Influência de Reservatórios de GPL na Segurança em Cenários de Incêndios de Interface Urbano-Florestal

Abstract

Os incêndios de interface urbano florestal (IUF) frequentemente atingem habitações e fábricas causando danos no âmbito financeiro e social e, por vezes, fatalidades, como nos grandes incêndios de 2017 em Portugal e na Grécia em 2018. Nas zonas de IUF não é comum a presença de gás canalizado sendo necessário o uso de cilindros (garrafas) de GPL ou de reservatórios maiores. Desse modo, a presença de gás armazenado em zonas de IUF pode causar graves acidentes e incidentes devido à elevada quantidade de energia armazenada, sendo um perigo potencial quando há a ocorrência de incêndios florestais em zonas de IUF. Estes acidentes têm ocorrido em Portugal, Espanha, Grécia e Estados Unidos, causando principalmente o jato de fogo, explosão e o colapso de estruturas. Esta tese relata 14 acidentes e incidentes, inclusive com fatalidades, devido ao armazenamento de gás na IUF e da ocorrência de incêndios florestais. Aborda os principais problemas físicos associados com o desenvolvimento deste tipo de eventos, propondo algumas soluções para os minimizar.Para o efeito, foram feitos testes laboratoriais e de campo. Os principais tipos de cilindros de GPL foram avaliados: metálicos e compósitos; com butano ou propano; com ou sem dispositivo de alívio de pressão (PRD). A ausência de PRD evidenciou um cenário catastrófico levando o cilindro à explosão. Nos testes foram encontradas informações relevantes relativas à segurança como: tempo para a rotura, velocidade e alcance dos fragmentos lançados pela explosão, altura e largura da bola de fogo, comprimento do jato de fogo e sua respetiva radiação. Verificou-se que o estresse causado pelas altas temperaturas causa severa redução na resistência, levando o cilindro a uma pressão de rotura muito inferior à pressão de rotura dos testes hidrostáticos realizados à temperatura ambiente. Os efeitos do jato de fogo e do BLEVE foram avaliados e comparados com métodos de estimativa disponíveis na literatura. Para o BLEVE, foram feitas simulações usando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) através do ANSYS FLUENT, em duas e três dimensões, para um sistema com duas fases (líquido-gás), a fim de estimar o aumento de pressão do reservatório à medida que era aquecido. Para o jato de fogo as simulações foram feitas em três dimensões para estimar o seu comprimento e a respetiva radiação térmica incidente em alvos a diferentes distâncias. Os resultados das simulações foram comparados com os resultados experimentais e apresentaram bom ajuste com os valores reais.Além disso, com o objetivo de manter o reservatório de GPL em segurança caso ocorra um incêndio na vizinhança, dois dispositivos de proteção dos reservatórios foram testados. O primeiro dispositivo (PD1) teve uma manta como material de proteção. No segundo (PD2) foram usadas placas cerâmicas. Ambos os dispositivos foram capazes de bloquear um alto percentual do fluxo de calor que alcançaria o reservatório. Contudo, PD1 mostrou-se como melhor solução devido ao menor custo, melhor ergonomia e montagem mais fácil.Por fim, recomendações de segurança são feitas a fim de mitigar e evitar futuros acidentes e fatalidades.

The wildland-urban interface (WUI) fires often reach houses and facilities causing financial damages and fatalities, which happened during the large wildfires in Portugal (2017) and Greece (2018). As the majority of rural and WUI areas do not have piped gas, reservoirs like cylinders and tanks are used to store LPG. Thus, when a wildfire occurs nearby, the cylinders and tanks become a hazard for the people because of the large amount of energy stored, as they can trigger events such as major accidents and incidents. These events have occurred in Portugal, Greece, Spain and the USA causing jet fires, explosion and structure collapses. This thesis describes 14 accidents and incidents related to gas stored at WUI that happened during WUI fires, some of them with fatalities or structure collapse. The thesis approaches the issues related to hazard effects and suggests mitigation measures.For this reason, field and laboratory test were carried out. The main types of LPG cylinders widely traded in Portugal were tested: steel cylinders and composite cylinders, filled with butane or propane; with or without a pressure relief device (PRD). The absence of a PRD revealed a catastrophic scenario, leading to a cylinder burst. Important hazard information was obtained with the test, for instance: time to failure, velocity and reach of fragments projected by the cylinder´s burst, height and size of fireball, length of jet fire and its incident radiation on targets at different distances. The tests have shown that a high temperature significantly decreases the cylinder resistance, causing a much lower burst pressure when compared to the burst pressure found in hydrostatic tests.The jet fire and BLEVE effects were assessed and compared to predictive methods available in the literature. For the pressure increment due to thermal radiation incident on the reservoir, simulations were also performed using computational fluid dynamics (CFD) through ANSYS FLUENT in two and three dimensions for a two-phase (liquid-gas) system to estimate the reservoir pressure increase as it was heated. For the jet fire, simulations were performed in three dimensions to estimate its length and the respective thermal radiation incident on targets at different distances. These findings were compared to experimental data and showed a good agreement.In addition, two protective devices for gas cylinders were tested. The first protective device (PD1) was built using a fabric. The second (PD2), ceramic plates were used. Both devices could block a significant percentage of heat flux that would reach the cylinder. However, PD1 became a better solution due to being cheaper, ergonomic and easier to assemble. In conclusion, several recommendations were made to mitigate or avoid further accidents and fatalities.