerji Bakanlığı hidrojen güvenliği programının derlediği veriler).

Alevin arkasındaki yanmış gaz birkaç kat daha sıcaktır ve hacmi kabaca yedi ila sekiz kat genleşir. Açık alanda bu genleşme alevi ileri iter, bu nedenle bir gözlemci yanma hızının genleşme oranıyla çarpımına eşit bir alev hızı (flame speed) görür: durgun havada bir hidrokarbon için saniyede birkaç metre. Genleşen gaz çevredeki havayı da iterek bir basınç dalgası oluşturur.

Bu basınç dalgasının zararlı olup olmayacağı tek bir dengeye bağlıdır: sıcak gazın ne kadar hızlı üretildiği ile ne kadar hızlı kaçabildiği. Açık alandaki yavaş bir alev neredeyse hiç basınç oluşturmaz. Hızlı bir alev ya da kapalı bir kutu içindeki herhangi bir alev ise çok basınç oluşturur.

Kapalı kapta deflagrasyon

Kapalı bir kapta yanmış gazın gidecek yeri yoktur ve basınç tüm yakıt yanana kadar yükselir. Atmosfer basıncında başlayan stokiyometrik metan-hava karışımı için yayımlanmış deney sonuçları, deney kabına ve değerin aşırı basınç mı yoksa mutlak basınç mı olarak verildiğine bağlı olarak kabaca 7 ile 9 bar arasındadır. Hidrokarbon-hava karışımlarının çoğu ve birçok toz benzer bir aralıktadır. Bu, maksimum patlama basıncıdır, pmax.

İkinci parametre maksimum basınç artış hızıdır, (dp/dt)max. Geometrik olarak benzer kaplarda bu değer küp kök yasasına göre boyutla birlikte azalır: (dp/dt)max × V^(1/3) sabittir. Bu sabit, gazlar için KG, tozlar için Kst değeridir ve patlama tahliyesi ile bastırma sistemlerinin tasarımında kullanılan patlama şiddeti göstergesidir (bkz. toz patlama parametreleri).

Gerçek tesislerde iki etki kapalı kap patlamalarını daha kötü hâle getirir. Basınç yığılması (pressure piling), bir kaptaki patlama yanmamış karışımı bağlantılı bir kaba itip ön sıkıştırma yaptığında ortaya çıkar; alev ulaştığında ikinci patlama daha yüksek bir basınçtan başlar ve normal pmax değerini aşabilir. Türbülanslı jet tutuşması, yani bir borudan ikinci kaba çıkan alev jeti, ikinci patlamayı çok daha hızlı hâle getirir. Her ikisi de bağlantılı ekipman arasında patlama yalıtımı yapılmasının nedenleridir; bu konu patlamadan korunma stratejisi yazısında ele alınır.

Kapalılık ve engel yoğunluğu: açık bir bulut ne zaman patlar

Açık alana salınan yanıcı bir bulut kapalı bir hacimde değildir, yine de büyük açık alan patlamaları yaşanır. Nedeni engel yoğunluğudur (congestion): alevin yolundaki boru hatları, kaplar, yapılar, kablo tavaları, hatta ağaçlar ve çitler.

Alev her engelin yanından geçerken, önüne ittiği yanmamış gaz akışı türbülanslı hâle gelir. Türbülans alevi kırıştırır ve gerer, yüzey alanını ve yanma hızını artırır. Daha hızlı bir alev önündeki gazı daha hızlı iter ve bu da bir sonraki engelde daha fazla türbülans yaratır. Bu geri besleme döngüsü, birkaç metrelik engelli bölge içinde alevi saniyede birkaç metreden saniyede yüzlerce metreye çıkarabilir. Alev engelli bölgeden açık alana çıktığında yeniden yavaşlar.

Kapalılık bu etkiyi artırır. Yalnızca tek yönde, bir boru veya tünel boyunca genleşebilen alev en çok hızlanır; açık deniz modülünün güverteleri ya da zemin ile çatı gibi iki yüzey arasında sınırlanmış alev daha az hızlanır; üç boyutta serbestçe genleşebilen alev en az hızlanır. Buhar bulutu patlaması aşırı basınçlarını tahmin etmeye yönelik çoklu enerji (multi-energy) ve Baker-Strehlow-Tang gibi mühendislik yöntemleri tam olarak bu parametreleri kullanır: engel yoğunluğu derecesi, kapalılık derecesi, yakıt reaktivitesi ve engelli bölgenin büyüklüğü.

İyi belgelenmiş iki İngiltere vakası bu aralığı gösterir:

• Flixborough, 1 Haziran 1974. Bir kimya tesisinde 20 inçlik bir baypas borusu yırtıldı ve büyük miktarda siklohekzan saldı; bu madde bir buhar bulutu oluşturdu ve tesis yapıları arasında patladı. Yirmi sekiz çalışan hayatını kaybetti, bunların on sekizi kontrol odasındaydı.
• Buncefield, 11 Aralık 2005. Bir benzin tankının taşırılması, deponun geniş bir alanını kaplayan ve durgun hava koşullarında patlayan bir buhar bulutu oluşturdu. Patlama mekanizmasını inceleyen danışma grubu, saha sınırındaki ağaç ve çalılık hattı boyunca yaklaşık 1 bar ve üzeri aşırı basınçlara ilişkin kanıtlar buldu; alev burada yaklaşık 400 m/s'ye ulaşmış olabilir. Grup deflagrasyon, detonasyon veya ikisinin bir birleşimini değerlendirdi ve tüm gözlemleri açıklayan tek bir senaryo belirleyemedi.

Buncefield sektörün bakış açısını değiştirdi: bir sahanın çevresindeki bitki örtüsü ve diğer "proses dışı" engeller şiddetli alev ivmelenmesine yol açabilir.

Detonasyon ve deflagrasyondan detonasyona geçiş

Detonasyonda güçlü bir şok dalgası karışımı o kadar sıkıştırır ve ısıtır ki karışım şokun hemen arkasında neredeyse anında reaksiyona girer ve açığa çıkan enerji şoku sürdürür. Cephe, yanmamış karışıma göre ses üstü hızla ilerler. Önden giderek uyarı verecek veya tahliye düzenlerini açacak bir basınç dalgası yoktur: basınç sıçraması alevle birlikte gelir.

NIOSH Lake Lynn Laboratuvarı'ndaki büyük ölçekli deneylerden elde edilen ölçüm değerleri, metan-hava detonasyonlarının hesaplanan Chapman-Jouguet değerlerine yakın olarak yaklaşık 1.500 ila 1.860 m/s hızla ilerlediğini, %10 metan civarında hesaplanan maksimum basıncın yaklaşık 1,77 MPa (17,7 bar) olduğunu gösterir. Havada %30 hidrojenle yapılan büyük ölçekli bir deneyde yaklaşık 1.980 m/s ölçülmüştür. Bir detonasyon bir duvara çarptığında yansıyan basınç bundan da önemli ölçüde yüksektir.

Detonasyonlar iki şekilde başlayabilir. Doğrudan başlatma, yüksek patlayıcı bir şarj gibi çok güçlü bir kaynak gerektirir. Endüstride olağan yol deflagrasyondan detonasyona geçiştir (DDT): bir deflagrasyon uzun bir boruda, bir tünelde veya çok yoğun engelli bir bölgede, alevin önündeki sıkışmış ve türbülanslı karışımdaki yerel patlamalar kendi kendini sürdüren bir detonasyona dönüşene kadar hızlanır. Hidrojen, asetilen ve etilen karışımları gibi daha reaktif karışımlar DDT'ye metandan çok daha yatkındır. NIOSH çalışması, yeterince büyük bir kanalda bir kez detonasyon oluştuğunda doğal gaz-hava karışımlarının hacimce yaklaşık %5,3 ile %15,5 arasında, yani yanıcılık sınırlarına yakın aralıkta detonasyonu sürdürebildiğini bulmuştur.

DDT'nin uygulamada sonuçları vardır. Uzun havalandırma ve buhar geri kazanım hatlarındaki alev tutucular, bulundukları noktada oluşabilecek alev rejimine uygun olmalıdır: ISO 16852, deflagrasyon alev tutucularını kararlı ve kararsız detonasyonlara karşı test edilmiş olanlardan ayırır. Yavaş bir deflagrasyonu durduran bir düzenek bir detonasyonla tahrip olabilir.

Aşırı basınç ve etkileri

Bir patlamanın basınç dalgası, tepe yan aşırı basıncı (side-on overpressure, dalgaya paralel bir yüzeyin hissettiği atmosfer üstü basınç), süresi ve impulsu ile tanımlanır. Dalgaya dönük bir yüzey daha yüksek olan yansıyan basınca maruz kalır. Hasar hem tepe basıncına hem de süreye bağlıdır; bu nedenle büyük bir buhar bulutundan gelen aynı tepe basıncı küçük bir şarjdan gelenden daha fazla hasar verir.

ABD Ulusal Okyanus ve Atmosfer Dairesi (NOAA), klasik bir derlemeye dayanan aşağıdaki hasar seviyelerini kullanır; kPa değerleri yuvarlatılmış dönüşümlerdir.

Tablo, tesis yerleşimi açısından temel gerçeği gösterir: insanların basıncın kendisinden çok, patlama dalgasının binalara, camlara ve ekipmana yaptıkları yüzünden ölme olasılığı çok daha yüksektir. 14 ila 21 kPa'da çöken bir kontrol odası veya ofis, içindekiler için açık alanda hayatta kalabilecekleri bir basınçta ölümcüldür. Ölenlerin çoğunun kontrol odasında olduğu Flixborough bunun klasik örneğidir.

Toz patlamaları ve ikincil patlamalar

Toz bulutları gaz karışımlarıyla aynı şekilde deflagrasyon yapar ve kapalı kaplarda benzer maksimum basınçlara ulaşır, ancak iki önemli fark vardır. Bir toz bulutu yalnızca toz havalandırıldığı sürece var olur ve çökelmiş toz patlamanın kendisi tarafından havalandırılabilir.

Tipik sıra, ekipman içinde bir birincil patlama ile başlar: bir değirmen, bir filtre, bir kovalı elevatör veya bir konveyör. Bu patlamanın basınç dalgası ve alevi ekipmandan dışarı çıkar ve kirişler, kanallar, çıkıntılar ve zeminler üzerinde duran tozu sarsarak havalandırır. Havalanan toz binada büyük bir bulut oluşturur ve basınç dalgasının arkasından gelen alev bu bulutu tutuşturur. Bu ikincil patlama ilkinden çok daha fazla yakıt içerir ve çoğunlukla odadan odaya yayılır.

Georgia eyaletinin Port Wentworth kentindeki şeker rafinerisinde 7 Şubat 2008'de yaşanan olayda ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu, ilk toz patlamasının şeker silolarının altındaki kapalı çelik bantlı konveyörde başladığını tespit etti. Bu patlama zeminlerde ve yüksek yüzeylerde birikmiş şeker tozunu havalandırdı ve binalar boyunca yeni patlamalar yaydı. On dört çalışan hayatını kaybetti, 38 kişi yaralandı. Buradan çıkan ders, temizliğin kozmetik değil bir patlamadan korunma önlemi olduğudur. Bkz. toz tabakaları ve temizlik ve toz patlamasından korunma.

BLEVE: farklı türde bir patlama

Kaynayan sıvı genleşen buhar patlaması (BLEVE), atmosferik kaynama noktasının üzerindeki bir sıvıyı içeren kabın aniden hasar görmesiyle oluşur. Basınç bir anda düşer ve sıvının büyük bir kısmı neredeyse anında buharlaşarak enerjiyi bir basınç dalgası olarak açığa çıkarır ve kap parçalarını, bazen uzun mesafelere fırlatır. Olağan neden, basınçlı bir sıvılaştırılmış gaz tankını ısıtan bir yangındır: emniyet ventili basıncı yüksek tutarken buhar boşluğundaki cidar dayanımını kaybeder ve sonunda gövde yırtılır.

BLEVE fiziksel bir patlamadır: yakıt-hava karışımı gerektirmez ve kazandaki su gibi yanıcı olmayan sıvılarla da oluşabilir. İçerik propan veya LPG gibi yanıcı olduğunda, açığa çıkan buhar ve damlacıklar tutuşarak bir ateş topu oluşturur ve bunun ışınım ısısı patlama dalgası ve parça tehlikelerine eklenir. Bu nedenle korunma ATEX önlemlerinden farklıdır: basınçlı depolama çevresinde yangının önlenmesi, su püskürtmeli soğutma, yangına karşı yalıtım, acil basınç düşürme ve doğru boyutlandırılmış emniyet ventilleri.

Sık yapılan hatalar ve yanlış kanılar

• "Açık alanda bir gaz bulutu yalnızca yanabilir." Açık ve engelsiz alanda yalnızca bir parlama yangını olabilir, ancak boru köprüleri, ekipman ve bitki örtüsü alevi hasar verici bir buhar bulutu patlamasına dönüşecek kadar hızlandırabilir.
• "Her patlama bir detonasyondur." Endüstriyel patlamaların çoğu deflagrasyondur. Bu ayrım önemlidir, çünkü patlama tahliyesi ve birçok alev tutucu deflagrasyonlara karşı çalışır, detonasyonlara karşı çalışmaz.
• "Sağlam bir bina insanları korur." Bina patlama dalgasına göre tasarlanmamışsa, yaralanmaların başlıca nedeni binanın çökmesi ve uçuşan camlardır.
• "İlk patlama bitince toz patlaması da biter." Çökelmiş tozla beslenen ikincil patlamalar çoğunlukla birincil olaydan çok daha büyüktür.
• "BLEVE yalnızca büyük bir gaz patlamasıdır." BLEVE, ani kaynamayla birlikte gerçekleşen bir kap hasarıdır; patlayıcı ortam gerektirmez ve önlenmesi yangından korunmaya ve basınç tahliyesine odaklanır.

Sık sorulan sorular

Deflagrasyon ile detonasyon arasındaki fark nedir?

Deflagrasyon, karışım içinde ısı ve kütle aktarımıyla, yanmamış gazdaki ses hızından yavaş ilerleyen bir yanma cephesidir. Detonasyon ise bir şok dalgasına bağlı olarak sesten hızlı, yakıt-hava karışımlarında yaklaşık 1.800 ila 2.000 m/s hızla ilerleyen bir reaksiyon cephesidir. Detonasyonlar çok daha yüksek ve ani basınçlar oluşturur.

Bir gaz patlaması ne kadar basınç oluşturur?

Bu, kapalılığa bağlıdır. Kapalı bir kapta stokiyometrik bir hidrokarbon-hava karışımı atmosfer basıncından başlayarak kabaca 7 ila 9 bar'a ulaşır. Açık ve engelsiz alanda aşırı basınç ihmal edilebilir düzeyde olabilirken, ekipman yoğun bir tesiste birkaç kPa'dan yerel olarak 100 kPa'nın üzerine kadar değişebilir.

Buhar bulutu patlaması nedir?

Buhar bulutu patlaması (VCE), açık alana veya bir tesisin kısmen açık bölümüne salınan yanıcı gaz veya buhar bulutunun patlamasıdır. Şiddeti esas olarak boru köprüleri, ekipman veya bitki örtüsü gibi engeller arasında alevin hızlanmasından kaynaklanır.

Hangi aşırı basınç camları kırar ve binalara hasar verir?

NOAA'nın kullandığı hasar seviyelerine göre cam tipik olarak yaklaşık 1 kPa'da (0,15 psi) kırılır, evler yaklaşık 7 kPa'da (1 psi) kısmen yıkılır, duvarlar ve çatılar ise yaklaşık 14 kPa'da (2 psi) kısmen çöker.

Bir toz bulutu detonasyon yapabilir mi?

Endüstriyel ekipman ve binalardaki toz patlamaları normalde deflagrasyondur ve patlama tahliyesi ile bastırma gibi korunma yöntemleri buna göre tasarlanır. Toz elleçlemede belirleyici tehlike detonasyon değil, bir bina boyunca birbirini izleyen birincil ve ikincil deflagrasyonlar zinciridir.

BLEVE bir buhar bulutu patlaması mıdır?

Hayır. BLEVE, kaynama noktasının üzerindeki bir sıvıyı içeren kabın aniden hasar görmesidir ve ani buharlaşan sıvı ile parçalardan kaynaklanan bir basınç dalgası oluşturur. İçerik yanıcıysa ardından bir ateş topu gelir; buhar bulutu patlaması ise ancak daha sonra bir bulut oluşup tutuşursa meydana gelebilir.

excodex'te ilgili yazılar

• Patlayıcı ortam nedir? Yangın üçgeni, patlama beşgeni ve ATEX'in var olma nedeni
• Patlamadan korunma stratejisi: ortamı önle, tutuşmayı önle, etkileri sınırla
• Toz patlama parametreleri: Kst, Pmax, St sınıfları, MIE
• Toz patlamasından korunma: tahliye, bastırma, yalıtım ve dayanıklı tasarım
• Alev sızdırmaz muhafazalar (Ex d): alev yolları iç patlamayı nasıl durdurur
• Gaz kartları: metan, propan, hidrojen; standart sayfası EN 1127-1

Standartlar ve ek kaynaklar

• EN 1127-1, patlamanın önlenmesi ve patlamadan korunma, temel kavramlar ve metodoloji
• EN 15967, gaz ve buharların maksimum patlama basıncının ve maksimum basınç artış hızının belirlenmesi; toz patlama karakteristikleri için EN 14034 serisi
• EN 14994 ve EN 14491, gaz ve toz patlama tahliyesi koruyucu sistemleri; ISO 16852, alev tutucular (deflagrasyon ve detonasyon)
• CCPS proses güvenliği sözlüğü, deflagrasyon, detonasyon ve BLEVE tanımları: aiche.org
• NOAA, ALOHA aşırı basınç kaygı seviyeleri ve hasar tablosu: response.restoration.noaa.gov
• NIOSH, Lake Lynn Laboratuvarı'nda metan-hava detonasyon deneyleri: stacks.cdc.gov
• Hydrogen Tools portalı, hidrojenin özelliklerinin diğer yakıtlarla karşılaştırılması: h2tools.org
• HSE araştırma raporu RR718, Buncefield patlama mekanizması 1. aşama: hse.gov.uk; Buncefield patlama mekanizması danışma grubu raporu: icheme.org
• HSE vaka çalışması, Flixborough 1974: hse.gov.uk
• ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu, şeker tozu patlaması ve yangını, Port Wentworth 2008: csb.gov

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.