Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 14
1.1. Классификация фланцевых соединений 14
1.2. Характерные пожары, связанные с разгерметизацией фланцевых соединений 20
1.3. Сценарий развития пожара при разгерметизации фланцевых соединений 25
1.4. Анализ нормативной базы о требованиях к огнестойкости фланцевых соединений 29
1.5. Анализ научно-исследовательских работ по изучению огнестойкости фланцевых соединений 36
1.6. Выводы, постановка цели и задач исследования 40
Глава 2. Математический эксперимент по нагреву фланцевого соединения в условиях пожара 42
2.1. Моделирование нестационарного теплообмена во фланцевом соединении при омывании его пламенем пожара 42
2.2. Анализ величин, входящих в полученные уравнения 45
2.2.1. Обоснование плотности теплового потока при омывании пламенем фланцевого соединения 46
2.2.2. Определение коэффициентов теплоотдачи при омывании пламенем фланцевого соединения 57
2.5. Результаты численного эксперимента 66
2.6. Выводы по главе 74
Глава 3. Физический эксперимент по нагреву фланцевого соединения в условиях пожара 75
3.1. Постановка задачи экспериментальных исследований 75
3.2. Разработка стенда для проведения огневых испытаний 77
3.2.1. Анализ использования фланцевых соединений на технологических системах с нефтью и нефтепродуктами 79
3.2.2. Конструктивные особенности экспериментальной установки фланцевого соединения 82
3.2.3. Обоснование модельного очага пожара 84
3.2.4. Измеряемые величины и средства измерения 88
3.3. Методика проведения эксперимента по нагреву фланцевых соединений без огнезащиты 93
3.4. Результаты экспериментальных исследований по нагреву фланцевых соединений без огнезащиты 96
3.5. Погрешность измерений 100
3.6. Результаты проверки адекватности численного эксперимента данными натурного эксперимента 102
3.7. Упрощённая модель нагрева шпильки фланцевого соединения в условиях пожара 106
3.8. Выводы по главе 113
Глава 4. Экспериментальное исследование эффективности огнезащиты фланцевых соединений вспучивающимся покрытием 114
4.1. Анализ способов огнезащиты фланцевых соединений 114
4.2. Физико-химические основы механизма работы вспучивающихся огнезащитных покрытий 118
4.3. Требования к огнезащитным покрытиям для стальных конструкций 121
4.4. Метод испытаний огнезащитных покрытий на фланцевых соединениях 123
4.5. Результаты огневого испытания фланцевого соединения с огнезащитой 128
Глава 5. Практическое приложение результатов исследования «Методика определения огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий для фланцевых соединений» 131
5.1. Термины и определения 131
5.2. Методика определения огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий для фланцевых соединений 132
5.3. Обработка результатов испытаний 134
5.4. Требования к протоколам испытания и техника безопасности 135
Общие выводы по диссертации 136
Список литературы 138
Приложения 151
- Характерные пожары, связанные с разгерметизацией фланцевых соединений
- Анализ величин, входящих в полученные уравнения
- Разработка стенда для проведения огневых испытаний
- Физико-химические основы механизма работы вспучивающихся огнезащитных покрытий
Введение к работе
Пожары, на объектах нефтегазового комплекса (НТК), которые происходят как в производственных помещениях, так и на наружных технологических установках, приводят к тому, что технологические системы, в которых хранятся, перерабатываются, транспортируются нефть и нефтепродукты, не способны выполнять своих функциональных назначений в условиях пожара, вследствие потери ими огнестойкости.
В свою очередь, это может привести к остановке как отдельного производственного цеха или участка наружной установки, так и целого промышленного предприятия, что влечёт за собой значительный экономический и социальный ущерб, не только для отдельного территориального образования, но и в масштабах субъекта Российской Федерации.
Производственное оборудование и наружные технологические установки размещают на небольшом расстоянии друг от друга и нередко эти объекты имеют большую высоту. В указанных системах обращаются под высоким давлением и температурой значительное количество легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, большинство которых представляют нефть и нефтепродукты, также на этих объектах находятся постоянно действующие источники зажигания. Всё это свидетельствует о высокой пожарной опасности технологических систем с нефтью и нефтепродуктами.
Изучению данного вопроса посвещенно множество исследований, цель которых снизить вероятность возникновения и последствия пожара на объектах нефтегазовой отрасли.
Настоящее исследование посвящено изучению огнестойкости фланцевых соединений (ФС) в условиях пожара и разработке способа его огнезащиты. Под огнестойкостью фланцевого соединения в данной работе понимается -способность фланцевого соединения сохранять свое функциональное назначение, а именно обеспечивать герметичность при соединении между собой различного технологического оборудования в условиях пожара.
Одними из ведущих научных и образовательных учреждений, занимающихся проблемой обеспечения пожарной безопасности при хранении нефти и нефтепродуктов, является ФГУ ВНИИПО МЧС РФ и Академия ГПС МЧС РФ.
Основные направления научных исследований в Академии возглавляют профессор Шароварников А.Ф. - тушение пожаров в резервуарных парках; профессор Назаров В.П. - обеспечение пожарной безопасности технологии предремонтной подготовки и проведения огневых работ на резервуарах; профессор Кошмаров Ю.А. - исследование параметров теплового воздействия пожара на технологическое оборудование; профессор Поляков Ю.А. — разработка приборов газового анализа углеводородов [1].
Ведущими специалистами в решении задач, связанных с исследованием влияния открытого пламени нефтепродуктов на технологические системы хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов, а также исследования способов противопожарной защиты являются: Волков О.М [5, 12, 127], Шебеко Ю.Н. [81, 129], Сучков В. П., Молчанов В.П., Грушевский Б.В. [1, 8, 38, 68, 70], В.Л. Страхов, A.M. Кругов, Н.Ф. Давыдкин, Т.Ю. Еремина, Х.И. Исхаков, В.В. Гришин, В.И. [37, 52, 60, 106, 113]. Различные способы решения этого вопроса отражены в работах других специалистов в этой области.
Объём научных исследований, посвященных вопросу обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли, достаточно широк. Нами выбрана одна из нерешённых задач — огнестойкость и противопожарная защита фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами.
Актуальность работы
Анализ характерных аварий и пожаров, происходящих на технологических системах НТК, показал, что в основном они связаны с нарушением герметичности различной технологической аппаратуры, входящей в состав этих систем.
Из-за нарушения герметичности возникают утечки пожаровзрывоопас-ных веществ и материалов. Этот процесс приводит к увеличению масштабов
9 пожара, длительности его тушения, возрастанию ущерба от него, а главное -повышает угрозу для жизни работников промышленных предприятий и личного состава сотрудников государственной противопожарной службы, участвующих в непосредственном тушении пожара.
В связи с этим проблема снижения пожарной опасности путем повышения огнестойкости технологических систем с нефтью и нефтепродуктами важна и актуальна для объектов нефтегазовой отрасли.
Наиболее распространенный элемент технологической системы — разъемное соединение, встречающееся в различных конструктивных формах, в частности фланцевые соединения трубопроводов [2].
Особую опасность представляет нарушение герметичности фланцевых соединений которые соединяют между собой технологические системы с нефтью и нефтепродуктами [3]. Практика эксплуатации фланцевых соединений показывает, что их надежность зависит не столько от прочности элементов, сколько от герметичности уплотнения.
Нарушение герметичности фланцевого соединения вызывается не разрушением фланцев или шпилек/болтов, а деформациями в элементах фланцевого соединения, из-за повышения внешней температуры, которая воздействует на это соединение. В надежности разъемных соединений главное значение имеет их резерв по герметичности, поэтому надежность фланцевого соединения характеризуется, прежде всего, способностью сохранять требуемую герметичность в течение заданного интервала времени в конкретных условиях.
Установлено, что разъемные соединения являются наиболее уязвимыми местами при нормальном режиме эксплуатации, а особенно при пожаре [2]. В результате нарушения их герметичности возникают утечки горючих жидкостей и газов (например, на нефтяных и газовых скважинах, у резервуаров с нефтепродуктами, на технологических установках).
Актуальность выбора темы данной работы обусловлена: - случаями пожаров, при которых происходит разгерметизация фланцевых соединений;
10 - отсутствием научно-обоснованных требований к противопожарной защите для фланцевых соединений.
Настоящая работа является продолжением комплекса исследований, проводимых в Академии ГПС МЧС России по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли.
Целью диссертационной работы является определение огнестойкости фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами и огнезащитной эффективности вспучивающегося покрытия, нанесённого на фланцевое соединение.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи исследования: проанализировать научно-техническую и нормативную литературу, посвященную изучению поведения фланцевых соединений в условиях пожара и требованиям пожарной безопасности к огнестойкости фланцевых соединений; провести численный эксперимент взаимодействия пламени пожара с фланцевым соединением; разработать экспериментальный стенд и методику проведения огневых испытаний фланцевых соединений; провести экспериментальное исследование по определению фактического предела огнестойкости фланцевого соединения; экспериментально исследовать огнезащитную эффективность вспучивающегося покрытия, нанесённого на фланцевое соединение.
Объектом исследования является фланцевое соединение технологических систем с нефтью и нефтепродуктами в условиях пожара.
В качестве предмета исследования рассматривается процесс нестационарного теплообмена, при омывании фланцевого соединения пламенем пожара нефтепродукта.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложена математическая модель и методика численного расчёта температурного поля фланцевого соединения, омываемого пламенем нефтепродукта.
Впервые создан стенд, на котором экспериментально определён фактический предел огнестойкости фланцевых соединений.
Экспериментально установлено, что на разгерметизацию фланцевых соединений в условиях пожара не влияет ни степень затяжки шпилек, ни толщина уплотнительной поверхности. Разгерметизация фланцевых соединений наступает вследствие неравномерных температурных деформаций возникающих в элементах фланцевой арматуры.
Экспериментально установлен специфический эффект огнезащитного действия вспучивающегося огнезащитного покрытия применительно к огнезащите фланцевых соединений.
Практическая значимость работы состоит в том, что в результате проведенной экспериментально - теоретической работы: установлено, что фланцевое соединение имеет весьма низкий фактический предел огнестойкости, который свидетельствует о необходимости огнезащиты фланцевых соединений, используемых в технологических системах с нефтью и нефтепродуктами; предложена и апробирована эффективность использования в качестве способа, повышающего огнестойкость фланцевого соединения, нанесение на него вспучивающегося огнезащитного состава.
Практическое применение вспучивающихся огнезащитных составов на фланцевых соединениях, которые соединяют между собой технологические системы с нефтью и нефтепродуктами, позволит снизить процесс протекания аварийной ситуации с дальнейшим переходом её в пожар, его каскадного и катастрофического развития на нефтегазовых объектах.
Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается: использованием современных и апробированных методов чис-
12 ленного расчёта разработанной модели; совпадением результатов натурного и численного экспериментов; сравнением с экспериментальными данными других исследователей.
Материалы диссертации реализованы при: а) разработке технической документации для проведения огнезащитных работ на нефтедобывающей Морской ледостойкой стационарной платформе (МЛГГС) «Приразломная»; б) разработке единой концепции проектирования систем противопожар ной защиты комплекса гидрокрекинга завода глубокой переработки нефти в составе ООО «КИНЕФ» (Ленинградская обл., г. Кириши) ЕКП.СПЗ, изм.З, а именно: обоснование огнезащиты фланцевых соединений от разгерметизации при возникновении пожара; в) разработке лекционного материала по курсу «Пожарная безопасность технологических процессов» в Академии ГПС МЧС России.
Основные результаты работы были доложены на: - четырнадцатой научно-технической конференции «СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ» - СБ-2005 Международного форума информатизации (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2005); второй Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт государственной противопожарной службы, 2006); научно - практической конференции с международным участием «Современные системы и средства обеспечения пожарной безопасности» в рамках 7-й международной специализированной выставки «ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI ВЕКА» (г. Москва, ВВЦ); семнадцатой научно-технической конференции «СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ» - СБ-2008 Международного форума информатизации (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2008).
13 На защиту выносятся: результаты теоретического исследования процесса теплообмена фланцевого соединения при омывании пламенем пожара; разработанный экспериментальный стенд и результаты экспериментальных исследований при омывании пламенем фланцевого соединения без огнезащиты; результаты экспериментального исследования при омывании пламенем фланцевого соединения с нанесённым на него огнезащитным вспучивающимся покрытием.
Публикации: по теме диссертационного исследования опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации основных научных результатов.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по диссертации, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 173 страницах текста, включает в себя 7 таблиц, 53 рисунка, список использованной литературы из 134 наименований.
Характерные пожары, связанные с разгерметизацией фланцевых соединений
Следует отметить, что процесс нарушения герметичности фланцевых соединений при пожаре исследован недостаточно [2]. Огневые опыты на Само-тлорском нефтяном месторождении показали, что разгерметизацию устьевого оборудования фонтанных скважин нельзя объяснить выгоранием паронитовых прокладок и сальников, так как была нарушена герметичность соединений и с металлическими прокладками, оставшимися на своих местах.
На основании анализа характера распространения пожара и состояния арматуры после пожара можно предположить, что основной причиной неустойчивости фонтанной арматуры скважин к тепловому воздействию пожара являются неравномерные температурные деформации деталей фланцевого соединения. Более высокую температуру шпильки, по сравнению с температурой фланца, можно объяснить условиями теплоотдачи.
В результате нарушения их герметичности из-за пробоя [23] или локального прогрева возникают утечки горючих жидкостей и газов (например, на нефтяных и газовых скважинах, у резервуаров с нефтепродуктами, на технологических установках).
Фланцевые соединения и ремонтные хомуты имеют болты, которые удлиняются при воздействии пламени или значительных тепловых нагрузок. При воздействии высоких тепловых нагрузок на уплотнение часто происходит их разгерметизация, что может привести к розливу дополнительного объёма жидкости [23].
Малую сопротивляемость огню фланцевых соединений подтверждают характерные случаи пожаров.
Известен случай, когда при испытании на герметичность агрегата синтеза аммиака после ремонта произошло разрушение резьбового соединения фланца в узле диафрагмы, установленном во время ремонта. Сборка узла была выполнена неправильно: в ее процессе не была обеспечена требуемая герметичность одного из фланцевых соединений. Опрессовка аппарата также в нарушение правил проводилась не инертным газом, а азотоводородной смесью.
Результат: утечка через вскрывшееся фланцевое соединение пожароопасной смеси и ее воспламенение.
Случаи утечки большого количества этилена в установках для получения полиэтилена высокого давления из систем высокого давления с последующим его воспламенением, сопровождаемым пожарами, встречались на практике неоднократно. Такие утечки во многих случаях были вызваны разуплотнением фланцевых соединений блока клапанов отделителя высокого давления.
Известны случаи пожаров, которые были вызваны выбросом ТИБА (триизобутилалюминия) через неплотности во фланцевом соединении на цен-трифугальных установках, а также через гидрозатворы. Например, из-за нарушения герметичности фланцевого соединения на крышке люка реактора синтеза ТИБА произошла утечка продуктов из системы с последующим их воспламенением. В отделении начался пожар, который не удавалось ликвидировать длительное время.
Известны также случаи аварий на заправочных станциях при сливо-наливных операциях. Во время налива жидкого хлора в цистерну через ослабленное фланцевое соединение трубопровода, ведущего к хранилищу, в атмосферу было выпущено около 40 т жидкого хлора. Образовавшееся газовое облако распространилось на расстояние 2 км в направлении ветра по территории предприятия и за его пределами.
На установке для производства метанола и деструктивной гидрогенизации продуктов переработки нефти при избыточном давлении 32 МПа произошел выброс циркуляционного газа, содержащего 70% водорода, в результате утечки через фланцевое соединение каплеотделителя. После сброса давления в каплеотделителе до атмосферного старую прокладку заменили новой. Перед установкой новой прокладки не была проведена зачистка уплотняющей поверхности фланцев, трубопровод после замены прокладки не был проверен на герметичность, при этом на нем были смонтированы гладкие фланцы, а не соединения типа «выступ - впадина». Все это привело к прорыву прокладки и выбросу газа.
На пожарах в резервуарных парках нефтепродуктов при горении нефти и нефтепродуктов в обваловании резервуаров часто происходили случаи разгерметизации фланцевых соединений в узле коренных задвижек, что приводило к дополнительному поступлению на пожар новых порций горючих веществ.
Известен случай пожара, который произошел на заводе фирмы Du Pont de Nemours & Co (США) в результате утечки нагретого газа через фланцевое соединение трубопровода, работающего под давлением 2,8 МПа. Так как температура газа была выше температуры самовоспламенения, то при его утечке через прокладку фланца заслонки образовалось слабое пламя. Первоначально небольшое пламя вызывало нагрев болтов и их температурное удлинение, что привело к полной потере герметичности соединения и пожару в цехе. Предложена и успешно эксплуатируется в настоящее время система с защитной обечайкой, монтируемой на фланцах в местах установки заслонок [9].
Пятого января 2004 года на Ривневской атомной электростанции произошел пожар. Из-за пожара остановлен первый энергоблок.
В ходе разведки пожара пожарные установили, что горит трансформатор блока номер 1, через разгерметизированные фланцевые соединения и поврежденные огнем высоковольтные вводы происходит вытекание масла [10].
Анализ величин, входящих в полученные уравнения
Для возможности проведения расчета по определению температуры фланцевого соединения необходимо иметь значения входящих величин. Такие величины, как теплоемкость материала, с, плотность материала, р, являются величинами известными, а плотность теплового потока, q, и коэффициенты теплоотдачи, а, являются величинами искомыми, меняющими свои значения во времени и взаимосвязанными между собой. В связи с этим необходимо решить задачу по количественному определению этих величин применительно к нашей задаче.
Закономерности теплообмена от пламени к омываемой им поверхности фланцевого соединения являются ключевыми в задаче об огнестойкости.
Для описания изменения температуры во фланцевом соединении в условиях пожара необходимо обладать данными о плотности теплового потока.
Известно, что теплообмен тел, омываемых пламенем, является сложным процессом теплопереноса, включающим в себя лучистый и конвективный процессы теплообмена. Причем величина тепловых потоков, передаваемых поверхности излучением и конвекцией, различна и зависит от большого числа параметров [53; 54; 55].
Незащищённые металлические конструкции имеют фактический предел огнестойкости в среднем 15 минут при плотности теплового потока 15 кВт м" [59; 60; 61, 78].
Также известно, что основными величинами, определяющими лучистые тепловые потоки, являются температура пламени, его степень черноты, степень черноты тела и его температура. Конвективные тепловые потоки определяются, в основном, скоростью движения газов, их температурой, режимом движения в пограничном слое, формой и размерами тела [45].
В настоящее время выполнено большое количество экспериментальных работ по определению суммарных или интегральных тепловых потоков, в основе которых лежат конвективные тепловые потоки и тепловые потоки, вызванные излучением.
При определении теплового потока нами был использован ранее накопленный опыт экспериментальных исследовании в этой области и полученные в ходе экспериментов результаты. В связи с чем в данном диссертационном исследовании решено не ставить самостоятельных экспериментов по нахождению тепловых потоков, полагаясь на достоверность ранее полученных данных.
Вопросам исследования тепловых потоков, возникающих при пожарах, посвещено большое количество экспериментальных исследований [45, 56; 57; 58; 62; 63; 64; 68; 69; 73; 75; 78, 79].
Экспериментальные работы, посвященные нахождению тепловых потоков, условно можно разделить на три блока, это: - тепловые потоки, возникающие при пожаре в помещении; - тепловые потоки, возникающие при горении жидкости со свободной поверхности; - тепловые потоки, возникающие при непосредственном омывании пламенем технологических конструкций.
В работе [56] проводили экспериментальные исследования процесса теплового взаимодействия пожара с горизонтальными железобетонными конструкциями. Анализ экспериментальных значений показал, что средним значением плотности тепловых потоков при различных температурных режимах яв-ляется 22 кВт/м на поверхности железобетонной плиты.
Исследования [57; 58] показали, что в топках котлов, в частности при сгорании природного газа, теплообмен происходит в основном за счет теплового излучения, так как в топочных камерах скорость движения газов, омывающих поверхность стенок, низкая.
Заслуживает внимания работа [62], в которой были проведены измерения суммарных тепловых потоков. Эксперименты проводились на двух различных натурных объектах: это фрагмент промышленного здания и камера -весы, которая представляет собой помещение. Нами взяты данные, полученные при измерении тепловых потоков при горении керосина с различных площадей горения, а именно 1 м2; 2 м2; 4 м2. С этих площадей взято по двадцать пять замеров, в результате чего получены средние значения тепловых потоков 8,72 кВт-м"2; 14 кВт-м "2; 33 кВт-м "2 соответственно.
В работе [63] найдены средние значения тепловых потоков, падающих на ограждающие конструкции помещения. Поверхностная плотность теплового потока, поступающего в конструкции потолка, стен и пола, в проведенных опытах составила 9,33-32,5 кВт-м " , 3,2 - 14,5 кВт-м " , 1,6 - 3,3 кВт-м " соответственно.
Теплопередача от факела горящего нефтепродукта рассмотрена в работах [66; 67; 68; 69; 70; 71;].
По экспериментальным данным авторов работы [70], плотность падающего теплового потока qn изменяется в широком диапазоне значений: при го рении бензина 56-129 кВт-м " , дизельного топлива 34,6-86 кВт-м" .
Разработка стенда для проведения огневых испытаний
Рассмотрение различных экспериментальных установок, предназначенных для исследования поведения строительных конструкций при нагреве, показало, что ни одна из существующих экспериментальных установок не может удовлетворить вышеназванные задачи, так как печи обеспечивают возможность испытания образцов конструкции при требуемых условиях нагружения, опирання, температуры и давления. Температурный режим, создаваемый в печах, характеризуется - так называемой стандартной кривой «температура-время» [39,40]. В связи с тем, что наши эксперименты будут проходить на открытой местности и они связаны с воздействием открытого пламени пожара, то температурный режим не попадет в область стандартной кривой. Следовательно, встал вопрос о создании своей экспериментальной установки. Поэтому нами был разработан и создан свой стенд для проведения экспериментальных исследований.
Конструкция стенда (рис.3.2. и 3.3.) для испытания включает в себя: - экспериментальную установку фланцевых соединений; - модельный очаг пожара; - систему измерения и регистрации параметров, включая оборудование для проведения фотосъемок.
При конструировании стенда принято во внимание решение вопросов, связанных с обеспечением пожарной безопасности при проведении настоящих исследований.
Одним из существенных препятствий, вставших на пути нашего исследования в части проектирования экспериментального стенда, явилось значительное многообразие фланцевых соединений, используемых в отечественной нефтяной промышленности.
В связи с этим было проведено самостоятельное исследование, связанное с определением наиболее распространенного типа фланцевого соединения, используемого на пожароопасных технологических установках. Исследование предполагало выезд и непосредственный сбор данных по разработанной информационно-статистической анкете, форма которой представлена в табл. 3.1, на московском и нижегородском нефтеперерабатывающем заводах, а также саракташской нефтебазе, которая находится в Оренбургской области.
В ходе этого исследования нами собрана информация о фланцевых соединениях расположенных на двадцати объектах, среди которых наиболее распространёнными технологическими системами с нефтью и нефтепродуктами являются: коренные задвижки резервуаров, расположенные в обваловании; эстакады и трубопроводы слива и налива нефтепродуктов; колонна на узле абсорбции паров бензина; насосы по перекачке ЛВЖ и ГЖ; газофракционирую-щая установка и некоторые другие системы.
Как нам удалось установить,.количество используемых фланцевых соединений довольно значительное. Назвать точную цифру их количества не представляется возможным. По примерным оценкам, только на сливо-наливной эстакаде их насчитывается до двухсот штук, а общее количество фланцевых соединений на нефтеперерабатывающих заводах и нефтебазах будет превышать тысячи штук. Как видно, внутренняя среда технологической аппаратуры, которые соединяют фланцевые соединения на указанных выше технологических системах, представляет собой взрывопожароопасные вещества, такие, как сжиженный углеводородный газ, нефть и нефтепродукты. Вместе с тем проведённая работа позволила получить некоторое распределение по основным наиболее распространённым параметрам для фланцевых соединений. Результаты исследования представлены в виде диаграмм (рис. 3.4-3.7).
Распределение, представленное на диаграммах, достаточно хорошо позволяет нам определить наиболее распространенное фланцевое соединение, используемое на пожаровзрывоопасных технологических системах - это фланцевое соединение круглой формы с гладкой привалочной поверхностью, паронитовой прокладкой и, что самое характерное, без огнезащиты. Десять с половиной процентов выполненной огнезащиты, представленной на рис. 1.5, являются, можно сказать единственным и уникальным случаем. Как показал проведенный опрос, к огнезащите фланцевых соединений на реальных пожаровзрывоопасных объектах обслуживающий их инженерно-технический персонал относится с пренебрежением и не представляет для чего это нужно.
Экспериментальная установка фланцевых соединений для проведения исследований состоит из двух стальных бесшовных трубопроводов диаметром 100 мм с приваренными фланцами. Длина каждого отрезка трубы составляет 1000 мм.
Экспериментальная установка, установлена на специальных приспособлениях, представляющих собой металлические штативы с возможностью изменения высоты расположения образца над очагом пожара.
Для соединения трубопровода использованы фланцы плоские, стальные, круглого сечения, привариваемые к трубе в стык. Работают при условном давлении не ниже 1,6 МПа и рабочей температуре выше 300 С. Используются для светлых нефтепродуктов, нагретых жидкостей и газов [41].
В литературном источнике [42] сказано, что фланцы приварные в стык используются без ограничений. Согласно [43, 133] материал основного слоя в экспериментальной установке для фланцевого соединения и трубопровода лучше делать из стали марки 10Х17Н13М2Т. Сталь хромоникельмолибденоти-тановая, содержащая до 0,1% углерода, около 17% хрома, 13% никеля, 3% меди и 1% титана. Сталь является конструкционной, высоколегированной и жаростойкой [9]. Коэффициент линейного расширения а данной марки стали при температурах 120 С; 180 С; 220 С равен 16,68106 К"1; 16,9210"6 К"1; 17,08 10" К" соответственно. Модуль упругости при той же последовательности температур составляет 1,98105 МПа; 1,92105 МПа; 1,88105 МПа [134].
Физико-химические основы механизма работы вспучивающихся огнезащитных покрытий
К наиболее эффективным огнезащитным покрытиям относятся вспучивающиеся покрытия. Высокая защитная эффективность связана с их способностью перехода при нагревании во вспученное состояние с высокой объемной концентрацией газовых полостей (пор) и, как следствие, малым коэффициентом теплопроводности.
В реестре сертифицированной продукции в области ССПБ РФ зарегистрировано более 60 различных видов тонкослойных вспучивающихся огнезащитных красок для защиты металлических конструкций. Следовательно, применение огнезащитных покрытий — развивающееся и востребованное направление защиты от огня как в России, так и за рубежом [114].
Вспучивающиеся покрытия нашли широкое применение [128] при огнезащите строительных конструкций благодаря небольшому расходу материала на единицу защищаемой поверхности и малой толщине в исходном состоянии. В обычных условиях эксплуатации они практически не отличаются от традиционных лакокрасочных покрытий, а в условиях пожара образуют толстый слой пенококса, защищающий конструкцию от воздействия пламени.
Исходные составы ВП представляют собой смеси полимерных смол или минеральных вяжущих (например, жидкого стекла) с растворителем, в которые вводятся коксообразующие добавки, антипирены и тонкодисперсный наполнитель.
Компоненты, обуславливающие вспучивающие и огнезащитные свойства покрытий, подразделяются на следующие группы [106]: 1. вещества, разлагающиеся в интервале 100-200 градусов с образованием кислот. Это неорганические соли фосфорной и борной кислот и фос-форорганические вещества; 2. вещества, разлагающиеся с выделением паров воды или негорючих газов: крахмал, декстрин и его гомологи, стереоизомерные гекситы — манит, сорбит и др; 3. синергиты, к ним относится мочевина, меламин и др; 4. галогеносодержащие вещества типа хлорпарафина, совола; галоге-носодержащие полимеры и сополимеры оказывают пластифицирующее действие и являются источниками галоидоводородов, которые способствуют как вспениванию покрытий, так и огнезащите конструкций.
При создании вспучивающегося покрытия в его состав входят, кроме перечисленных выше компонентов, наполнители, красители и технологические добавки.
В качестве антипиренов для аминосмол наиболее эффективны орто и полифосфаты аммония в сочетании с газообразующими добавками — мочевиной, меламином, дициандиамидом, а также с порошкообразными карбамид-ными или меламиноформальдегидными смолами. Общее содержание антипиренов, газообразователей и других добавок во вспучивающихся покрытиях составляет 60-70% без учета разбавителя. К коксующимся добавкам относится крахмал, декстрин, сахароза, которые при нагревании под действием кислот ного катализатора легко дегидратируются, а также жаростойкие наполнители и стабилизаторы вспененного слоя [106].
Волокнистые наполнители вводят не только для загущения красок, но и с тем, чтобы наносить их более толстым слоем на металл конструкций для защиты от прогрева. В основном их используют как стабилизаторы вспененного слоя. Когда же при длительном воздействии высоких температур начинается процесс усадки, выгорания и озоления вспененного слоя, каркас, спекаясь и оплавляясь, замедляет этот процесс, обеспечивая тем самым теплоизолирующие свойства покрытия, гарантируя повышение предела огнестойкости конструкции.
При создании ВП используют также термически расширяющиеся графиты. В отличие от природных вспучивающихся перлитов и вермикулитов они являются соединениями, полученными из природных графитов, что позволяет в зависимости от технологии обработки варьировать их свойства по температурным интервалам разложения и объему вспучивания.
Механизм работы ВП по сравнению с другими средствами огнезащиты наиболее сложен. При одностороннем нагреве ВП в его поверхностном слое формируется переменное по толщине и по времени температурное поле, а также выделяются газообразные продукты термического разложения полимерной или минеральной основы и органических добавок — газы пиролиза или водяной пар. В результате этого увеличивается пористость материала и в порах создается повышенное давление. В диапазоне температур от Тнп (начала пластичности) до Ткп (конца пластичности) каркас пористого подповерхностного слоя проходит через пластичное (вязкотекучее) состояние и под действием внутреннего давления вытягивается до образования в «узких местах» разрывов - локальных трещин, через которые избыток газов пиролиза, вытекая в окружающую среду, взаимодействует с ней. Локальные деформации каркаса, суммируясь по возрастающей во времени толщине пластичного слоя, создают эффект вспучивания - перемещение поверхности ВП «навстречу» внешнему тепловому потоку.
