Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и примеры крупных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли, требований норм, оценка пожарной опасности автомобильных бензинов европейского стандарта, материальный баланс низкократной пены в процессе тушения 16
1.1. Анализ и примеры крупных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли 16
1.2. Оценка пожарной опасности автомобильных бензинов европейского стандарта 44
1.3. Анализ требований нормативных документов к системам противопожарной защиты вертикальных стальных резервуаров 52
1.4. Анализ материального баланса низкократной пены при тушении автомобильных бензинов в резервуаре 61
Глава 2. Методы исследований по определению огнетушащей эффективности низкократной пленкообразующей пены 70
2.1. Классификация методов исследования пенообразователей 70
2.2. Методы исследований использованные в работе 73
2.2.1. Метод определения совместимости пенообразователей 73
2.2.2. Метод определения поверхностного и межфазного натяжений растворов пенообразователей 75
2.2.3. Метод определения изолирующего действия водных пленок фторсодержащих пленкообразующих пенообразователей на поверхности автомобильных бензинов 78
2.2.4. Метод определения огнетушащей эффективности пенообразователей при подаче пены комбинированным способом 83
2.3. Вещества, использованные в экспериментальных исследованиях 88
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований. 90
3.1. Результаты экспериментов по определению скорости разрушения пены, получаемой при совместном применении пенообразователей различных композиций 90
3.2. Экспериментальные исследования по тушению пламени автомобильных бензинов европейского стандарта 99
3.3. Результаты экспериментов по определению поверхностной активности фторсодержащих пенообразователей 105
3.4. Экспериментальные исследования по определению изолирующей способности фторсодержащих пенообразователей при тушении автомобильных бензинов европейского стандарта 111
Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исследований 118
4.1. Влияние компонентного состава автомобильных бензинов европейского стандарта на огнетушашую эффективность пленкообразующей пены 118
4.2. Влияние удельной скорости подачи низкократной пленкообразующей пены на время тушения пламени автомобильных бензинов 125
4.3. Анализ процесса тушения пламени автомобильных бензинов европейского стандарта пленкообразующей низкократной пеной при подаче комбинированным способом 129
4.4. Сравнительный расчет запасов пенообразователя для систем пожаротушения резервуаров с хранением автомобильных бензинов европейского стандарта 138
Заключение 142
Термины, обозначения и сокращения 144
Список литературы 147
Приложение А. Метод оценки совместимости пенообразователей для тушения автомобильных бензинов в РВС 164
Приложение Б. Акты внедрения, патенты РФ 166
- Анализ и примеры крупных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли
- Анализ материального баланса низкократной пены при тушении автомобильных бензинов в резервуаре
- Результаты экспериментов по определению скорости разрушения пены, получаемой при совместном применении пенообразователей различных композиций
- Анализ процесса тушения пламени автомобильных бензинов европейского стандарта пленкообразующей низкократной пеной при подаче комбинированным способом
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, на территории страны планируется увеличение объемов добычи нефти с 470,2 (2005 г.) до 535 млн. т (2030 г.). Уже в настоящее время объем переработки нефти значительно увеличился с 173 (2000 г.) до 237 млн. т (2008 г.), а глубина переработки нефти возросла с 70 до 73 %. Увеличился экспорт нефтепродуктов с 57 (2000 г.) до 112 млн. т (2008 г.).
Увеличение объемов добычи нефти способствует увеличению мощностей по ее переработке (например, Туапсинский нефтеперерабатывающий завод - до 12 млн. т/год, Киришинефтеоргсинтез - на 12 млн. т/год), а также строительству новых нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов (например, Приморский нефтеперерабатывающий завод мощностью - до 20 млн. т/год). Ежегодные уровни экспорта автомобильных бензинов будут находиться в диапазоне от 315 до 330 млн. т/год.
В 2008 г. в развитие требований Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании» разработан и введен в действие технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», направленный на приближение качества нефтепродуктов к требованиям, установленных в директивах Европейского Парламента и Совета Европы 2003/17/ЕС и 98/70/ЕС об экологических требованиях к топливам, поступающим на мировой рынок. При этом техническим регламентом введены ограничения по концентрации серы и свинца в составе автомобильных бензинов, предполагается ограничение применения ряда антидетонационных присадок. Вместо них бензины будут содержать полярные жидкости - спирты. Так, содержание этилового спирта составит до 5 %, изо-пропилового спирта - до 10 %, третбутанола - до 7 %, изобутанола - до 10 %. Кроме этого, автомобильные бензины подразделяются на классы Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5, которые принято называть классами европейского стандарта. Важно также отметить, что в соответствии с требованиями этого технического регламента с 2015 г. на территории России будет разрешен оборот автомобильных бензинов только класса Евро-5, в которых допускается максимальное содержание спиртов.
Основной нормативный документ в области обеспечения пожарной безопасности резервуарных парков и объектов нефтегазовой отрасли СНиП 2.11.03-93* «Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы» регламентирует осуществлять тушение нефтепродуктов в вертикальных стальных резервуарах (далее РВС) подачей пены средней и/или низкой кратности на поверхность нефтепродуктов. Допускается применение подслой-ного способа пожаротушения пеной низкой кратности в РВС, тушение которых
может осуществляться от передвижной пожарной техники. Применение других способов пожаротушения допускается на основе рекомендаций научно-исследовательских институтов, утвержденных и согласованных в установленном порядке. Так, например, согласно требований «Рекомендаций по тушению высокооктановых бензинов АИ-92, АИ-95 и АИ-98 в резервуарах», разработанных ФГУ ВНИИПО МЧС России, ограничено применение подслойного способа тушения нефтепродуктов с содержанием полярных жидкостей. Подслойный способ подачи пены низкой кратности при тушении пожаров в резервуарах можно применять только для автомобильных бензинов Нормаль-80 и Регуляр-92. Таким образом, до настоящего времени в нормативных документах отсутствуют требования по выбору средств и методов тушения автомобильных бензинов европейского стандарта - бензинов с содержанием спиртов (далее автомобильных бензинов), что и обуславливает необходимость научного обоснования возможности применения комбинированного способа тушения пожаров этих бензинов, под которым понимается одновременная подача пены под слой и на поверхность горящего бензина.
Кроме этого, выполненный в работе анализ пожаров в РВС показал неэффективность работы автоматических установок пенного пожаротушения, которые при взрыве или деформации верхнего пояса резервуара выходят из строя еще до начала тушения пожара, при этом единственным способом успешной ликвидации пожара является подача огнетушащих веществ от передвижной пожарной техники, что требует, как правило, длительного времени для сосредоточения достаточного количества сил и средств подразделений пожарной охраны.
Степень разработанности темы исследования. Ранее проведенные экспериментальные исследования в области применения низкократной пленкообразующей пены для тушения высокооктановых бензинов и смесевых топлив (Шароварников А.Ф., Молчанов В.П., Грашичев Н.К., Воевода С.С, Шароварников С.А. и др.) позволили установить возможность применения фторсинтетических пенообразователей для ликвидации пожаров в РВС. При этом были определены оптимальные интенсивности подачи пленкообразующей пены для тушения пламени смесевых топлив различными методами ее подачи (под слой и на поверхность бензинов). Однако, ряд важных с практической точки зрения закономерностей, позволяющих определить эффективность применения одновременной подачи пены несколькими методами на тушение пожаров в РВС, выявлены в научном плане недостаточно. Поэтому для применения на практике ранее обоснованных значений интенсивности подачи пены необходимо определить количественные режимы ее подачи единым комбинированным способом.
Таким образом, целью диссертационной работы является обоснование применения комбинированного способа тушения пожаров автомобильных бензинов европейского стандарта в РВС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ требований нормативных документов к системам противопожарной защиты РВС и сформулировать принципы выбора интенсивности подачи пены на тушение пожаров автомобильных бензинов;
определить скорость разрушения пены, получаемой при совместном применении пенообразователей различных композиций и разработать метод оценки совместимости пенообразователей;
установить влияние концентрации спиртов в автомобильных бензинах на изолирующую эффективность фторсинтетических пленкообразующих пенообразователей и процесс тушения пламени при различных способах подачи пены;
создать экспериментальную установку и методику проведения опытов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей при тушении пламени автомобильных бензинов в РВС с учетом различных способов подачи пены (под слой, на поверхность и их комбинацией);
предложить номограмму для определения количественных режимов подачи пены комбинированным способом для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.
Объектом исследования являлись способы подачи пленкообразующей низкократной пены для тушения автомобильных бензинов в РВС. В качестве предмета исследования рассматривались количественные режимы подачи низкократной пены комбинированным способом.
Методы исследования, применяемые в работе, регламентированы национальными стандартами РФ, а именно: ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ Р 53280.2-2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетуша-щие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний».
Достоверность представленных в работе результатов подтверждается:
применением для обработки полученных экспериментальных данных апробированных методов статистического анализа;
применением поверенных средств измерений и аттестованного испытательного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны концептуальные принципы выбора интенсивности подачи пены для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.
-
Доказано влияние смесей пенообразователей различных композиций на скорость разрушения пены. Разработан метод оценки совместимости пенообразователей для тушения автомобильных бензинов в РВС.
3. Установлено влияние концентрации спиртов в автомобильных бензинах
на изолирующую эффективность фторсинтетических пленкообразующих пено
образователей.
-
Получены новые экспериментальные данные по влиянию концентрации спиртов в автомобильных бензинах на процесс тушения пламени при различных способах подачи пены.
-
Создана экспериментальная установка и методика проведения опытов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей при тушении пожаров автомобильных бензинов в РВС с учетом различных способов подачи пены. По результатам исследований разработана номограмма для определения количественных режимов подачи пены комбинированным способом для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.
Практическая ценность работы состоит в том, что доказана возможность совместного применения смесей пенообразователей при тушении пожаров автомобильных бензинов европейского стандарта в РВС комбинированным способом. Применение комбинированного способа тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС направлено на повышение надежности систем противопожарной защиты, эффективность тушения автомобильных бензинов с содержанием спиртов и оптимизацию необходимого запаса пенообразователей на складах нефти и нефтепродуктов.
Материалы диссертации реализованы при разработке:
нормативного документа по пожарной безопасности: Изменение № 1 к ГОСТ Р 53280.2-2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетуша-щие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний». М.: Академия ГПС МЧС России, 2012 г.;
нормативного документа по пожарной безопасности: «Пенообразователи и смачиватели для тушения пожаров. Требования к применению» Свод Правил. М.: Академия ГПС МЧС России, ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России, 2012 г.;
лабораторного практикума по курсу общей и специальной химии для курсантов, слушателей и адъюнктов Академии ГПС МЧС России. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012 г.
Основные результаты работы были доложены на: Научн.-практ. конф. «Теория и практика длительного хранения» (г. Москва, Федеральное агентство по государственным резервам ФГБУ НИИГТХ Росрезерва, 2011); Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012); Международной пром. конф. «Развитие инфраструктуры юга России» (г. Краснодар, ВЦ «Кубань ЭКСПОЦЕНТР», 2012); Конф. «Пожары и окружающая среда» (г. Москва, Национальная академия наук пожарной безопасности, 2013); Заседании Добровольного пожарного общества поддержки пожарных Гамбурга, секция № 5 «Пожаротушение» (Германия, г. Гамбург, 2013); Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013); Конф. по
промышленной безопасности и охране труда в ООО «НК-Роснефть» (г. Архангельск, ОАО «РН-Архангельскнефтепродукт», 2013), Конф. «Техническое регулирование в области пожарной безопасности: состояние, перспективы» (г. Москва, Национальная академия наук пожарной безопасности», 2013).
На защиту выносятся:
концептуальные принципы выбора интенсивности подачи пены при проектировании систем противопожарной защиты РВС;
метод оценки совместимости пенообразователей для тушения автомобильных бензинов в РВС;
результаты анализа экспериментальных данных влияния концентрации спиртов в автомобильных бензинах на изолирующую эффективность фторсин-тетических пленкообразующих пенообразователей и процесс тушения пламени при различных способах подачи пены;
результаты экспериментальных исследований по определению огнету-шащей эффективности пенообразователей при тушении пламени автомобильных бензинов с учетом различных способов подачи пены;
- номограмма для определения количественных режимов подачи пены
комбинированным способом для тушения пожаров автомобильных бензинов в
РВС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ.
Структура, объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах текста, включает в себя 9 таблиц, 32 рисунка, список литературы из 132 наименований.
Анализ и примеры крупных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли
Исследования, проведенные на различных уровнях, как на территории РФ, так и за рубежом, показывают на неизбежный рост роли автомобильного транспорта в экономиках стран, что влечет за собой увеличение потребления автомобильных топлив. Так, например, исследования, проведенные информационно-аналитическим центром «Кортес» и исследовательской группой «Петромаркет» в области информационной поддержки нефтеперерабытвающей отрасли в рамках работы II Международной конференции «Бензины 2010», позволяют сделать вывод о произошедших за последнее время проблемах бензинового рынка. Анализ показывает, что за рассматриваемый период произошел рост выпуска основных нефтепродуктов на российских заводах. Их количество увеличилось на 39 % и достигло 177,7 млн т, из них 35,8 млн т пришлось на бензиновые топлива и 67,3 млн т -на дизельные топлива [22].
Потребление бензина в стране за последние пять лет увеличилось с 27,3 до 31,3 млн т. Прогнозируется, что с увеличением автопарка в стране к 2015 году внутренний спрос на моторные топлива достигнет 35,2 млн т, а импорт -11,1 млн т.
Прогноз потребности, в автомобильном транспорте проведенный компанией «Эксон Нефтегаз Лимитед» в рамках исследований мирового энергетического рынка, также свидетельствует об увеличении потребления автомобильных бензинов. Важнейшие изменения в структуре энергопотребления к 2040 г. произойдут именно в транспортном секторе. Распространение гибридных и других современных автомобилей, а также развитие технологий традиционного автомобилестроения приведут к снижению спроса на персональный транспорт, даже при увеличении числа персональных автомобилей по всему миру в два раза. В то же время спрос на топливо для коммерческого транспорта - грузовиков, самолетов, поездов и водного транспорта - будет по-прежнему серьезно расти [23]. К 2040 г. 90 % мирового транспорта будет работать на жидком автомобильном топливе.
Рост выпуска автомобильных бензинов влечет за собой полную загрузку существующих резервуаров и резервуарных парков, а на свободных производственных мощностях строительство новых резервуаров. Если ранее в основном резервуарные парки в России строились с максимальной вместимостью, не превышающей 20 000 м3, то в настоящее время резервуарные парки вводятся в эксплуатацию с резервуарами номинальным объемом хранения - 50 000 м и более.
Анализ причин возникновения пожаров и их дальнейшее развитие до крупномасштабных чрезвычайных ситуаций подтверждает неэффективную противопожарную защиту объектов хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов. Исследования последствий пожаров и чрезвычайных ситуаций за последние 10-20 лет свидетельствует, что они распределяются по объектам защиты нефтегазовой отрасли страны следующим образом: возгорания и пожары составляют чуть более 50 %; аварийные проливы нефти и нефтепродуктов - около 20 %; взрывы газопаровоздушных смесей внутри зданий, сооружений и резервуаров - 15 %; прочие аварийные ситуации, в том числе механические повреждения технологического оборудования вследствие аварий транспорта - 8,5 % [17, 24]. Пожары, произошедшие на рассматриваемых объектах, показывают, что все они имеют отличительную существенную особенность: причина этих пожаров, как правило, целая совокупность обстоятельств, каждое из которых само по себе не способно инициировать крупный пожар, и только их сочетание приводит к серьезным последствиям. Частота пожаров в резервуарных парках в год составляет:
- на нефтебазах - 4,9;
- на нефтеперерабатывающих заводах - 4,05;
- на промыслах - 3,01;
- по всем объектам добычи, хранения и переработки нефти - 12,5.
Для полной детализации основных причин, приводящих к пожарам, рассмотрим их в отдельности для резервуаров различной конструкции [16, 27].
Для резервуаров со стационарной (конусной) крышей основными причинами являются:
- возникновение взрывопожароопасной смеси паров горючего с воздухом при нормальных режимах технологического процесса;
- незапланированное появление взрывопожароопасной смеси паров горючего с воздухов в объеме РВС в результате реализации аварии;
- превышение давления выше рабочего давления в технологической трубопроводной обвязке;
- высокие температуры и, как следствие, самовозгорание горючей жидкости;
- выход из строя дыхательной аппаратуры и огнепреградителей;
- переполнение резервуара при операциях слива нефти и нефтепродуктов;
- утечка по корпусу или днищу резервуара в результате разрушения сварных швов;
- утечка и, как следствие, разлив нефтепродукта по обвалованию во время подготовки для технического обслуживания;
- внешние воздействия (акты терроризма, землетрясения, факел газа, переход пожара с другого резервуара и т.п.).
Для резервуаров с плавающей крышей:
- аварийный отказ двухслойной плавающей крыши, с последующим подтоплением или перекосом относительно стенок резервуара;
- скопление горючей жидкости на крыше;
- переполнение резервуара при операциях слива нефти и нефтепродуктов;
- возгорание взрывопожароопасных паров в области уплотнительного обода (кольца) в результате проявления молнии;
- утечка по корпусу или днищу резервуара в результате разрушения сварных швов;
- утечка на боковых входных смесителях;
- утечка и, как следствие, разлив нефтепродукта по обвалованию во время подготовки для технического обслуживания;
- внешние воздействия (акты терроризма, землетрясения, открытый огонь, переход пожара с другого резервуара и т.п.).
Для резервуаров с понтоном различной конструкции:
- аварийный отказ понтона с последующим подтоплением или перекосом относительно стенок резервуара;
- утечка, и как следствие разлив нефтепродукта по обвалованию во время подготовки для технического обслуживания;
- внешние воздействия (акты терроризма, землетрясения, открытый огонь, переход пожара с другого резервуара и т.п.).
Общие характерные причины, приводящие к пожарам для резервуаров со стационарной и плавающей крышей (понтоном):
- статическая искра в результате неправильного применения пенообразователя;
- возгорание пирофорных отложений на стенках резервуара;
- применение невзрывозащищенного электрооборудования;
- временные огневые работы с нарушением правил противопожарного режима.
Количественное распределение причин аварийных разливов нефтепродуктов на резервуарах с плавающей крышей и на резервуарах с понтонами различной конструкции, приведено ниже:
- повреждение уплотнений - 2 %;
- растрескивание крыши возле понтонов — 5 %;
- трещины крыш - 18 %;
- аварийный отказ устройств слива с крыши атмосферных осадков - 13 %;
- присутствие нефтепродукта на крыше - 5 %;
- газообразные образования в линиях - 7 %;
- перегрев нефтепродуктов - 6 %;
- переполнение резервуаров - 22 %;
- сильные дожди - 2 %;
- неустановленные расследованием причины - 22 %.
Анализ материального баланса низкократной пены при тушении автомобильных бензинов в резервуаре
Количественно процесс тушения пожара в резервуаре низкократной пеной может быть описан путем анализа уравнения материального баланса, составленное Шароварниковым А.Ф. в общем виде [27, 28], используемое в работах многих авторов, занимающихся решением задач по тушению нефтепродуктов низкократной пеной [14, 17, 86, 87], которое может быть записано в следующем виде: dV = dVh + dV , (1.2) где V, Vh, Vp - объемы низкократной пены, поданной, накопленной и разрушенной, соответственно.
Рассмотрим более подробно это выражение, поскольку оно будет использовано в аналитической части настоящей диссертации. Для анализа выбранного способа тушения необходимо определиться с причинами разрушения пены в процессе тушения и получить выражение для расчета удельной скорости ее разрушения. Наиболее значимыми составляющими в процессе разрушения пены являются удельные скорости разрушения, которые обозначим как:
- термическое воздействие факела пламени — /т;
- контактное взаимодействие пены с нефтепродуктом (в том числе от нагретой поверхности) - UK,
- разрушение пены парами нефтепродуктов, или сорбционное разрушение пены - UQ,
- гидростатический эффект самопроизвольного разрушения пены - /Л.
Удельная скорость разрушения пены является суммой составляющих, а именно: Uf= UT+ UK+ Uc+ Uh.. (1.3)
При анализе различных моделей тушения конкретных объектов с нефтепродуктами вклад отдельных составляющих может быть наиболее существенным, либо пренебрежительно малым. Так, при тушении автомобильного бензина С/т » /к + Uc + 4 при тушении высокооктанового бензина UK » UT + Uc + Uh, , а при необходимости создания пенных слоев большой высоты - Щ » UK+ Uj+ Uc. Существенным осложнением при анализе моделей является изменение этих удельных величин по мере ликвидации горения. Так, скорость термического распада пены снижается по мере покрытия горящей поверхности, скорость гидростатического разрушения пены возрастает с ее высотой. Удельные скорости контактного и сорбционного разрушения пены остаются практически постоянными, если концентрация нефтепродукта в процессе тушения существенно не уменьшается.
Рассмотрим процесс тушения пламени бензина, при этом примем, что Uj » UK + UQ + Uh. Теперь составим уравнение материального баланса: qd т = р г hS + U т Sd т (1.4) где q - секундный расход пены, кг-с" ; р/ - плотность пены, кг/м ; h - средняя высота слоя пены, м; S - площадь покрытая пеной, м2, которая может быть выражена через степень покрытия поверхности резервуара - 0, т.е. Q=S/SQ ИЛИ S=So Q; Uj - удельная скорость термического разрушения пены, кгм" с" . Тогда qdx = pfhS dQ + UTS dQdx . (і.5)
Для решения уравнения материального баланса необходимо выявить зависимость удельной скорости термического разрушения пены от степени покрытия горящей поверхности. Тепловой поток от факела пламени изменяется от максимальной величины, соответствующей условиям стационарного горения нефтепродукта, до очень малых значений по мере покрытия поверхности горения пеной. Величина удельной скорости термического разрушения пены также снижается в процессе тушения. Для количественной оценки этой зависимости примем, в качестве наиболее очевидной причины разрушения пены, потерю поверхностной активности молекулами пенообразователя в водном растворе, нагретом до температуры выше 60 С, т. е. распад пены происходит в результате частичной десорбции молекул ПАВ с границы раздела пленка-воздух. Величина предельной температуры, при которой утрачивается поверхностная активность, определяется природой ПАВ. Экспериментальные измерения показали, что фторсинтетические пенообразователи при нагревании их водного раствора до температуры кипения не утрачивают поверхностной активности, но и в этом случае пена разрушается в результате термического воздействия факела пламени, хотя несравненно медленнее, чем для углеводородных пенообразователей [88].
Примем, что для фторсодержащих пенообразователей пена разрушается в поверхностном слое в результате испарения водных пленок. Тогда выражение для удельной скорости термического разрушения пены в общем виде примет вид: где qj - величина теплового потока, Дж/(м" с); QB — удельная теплота, необходимая для испарения воды; z - коэффициент формы пузырьков пены.
Поскольку для разрушения слоя пенных пузырьков достаточно нагреть или испарить только наружный слой пленок, то требуемое для этого количество тепла в 2-3 раза меньше, чем для нагрева всей массы воды в пене. Поэтому в формулу (1.6) введен в знаменатель коэффициент формы пенных пузырьков (в наружном слое являющихся полушариями), который определяется кратностью и дисперсностью пены и изменяется от 0,5 до 0,3.
Поток тепла от факела пламени на единицу поверхности нефтепродукта может быть выражен через удельную скорость выгорания и площадь поверхности горения: где UQ1 - удельная скорость выгорания бензина в стационарном режиме до начала тушения, Qn - удельная теплота нагревания и испарения бензина, Дж/кг; 0 - степень покрытия поверхности горящего бензина пеной. Подставив выражение (1.7) в формулу (1.6), получим количественную взаимосвязь удельной скорости термического разрушения пены от степени покрытия поверхности горения
Результаты экспериментов по определению скорости разрушения пены, получаемой при совместном применении пенообразователей различных композиций
В последнее время на объектах нефтегазовой отрасли Российской Федерации произошли крупные пожары, для ликвидации которых использовалась воздушно-механическая пена, и потребовалось сосредоточение на месте пожара большого количества пенообразователей, пожарной техники и личного состава пожарных подразделений [89-91].
В условиях реального пожара достаточно трудно дать оценку, о какой либо вероятности использования нескольких видов пенообразователей, потому что их взаимное смешивание редко возможно, а разобраться в ходе тушения, какой пенообразователь подавать сразу, а какие, можно, применять одновременно процесс сложный, и он, естественно, затрудняет организацию и оперативность пожаротушения. В случае нехватки пенообразователя для проведения пенной атаки или неудачной пенной атаки в условиях недостатка времени, штабом пожаротушения обычно принимается решение использовать пенообразователь, имеющийся в наличии на объекте или предназначенный для защиты соседних объектов. Все делается для того, чтобы как можно быстрее приступить к тушению, не учитывая, что следует правильно определить очередность подачи огнетушащих средств, так как применение одного вида пенообразователя может снизить эффективность другого. Не принимается во внимание также то, что в стационарных установках пожаротушения запроектировано применение одной марки пенообразователя с определенной нормативной интенсивностью, а интенсивность подачи пенообразователя, доставлено к месту пожара, может быть другой, что потребует доставки дополнительного его объема для проведения пенной атаки. Проведение пенных атак в таком случае не может привести к положительному результату, так как на сетках пеногенераторов или в системах подслойного пожаротушения вместо образования пены будет истекать рабочий раствор пенообразователя, либо кратность получаемой пены будет не нормативной [92-95]. Использование нескольких видов пенообразователей для тушения потребует, безусловно, большего времени на организацию пенной атаки, однако если применение нескольких пенообразователей неизбежно, то необходима информация о совместимости и очередности их использования. Данную информацию можно будет получить только после проведения экспериментальных исследований. При этом необходимо испытать не только пенообразователи, находящиеся на объекте защиты, но и те, которые будут участвовать в тушении, - это пенообразователи пожарных подразделений, прибывающих на пожар по повышенному номеру вызова [96].
В настоящем разделе диссертационной работы приводятся экспериментальные данные, позволяющие разобраться в причинах отсутствия кратности и устойчивости противопожарной пены. При испытаниях получены сведения об устойчивости пены из смесей серийно выпускаемых пенообразователей различных композиций. Для исследования были отобраны образцы пенообразователей применяемых в системах пожаротушения. Отбор пенообразователей производился из емкостей автоматических установок пожаротушения имеющихся на объекте, пожарных автоцистерн пожарных подразделений, охраняющих объект и из емкостей 100 % запаса пенообразователя для нужд пожаротушения. Так были отобраны четыре марки пенообразователя, именуемые в дальнейших исследованиях как: образец « 4», образец «В», образец «С» и образец «D».
Полученные данные отражались графически в виде кривых на рисунках 3.1-3.4.
Представленные результаты экспериментов позволяют сделать вывод, что при смешении различных образцов пенообразователей неоднозначно изменяется скорость разрушения пены - скорость процесса «сенерезиса» (скорость истечения водного отсека из пены). Особенно высокая скорость разрушения пены наблюдается у смесей следующих пенообразователей: у образцов «А» и «С» и образцов «D» и «С» в концентрации 50:50 % масс. (1:1) и 75:25 % масс. (3:1) соответственно, которая превышает значения скорости разрушения полученную у «эталонных» образцов 1,2-1,5 раза. Так, при испытании «эталонных» образцов у пенообразователя образец «С» наблюдалась наиболее низкая скорость разрушения пены, что может характеризовать его более высокую огнетушащую эффективность. Однако введение в раствор других пенообразователей с иным химическим составом ухудшило свойства пенообразователя.
На рисунке 3.5 показаны кривые, характеризующие скорость разрушения пены при изменении процентного состава смесей пенообразователей. Начальные и конечные точки - это эталонные составы, а промежуточные точки - это пропорциональные смеси составов в концентрации 25, 50 и 75 %, соответственно. Анализируя полученные данные можно однозначно сделать вывод, что в условиях реального пожара при неправильном применении пенообразователей мы можем получить эффект образования так называемой «сухой» пены, когда скорость истечения раствора из пены приближается к скорости формирования пены. Такая пена не обладает необходимыми для ликвидации горения свойствами [97].
Установлено, что в настоящее время на объектах нефтегазовой отрасли для нужд пожаротушения хранится обширная линейка марок пенообразователей. Некоторые объекты одновременно имеют запас пенообразователей, предназначенных для получения высокократной пены для тушения пожара насосных по перекачке нефтепродуктов, пенообразователи, предназначенные для тушения способом подачи пены под слой горючего, пенообразователи, используемые в передвижной пожарной технике [98].
В таких случаях целесообразно применять так называемые «универсальных» пенообразователи специальной композиции [99, 100].
В результате проведённых экспериментальных исследований устойчивости пен, полученных из смесей пенообразователей различных композиций, и анализа полученных данных, установлено:
1. Устойчивость пен по мере изменения соотношения компонентов пенообразователей изменяется неравномерно. Добавки пенообразователя иной композиции изменяют устойчивость пены, по отношению к пене, полученной из однородного (эталонного) пенообразователя.
2. Не допускается смешивать пенообразователи с различным назначением, пенообразующей природой и огнетушащими и эксплуатационными свойствами. Смешанные составы пенообразователей, в концентрации 50 % масс, и более пенообразователя иной композиции от исходного, понижают устойчивость пен в 1,5 раза и не могут быть применены при тушении пожара.
3. При тушении крупных пожаров в резервуарах и резервуарных парках руководитель должен знать, какие пенообразователи для проведения пенной атаки, сосредоточенные на пожаре, допускается смешивать. Эти сведения в обязательном порядке должны содержаться в планах тушения пожара, получить такие сведения можно только после проведения лабораторных испытаний или экспресс-анализа на совместимость пенообразователей.
4. Совместимые пенообразователи не должны мутнеть, расслаиваться и выпадать в осадок при смешении друг с другом. Не должны ухудшаться коллоидно-химические свойства, пенообразующая способность и огнетушащая эффективность пенных концентратов.
Это доказывает, что при тушении пожаров не допускается производить смешение пенообразователей без проведения предварительных испытаний их образцов по разработанному в диссертации методу оценки совместимости пенообразователей для тушения автомобильных бензинов в РВС (приложение А).
Анализ процесса тушения пламени автомобильных бензинов европейского стандарта пленкообразующей низкократной пеной при подаче комбинированным способом
Для фторсодержащих пенообразователей измерение межфазного поверхностного натяжения на границе водного раствора пенообразователя с автомобильными бензинами показало, что этот параметр непрерывно меняется с момента образования границы раздела жидкостей (см. главу 3, рисунки 3.11-3.14). Водный раствор постепенно экстрагирует спирт из его смеси бензинов со спиртами, поэтому изменяется величина межфазного натяжения.
Анализ изотерм поверхностного и межфазного натяжения показывает, что по мере увеличения доли спирта в бензине снижается величина межфазного натяжения и при некоторых концентрациях граница раздела фаз размывается (см. главу 3, рисунок 3.15). Как правило, эти составы наиболее активно разрушают пену, особенно при повышенных температурах.
Количественный анализ процесса тушения бензина базировался на известном подходе Реутта В.Ч., Безродного И.Ф., Баратова А.Н., который рассматривает составляющие материального баланса пены, поданной в резервуар [91, 111-113]. Учитывая определяющую роль контактного разрушения в процессе подъема и растекания пены по поверхности нефтепродукта, предложено полуэмпирическое соотношение, которое использует такие специфические параметры, как предельная концентрация утраты поверхностной активности, эквивалентная величина поверхностного натяжения и др. Процесс тушения пламени автомобильных бензинов, содержащих в своем составе спирты, имеет свою специфику, которая обусловлена изменением величины удельной скорости разрушения пен по площади поверхности контакта с нефтепродуктами в процессе растекания пены.
Наиболее энергично пена разрушается в небольшом слое, который примыкает непосредственно к наружной кромке пены. Ширина этого слоя зависит от скорости движения пены и концентрации спирта в автомобильном бензине. В крайних ситуациях, когда весь нефтепродукт замещен на спирт, ширина этого слоя распространяется на всю поверхность контакта пены с бензином. В отсутствии добавок спирта ширина этой зоны становится практически незаметной, поэтому роль контактного разрушения становится намного меньше, чем скорость ее термического распада.
Сложность количественного анализа процесса тушения бензинов с содержанием спиртов связана с зависимостью удельной скорости контактного разрушения пены, ширины слоя, в котором происходит основное разрушение пены, от содержания спирта в бензине. Анализируя материальный баланс пены, поданной на тушение бензинов, можно получить различные формулы для оценки времени тушения. Если разрушение пены происходит преимущественно в слое, который непосредственно примыкает к наружной кромке пенного слоя, то время покрытия поверхности может быть оценено по формуле
Из формулы (4.7) следует, что удельная скорость контактного разрушения пены резко возрастает при использовании пенообразователей, которые слабо снижают поверхностное натяжение рабочих растворов. Величина предельной концентрации, при которой утрачивается поверхностная активность молекул пенообразователя, зависит в основном от его природы, причем его активность в смешанном растворителе трудно предсказать, даже если есть данные о его поверхностной активности в водном растворе. Поэтому выбор пенообразователей происходит случайным методом, в результате многочисленных лабораторных экспериментов.
Удельная скорость контактного разрушения пены пропорциональна концентрации молекул спирта в поверхностном слое системы «бензин - пена», причем ее величина не соответствует объемным соотношениям компонентов смеси бензина со спиртом, а определяется их поверхностной активностью. На основе экспериментального определения изотерм поверхностного натяжения системы «бензин - изопропиловый спирт» было доказано, что доля спирта в поверхностном слое заметно ниже его объемной концентрации (см. главу 3, рисунок 3.15). При содержании спирта в бензине не более 5 % поверхностный слой содержит лишь 0,5 % его молекул, этим объясняется невысокая скорость контактного разрушения пен в бензинах с малым содержанием спирта.
Нарастание скорости контактного разрушения пен происходит синхронно с ростом доли его молекул в поверхностном слое.
Предложенное соотношение позволяет оценить время тушения автомобильного бензина с содержанием спирта. Сопоставление с экспериментом показало удовлетворительное совпадение экспериментально полученных и прогнозируемых времен тушения пламени автомобильного бензина, содержащего изопропиловый спирт, комбинированным способом подачи пены.
Анализ кривых тушения автомобильных бензинов различными способами подачи пены (рисунки 4.6-4.8) показывает, что наилучшей огнетушащей эффективностью обладает пена при подаче комбинированным способом, т.е. в слой и на поверхность нефтепродукта, и при этом достигается минимальное время тушения при заданной интенсивности подаче пены.
При комбинированном способе подачи пены важно определить количественные режимы ее подачи: удельные расходы подачи пены одновременно под слой бензина и на его поверхность - способом сверху. Количественные режимы подачи пленкообразующей пены в слой и на поверхность бензинов зависят от содержания спиртового компонента в топливе. В диссертации экспериментально доказано, что при увеличении содержания спирта большую часть пены необходимо подавать на поверхность автомобильных бензинов. Наибольшая критическая интенсивность потребовалась для подслойной подачи пены, это связано с высокой скоростью разрушения пены при подъеме.
В результате проведенных диссертации экспериментов, а также удовлетворительное сопоставление экспериментальных и расчетных данных позволили обосновать внедрение комбинированного способа подачи пены для тушения автомобильных бензинов европейского стандарта в РВС, схема которого показана на рисунке 4.5.
