弊社は、大型原油タンクの全面火災に伴う、ホットゾーンの温度と成長速度の計算、更に消火後のタンク内油温変化を計算できるシミュレーションプログラムを開発しました。これにより個々の原油蒸留カーブについて、ボイルオーバー発生の可能性と時間を予測することが可能になりました。
また消火後、タンク内に残留する油を冷却するのに要する時間を予測することができます。
火災における伝熱の特徴は油が上面から加熱されることです。そのため対流が起こりにくく熱伝導のみで燃焼面からタンクのボトムに向かって油中を熱が伝わって行くため、下方への伝熱速度が極めて遅い点にあります。
ボイルオーバー発生のメカニズムは次の通りです。
燃焼面からの輻射熱により油が過熱され蒸留が起こります。
軽い留分はガスとなり液面に浮上し燃焼され、蒸留で残った油（蒸留残渣）は熱い油となって油層に残り、ホットゾーン（Hot Zone）を形成します。
ホットゾーンと下層油の接する界面で油への加熱が継続するため、蒸留が繰り返され、時間経過とともにホットゾーンの幅（高さ）が増加していきます。
最終的にタンクボトムに溜まっている水層に触れて水が急騰して、熱い油が吹き上げられ、「ボイルオーバー」が発生します。
吹き上げられた熱油は水蒸気をたくさん含んだバーニングフロスと呼ばれ、数百メートルも飛散し、燃えた油が頭上から降り注ぐ事態すらあり得る、極めて脅威の大きい災害といえます。
バーニングフロスとは、上方に吹き飛ばされた燃焼塊のことで、油とスチームから形成されており、その合計体積はタンクの容量を遥かに超えると言われています。
さまざまな実験結果によると、ボイルオーバーは次の条件が整えば起こりうる事がわかっています。
ボイルオーバーが起こる条件
また、ボイルオーバーは原油に限らず、他の可燃性液体（純物質やガソリン、重油など）でも上記条件が整えばボイルオーバーは起こり得ます。実際に軽油や重油のボイルオーバー事故が発生しています。
一方で、軽油や重油など沸点範囲が狭い油は、燃焼面下の高温部分の範囲が狭く、温度変化も指数関数的なカーブとなります。この高温層の下方移動速度も遅く、いわゆる、燃焼速度となるので、ボイルオーバーが発生したとしても吹き上げる油の量は既に少なくなっているので危険性は低いといえます。
このシミュレーションプログラムにより様々な原油について計算した結果、右のグラフが得られました。多くの文献によるとHot Zoneの温度が低いほどその成長速度は速いと言う実験結果が得られていますが、このグラフはそれをよく説明しています。
また、ボイルオーバーが発生する最低の温度は120℃と言われていますが、このグラフによると120℃の時の成長速度は1.06 [m/hr]となり、最大成長速度を1.0 [m/hr]としている LastFireの提言と一致しています。
蒸留カーブの異なる2種類の原油について計算した結果です。火災発生からボイルオーバーが起こる時間は、原油-2の場合1.8日、原油-5の場合2.6日という計算結果が得られました。
原油-5のようにホットゾーンの温度は300℃以上となるのが普通ですが、原油-2のように最初に温度の低いホットゾーンが発生し、再度初めから繰り返し、3回目にしてようやくホットゾーンの温度が120℃を超えるようなケースもあります。
蒸留データ（原油-2）
計算条件とシミュレーション結果（原油-2）
蒸留データ（原油-5）
計算条件とシミュレーション結果（原油-5）
消火後、タンク液面上部は高温であるホットゾーンで、その下はより温度の低い120℃未満の油層となっています。油層は水層に接しており界面を形成しています。
温度の低い油層及び水層は上部の油により加熱されますが、上方向から加熱されるので各層の上部の温度が先に上がり密度が小さくなるため、対流が起きる可能性は低いです。したがって熱伝導により各層が加熱されていくことになります。熱伝導速度は対流伝熱に比べて極端に遅いため、各層の温度上昇のためには長時間を要することになります。
したがって、弊社のプログラムにおいては、油層内及び水槽内の伝熱は熱伝導によるものとして検討しました。
風速6～8m/secの時、消火後600時間（25日間）かかって、ようやく約140℃まで油温が下がる計算結果となりました。やはり大型タンクだけに、火災後タンク内に滞留する油の冷却には1ヶ月近い時間が必要であり、その間の防災対策も充分に考えておく必要があります。
タンク全周に対して連続して放水冷却した場合、消火後300時間（12.5日間）で約125℃まで冷却できるという計算結果が得られました。放水の効果は大きく、風の場合に比べて、約半分の時間で冷却できることがわかります。
ボイルオーバーが起こる前に消火に成功した場合でも、ホットゾーンは既に形成されています。ホットゾーン自体は次第に冷えてくるものの、水層に近い油層の温度は次第に上昇してきます。したがって消火後もボイルオーバーの発生の可能性は残ります。弊社のプログラムで検討した結果、大型タンクではその可能性は小さいことが分かりましたが、ドラム缶程度の小さな容器だと消火後にボイルオーバーが発生する可能性はあります。
以下のリンクよりご覧いただけます。
ボイルオーバーに至るまでのPrediction of Hot Zone Temperature and its Extension Rate Up to Boilover
Hideo Ohtani, Professor, Department of Safety Management, Yokohama National University, Japan, and Yoshiyuki Kato, CEO of Corporation FPEC ,Japan,
Abstract
Simulation program was developed to predict hot zone temperature and its extension rate for a crude oil fire in a large tank. The calculated results are summarized in this report. Authors believe that these calculated results are reliable enough for an actual size tank fire, since the calculated results can well explain why around 1 [m/h] is the maximum hot zone extension rate in an actual tank fire as reported by LASTFIRE. Possibility of boilover and required time to cool down the hot oil after extinguishment of a crude oil tank fire were also studied by using another simulation program developed separately. In case of a large tank fire, it was found that possibility of boilover occurrence after extinguishment seems too little and so long days are required to cool the hot oil.
論文の詳細は、以下のリンクよりご覧いただけます。
ボイルオーバーに至るまでの
