Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов тушения пожаров сооружений с нефтепродуктами 12
1.1. Пожары нефти и нефтепродуктов в резервуарах 12
1.2. Способы тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах ... 15
1.3. Анализ процесса тушения нефтепродуктов пеной 26
1.4. Специфика получения огнетушащих пен 29
ГЛАВА 2. Методики исследований противопожарных пен и водных пленок 35
2.1. Методика определения изолирующей способности пены и водной пленки на поверхности углеводорода 35
2.2. Методика определения удельной скорости контактного разрушения пены на основе углеводородных ПАВ при взаимодействии с углеводородам 38
2.3. Методика определения скорости растекания водных пленок по по- 40 верхности нефтепродуктов
2.4. Методика определения времени тушения горючей жидкости подачей пены в слой нефтепродукта 41
2.5. Методика определения времени тушения н-гептана пеной средней кратности 43
2.6. Методика определения поверхностного и межфазного натяжения водных растворов пенообразователей 45
2.7. Методика определения устойчивости пены к синерезису 47
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований огнетушащей эффективности пен с различной структурой коэфициента растекания водных растворов ... 50
3.1. Огнетушащая эффективности пен с положительным коэффициентом растекания водного раствора по углеводороду 51
3.1.1. Тушение пламени нефтепродуктов пеной, имеющей положительный коэффициент растекания водных растворов по углеводороду, пода чей на горящую поверхность и в основание резервуара 63
3.1.2. Формирование водных пленок растворов пенообразователей с положительным коэффициентом растекания водного раствора на поверхности нефтепродуктов 75
3.1.3. Влияние кратности пены с положительным коэффициентом растекания водного раствора по горючему на оптимальную интенсивность и минимальный удельный расход пенообразователя 81
3.2. Огнетушащая эффективности пен с переменным коэффициентом растекания углеводорода по водному раствору пенообразователя 83
3.2.1. Испытание огнетушащей эффективности пены, полученной из водных растворов с переменным коэффициентом растекании углеводорода по раствору пенообразователя 91
3.2.2. Влияние времени свободного горения на огнетушащую эффективность пен с различным коэффициентом растекания 98
3.2.3. Влияние высоты подачи пены с различным коэффициентом растекания на время тушения нефтепродуктов 104
3.3. Огнетушащая эффективность пен с положительным коэффициентом растекания углеводорода по водному раствору пенообразователя 107
3.3.1. Влияние карбамида на огнетушащую эффективность пены с положительным коэффициентом растекания углеводорода по водному раствору пенообразователя 115
3.3.2. Классификация пенообразователей для тушения пожаров нефтепродуктов по структуре коэффициента растекания 118
4. Анализ результатов экспериментальных исследований 127
4.1 Анализ технологии подслойного тушения пожара нефти и нефте продуктов в резервуарах 127
4.2 Повышение противопожарной защиты резервуаров с понтоном или плавающей крышей 131
Заключение 135
Список литературы
- Способы тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах
- Методика определения скорости растекания водных пленок по по- 40 верхности нефтепродуктов
- Тушение пламени нефтепродуктов пеной, имеющей положительный коэффициент растекания водных растворов по углеводороду, пода чей на горящую поверхность и в основание резервуара
- Повышение противопожарной защиты резервуаров с понтоном или плавающей крышей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для противопожарной защиты резервуаров с нефтью, относящих к объектам капитального строительства складского назначения, обычно используются системы пенного пожаротушения с применением пенообразователей различной природы.
Несмотря на внедрение новых способов тушения и появление на рынке новых марок пенообразователей, тушение пожаров нефтепродуктов в резервуарном парке остается большой проблемой, поскольку огонь на таких объектах быстро прогрессирует и приобретает катастрофический характер, охватывая соседние резервуары нефтехранилища.
Учитывая, что химический состав и соотношение компонентов в пенообразователях, как правило, неизвестны, то наиболее надежным показателем, характеризующим природу и эффективность, являются физические параметры водных растворов. Под физическими параметрами рассматривается комплекс, включающий в себя коэффициенты растекания в системе пена-углеводород, величины поверхностных и межфазного натяжений, а также поверхностную активность на границе с воздухом и нефтепродуктом.
В связи с этим актуальной является задача повышения противопожарной защиты резервуаров с нефтью, а также выявление и обоснование оптимальных режимов применения систем пенного пожаротушения, реализация которых возможна при установлении четких взаимосвязей огнетушащей эффективности пены и структуры коэффициента растекания водных растворов пенообразователей в системе пена-углеводород.
Степень разработанности темы. Наибольший вклад в исследование и развитие систем тушения пожаров пенами внесли Шароварников А.Ф., Петров И.И., Реутт В.Ч., Воевода С.С., Молчанов В.П., Корольченко Д.А. Проведенные ими научно-исследовательские работы направлены на разработку новых способов и механизмов тушения пожаров пеной. Фторсинтетические пенообразователи, позволяющие детально исследовать комплекс физических параметров, появились значительно позже, поэтому вопросу влияния на огнетушащую эффективность
пен структуры коэффициента растекания водных растворов было уделено недостаточное внимание.
Цель диссертационной работы заключается в комплексных экспериментальных и теоретических исследованиях тушения пламени нефтепродуктов с использованием пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водных растворов в системе пена-углеводород.
Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи: Провести исследования огнетушащей эффективности пены, полученной из водных растворов пенообразователей:
с положительным значением коэффициента растекания водного раствора по углеводороду;
с переменным значением коэффициента растекания углеводорода по водному раствору;
с положительным значением коэффициента растекания углеводорода по водному раствору.
Объектом исследования являются вопросы огнетушащей эффективности пен и систем пенного пожаротушения при тушении нефти и нефтепродуктов в резервуарах.
В качестве предмета исследования рассматривали основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пенами, водные растворы которых имеют различную структуру коэффициента растекания в системе пена-углеводород.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы использовались такие методы исследований как: методы моделирования, методы наблюдения и сравнения, экспериментальные методы, статистические и численные методы, а также методы, регламентированные национальными стандартами РФ, такими как: ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ Р 53280.2 - 2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в
резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний».
Степень достоверности результатов диссертационного исследования
подтверждается:
применением для обработки полученных экспериментальных данных апробированных методов статистического анализа;
использованием поверенных средств измерений и аттестованного испытательного оборудования.
Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в самостоятельно полученных, интерпретированных и апробированных результатах исследования.
Научная новизна работы заключается в комплексных экспериментальных и теоретических исследованиях тушения пламени нефтепродуктов пеной подачей на горящую поверхность и в слой горючего при использовании пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водного раствора по горючему в системе пена-углеводород:
показано, что огнетушащая эффективность пены определяется структурой коэффициентов растекания в системе пена – углеводород, при этом для повышения огнетушащей эффективности необходимо использовать растворы с нулевым растеканием углеводорода по водному раствору пенообразователя;
выявлено, что минимальный удельный расход и оптимальная интенсивность подачи пены сдвигаются в область меньших величин с ростом коэффициента растекания водного раствора по углеводороду и повышаются с 0,8 кг/м2 до 2,5 кг/м2 и с 0,03 кг/(м2с) до 0,07 кг/(м2с) соответственно, при снижении межфазного натяжения с 2,5 мН/м до 0,3 мН/м;
показано, что растворы, имеющие положительную величину коэффициента растекания, способны самопроизвольно растекаться по поверхности углеводородов, при этом скорость растекания увеличивается с 0,5 мм/с до 2,0 мм/с по мере повышения коэффициента растекания с 1,0 мН/м до 6,0 мН/м;
получены расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода, учитывающие механизм увеличения толщины ту-
шащего слоя пены, с ростом интенсивности подачи сверх оптимальной;
- предложен способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах
с понтоном или плавающей крышей, подачей пены в основание резервуара;
- предложен механизм разрушения пены низкой кратности при тушении
пламени нефтепродуктов, который базируется на поверхностной активности вод
ных растворов на границе с углеводородом, выявлен вклад термического и сорб-
ционных составляющих контактного разрушения пены на границе раздела между
пеной и углеводородом.
Теоретическая значимость заключается в определении зависимостей ог-нетушащей эффективности пены от структуры коэффициентов растекания в системе пена – нефтепродукт: были получены расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода, выявлен вклад термического сорбционных составляющих контактного разрушения пены на границе раздела между пеной и углеводородом, предложен механизм разрушения пены низкой кратности при тушении пламени нефтепродуктов, который базируется на поверхностной активности водных растворов на границе с углеводородом.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработан способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах с понтоном или плавающей крышей подачей пены в основание резервуара (заявка № 2015101161 от 16.01.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан способ снижения времени тушения пожара нефти и нефтепродуктов путем предотвращения нагревания резервуара от факела пламени (заявка № 2015101162 от 16.01.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан способ подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов (заявка № 2015119341 от 22.05.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан состав углеводородного пенообразователя для тушения пожаров нефтепродуктов (заявка № 2015127875 от 10.07.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан состав пенообразователя для подслойного тушения пожаров нефтепродуктов (заявка № 2015127876 от 10.07.2015 г. на получение патента РФ
на изобретение).
На защиту выносятся комплексные экспериментальные и теоретические исследованиях тушения пламени нефтепродуктов пеной подачей на горящую поверхность и в слой горючего при использовании пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водного раствора по горючему в системе пена-углеводород:
зависимости огнетушащей эффективности пены от величины и структуры коэффициента растекания водного раствора по горючему и в частности от межфазного натяжения;
зависимость минимального удельного расхода и оптимальной интенсивности подачи раствора углеводородных и фторсодержащих пенообразователей от высоты подачи пены на горящую поверхность нефтепродукта;
- расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального
удельного расхода, учитывающие механизм увеличения толщины тушащего слоя
пены с ростом интенсивности подачи сверх оптимальной;
- способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах с понто
ном или плавающей крышей;
- процесс формирования водных пленок по поверхности нефтепродуктов
растворами, имеющими положительную величину коэффициента растекания;
- механизм разрушения пены низкой кратности при тушении пламени
нефтепродуктов, базирующийся на поверхностной активности водных растворов
на границе с углеводородом.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Юность и знания - гарантия успеха» (г. Курск, ЮЗГУ, 24-25 декабря 2014 г.); «Проблемы техносферной безопасности – 2015» (г. Москва, АГПС МЧС России, 7-8 апреля 2015 г.); «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 23-25 апреля 2015 г.); «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (г. Воронеж, ВИ ГПС МЧС России, 23-24 сентября 2015 г.); «Безопасность и проектирование конструкций в ма-
шиностроении», (г. Курск, ЮЗГУ, 25-26 сентября 2015 г.); «Системы обеспечения техносферной безопасности» (г. Таганрог, ЮФУ, 14-15 октября 2015 г.); «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (г. Воронеж, ВГТУ, 12 ноября 2015 г.); «Поколение будущего – 2015: взгляд молодых ученых» (г. Курск, ЮЗГУ, 19-20 ноября 2015 года); «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, АГПС МЧС России, 17-18 марта 2016 г.).
Публикация результатов исследований. Основные результаты диссертационной работы полно опубликованы в 16 печатных работах: из них 5 работ опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, 10 работ в материалах Международных научно-практических конференций, 1 – в международном издание.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 156 страницах текста, включает в себя 87 рисунков, 8 таблиц, библиографический список из 97 наименований и 3 приложения.
Способы тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах
Воздух, поступая в цилиндр, толкает поршень, который, в свою очередь, перемещает телескопический подъемник в рабочее положение, как показано на фрагменте а), то есть телескопический подъемник перемещается до тех пор, пока не упрется в ограничитель движения. Кроме того, воздух, поступая в телескопический подъемник, раздвигает его, при этом звенья подъемника, достигая крайнего положения, становятся на стопор, как показано на фрагменте б).
Одновременно сжатый воздух поступает в резервуар с водой и пенообразователем, создает в них избыточное давление, которое вытесняет воду и пенообразователь в подводящий трубопровод. Вода и пенообразователь, смешанные в соответствующей пропорции, поступают по рукаву на пеногенератор. Пеногенера-тор находится над верхним поясом резервуара, подача пены происходит непосредственно в зону горения.
Образовавшаяся пена эффективно тушит возникший пожар. Устройство для подачи огнегасительной пены в резервуары с горящими нефтепродуктами, содержащее установленный на опоре телескопический подъемник и пеногенератор, отличающееся тем, что пеногенератор установлен на подвижном телескопическом подъемнике снаружи резервуара и соединен рукавом с резервуарами, содержащими воду и пенообразователь и связанными с баллонами со сжатым воздухом, при этом телескопический подъемник раздвигается и перемещается в рабочее положение при помощи сжатого воздуха из указанных баллонов.
Известен способ тушения горения жидкостей в резервуарах и устройство для его осуществления [66], сущность которого заключается в одновременной подаче инертного газа в горючую жидкость и пенообразующего раствора в жидкость над зоной образования пузырьков барботирующего инертного газа (рисунок 1.10).
Существует вариант подслойного способа тушения горючих жидкостей [67], включающий подачу инертного газа через слой жидкости с одновременной подачей на ее зеркало распыленного пенообразующего состава.
Другим вариантом подслойного способа является устройство для предупреждения и тушения горения жидкостей в резервуарах (рисунок 1.11) [68]. Содержит источник с негорючим газом, пенообразующий раствор с плотностью, превышающей плотность горючей жидкости, размещенный в нижней части резервуара с жидкостью, и два барботера. Один барботер установлен в жидкости, а другой - в пенообразующем растворе. Каждый барботер соединен с источником негорючего газа трубопроводом с запорным клапаном. Запорный клапан трубопровода первого барботера функционально связан с датчиком температуры, установленным на поверхности жидкости, а запорный клапан другого барботера - с извещателем воспламенения. Размещение пенообразующего раствора в нижней части резервуара с горючей жидкостью позволяет повысить надежность работы устройства за счет исключения из него специальной емкости для хранения пено-образующего раствора и системы его подачи, а также сократить промежуток времени от момента срабатывания извещателя воспламенения до выхода пены на поверхность горения.
Устройство содержит источник 1 негорючего газа (например, баллон со сжатым инертным газом или пороховой аккумулятор давления), соединенную с ним газовую магистраль 2 с газовым редуктором 3. Газовая магистраль 2 трубопроводом 4, содержащим запорный клапан 5 с приводом 6, соединена с барботером 7, установленным в горючей жидкости 8, находящейся в резервуаре 9. В нижней части резервуара 1 размещен пенообразующий раствор 10, плотность которого больше плотности горючей жидкости 8. В пенообразующем растворе установлен барботер 11, который трубопроводом 12, содержащим запорный клапан 13 с приводом 14, соединен с магистралью 2. Клапан 5 с приводом 6 функционально связан с датчиком 15 температуры, установленным на поверхности жидкости 8, а клапан 13 с приводом 14 функционально связан с извещателем воспламенения 16.
При возгорании горючей жидкости 8 срабатывает извещатель воспламенения 16, сигнал от которого поступает на привод 14 запорного клапана 13. Запорный клапан 13 открывается и негорючий газ из источника 1 через газовый редуктор 3 по магистрали 2 и трубопроводу 12 поступает на вход барботера 11, уста 22 новленного в растворе пенообразователя. Образующиеся на выходе из отверстий барботера пузыри покрываются адсорбционным слоем из молекул пенообразую-щего раствора 10 и всплывают к поверхности жидкости 8 в резервуаре 9, перемешивая ее. При этом происходит интенсивное уменьшение температуры нагретого поверхностного слоя горючей жидкости 8 и снижение концентрации ее паров над поверхностью. Одновременно происходит образование на поверхности горения изолирующего слоя пены и балластирование зоны горения газом, содержащимся в барботажных пузырях, при разрушении пены под действием теплового излучения факела и конвективных потоков в зоне горения.
В способе противопожарной защиты резервуаров для хранения жидких горючих веществ и устройство для его осуществления [69], огнетушащее средство также подается в основание резервуара. Подача осуществляется через размещенный в резервуаре перфорированный сухотруб, проходящий сквозь слой горючего вещества.
Реализация способа тушения пожара в резервуаре и устройство для его осуществления [70] выполняется путем подачи газодисперсной огнетушащей смеси в зону горения жидкости, при этом огнетушащую смесь подают из плавающего в центре вышеуказанного резервуара устройства.
Способ и устройство для тушения нефти и нефтепродуктов в резервуаре [71] включает в себя устройство-инжектор для тушения нефти и нефтепродуктов, горючих и легковоспламеняющихся жидкостей в резервуаре, находящееся вне резервуара (рисунок 1.12). Содержит емкости с огнетушащим порошковым составом (ОПС) и источником газа-флегматизатора, обеспечивает подачу порошка через пускозапорное устройство, выходной трубопровод или систему трубопроводов с распылителем внутрь резервуара в зону пожара. Выпускной трубопровод, с наружной стороны резервуара, через шарнир и пуско-запорное устройство соединен с инжектором.
Методика определения скорости растекания водных пленок по по- 40 верхности нефтепродуктов
Лабораторная методика определения изолирующей способности пены и водной пленки базируется на использовании устройства, предусмотренного ГОСТ Р 53280.2-2010, для определения огнетушащей эффективности пены «подслой-ным» способом, при ее подаче в основание емкости с гептаном [84].
Подготовка к испытанию. Дополнительным элементом к существующей установке является металлическая трубка, по которой к поверхности гептана подается горючий газ. Выход металлической трубки помещен по центру горелки, на расстоянии 20-25 мм над уровнем гептана. Пламя, газовой горелки, которое поддерживается над пеной или водной пленкой, составляет 10-15 мм (рисунок 2.1). Эксперименты проводятся без предварительного зажигания гептана.
Проведение испытаний. Как и предусмотрено методикой [84], в металлическую емкость диаметром 150 мм и высотой 200 мм заливают гептан так, чтобы высота свободного борта составляла 50 мм. Трубка для подачи газа лежит рядом с закрытым вентилем подачи газа. Пену получают из водного раствора с заданной концентрацией пенообразователя на роторной мешалке. Пену помещают в стеклянную емкость, взвешивают и подают с помощью металлической трубки в основание емкости с гептаном. Расход воздуха, который вытесняет пену из промежуточной стеклянной емкости, контролируется ротаметром и поддерживается редуктором в диапазоне 6-7 мл/с (400 мл/мин). Время подачи – 30 с. Скорость подачи пены в основание емкости с гептаном определяется обеспечением условий для выявления склонности пены к поглощению гептана. Массу поданной пены измеряют повторным взвешиванием промежуточной емкости с оставшейся пеной. Масса пены должна быть в пределах 25–30 грамм. После взвешивания стакана с оставшейся пеной, спустя 20-25 секунд после прекращения подачи пены, зажигают газ на выходе горизонтальной металлической трубки и устанавливают так, чтобы фитиль с языком пламени располагался в центре емкости с гептаном. Расстояние от поверхности гептана должно составлять около 25 мм.
После установки факела включают секундомер и определяют период времени, по истечении которого произойдет воспламенение паровоздушной смеси над пенным слоем. Пена постепенно утрачивает изолирующую способность, и пары гептана проходят через слой пены, образуя горючую смесь. Наличие открытого пламени газа в непосредственной близи от пены, приводит к воспламенению горючей смеси и, как правило, пламя охватывает всю поверхность гептана покрытую пеной. Пламя тушат, покрывая емкость с гептаном металлической крышкой. Эксперимент повторяют не менее трех раз.
Для подготовки следующего опыта пену удаляют с поверхности гептана с помощью металлического ситечка. Измеряют температуру гептана, которая должна быть в пределах 18 – 22 0С.
Для определения изолирующей способности водной пленки с помощью шприца с иголкой на свободную стенку модельного резервуара наносится водный раствор пенообразователя в объеме 5мл. Спустя 30 секунд после нанесения водной пленки, зажигают газ на выходе горизонтальной металлической трубки и устанавливают так, чтобы фитиль с языком пламени располагался в центре ёмкости с гептаном. Расстояние от поверхности гептана не должно быть меньше 20 мм и должно составлять около 25 мм.
После установки факела включают секундомер и определяют период времени, по истечении которого произойдет воспламенение паровоздушной смеси над водной пленкой (рисунок 2.2). Пламя тушат, покрывая емкость с гептаном металлической крышкой. Эксперимент повторяют не менее трех раз.
Полигонные испытания. Проводятся по методике, описанной в п. 5.4 ГОСТ Р 50588-2012. Сущность, которого заключается в определении времени повторного воспламенения поверхности горючего от внесенного в потушенный пеной низкой кратности модельный очаг горящего тигля [85]. Фиксируют время с момента установки тигля в противень до момента, когда вся площадь противня будет охвачена пламенем. На рисунке 2.3 представлен фрагмент определения времени повторного воспламенения гептана из под слоя низкократной пены в полигонных условиях. Рисунок 2.3. Определение времени повторного воспламенения гептана в полигонных условиях из под слоя низкократной пены.
Обработка результатов. За результат испытания изолирующего действия пены и водной пленки в лабораторных условиях принимают среднее арифметическое результатов шести определений.
В полигонных испытаниях повторного воспламенения горючего из под слоя низкократной пены за результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных определений [85].
Учитывая важную роль контактного разрушения в процессе растекания пены по поверхности горения, связанного с механизмом проникновения паров горючего через слой пены, определяющим в этом процессе принимается удельная скорость контактного разрушения.
Методика определения удельной скорости контактного разрушения пены на основе углеводородных ПАВ при взаимодействии с нефтепродуктами базируется на использовании устройства, предусмотренного ГОСТ Р 53280.2-2010 для определения огнетушащей эффективности пены «подслойным» способом. Дополнительным элементом к существующей установке является стеклянный модельный резервуар с размерами идентичными металлическому резервуару. Схема установки представлена на рисунке 2.4.
Подготовка к испытанию. В стеклянный модельный резервуар заливают гептан так, чтобы высота свободного борта составляла 50±5 мм. Пену получают из водного раствора с заданной концентрацией пенообразователя на роторной мешалке в течение 30 с. Испытания проводят без предварительного горения горючей жидкости.
Проведение испытаний. Пену помещают в промежуточную емкость, взвешивают и подают на поверхность горючего. Расход воздуха, который вытесняет пену из промежуточной стеклянной емкости, контролируется ротаметром и поддерживается редуктором в диапазоне 10-15 мл/с. Время подачи – 10 с. Массу поданной пены измеряют повторным взвешиванием промежуточной емкости с оставшейся пеной. Масса пены должна быть в пределах 10 – 15 грамм. С момента начала подачи пены на поверхность углеводорода, включается секундомер, фиксируется время при разрушении пены по всей площади поверхности горючего. На рисунок 2.5 представлен фрагмент контактного разрушения пены при взаимодействии с гептаном.
Тушение пламени нефтепродуктов пеной, имеющей положительный коэффициент растекания водных растворов по углеводороду, пода чей на горящую поверхность и в основание резервуара
При использовании пены, которую подают в основание резервуара или в виде компактных струй с большого расстояния в зону пожара аварийного розлива нефтепродукта, необходимым условием является - обеспечение положительной величины коэффициента растекания водного раствора по нефтепродукту [7, 30, 96].
Результаты сравнительных испытаний огнетушащей эффективности пены, полученной на основе фторированного и углеводородного пенообразователей, представлены в таблице 3.1 и на рисунке 3.2 (стрелками показаны значения минимального удельного расхода и оптимальная интенсивность подачи пенообра-зующего раствора, полученной из водных растворов с различным коэффициентом растекания).
Пены на основе фторированных пенообразователей резко отличаются по величине минимального удельного расхода и оптимальной интенсивности подачи пенообразующего раствора. Так минимальный удельный расход для углеводородного пенообразователя составляет 2,3 кг/м2, а для фторированного - 0,7 кг/м2, оптимальная интенсивность 0,07 кг/(м2с) и 0,035 кг/(м2с) соответственно. 100 D 4,0
Зависимость времени тушения (1, 2) и минимального удельного расхода (1 , 2 ) от интенсивности подачи пены, полученной из фторированного (Shtamex AFFF 6% ) (1, 1 ) и углеводородного (Шторм М 6%) (2, 2 ) пенообразователей (КР р/г 0 (1,1 ) и КР р/г 0 (2,2 )).
Если не вдаваться в различие химического состава молекул, то резкое отличие можно объяснить различием величины и знака коэффициента растекания в системе пена - углеводород.
Изотермы поверхностной активности углеводородного (1, 2) и фторированного (3, 4) пенообразователей с рассчитанными коэффициентами растекания водного раствора фторированного (5) и углеводородного (6) пенообразователя по горючему.
Судя по изотермам, представленным на рисунке 3.3, и результатам, приведенным в таблице 3.2, коэффициент растекания водного раствора углеводородного пенообразователя по гептану имеет отрицательное значение, а коэффициент растекания гептана по водному раствору углеводородного пенообразователя положительное, т.е. эти растворы не только не способны растекаться по гептану, но и преимущественно смачиваются гептаном и углеводород способен растекаться по поверхности пенных пленок. Таблица 3.2. Результаты измерений поверхностного и межфазного натяжений водных растворов фторированного (Shtamex AFFF 6%) и углеводородного (Шторм М 6%) пенообразователей, с расчетом коэффициентов растекания в сис теме пена-углеводород.
Пенообразователь Концентрация, % масс. % v. ПН, мН/м МН, мН/м КР Р/Г, мН/м КРГ/Р,мН/м Коэффициент растекания гептана по водному раствору пенных пленок положителен, практически во всей области концентраций углеводородного пенообразователя в водном растворе. Результаты измерений показывают, что углеводородный пенообразователь не может использоваться для подслойной подачи пены в горящий гептан, поскольку гептан начнет растекаться по пенным пленкам, разрушая пену и смешиваясь с ней в процессе подъема к поверхности. Прямые испытания изолирующих свойств водных пленок фторированных пенообразователей показали, что период защитного действия зависит от величины коэффициента растекания. Чем выше значение коэффициента растекания водного раствора по углеводороду, тем толще водная пленка, и тем больше период времени до воспламенения горючей жидкости.
Определение изолирующей способности пены проводили в полигонных условиях и на лабораторной установке. Фрагмент проведения испытаний в поли гонных представлен на рисунок 3.4.
Результаты полигонных испытаний времени защитного действия пены, полученной из растворов с положительным коэффициентом растекания по нефтепродукту, оказалось в интервале от 7 до 10 минут. Испытания проводились путем размещения в противень с горючим горелки с топливом, причем горелка была зажжена одновременно с горючим в противне. В лабораторных условиях, на стендовой установке, время защитного действия пены также составляла от 7 до 10 минут.
Изолирующее действие пены зависит от соотношения величин коэффициентов растекания водного раствора фторированного пенообразователя по горючему и горючего по пленкам пены.
В структуре коэффициента растекания роль межфазного натяжения можно выявить, если создать условия, в которых коэффициент растекания имеет поло 57 жительное значение, а межфазное натяжение изменяется от 2,5 мН/м до 0,2 мН/м.
Известно, что электролиты снижают межфазное натяжение водных растворов ПАВ, но при этом резко увеличивают поверхностное натяжение водного раствора на границе с воздухом.
При использовании пенообразователей для получения пены, которую подают в основание резервуара или в виде компактных струй с большого расстояния в зону пожара аварийного розлива нефтепродукта, необходимым условием является обеспечение водному раствору положительного значения коэффициента растекания по нефтепродукту. В экспериментах было замечено, что чем ниже величина межфазного натяжения, тем больше удельные затраты пенообразователя на тушение пожара.
Для выяснения роли величины межфазного натяжения были проведены экспериментальные исследования, в которых поддерживали положительное значение коэффициента растекания, но постепенно снижали величину межфазного натяжения за счет добавок электролита - хлористого аммония.
Сложность проблемы заключалась в поиске стабилизаторов, которые обеспечили постоянство поверхностного натяжения водных растворов при высокой концентрации соли. Межфазное натяжение удалось снизить с 2,5 мН/м до 0,2 мН/м.
Как правило, положительное значение коэффициента растекания водного раствора по углеводороду, обуславливает высокую огнетушащую эффективность пены, при подаче на горящую поверхность и в основание резервуара, непосредственно в слой горючего.
Для целей данного исследования пенообразователь должен содержать фторированные стабилизаторы, которые обеспечивают поверхностное натяжение менее 20 мН/м. В качестве такой основы использовали смесь первичных алкил-сульфатов с длинной углеродной цепи 8-12 атомов и 0,05 % масс. перфтириро-ванного сульфобетаина с радикалом, содержащим восемь перфторированных атомов углерода. Производство этого компонента ограничено, в связи с его отрицательным влиянием на окружающую среду.
Повышение противопожарной защиты резервуаров с понтоном или плавающей крышей
Анализ процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной проводился в работах [7, 35-38]. Новым является попытка учесть снижение испарения гептана в результате охлаждения поверхностного слоя поднимающимся потоком пены, поданной в основание резервуара.
В соответствии с работами Блинова [1], поток пузырей воздуха, поданный в основание резервуара, увлекает вверх холодные слои горючей жидкости. В случае тушения пламени гептана и бензина, охлаждение поверхностного слоя даже до комнатной температуры не приведет к потуханию пламени, поскольку бензин имеет температуру вспышки минус 10 0С. В этом случае произойдет снижение давления равновесного пара и снизится скорость поступления горючего пара в зону горения. В результате возникнут два дополнительных эффекта: снижение температуры поверхностного слоя, и снижение теплового потока от факела пламени. Оба фактора скажутся на снижении величины удельной скорости термического разрушения пены.
В общем случае скорость испарения жидкости определяется суммой мольного и диффузионного потоков пара. Детальный анализ процесса испарения с открытой поверхности был дан Стефаном. С помощью этой формулы можно проанализировать влияние основных параметров, изменяющихся в процессе тушения на скорость испарения ГЖ [7]: - влияние температуры поверхности; - влияние температуры газовой фазы; - влияние толщины диффузионного слоя; - влияние структуры молекул горючего, через коэффициент; - влияние концентрации паров жидкости в окружающей среде. где D0- коэффициент диффузии молекул ГЖ в газовой фазе при нормальной температуре То, м/с; ТF- температура газовой фазы, К; R -универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К); Ра- атмосферное давление, Па; - толщина диффузионного слоя, м; Рг давление пара ГЖ в окружающей среде на расстоянии от поверхности, Па; Рs- давление насыщенного пара ГЖ при температуре поверхности Тs, Па; um- удельная скорость испарения, кг/(м2-с) [7]. Показатель степени m для углеводородов приблизительно равен двум. В соответствии с формулой Стефана: скорость выгорания (испарения при горении) будет тем выше, чем больше давление пара жидкости Рs и чем выше температура в газовой фазе. При горении величина Рь как правило, очень мала, поскольку измеряется в зоне горения, а толщина диффузионного слоя измеряется от поверхно 72 сти ГЖ до зоны горения. При ламинарном горении ГЖ в цилиндрических горелках, величина равна высоте свободного борта, а при турбулентном горении - фактическому расстоянию до факела пламени. Снижение давления насыщенного пара, происходящее из-за подъема охлажденной жидкости, рассчитывается по уравнению Клаузиса-Клапейрона [7]: Ы(РЛ=_ Н(±_Г\ (3.12 ) УР0) R ІГ Т0) где То, Тs - температуры поверхности, которой соответствуют значения Ро и Рs; АН - теплота испарения ГЖ; R - универсальная газовая постоянная.
Снижение температуры поверхностного слоя происходит пропорционально величине потока жидкости, который увлекается пеной. В соответствии с выводами Блинова [11], расход потока жидкости пропорционален интенсивности подачи воздушной струи. В данном случае, поток пены низкой кратности: q g =AlF3 (3.13) Количество тепла q0, поступающее от факела пламени к поверхности горючей жидкости So в стационарном режиме горения, можно выразить через удельную массовую скорость ее выгорания UM и удельную теплоту, необходимую для нагревания воды до температуры кипения Qг [3]: К= (3.14) QTS0 q0=2UMQYS0 (3.15) Учитывая, что примерно такое же количество тепла отводится на прогрев жидкости в глубину, в формулу (3.15) введем коэффициент 2. Принимая, что причиной разрушения пены является нагревание верхнего слоя пенных пузырьков тепловым потоком от факела пламени до температуры кипения, получим формулу для оценки удельной скорости термического разрушения пены без учета понижения температуры поверхностного слоя.
При подаче пены в основание резервуара скорость выгорания снизится с понижением температуры поверхностного слоя. В соответствии с формулами (3.12) и (3.13), принимая, что скорость выгорания пропорциональна температуре, получим выражение для расчета величины теплового потока и удельной скорости разрушения пены при частичном охлаждении горящей поверхности: п WuQr и 0 Q (3.16)
Учитывая, что с использованием формул (3.12), (3.13) и (3.16) будет определена новая скорость поступления пара при пониженной температуре, вызванной подъемом холодной жидкости, температура поверхностного слоя равна половине от суммы температуры кипения и окружающей среды: Т = (ТК+Т0)/2. Выражение для удельной скорости термического разрушения пены представим в виде: Ош 2Г0 (317) При анализе материального баланса, в процессе тушения пламени подачей пены в основание резервуара, необходимо использовать выражение для расчета удельной скорости термического разрушения пены, формулу (3.17), а при подаче пены на горящую поверхность - формулу (3.16).
Сопоставление результатов эксперимента с расчетом по формулам (3.9) и (3.10), показали удовлетворительное их совпадение, что указывает на правильность принятой модели тушения пламени ЛВЖ и ГЖ пеной из пленкообразующих пенообразователей. Иллюстрация результатов расчета по формуле (3.10) с экспериментом выборочно представлена на рисунке 3.13.