Safetec Nordic: Risiko knyttet til gassutslipp under vann

1. Safetec Nordic:Risiko knyttet til gassutslipp under vann Jan Dahlsveen - www.safetec.no Petroleumstilsynets seminar - Stavanger – 15. november 2006

2. Safetec – hva gjør vi? • Safetec har siden 1984 levert konsulenttjenester innen sikkerhet, beredskap, pålitelighet og vedlikehold. • Vi arbeider for at våre kunder skal unngå tap og uønskede hendelser med negative konsekvenser for menneskeliv, helse, materielle verdier og miljøet.

3. Introduksjon • Bakgrunn – problemstilling • Eksempler fra virkeligheten – undervannsutblåsninger • Teori – gassutslipp under vann • Modell - beregninger • Vind • CFD simulering • Resultater • Case 1 – 50 kg/s • Case 2 – fullt brudd av gasseksportrørledning • Diskusjon og konklusjon

4. Gassutslipp under vann • Konsekvenser av gassutslipp under havoverflaten kan være katastrofale dersom: • Tennkilder befinner seg i nærheten • Oljeinstallasjon/ skip befinner seg i nærheten Utblåsning – Union oil Platform A Utblåsning – Snorre A (ref. Tekna Brann og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Trondheim 2005, L. Sandberg, Statoil) Utblåsning – Ref. P. D. Yapa – Clarkson univ, NY

5. Formål og basis for studiet • Presentere Safetec Nordics måte å studere gassutslipp under vann, inkludert modellering av gasspredning på havoverflaten • Benytte metoden på to case spesifisert av Ptil • Beskrive grunnleggende teori, metodikk samt resultater fra casestudiene Case: • Gassutslipp på havbunnen med både stasjonær utslippsrate på 50 kg/s og transient utslippsrate tilsvarende fullstendig brudd på Statpipe Heimdal-Draupner • Utslippene finner sted på havdybde på 70 meter og 300 meter • Det simuleres med vindhastigheter på 2, 7 og 15 m/s for alle scenariene

6. Teori Gass-utslipp under vann - beskrivelse: • Ved undervanns gasslekkasje fra et rør eller krater på havbunnen vil det dannes en jet og gassen vil stige mot havoverflaten som følge av oppdriftskrefter på grunn av tetthetsforskjell mellom gass og vann • Gassbobler trekker med seg vann i en turbulent ’bubble plume’ som danner en konisk form mot havoverflaten • Når ’plumen’ nærmer seg havoverflaten vil stømningen, som følge av overflatespenninger mellom luft og vann/gass, presses i horisontal retning

7. Teori (forts.) Utviklingen av en undervannsjet klassifiseres i følgende regioner: • Etableringsfase. Oppdrift neglisjerbar - strømningsmønsteret bestemmes kun av impulsen fra gassjeten. • Overgangsfase. Strømningen er avhengig av både impuls og oppdrift. • Etablert ’bubble plume’. Strømningen primært er avhengig av oppdriftskrefter • Nær overflate område. Radiell strømning fra plumens senter forårsaket av at massefluks av gass rett underoverflaten er større enn massefluks av gass som slippes fra overflaten ’Nær overflate området’ er tynt men dominerende ved beregning av gass-spredning videre fra havoverflaten. Fanneløp et. al., Hydrodynamics of underwater blowouts (1980)

8. Teori (forts.) Benytter Fanneløp-modellen for plume-spredning: • Størrelsen på gass-poolen som dannes ved havoverflaten er avhengig av havdybden; økt vanndybde gir større pool-diameter. • Diameteren til poolen på havoverflaten er beregnet fra følgende relasjon: D = 2 * 0.115 * Z der Z er vanndybden og 0.115 er ’entrainment’ koeffisienten • Tar ikke hensyn til strømforhold i havet Fanneløp et. al., Hydrodynamics of underwater blowouts (1980)

9. Store utslipp på på grunt vann • Ved ekstreme utslippsrater, spesielt på grunt vann, estimeres pool-diameteren på havoverflaten basert på antagelsen om en gitt vertikal gasshastighet fra havoverflaten. • Gjennomsnittlig gasshastighet midlet over hele arealet antas å være lik den vertikale stigehastigheten i senter av plumen rett under havoverflaten. • En vertikal gjennomsnittlig gasshastighet på 2 m/s er antatt for hele det transiente utslippsforløpet (Ref. [i]). • Safetec har ikke funnet informasjon eller studier som gir total diameter til gass-plume, der man inkluderer også området like under overflaten ’zone of surface flow’. • En grov antagelse er at nær havoverflaten vil gass-plumen spres utover som følge av radiell strømning og gi en pool-diameter gitt ut i fra masse-bevarelse. Ved å anta midlere gass slipphastighet lik maksimal observert gasshastighet på 2 m/s (midlet over poolen) vil man finne den effektive gass-pool diameteren. • [i] J.Milgram and R. J. Van Houten. Plumes from subsea blowouts.

10. Gass-spredning på havoverflaten Følgende hovedantagelser benyttes som input til gasspredningsberegningene: • Fanneløps modell for spredningsvinkel som gir pool-diameter på havoverflaten. • For spesielt store utslipp vil det korrigeres pool-diameter ved å anta maksimum slipphastighet fra havoverflaten • Konsentrasjon av gass på havoverflaten er antatt å være 1 over hele pool-overflaten. Dvs. at det antas at det er kun gass som trenger ut gjennom havoverflaten innen for angitt pool

11. Modell - beregninger • Gass-spredning på havoverflaten beregnes ved hjelp av CFX-10.0 (www.ansys.com/cfx). CFX blir brukt av ingeniører og forskere for beregning og vurdering av ulike dispersjon, varme og forbrenningsproblemer • Midlere vindhastighet er er avhengig av avstanden fra sjøoverflaten, z, og er ofte uttrykt ved et standard atmosfærisk grensesjikt over havoverflaten, dvs. null hastighet på havoverflaten, og vindhastighet økende med høyde: Der z0 er overflate-ruheten og u* er friksjonshastigheten. Referansehøyden, dvs. høyden der vindhastigheten er angitt i simuleringene, er 10 meter. I simuleringene er det brukt en omgivelsestemperatur på 10˚C.

12. Vind – den viktigste parameteren • Vindhastigheten endres over tid • I analyser benyttes meteorologiske data (vind- hastighet og retning) • Sannsynlighet for eksponering av brennbar gasskonsentrasjon kan estimeres Observasjoner i løpet av 7 dager Observasjoner i løpet av 9 år Observasjoner i løpet av 3 måneder

13. I simuleringene antaes: • Konstant vindhastighet gjennom hele utslippsforløpet • Konstant vindretning gjennom hele utslippsforløpet • Ved langvarige utslipp øker sannsynligheten for at vindhastigheten endres i løpet av utslippet: • Lav vindhastighet gir ofte størst sannsynlighet for å eksponere topside på oljeinstallasjoner ved utslipp rett under installasjonen

14. Simulerte Case • Stasjonært utslipp på 50 kg/s. • Transient utslipp med maksimal rate på 31822 kg/s: • For det transiente tilfellet er det valgt å simulere fra initiell lekkasjerate til og med en rate på 2500 kg/s som inntreffer etter omtrent 13 minutter og 45 sekunder. • Maksimal lekkasjerate inntreffer etter omtrent 3 sekunder.

15. Masserate – transient case Utslippsforløpet tilsvarer fullstendig brudd på Statpipe Heimdal-Draupner, beregnet med OLGA, med utstrømning fra rørene oppstrøms og nedstrøms bruddet

16. Simulerte case

17. Stasjonært utslipp – 50 kg/s • For en stasjonær lekkasjerate på 50 kg/s vil det i følge Fanneløp-modellen dannes en gass-pool på omtrent 16 meter og 70 meter i diameter for en lekkasje på henholdsvis 70 meter og 300 meter dyp. • For en gitt pool-diameteren og lekkasjerate vil en gjennomsnittlig vertikal gasshastighet fra overflaten kunne beregnes.

18. Resultater – Stasjonært 50 kg/s

19. Resultater – Stasjonært 50 kg/s

20. Transient utslipp – fullt brudd • Initielt vil lekkasjeraten være 31822 kg/s • Det vil formes en stor gassboble som strømmer mot overflaten som følge av oppdriftskrefter. • En typisk ’bubble plume’ fase, som beskrevet av Fanneløp, etableres etter dette initielle forløpet. • For å ta høyde for ekstreme utslippsrater, estimeres pool-diameteren på havoverflaten basert på antagelsen om en gitt maksimal vertikal gasshastighet fra havoverflaten. • Pool-diameteren estimeres til 160 meter, uavhengig av havdybden.

21. Resultater transient – fullt brudd

22. Oppsummering resultater

23. Konklusjon • Safetec Nordic har presentert metoden selskapet benytter når man studerer spredning av gass på og over havoverflaten som følge av undersjøiske gassutslipp. • Metoden innebærer at man tar utgangspunkt i Fanneløps plumespredningsmodell, antar at konsentrasjonen av gass innenfor pool-diameteren er 1 og at man eventuelt korrigerer pool-diameteren ved store utslipp på grunt vann ved å anta maksimal slipphastighet på 2 m/s. • Gasspredningsberegningen gjøres ved hjelp av CFD-programmet CFX-10. • Simuleringene viser at ved mindre stasjonære utslipp (50 kg/s) vil størst utstrekning inntreffe ved lav vindhastighet. I dette tilfellet vil den brennbare delen av skyen kunne bre seg 150 meter nedvinds utslippet. Tilsvarende vil maksimal høyde på brennbar sky være 40 meter for lav vindhastighet. • Simuleringene viser at ved store transiente utslipp på grunt vann, tilsvarende fullt brudd på en gasseksportledning, vil brennbar sky kunne bre seg over 1000 meter nedvinds på sjøoverflaten. Ved lave vindhastigheter vil den brennbare delen av gasskyen stige mer enn 200 meter. Størst horisontal spreding inntreffer ved høy vindhastighet (15 m/s). • Det understrekes videre at dersom det befinner seg større legemer på havoverflaten (plattformer/ båter) vil spredningsforløpet påvirkes betydelig.

24. Diskusjon • Usikkerhet knyttet til store utslipp på grunt vann: • Pool geometri – diameter og gass-stigehastighet avhengig av sonen under havoverflaten – radiell spredning • Konsentrasjonsprofil på havoverflaten – konservativt å velge C=1 • Endring i vindretning i løpet av utslippet påvirker spredningen – storskala turbulens • Strømforhold kan påvirke plume-spredning

25. ... i virkeligheten ... .. befinner det seg installasjoner på overflaten som påvirker spredningsbildet betydelig.. 75 kg/s – 2 m/s 75 kg/s – 8 m/s