Hydrogenjetbrann og passiv brannbeskyttelse

En hydrogenjetbrann oppstår når hydrogen strømmer ut under trykk og brenner som en rettet stråle. Et rør, en ventil eller annet utstyr som treffes, utsettes både for kraftig oppvarming og for en gasstrøm som kan slite på brannbeskyttelsen. Dette er en annen belastning enn bare å stå i nærheten av en flamme.

Passiv brannbeskyttelse omtales ofte som PFP, fra «passive fire protection». Her betyr det et beskyttende sjikt på utstyret, som skal forsinke oppvarmingen av stålet. Det er ikke personlig verneutstyr, og det stanser ikke selve hydrogenlekkasjen.

Norske jetbrannforsøk i SH2IFT-2 gir et konkret innblikk i hvordan beskyttelsen kan brytes ned. Forsøkene er særlig relevante for høytrykksanlegg og for objektkunnskap om hydrogeninstallasjoner. De undersøkte små stålrør og belegg, ikke kjøretøytankers bruddstyrke eller hvor lenge et røykdykkerlag kan arbeide ved en hydrogenbrann.

Hva ble faktisk prøvd?

Hydrogen i gassform ble sluppet ut fra et høytrykkslager og antent. Strålen traff et prøverør med omtrent 60 mm utvendig diameter. Bak røret var det en isolert, delvis omsluttende konstruksjon som påvirket flammen og varmetilbakeføringen. Oppsettet var derfor mer bestemt enn en fri jet i åpent terreng.

Ved 250-bar-forsøkene med beskyttelse var trykket nokså stabilt i omtrent de første 14 minuttene. Deretter falt det. Ved 855 bar falt trykket gjennom utslippet. Et forsøk som varer lenge, gir dermed ikke nødvendigvis samme belastning fra første til siste minutt.

Programmet omfattet elleve forsøk: tre brannforsøk på ubeskyttet rør, to korte forsøk med et eget måleoppsett og seks brannforsøk på beskyttet rør. To beskyttelsestyper ble undersøkt, med endringer i blant annet påføring og oppbygning mellom variantene. De omtales som PFP1 og PFP2. Navnene er forsøksbetegnelser, ikke generelle materialklasser.

En lite synlig flamme kan gi kraftig oppvarming

Ved 250 bar var hydrogenflammen i stor grad usynlig i vanlig kamera. Varmeflimmer og lyd var tydeligere tegn. Enkelte belegg gjorde flammen mer synlig mens materialet reagerte og glødet. Ved det kraftigere utslippet var deler av flammen synlige i begynnelsen, men synligheten endret seg underveis.

Derfor blir både «hydrogenflammer er alltid usynlige» og «nå ser vi ingen flamme, så brannen har slukket» upålitelige regler. Det som er synlig, avhenger også av partikler og materialer som trekkes inn i flammen.

Strålen endret dessuten retning da den traff prøverøret og konstruksjonen rundt. Flammer gikk til sidene, oppover og tilbake mot utslippssiden. En tegnet pil fra en ventil viser ikke nødvendigvis hele området som kan bli påvirket når strålen treffer noe. Forsøkenes flammeutbredelse gir likevel ingen ferdig sikkerhetsavstand for et annet anlegg.

Hva betyr «svikttid» i resultatene?

I disse forsøkene var kriteriet en temperaturøkning på 405 °C ved et målepunkt i stålrøret. Det bygget på en valgt økning på 400 °C, med ytterligere 5 °C for å fastslå at nivået var passert. Det var altså en økning fra starttemperaturen, ikke en absolutt rørtemperatur på 405 °C.

Tiden til dette kriteriet er ikke det samme som tid til at røret revner. Forsøkene fastsetter heller ikke når en hydrogentank vil briste, når en konstruksjon mister bæreevnen, eller hvor lenge personell kan oppholde seg i området. Slike hendelser avhenger av andre egenskaper og belastninger som ikke ble prøvd her.

Det ubeskyttede røret i 855-bar-forsøket nådde også kriteriet lokalt etter omtrent ti sekunder. Dette betyr ikke at de to brannscenarioene var like. Ved 855 bar nådde alle de tolv målepunktene kriteriet innen 48 sekunder. Ved 250 bar brukte enkelte punkter over tre minutter. Den kraftigere strålen påvirket en større del av prøverøret raskt, selv om det første målepunktet ga nokså lik tid.

Beskyttelsen forsinket oppvarmingen betydelig sammenlignet med bart stål. Samtidig viser forskjellen mellom gjentakelser hvor forsiktig en skal være med å gjøre ett enkelt forsøksresultat til en presis tidsangivelse for et helt produkt.

Beskyttelsen kan sitte igjen etter at temperaturkravet er passert

PFP1 reagerte først med gløding og avskalling fra overflaten. Senere oppstod sprekker, og deler av beskyttelsen kunne løsne. I ett forsøk var en tydelig sprekk synlig etter omtrent 20 minutter, mens en større del falt av etter rundt 22 minutter. Tap av sammenheng eller feste kunne gi raskere temperaturstigning i stålet.

PFP2A fikk tidlige sprekker og delvis sammenbrudd. Varianten PFP2B var endret i både påføring, armering og herding, og forsinket oppvarmingen lenger. Dette dokumenterer forskjell mellom de prøvde utførelsene. Det isolerer ikke effekten av én enkelt endring, som mengden armeringsfiber.

I PFP2B var det fortsatt et beskyttende forkullet sjikt på røret lenge etter at temperaturkriteriet var passert. Kriteriet ble nådd etter omtrent 9,5 minutter, mens sjiktet fortsatt var til stede fram mot omtrent 28 minutter. Et belegg som ser ut til å sitte på plass, er derfor ikke i seg selv dokumentasjon på at temperaturen i stålet holdes under den prosjekterte grensen.

For brannvesenet er dette nyttig ved orientering og etterkontroll: Beskriv hva som er observert, som avskalling, sprekker eller bortfalt materiale. Unngå å erklære restbeskyttelsen tilstrekkelig ut fra utseendet alene.

Hvorfor en propanprøving ikke automatisk besvarer hydrogenspørsmålet

To av beskyttelsesvariantene hadde sammenligningsdata fra propanjetbrannprøving etter ISO 22899-1. Rapporten korrigerte for forskjeller i blant annet rørvegg og geometrien som påvirker oppvarmingen.

For PFP2A var sammenligningstiden omtrent 14 minutter i propanprøvingen, mot omtrent 4,25 minutter i det aktuelle hydrogenforsøket. For PFP2B var tidene omtrent 21 og 9,5 minutter. Begge sammenligningene gjaldt den valgte temperaturøkningen, ikke tid til mekanisk brudd.

En mulig forklaring er hvor de sterkeste belastningene treffer. I hydrogenoppsettet traff både kraftig oppvarming og den direkte strømningspåvirkningen samme område foran på røret. I propanprøvingen var varmetilbakeføring og flammer bak røret viktige for den varmeste sonen. En beskyttelse kan dermed møte en annen kombinasjon av varme og materialslitasje, selv om begge forsøk kalles jetbrannprøving.

Tallene gir ingen generell omregningsfaktor mellom propan og hydrogen. De viser heller ikke at all passiv brannbeskyttelse er uegnet. Beleggtykkelsen var med hensikt valgt så nedbrytingen kunne observeres innen tilgjengelig forsøkstid. Dette var ikke en undersøkelse av produktenes maksimalt oppnåelige beskyttelsestid.

ISO 22899-1:2021 gjelder prøving under definerte jetbrannforhold. ISO 22899-3:2025 omhandler utvidet prøving, blant annet ved høy varmebelastning. En henvisning til en av standardene må leses sammen med hva som faktisk er prøvd og dokumentert. Den er ikke alene dokumentasjon på at enhver hydrogenlekkasje, installasjon eller skadehistorikk er dekket.

Målingene har praktiske begrensninger

Temperatur, varmefluks og gassmengde er ulike størrelser. Rapporten illustrerer flere grunner til ikke å bruke et stort tall løsrevet fra målemetoden:

• En temperaturregistrering nådde målesystemets grense på 1367 °C. Det er en begrensning i registreringen, ikke et bevist maksimum for hydrogenflammen.
• De høyeste lokale varmefluksene mot bart stål ble beregnet fra den første temperaturstigningen i røret. De var rundt 1,3 og 1,9 MW/m² i de to scenarioene. Dette var korte, lokale estimater, ikke direkte målt og jevn belastning over hele røret gjennom brannen.
• Enkelte separate varmefluksmålere ble overbelastet eller fikk problemer med kjøling og innfesting. Resultater utenfor kalibreringsområdet egner seg dårlig som presise dimensjonerende tall.
• Måleren for hydrogenets massestrøm sviktet tidlig i forsøksprogrammet. Utslippsratene måtte derfor anslås med beregninger og modellering. De skal ikke omtales som direkte målte gassmengder.

Når et rør varmes opp, blir temperaturforskjellen mellom flamme og rør mindre, samtidig som det varme røret avgir mer stråling. Netto varmeopptak kan derfor avta uten at lekkasjen er stanset. En endring i temperaturkurven gir ikke alene svaret på hva som har skjedd ved utslippsstedet.

Bruk kunnskapen i objektarbeid, innsats og vedlikehold

Det viktigste er å vite hvilken funksjon beskyttelsen skal ivareta på det konkrete anlegget. Skal den forsinke oppvarming av en bærende del, beskytte en ventil eller hindre at en nabokomponent svikter før anlegget er isolert? Dette gir forskjellige spørsmål til eier og anleggets fagpersonell.

Dette er en praktisk anvendelse av funnene, ikke en ferdig taktikk som er utprøvd gjennom forskningsprogrammet. Tiltak må bygge på hendelsen, risikovurderingen, innsatsplanen og anleggsspesifikke opplysninger. Forsøkenes minutter og meter kan ikke brukes som garanti for når det er trygt å nærme seg.

Norske krav til farlig stoff legger vekt på dokumentert kompetanse, kontroll, vedlikehold og risikovurdering. DSB angir ikke én generell sikkerhetsavstand som dekker alle hydrogenanlegg. Eierens dokumentasjon og lokale forhold må derfor være kjent, og en planlagt anleggsavstand må ikke forveksles med en ferdig innsatsavstand ved enhver lekkasje.

I vedlikeholdet bør beskyttelsen behandles som et komplett system. Påføringsmåte, underlag, sjikttykkelse, armering og herding inngår i utførelsen. En improvisert lapping kan se hel ut uten å ha samme egenskaper. Skader og varmeeksponering må vurderes av relevant fagpersonell etter den aktuelle dokumentasjonen.

En nyttig øvelse er å følge én tenkt lekkasje fra lager til mulig treffpunkt: Hvilket utstyr blir belastet først? Hva kan stenges? Hvilket restvolum finnes etter avstenging? Hvordan skal observasjoner av belegg og flamme rapporteres uten å påstå mer enn det som faktisk kan ses eller måles?

Les videre

• Hydrogenkjøretøy – brann og lekkasje
• Gasslekkasjer
• Gassmåling