De inkuiping voldoende sterk uitvoeren om bestand te zijn tegen de hydrostatische en hydrodynamische druk van de vrijkomende vloeistofmassa

Beschrijving

Om effectief vrijkomende vloeistoffen in te kuipen, is het van belang dat de integriteit van de inkuiping niet aangetast kan worden door de krachten die de wanden kunnen ondervinden van de stilstaande vloeistofmassa na een grote lekkage, of van de vloeistofgolf die ontstaat bij plots vrijkomen. Voor nieuwe inkuipingen kan de noodzakelijke sterkte vooraf berekend of ingeschat worden, en kan de inkuiping overeenkomstig uitgevoerd worden. Voor een bestaande inkuiping kan het niet visueel vastgesteld worden of een inkuiping bestand is tegen deze krachten. Dit wordt aangetoond met berekeningsverslagen uit het constructiedossier van de inkuiping. Indien zou blijken dat de bestaande wanden niet bestand zijn, wordt onderzocht of ze versterkt of vervangen kunnen worden. Als men niet kan vertrouwen op de inkuiping om weerstand te bieden aan een vloedgolf, is de breuk van een inkuipingswand een scenario dat te weerhouden is in de noodplanning.

Naast de drukken van de vloeistofmassa, kan de inkuiping bij een calamiteit ook impact ondervinden van eventuele brokstukken van de tank of andere uitrusting die zich in de inkuiping bevinden. In de literatuur is dit slechts beperkt beschreven, en niet gekwantificeerd. Als er echter een reëel risico is dat de impact van dergelijke brokstukken groter is dan die van de inslaande vloeistof, dient hiermee rekening gehouden te worden bij het bepalen van de sterkte.

Hieronder wordt eerst de beheersing van de hydrostatische druk door de stilstaande vloeistofmassa, en dan deze van de hydrodynamische druk door de vloeistofgolf, besproken.

Hydrostatische druk

Als de volledige tankinhoud bij een catastrofale tankbreuk vrijkomt in de inkuiping, zorgt de stilstaande vloeistof, samen met het eventueel aanwezige blusmiddel of hemelwater, door zijn hydrostatische druk voor een belasting op de wanden van de inkuiping. Het volume vloeistof dat maximaal in de inkuiping terecht kan komen, is in principe gelijk aan de beschikbare capaciteit van de inkuiping (zie 4.2). Het volume kan dus groter zijn dan de inhoud van de tank waaruit de vloeistof is vrijgekomen, omdat naast het product ook nog blusmiddel of hemelwater in de inkuiping terecht kan komen.

De belasting die de wanden ondervinden van de hydrostatische druk, hangt onder meer af van de hoogte van de vloeistof in de inkuiping, en de dichtheid van de vloeistof. Voor inkuipingen met een vlakke, horizontale vloer en een verticale wand, is de belasting het grootst onderaan de wand, en kan deze vrij eenvoudig berekend worden. Deze berekening wordt complexer als de vloer van de inkuiping niet vlak is maar afhelt, of als de wand van de inkuiping schuin is. Een wand die naar buiten toe helt, dus weg van de opslagtank (bijvoorbeeld een aarden wal), verdeelt de belasting beter, maar kan als nadeel hebben dat een vloeistofgolf er gemakkelijker overheen kan slaan (zie 4.3).

De wanden worden zo geconstrueerd dat ze op elke plaats, dus over hun gehele oppervlak, voldoende sterk zijn om bestand te zijn tegen deze hydrostatische drukken. De dikte van de wand is enerzijds afhankelijk van de berekende belasting door de stilstaande vloeistofmassa, en anderzijds van het materiaal waaruit de wand is opgetrokken (betonnen muur, aarden wal, ...). Extra aandacht is vereist voor eventuele zwakke punten in de wanden, zoals voegen, doorvoeringen, hoeken, enz.

De bestendigheid tegen deze hydrostatische krachten kan bij de bouw van een nieuwe inkuiping eventueel in praktijk getest worden door de (vloeistofdichte) inkuiping daadwerkelijk met water te vullen (zie 4.12). In het geval het opgeslagen product een grotere dichtheid heeft dan water, moet de inkuiping uiteraard op dit zwaardere product berekend zijn.

Hydrodynamische druk

De vloeistofmassa die plots vrijkomt uit de tank bij een catastrofale tankbreuk, ondervindt door zijn eigen gewicht een grote druk, die aanleiding geeft tot een krachtige vloeistofgolf. De impact van de vloeistofgolf op een inkuipingswand kan in sommige gevallen een (veel) grotere belasting vormen dan de maximale hydrostatische druk. Daarom wordt apart nagegaan of de inkuiping bestand is tegen een dergelijke golf.

De drukken die de vloeistofgolf op de inkuipingswand kunnen uitoefenen zijn zeer complex en moeilijk exact te berekenen, zeker voor tankenparken. Er zijn verschillende mogelijke scenario’s voor een (catastrofale) tankbreuk, afhankelijk van onder meer de hoogte waarop de breuk of scheur zich voordoet, de grootte van de scheur en de tijd waarop de scheur zich doorzet, de dichtheid en viscositeit van de vloeistof, enz. Het ligt niet voor de hand om te bepalen welk van deze scenario’s de krachtigste vloeistofgolf veroorzaakt (en dus worst-case is), en al zeker niet wat de maximale belasting op (een bepaalde plaats van) de inkuipingswand is. Het is wel mogelijk om voor bepaalde scenario’s door modellering een inschatting te maken van de belasting die de inkuipingswand kan ondervinden.

Bij het berekenen of inschatten van de hydrodynamische drukken (en dus de benodigde sterkte) is het van belang rekening te houden met mogelijke scenario’s van vrijkomen, die afhangen van het ontwerp van de tank en eventuele preventieve maatregelen ter hoogte van de tank. Bijvoorbeeld fiche 6 van rapport 2011/01 door GESIP beschrijft welke scenario’s mogelijk zijn afhankelijk van het type tank, en geeft een aantal maatregelen die de waarschijnlijkheid van een scenario kunnen verlagen. Zoals hierboven aangegeven, heeft ook het ontwerp van de inkuiping zelf een invloed op de hydrodynamische drukken. Daarnaast hebben eventueel voorziene inrichtingen die als doel hebben de golfslag te beperken zoals kanalen, golfbrekers, deflectors,... (zie bijlage 3) een invloed op de benodigde sterkte. Een antispatscherm (zie 4.3) kan ook een gunstige invloed hebben op de hydrodynamische drukken die op de inkuipingswand terecht kunnen komen.

Bij de aanleg van een nieuwe inkuiping kan aan de hand van numerieke stromingsleer (computational fluid dynamics) ingeschat worden welke (hydrostatische en) hydrodynamische drukken kunnen ontstaan bij een catastrofale tankbreuk of een ander realistisch scenario zodat de inkuiping kan ontworpen worden om te weerstaan aan deze drukken.

Alternatief kan men gebruik maken van vuistregels of waarden uit de literatuur om de verhouding tussen mogelijke hydrodynamische en hydrostatische drukken in te schatten. In de studies in de bijlage 3 wordt melding gemaakt van hydrodynamische drukken tot 6 keer zo groot als de hydrostatische druk. De case van Ashland Oil Company (zie 3.2.3) bevestigt dat de hydrodynamische druk vele male groter kan zijn dan de hydrostatische druk, en kan leiden tot beschadiging van tanks en gebouwen.

Sterkte van de inkuiping

De mechanische sterkte van een inkuipingswand is voornamelijk afhankelijk van het gebruikte materiaal, de dikte, de vorm, verstevigingen (vb. wapening) en de sterkte van verbindingen tussen verschillende delen. Door een juiste keuze van deze factoren kan men de wand voldoende stevig maken om de hydrodynamische en/of hydrostatische drukken op te vangen. Op sommige sites is de inkuiping deels ingegraven om de weerstand tegen de drukken te verbeteren.

Toepasbaarheid

Het aanleggen van de inkuiping opdat ze bestand is tegen zowel de hydrostatische als hydrodynamische drukken van eventueel vrijkomende vloeistof is algemeen toepasbaar voor inkuipingen.

Hoewel volgens de algemene en sectorale voorwaarden in VLAREM de inkuiping voldoende sterkte moet hebben om te weerstaan aan de vloeistofmassa die bij breuk uit de grootste in de inkuiping geplaatste houder kan ontsnappen, is het mogelijk dat bestaande inkuipingen niet voldoende sterk zijn om aan dergelijke drukken te weerstaan, voornamelijk aan de hydrodynamische drukken die een veelvoud kunnen zijn van de hydrostatische drukken. Het is mogelijk dat bij de evaluatie van de sterkte niet of onvoldoende rekening is gehouden met mogelijke hydrodynamische drukken ten gevolge van een tankbreuk.

Milieu- en veiligheidsaspecten

De kans op een catastrofale tankbreuk is zeer gering, maar de potentiële gevolgen zijn zeer groot. De beschermende werking van de inkuiping kan bijna volledig tenietgedaan worden als ze niet kan weerstaan aan de hydrostatische en hydrodynamische drukken van de vloeistofmassa bij tankbreuk, met desastreuze gevolgen voor mens en milieu. Het aanleggen van een voldoende sterke inkuiping verlaagt het risico op deze gebeurtenis drastisch.

Financiële aspecten

Het aanleggen van een voldoende sterke inkuiping gaat gepaard met een significante investeringskost. Er kan een belangrijke meerkost verbonden zijn aan het aanleggen van een inkuiping die kan weerstaan aan hydrodynamische drukken ten opzichte van een ontwerp waarbij enkel rekening wordt gehouden met mogelijke hydrostatische drukken, omdat bijvoorbeeld dikkere wanden of extra verstevigingen nodig kunnen zijn. De kosten kunnen hoger oplopen als bestaande inkuipingen niet blijken te voldoen en aangepast of verstevigd moeten worden. Door de investering worden eventuele (mogelijk hoge) kosten voor bodemsanering of schade aan omliggende terreinen of installaties in de toekomst vermeden.

Codes van goede praktijk en regelgeving

In de huidige algemene en sectorale VLAREM voorwaarden staat enkel vermeld dat de inkuiping bestand moet zijn tegen de vloeistofmassa die bij lekkage uit de grootste houder kan ontsnappen, en is niet gespecifieerd met welke mogelijke hydrodynamische druk moet rekening gehouden worden.

PGS 29

De tankput moet zo zijn geconstrueerd, dat deze de maximaal te verwachten vloeistofdruk als gevolg van catastrofaal falen van de grootste tank, kan weerstaan, daarbij rekening houdend met de belastbaarheid van de ondergrond, naburige wegen en kaden, doorvoeren, dijkdoorgangen en zettingen. Doorvoeringen moeten voldoende sterk en flexibel zijn om verwachte zettingen van leidingen en dijken op te kunnen vangen.

PGS 30 en 31

De lekbak moet voldoende sterk zijn om weerstand te kunnen bieden aan de als gevolg van een lekkage optredende vloeistofdruk en het soort vrijgekomen vloeistof. Zonodig moet de lekbak tegen verzakking zijn gefundeerd.

BRL-K903

De omwalling of wand moet voldoende sterk zijn om weerstand te kunnen bieden aan de als gevolg van een lekkage optredende vloeistofdruk. Zonodig moet de bak tegen verzakking zijn gefundeerd.

In de Franse regelgeving wordt opgelegd voor opslag van brandbare vloeistoffen dat de inkuiping moet weerstaan aan een hydrodynamische druk gelijk aan twee keer de hydrostatische druk of bepaald door een berekening op basis van een scenario van catastrofale tankbreuk rekening houdende met het ontwerp en constructie van de tank.

De richtlijn HSG 176 (VK) beschrijft dat de inkuipingswand voldoende sterk moet zijn om elke lekkage of bluswater op te vangen. Als voorbeeld wordt aangehaald dat een inkuipingswand geconstrueerd met 225 mm bakstenen of blokken (lengte) waarschijnlijk zal instorten bij een hoogte van meer dan 600 mm indien grote lekken moeten opgevangen worden. Als een hoogte boven 600 mm nodig is, is bijkomende versterking nodig, zoals het gebruik van bakstenen of blokken met grotere dikte, gewapend beton of steunberen (‘butresses’). De integriteit van de inkuipingswand kan in gevaar zijn als leidingen of andere uitrusting doorheen de inkuipingswand gaan. Als het nodig is om leidingen door de inkuipingswand te laten gaan (bijvoorbeeld naar de pomp), moet het effect op de structurele sterkte beoordeeld worden.

PSLG
Een inkuiping moet in staat zijn te weerstaan aan de volledige hydrostatische druk van de vloeistof die kan vrijkomen bij verlies van primaire omhulling (‘primary containment’).

EI 19 verwijst naar de voorwaarden uit COMAH CA Containment policy. De inkuiping moet voldoende sterk en duurzaam zijn.

Tankenpark richtlijn

De putdijk moet zo sterk en stabiel geconstrueerd zijn, dat deze de maximaal te verwachten vloeistofdruk (statisch + dynamisch) gedurende langere tijd kan weerstaan. Bij de constructie moet rekening worden gehouden met de belastbaarheid van de ondergrond, naburige wegen en kaden, doorvoeren en eventuele dijkdoorgangen en zettingen. Doorvoeringen door een putdijk moeten bestand zijn tegen de maximaal te verwachten hydrostatische en -dynamische druk. Doorvoeringen moeten voldoende sterk en flexibel zijn om verwachte zettingen van leidingen en dijken op te kunnen vangen.

FM Global 88 en NFPA 30

De wanden optrekken uit aarde, staal, beton of vast metselwerk ontworpen om te weerstaan aan de volledige hydrostatische druk door vrijkomen van de tankinhoud.

EI 19

Voldoende sterk en duurzaam, volgens COMAH CA Containment policy.

VERGELIJKING VLAREM II MET ANDERE STANDAARDEN

De tabel in bijlage ‘Vergelijking karakteristieken’ maakt de vergelijking van VLAREM met de andere standaarden. De standaarden die geen uitspraak doen over mechanische sterkte, zijn aangeduid als minder streng (rood). De standaarden die zoals VLAREM het principe van bestand te zijn tegen het vrijkomen van de vloeistofmassa (al dan niet uit de grootste houder) vermelden, zijn als identiek (groen) aangeduid. Sommige standaarden beperken zich expliciet tot de hydrostatische druk, en deze zijn aangeduid als minder streng (rood). Enkele standaarden geven een meer specifieke invulling aan de vereiste sterkte, en zijn daarom in het blauw aangeduid.

Aanbevelingen voor het standaardkader in VLAREM

• Voorstel: Algemene en sectorale voorwaarden voor mechanische sterkte uit te breiden met doelstelling van voorwaarde: De inkuiping moet bestand zijn tegen de vloeistofmassa die kan vrijkomen uit de grootste houder, zowel tegen de stilstaande vloeistofmassa in de inkuiping als tegen de vloeistofgolf die kan ontstaan bij plots vrijkomen.
  • Argumentatie: Dit is een verduidelijking ten opzichte van de huidige VLAREM voorwaarden, waarin niet expliciet wordt gesteld of de inkuiping bestand moet zijn tegen enkel de stilstaande vloeistofmassa (hydrostatische druk), of ook tegen de vloeistofgolf die kan ontstaan (hydrodynamische druk). Voor kleinere installaties kan overwogen worden dit in te vullen door een vuistregel, bijvoorbeeld twee maal de hydrostatische druk, gebaseerd op de Franse regelgeving. Deze vuistregel is echter niet volledig representatief voor de hydrodynamische drukken die kunnen ontstaan bij een vloeistofgolf. Het hydrostatisch drukprofiel is driehoekig (0 aan bovenzijde inkuiping tot sterke druk onderaan). Vermenigvuldigd maal twee is de druk bovenaan nog altijd 0, terwijl de kracht van een vloeistofgolf even goed aan de bovenzijde van een inkuiping kan inwerken. De vuistregel kan een pragmatische benadering zijn voor kleine installaties met een relatief lage inkuiping (en relatief grote afstand tussen tank en inkuiping), maar is mogelijk te streng voor inkuiping met hoge wanden, in het bijzonder cup-tanks. Bijlage 3 toont aan dat de verhouding van hydrodynamische ten opzichte van hydrostatische druk doorgaans afneemt naarmate de inkuipingswand hoger is. Voor grote inkuipingen zoals tankenparken is een berekening van geloofwaardige scenario’s op maat van de installatie aangewezen.