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Untersuchung zur Druckabhängigkeit der Anlauflänge von Detonationen in Rohrleitungen

02.12.2016

Nicht-atmosphärische Bedingungen zeigen auch ihre Auswirkungen im konstruktiven Explosionsschutz.  Die explosionstechnische Entkopplung als gängige Maßnahme des konstruktiven Explosionsschutzes wird in Rohrleitungssystemen und an Behältern eingesetzt.  Dafür kommen oft Flammendurchschlagsicherungen zum Einsatz. In Rohrleitungen kann sich eine Explosion in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen (Länge zu Durchmesser-Verhältnis der Rohrleitung, Wandrauhigkeit, Gemischzusammensetzung u.a.) von einer Deflagration zu einer Detonation entwickeln. Die Position für eine geeignete Flammendurchschlagsicherung ist daher sorgfältig zu wählen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Im Rahmen von EU-Baumusterprüfungen werden Flammendurchschlagsicherungen nur zur Verwendung unter atmosphärischen Bedingungen geprüft. Die bei Prüfungen zur Anwendung kommende aktuelle Norm, die DIN EN ISO 16852:2010, berücksichtig bereits Prüfungen bei erhöhtem Druck bis 160 kPa.

Die Anlauflänge von Gasdetonationen in einer Rohrleitung wurden in Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen Druck bzw. Dichte untersucht. Dafür wurde eine Rohrstrecke mit einem transparenten Abschnitt eingesetzt. Position und Zeitpunkt des Detonationsumschlages (deflagration-to-detonation-transition: DDT) wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die Anlauflänge wurde in einer Einzelbildanalyse bestimmt.

Für den verwendeten Versuchsaufbau wurde eine Verkürzung der Anlauflänge mit zunehmendem Druck bzw. zunehmender Dichte von -1,6% bis -2,8% für eine Druckerhöhung von 10 kPa beobachtet. Übertragen auf größere Rohrnennweiten (z.B. DN 250) ergeben sich Verkürzungen der Anlauflänge von mehreren Metern  bei einer Erhöhung des Anfangsdruckes auf 160 kPa. Ein derartiger Einfluss ist sicherheitstechnisch nicht zu vernachlässigen.

Beispielhafte Bildsequenz zum Übergang von einer Deflagration zu einer Detonation. Die Bildausschnitte sind auf die Flamme zentriert. In Bild d) ist die erste Zündung durch adiabatische Kompression vor der Flammenfront gut zu erkennen. Ab diesem Zeitpunkt breitet sich die Explosion, getrieben durch eine Stoßwelle, als Detonation aus.

Literatur

F.Stolpe, A.Zobel; Untersuchung der Druckabhängigkeit der Anlauflänge von
Detonationen in Rohrleitungen; 14. Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik, Berlin, Deutschland, 14-15, Juni, 2016, 13-20

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