ボイルオーバー

ボイルオーバー（または沸騰オーバー）は、プール火災（上部開放型タンク火災など）の下の水層が沸騰し始め、火災の勢いが著しく増し、燃えている液体が周囲に激しく噴出する極めて危険な現象である。^{[1] [2]ボイルオーバーは、液体の流体が}沸点の十分に異なる異なる化学物質の混合物である場合にのみ発生するが、いわゆる薄層 ボイルオーバー（はるかに危険性の低い現象）は、水と混ざらないあらゆる液体燃料で発生する可能性がある。原油、灯油、一部のディーゼル油は、ボイルオーバーを引き起こす燃料の例である。

工業規模でのボイルオーバーは稀ですが、工場に重大な損害をもたらす可能性があります。この現象は突然発生し、予測が難しいため、特にその場から立ち去らなかった消防士や傍観者の間で死亡事故が発生することがあります。

スロップオーバーとフロスオーバーはボイルオーバーに似た現象ですが、ボイルオーバーとは異なります。スロップオーバーは、液体プールの火災に水を注いだときに発生します。チップパンの火災に水をかけたときのように、火が小さい場合は、燃えている液体が突然噴き出すとともに炎がかなり大きくなります。フロスオーバーは、粘性燃料の層の下に水の層があり、その層が燃えていなくても、水の沸点よりも高温になっている場合に発生する状況です。

ボイルオーバーの激しさは、水が液体から蒸気に膨張することによるもので、その膨張率は 1500 倍以上です。^[3]実際の貯蔵シナリオでは、燃焼流体の下に水が存在するのは、プラント運転中の誤った蓄積 (例: タンク天井の継ぎ目からの雨水、供給元からの規格外の製品、油槽所からの残留水、湿気による結露) や、水による消火の試みの結果である場合があります。^[4]最終的にボイルオーバーにつながる可能性のあるタンク火災の典型的なシナリオは、最初の限定された爆発がタンク天井を吹き飛ばすことです。^[5]

純粋な化学物質はボイルオーバーを起こしにくい。ボイルオーバーを起こすには、その物質が十分に異なる沸点を持つ物質の混合物でなければならない。原油や、灯油や一部のディーゼル油などの一部の市販の炭化水素混合物は、そのような物質の例である。^[2]これらは製油所、タンクファーム、発電所などの大きな常圧タンクに貯蔵されるため、ボイルオーバーはプロセス安全性の観点から注意を要する危険である。^{[6] [7]}プール火災の間、燃料の蒸留プロセスが起こる。対流流体の動きにより、軽い成分と重い成分が分離する。ホットゾーンまたはヒートウェーブと呼ばれる中間燃料層が形成され、高沸点物質が次第に多くなる。その温度と厚さは次第に増加する。その下界は、火災による燃料の全体的なレベルの低下よりも速い速度で、燃料と水の界面に向かって下方に移動する。その結果、ホットゾーンが水層に達したとき、水の上には未燃焼の燃料がまだかなり残っている可能性があります。水がホットゾーンに接触すると、いくらかの蒸気が形成されます。その結果生じる乱流により、水が熱い燃料に混ざりやすくなります。これにより、水が急速に蒸発する可能性があります。蒸気泡の急激な膨張により、その上にある燃料の大部分が押し出され、燃える液体が激しく溢れ出します。^[5]これらの状況では、水が過熱される可能性があり、その場合、水の一部は蒸気の均一な核生成を伴う爆発的な沸騰を経験します。これが起こると、膨張の急激さにより、燃える燃料の排出がさらに促進されます。^{[8] [9] [10]}ホットゾーンの一般的な速度は毎時0.3〜0.5メートル（毎時1.0〜1.7フィート）ですが、毎時1.2メートル（毎時4.0フィート）までの速度が記録されています。^[11]

燃料の下に水層が存在することの他に、ホットゾーンのボイルオーバーが発生するには、以下の条件が満たされている必要があります。

• ホットゾーンを含む燃料の上部層は、沸騰温度またはそれに近い温度であるため、燃料の沸点が十分に高く、ホットゾーンの温度が水の沸騰温度よりも高くなることが必要である。水面上の燃料の静水頭の影響と、ホットゾーンの組成が最初の燃料の組成と異なるという事実の両方を考慮する必要がある。一般に、燃料の平均沸点（下限沸点と上限沸点の幾何平均として計算され、混合物がそれぞれ沸騰し始める温度と完全に蒸発する温度）が120℃（248℉）より高い場合、ボイルオーバーが発生する可能性がある。^[11]$${\displaystyle {\bar {T}}_{\text{沸騰}}={{({T}_{\text{沸騰,最小}}\ {T}_{\text{沸騰,最大}})}^{0.5}}>{\text{120 °C}}}$$
• 前述のように、燃料混合物の組成は十分に変化させる必要がある。T _burn,maxとT burn _,minと燃料-水界面における水の沸点の差は60℃（108℉）以上でなければならないことが観察されている：^[12]一部の情報源によると、沸点の上限は149℃（300℉）以上でなければならないとされている：^{[13] [14]}$${\displaystyle {{T}_{\text{boil,max}}-\max {({T}_{\text{boil,min}},{{T}_{\text{boil,water}}})}}>{\text{60 °C}}}$$$${\displaystyle {{T}_{\text{沸騰、最大}}}>{\text{149 °C}}}$$
• 燃料の粘度は、蒸気泡の上方への動きに対抗できるほど十分に高くなければならない。さもないと、蒸気泡は燃料タンクから噴出せずに燃料の中を流れてしまう可能性がある。^{[4]また、粘度が低いと、}自然対流が効率化されるため、安定した重質成分のホットゾーンの形成が難しくなる可能性がある。そのため、ガソリン（動粘度≈ 0.37  cSt ）のプール火災の実験では、ボイルオーバーは発生しないことがわかっている。^[15]一般に、燃料の動粘度は、灯油の粘度である0.73 cSt以上でなければならない。^[11]

ホットゾーンのボイルオーバーによってもたらされる危険は、いくつかの理由で重大である。工業規模では、炭化水素タンクには数十万バレルもの液体が入っていることがある。したがって、ボイルオーバーが発生すると、タンクから噴出する燃える液体の量は膨大になることがある。^{[16] [17]}噴出した燃える液体は時速32キロメートル（20マイル）^{[14]の速度で移動し、二次防火}堤の制限をはるかに超える距離に達することがあり、その距離は数百メートル、風下ではタンク直径の10倍程度になることが多い。^{[16] [17]}しかし、防火堤は火災の拡大を抑える重要な手段であることに変わりはない。^[18]さらに、ボイルオーバーの発生は予測できない場合があり、発生までの時間や、発生するかどうか（タンク底に水があるかどうかは不明な場合がある）の両方において予測できないため、消火に当たって介入した消防士への影響は致命的となる可能性がある。場合によっては、ただ傍観していた人が火災に巻き込まれて亡くなった。^[16]

比較的安定しているように見えるタンク火災でも、タコア災害で起きたように、火災発生から数時間後に大規模なボイルオーバーに突入することがある。^[19]燃料の下の水層がもたらす危険性を認識していないことが、人的・物的損失の点で、ボイルオーバー事故の余波に大きく寄与している。ボイルオーバー発生までの時間の不確実性は、消防活動をさらに複雑にする予測不可能性をもたらす。^{[20] [21]}ボイルオーバーの数学的モデルが開発され、ボイルオーバー開始に必要な時間などを予測している。^[22]

標準的な、またはホットゾーンのボイルオーバーが発生した注目すべき事故をいくつか以下に挙げます。

• 1968年1月20日、シェル製油所、ペルニス、オランダ – 水エマルジョンと高温の原油が混ざり、泡立ち、蒸気が放出され、沸騰が起こった。火災は30エーカー（120,000 m ²）に広がり、いくつかの製油所ユニットと80のタンクが破壊された。^[23]
• 1971年6月26日、ポーランド、チェコヴィツェ・ジェジツェ石油精製所 – 直径33メートル（108フィート）の原油タンクに落雷があり、屋根が崩落し、上部が開いたタンクが火災に見舞われた。長時間の消火活動と火力の低下の後、ボイルオーバーが発生し、炎上する液体が250メートル（820フィート）先まで噴出した。近くのタンクは内部の可燃性蒸気の引火により爆発し、33人が死亡した。^[24]
• 1982年12月19日、ベネズエラ、バルガス州タコアのリカルド・スロアガ火力発電所–タコアの災害では、燃料油タンクから大規模な沸騰が発生し、消火活動に関与していなかったジャーナリストや傍観者を含む150人以上が死亡した。これは世界で発生した最悪のタンク火災である。^[19]
• 1983年8月30日、アモコ石油精製所、ミルフォード・ヘブン、ウェールズ – 原油貯蔵タンクで開放式タンク火災が発生。46,000トン以上の原油が入った貯蔵タンクは炎上し、何度もボイルオーバーを起こし、4エーカー（16,000平方^メートル）の防油堤に火が広がった。しかし、火はそれ以上燃え広がらなかった。消火には合計150人の消防士と120台の消防車が必要だった。2日間の火災で6人の消防士が負傷したが、死者は出なかった。^[25]

薄層ボイルオーバー^[a]は、次の2つの状況のいずれかで発生します。

• 燃料層が薄い場合、例えば濡れた表面に燃料がこぼれた場合など。この場合、沸騰開始時間は非常に短く、通常は約1分です。^[27]
• 燃料層の厚さに関係なく、蒸留が起こらず熱波が形成されない場合。このような状況では、ボイルオーバーが発生するには、燃料のより温かい上層が燃料と水の界面に到達するまで燃料が燃焼する必要があります。^{[26] [28] [29]}

薄層ボイルオーバーでは、ボイルオーバーが始まると炎の大きさが増し、特徴的なパチパチという音が発生します。^[27]しかし、燃料の残量が少ないため、この現象は標準的なボイルオーバーよりもはるかに危険性が低いです。^[要出典]薄層ボイルオーバーの研究は、水上で流出した油の現場での燃焼という観点から興味深いものです。 ^[30]

スロップオーバーはボイルオーバーと似た現象だが、ボイルオーバーとは異なる。プール火災発生中に燃料に水が注がれたときに発生する。火災が小さければ、水が火や燃えている液体の下層（それ自体は燃えていないが、水の沸点よりも高温の場合がある）と接触して瞬時に沸騰し、炎を特に上方向に広げる可能性がある。^{[2] [31]}

工業規模のタンク火災では、水をかけても目立った効果はないが^[2]、タンクの底に沈んだ水が後のボイルオーバーの原因となることがある。^[32]しかし、小規模な場合、スロップオーバーは重大な危険をもたらす。例えば、フライドポテトや調理油の火災を水で消火しようとすると、スロップオーバーが発生し、人が負傷したり、キッチンに火が広がる可能性がある。^[33] 中秋節のお祝いの際には、ろうそくのろうを沸騰させて水をかける娯楽が習慣化しており、深刻な火傷事故も発生している。 ^[34]

フロスオーバーは、燃えていない粘性油の層の下に水の層があり、その温度が水の沸点より高い場合に発生します。^[31]一例として、水を入れたタンク車に熱いアスファルトを積み込むことが挙げられます。最初は何も起こらないかもしれませんが、水は最終的に過熱し、その後激しく沸騰し始め、溢れることになります。^[2]

水は一般に液体火災の消火には不向きである。ボイルオーバーやスロップオーバーの場合、燃料は一般に水より軽い。工業規模では、これは開放型タンク火災に散布された水がタンクの底に沈み、後の段階でボイルオーバーを引き起こす可能性があることを意味する。小規模/家庭規模では、水が燃料を通って下方に流れ落ちると仮定すると、水を使用すると容器の内容物があふれ、火災が広がる可能性がある。水が底に効率的に沈まない場合は、激しいスロップオーバーが発生する可能性がある。このため、水は消火剤として非効率的であり、潜在的に非常に危険である。^[32]

大型タンクのホットゾーンボイルオーバーは比較的まれな事象であるが、非常に大きな混乱を引き起こす可能性がある。そのため、予防と制御が極めて重要である。^[17]

ボイルオーバーは、タンク底の水を定期的に点検し、排水することで防止できます。^[14]

プラントのレイアウトの観点からは、隣接するタンクへの拡散を防ぐために、タンク間の距離はタンク直径の5倍以上である必要があります。ほとんどの場合、そのような配置を設計することは現実的ではありません。^[17]

上部が開放された原油タンクの火災は、 10～12 L/(分×m ² )の 泡消火剤を使用して消火できる。しかし、これらの量がボイルオーバーの可能性を最小限に抑えるのに十分かどうかは明らかではない。特に、タンク火災の発生からかなり時間が経ってから泡消火が開始される場合にはなおさらである。泡消火は着火から2～4時間以内に開始すべきであると提案されている。^[35]

ボイルオーバー時の熱放射は、その前のプール火災時よりもかなり高くなります。この事象は短時間で起こりますが、通常6.3kW/m2の熱放射に耐えられる緊急対応活動を^安全に遂行することはできないため、作業は安全な距離から行う必要があります。^[17]

タンク火災におけるボイルオーバーの発生確率と発生までの時間を評価する方法はいくつかある。蒸留曲線と燃料の特性から、上記のような数式を用いて事前に推定することができる。しかし、この方法では、タンク底の水層の深さを知る必要がある。さらに、水面上に水と燃料のエマルジョン層が存在する可能性は考慮されていない。ホットゾーンの進行は、タンク壁に垂直の帯状の膨張性塗料を塗布するか、壁にウォータージェットを当ててどの高さで沸騰が始まるかを評価することで監視できる。サーモグラフィーカメラや高温計の使用も提案されている。しかし、水または水と燃料のエマルジョン層の存在と深さに関する不確実性は残り、ボイルオーバーの発生の予測不可能性を完全に払拭することはできない。^{[20] [21]}タンクから製品を排出すれば、ボイルオーバーの影響を受ける液体が少なくなるため、事故による影響を軽減できる可能性がある。しかし、生成物を排出することで、沸騰開始までの時間を短縮できる可能性もある。^[36]

• 水蒸気噴火は火山噴火における同様の概念です。

• ウィキメディア・コモンズのチップパン火災に関連するメディア