Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы горения 5
1.1. Физико-химические основы горения 9
1.1.2. Общие сведения о горении жидкостей 10
1.1.3 Общие сведения о горении твердых материалов 11
1.3. Пожаровзрывоопасность технологических процессов, помещений, зданий и сооружений 16
1.3.1. Условия образования горючих сред в оборудовании ив помещениях
1.3.2. Категорирование и классификация помещений, зданий, сооруженийи технологических процессов по пожаровзрывоопасности
1.3.3 Анализ возможных причин возникновения и особенностей развития пожара на объектах топливно- энергетического комплекса.
1.3.4 Общие сведения о методах определения минимальной 20 огнетушащеи концентрации флегматизаторов
1.3.5 Выбор и обоснование огнетушащих веществ и способов 27 для тушения пожаров на объектах нефтегазовой отрасли
33
ГЛАВА 2. Разработка метода определения минимальной огнетушащеи концентрации комбинированного состава 33
2.1. Описание экспериментальной установки для определения минимальной огнетушащеи концентрации твердых горючих материалов
2.2. Обоснование методики определения минимальной -огнетушащеи концентрации для твердых материалов 40
2.2.1. Выбор объема огневой камеры 35
2.2.2. Выбор размера и формы модельного очага пожара 35
2.2.3. Выбор условий подачи огнетушащего состава 35
2.2.4. Определение влияния продуктов горения на величину минимальной огнетушащеи концентрации
2.2.5. Определение минимальной огнетушащеи концентрации комбинированного состава для продуктов нефтепереработки
2.2.6. Результаты исследований 44
2.2.7 Полигонные исследования 52
2.2.8 Методика проведения исследований 53
2.2.9 Результаты исследований 55
2.2.10 Исследование возможности тушения веществ и ,~
материалов распыленной водой
ГЛАВА 3. Разработка инженерно-технических решений для предотвращения загораний и тушения горючих жидкостей при аварийном проливе
3.1. Общие сведения о предельных условиях горения жидкостей в вертикальных каналах
3.2. Исследования устройств самотушения в лабораторных условиях
3.3. Характеристики исследуемых жидкостей 75
3.4. Результаты исследований 75
ГЛАВА 4. Крупномасштабные испытания устройств самотушения
4.1. Описание установки 86
4.2. Методика проведения испытаний 88
4.3. Результаты испытаний и их обсуждение 91
4.4. Уточнение конструкции поддона самотушения для устройства формирования
Список литературы
- Общие сведения о горении жидкостей
- Обоснование методики определения минимальной -огнетушащеи концентрации для твердых материалов
- Исследования устройств самотушения в лабораторных условиях
- Уточнение конструкции поддона самотушения для устройства формирования
Введение к работе
Развитие и интенсификация нефтегазовой отрасли в современных
условиях ведет к росту числа аварийных ситуаций и масштабов их
пагубных последствий. Неконтролируемые выбросы
взрывопожароопасных веществ ведут к увеличению ущерба, наносимого населению и окружающей среде.
Крупные аварии на объектах нефтегазовой отрасли связаны с
пожарами и взрывами ЛВЖ и ГЖ при утечке или аварийном проливе из
технологического оборудования, что выдвигает на первый план
вопросы обеспечения пожарной безопасности. Система пожарной
безопасности должна базироваться на достижениях современной
теории горения и взрыва. Необходимы реальная оценка пожарной
опасности продуктов переработки и разработка инженерно-
технических решений для предотвращения загораний и тушения горючих жидкостей при аварийном проливе.
Анализ пожаров на объектах нефтегазовой отрасли показывает, что основными причинами аварий, сопровождающихся пожарами, являются: разгерметизация фланцевых соединений, истечение перекачиваемого продукта из сальниковых уплотнений насосов в результате механического воздействия, по причине ошибок, допущенных при проектировании, некачественного монтажа оборудования, нарушения технологического регламента в процессе их эксплуатации и выполнения пусконаладочных или ремонтных работ.
В настоящее время остро стоит проблема совершенствования существующих средств и методов тушения нефтепродуктов при аварийных проливах, создания новых методов ликвидации горения жидкостей.
Впервые оптимизирована комплексная защита с использованием пассивных и активных средств обеспечения пожарной безопасности
при аварийных проливах горючих жидкостей на объектах переработки нефти.
Разработана комплексная системы противопожарной защиты сооружений и технологического оборудования, установок нефтегазовой отрасли, включающей в себя автоматические установки обнаружения и тушения пожара, а также применение других инженерно-технических решений по ограничению растекания горючей жидкости.
Общие сведения о горении жидкостей
Из изложенного выше следует, что даже в простейших случаях горения еще много неясного. Представления же о горении твердых материалов, характеризуемом многообразием явлений, их сложной взаимосвязью, многостадийностью, еще более ограничены. Как отмечалось выше, важнейшими для оценки пожарной опасности строительных материалов и конструкций характеристиками являются предельные условия возникновения горения и горючесть, т.е. способность материалов поддерживать распространение горения по материалу. Причем, один и тот же материал в зависимости от размера образца и его расположения в пространстве, при прочих неизменных условиях, может быть как горючим, так и трудногорючим.
В обзоре [4], посвященном горению полимеров, отмечается, что горение газифицирующих твердых материалов представляет собой сложный, многостадийный процесс, контролируемый массо- и теплообменом. При этом выделяются основные стадии - зажигание, распространение пламени, собственно горение, дымообразование и срыв пламени, а также следующие пространственные зоны: подогрева, химических превращений в конденсированной фазе, предпламенная зона, собственно пламя и область продуктов реакции и окислителя. Зажигание твердых материалов обычно описывается с позиции, упомянутых выше тепловых теорий горения.
Процесс зажигания нередко характеризуют периодом индукции, во время которого происходит нагрев материалов, приводящий к образованию достаточного для поддержания пламени потока горючих газообразных продуктов и инициированию образовавшихся за счет взаимной диффузии потоков горючего и окислителя горючей смеси.
Скорость реакции в газовой фазе на несколько порядков превышает скорость процесса в конденсированной фазе. Поэтому для обеспечения стационарного горения необходимо, чтобы в конденсированной фазе был создан определенный прогретый слой.
Доминирующую роль при горении большинства строительных материалов играет процесс газификации, который в свою очередь зависит от условия создания прогретого слоя. Важную роль при этом играет толщина материала. В зависимости от соотношения толщина материала и глубина прогретого слоя различают два случая - горение термически толстых и термически тонких материалов. Первый случай характерен для условий, при которых толщина материала много больше прогретого слоя, а второй - когда глубина прогретого слоя сравнима с толщиной материала. Впервые это разделение было сделано Де-Рисом, который рассмотрел распространение пламени по поверхности газифицирующегося материала. Де-Рис принял ряд упрощающих допущений (реакция в газовой фазе происходит при стехиометрическом соотношении компонентов, газификация - при определенной постоянной температуре и др.) и исходил из предположения, что теплопередача от пламени к термически тонким образцам осуществляется кондукцией через газовую и твердые фазы, а к термически толстому - с участием радиации.
Дальнейшее развитие модель Де-Риса получила в работах [5,6]. В отличие от модели Де-Риса в работе [5] в явном виде представлены такие важнейшие параметры горения, как теплота сгорания, скрытая теплота газификации, коэффициент теплообмена.
В [6] на основе анализа структуры кромки пламени развиты представления о пределе распространения по твердому газифицирующемуся материалу. Рассмотрены три основные области, примыкающие к фронту пламени: зона химической реакции и примыкающие к ней области газа и горючего материала.
В работе [6] были получены выражения для скоростей, характеризующих три типа пределов распространения пламени - по толщине слоя горючего, по теплопотерям в окружающую среду и по скорости набегающего потока.
Изложенные представления о распространении пламени дают возможность качественно оценить влияние различных факторов (например, толщины материала, скорости обдува и др.) на горючесть материалов.
Механизм пиролиза при горении различных материалов изменяется не только в зависимости от их состава, но и от формы, размеров, плотности упаковки и других факторов. В присутствии кислорода пиролиз полимеров начинается на 200С ниже, чем при разложении в инертной среде, а эффективная энергия активации составляет около 147 Дж/моль.
В [8] отмечается, что хотя по данным многих исследований для разложения целлюлозы характерен первый порядок, но этот процесс весьма чувствителен к экспериментальным условиям (скорости нагрева газового потока, физические свойства образца, состав окружающей среды и др.). Так, кислород и водяные пары промотируют разложение. Для процесса пиролиза целлюлозы при температуре выше 550 С предложены четыре стадии: первая представляет собой внутримолекулярную реакцию, приводящую к дегидратации; вторая, конкурирующая с дегидратацией, включает разрыв связей С-0 с развитием деполимеризации с образованием левоглюкозана; третья связана с разложением продукта дегидратации до образования угля и летучих органических продуктов; четвертая - ведет к образованию моноокиси углерода, диоксида углерода, воды и водорода.
Обоснование методики определения минимальной -огнетушащеи концентрации для твердых материалов
Степень влияния определялась по результатам измерений комбинированного состава при различных толщинах слоя продуктов горения, скапливающихся в процессе свободного горения керосина в верхней части камеры рис.2.3. Изменение толщины слоя продуктов горения достигалось перекрытием на определенную высоту верхней части сечения камеры шторой (3). Подача в камеру огнетушащего состава осуществлялась через распылитель первого типа, установленного таким образом, чтобы струи состава были направлены вдоль потолка и вниз объема рабочего отсека. Тушение керосина производилось хладоном 13В1, находящимся в сосуде (8) под давление собственных л паров в пределах Р = 14-18 кгс -см " .
Таким образом, было доказано, что лабораторные испытания по тушению строительных горючих материалов проводить при минимальной толщине слоя продуктов горения не более 30 мм (при полностью поднятой металлической шторе), то последние не будут вносить погрешности в минимальной огнетушащей концентрации. Анализ приборных погрешностей и расчеты позволили сделать вывод, что ошибка определения огнетушащей концентрации по данной методике не превышает 10%.
В последнее время для тушения горящих жидкостей применяются устройства самотушения, которые размещаются под аппаратами, содержащими горючую жидкость, и обеспечивают локализацию и ликвидацию пожара в считанные минуты [47]. Размеры емкости рассчитываются так, чтобы при максимально возможном количестве пролитой жидкости оставалась незаполненной верхняя часть пакета труб, высота которой определяется из соотношения: где Н - высота верхней части трубы, (1Эф - эффективный диаметр трубы, S - коэффициент поверхностного натяжения. д- ускорение силы тяжести, р - плотность жидкости. При проливе из аппарата горящая жидкость свободно течет по трубам и заполняет емкость, одновременно парами жидкости и продуктами горения происходит вытеснение кислорода воздуха, заполнявшего емкость. По окончании пролива, если соблюдены указанные выше соотношения, процесс горения прекращается.
Однако известная конструкция устройства имеет определенные недостатки при относительно небольших количествах пролитой жидкости. Эксперименты показали, что в нижней части емкости возможно воспламенение и устойчивое ее горение. Это происходит в том случае, когда уровень жидкости будет находиться под нижними торцами труб на расстоянии большем 0,25, а также когда уровень жидкости будет ниже перфорационных отверстий, находящихся в стенках труб.
Наряду с этим указанное соотношение дает значение Н, значительно превышающее величину, полученную в экспериментах с различными жидкостями, поскольку коэффициент 12 взят из опытов с диэтиловым эфиром (обладающим наибольшей пожарной опасностью в условиях эксплуатации) и распространен на все остальные горючие жидкости. Но учитывая, что в технологических установках содержится большое количество горючих жидкостей, целесообразно исследовать эффективность описанных выше устройств для тушения пролитого продукта и определить требуемые соотношения их геометрических параметров в зависимости от свойств жидкости.
Для определения минимальной огнетушащей концентрации комбинированного состава (70% мас. хладона 114В2 и 30% мае. двуокиси углерода) была использована установка, описание которой приведено в главе 2.
Эксперименты проводились следующим образом. В камеру помещался очаг и разжигался газовой горелкой, при этом все проемы и отверстия для выхода дыма и вытяжной вентиляции в камере открывались. Необходимое время разжигания очага определялось для каждого материала экспериментально и выбирались таким, чтобы после выключения горелки продолжалось самостоятельное горение образцов. После разжигания отводилось время для самостоятельного горения образцов, которое также предварительно определялось для каждого материала экспериментально. Это время считалось достаточным, если: а) при подвешиваемом модельном очаге - сгорела половина длины образцов; б) при штабельном модельном очаге - обугливался верхний ряд образцов.
Огнетушащий состав подавался в камеру после истечения необходимого времени самостоятельного горения. Непосредственно перед подачей огнетушащего состава закрывались все проемы и отверстия в камере.
Исследования устройств самотушения в лабораторных условиях
На рис.2.7 видно, что в интересующем нас диапазоне выдержек состава (5-10 мин) для тушения клееной древесины в большом объеме требуются несколько меньшие концентрации состава. Расхождение кривых при малых ( 3-5 мин) и больших ( 15 мин) объясняется различиями в условиях подачи состава и в герметичности камер.
Необходимо отметить, что герметичность камер, будет существенно влиять на величину огнетушащей концентрации и необходимое время выдержки состава. Для доказательства этого утверждения было проведено несколько опытов по тушению образцов клееной древесины в полигонных условиях в той же камере после ее длительной эксплуатации. От действия высоких температур герметичность камеры в значительной степени нарушилась(отставание листов обшивки, коробление их между точками сварки и т.д.), хотя какая-то не герметичность имелась и в новой камере. Результаты этих опытов установлено, что в"негерметичной" камере для тушения требуется больше огнетушащего состава и более длительное время выдержки. Поэтому данная серия экспериментов дает лишь качественное представление о величине огнетушащих концентраций.
Учитывать эти явления можно путем выбора надежного коэффициента запаса к экспериментально найденной величине огнетушащей концентрации.
На втором этапе исследования по тушению макета из незащищенной древесины, пропитанной антипиренами и окрашенной вспучивающими красками, производилось из малого баллона через 4 мин. (время воспламенения составляло 4 мин.). Это время было выбрано исходя из данных работ [29], где указывается, что оценочные расчеты времени срабатывания побудительной системы в реальном устройстве формирования, подтвержденные затем экспериментами, дали такую же цифру. Поэтому представляло интерес произвести тушение макета именно через 4 мин. и оценить степень охвата конструкций пламенем, степень переугливания к этому моменту, прогрев конструкций и т.д.
Испытания проводились следующим образом. Шесть литров трансформаторного масла разогревались в сосуде до воспламенения и затем выливались в лоток. По лотку горящее масло выливалось на пол макета. Одновременно с началом пролива масла включались лентопротяжные механизмы потенциометров для записи температур. Количество выливаемого масла определено из следующих предпосылок. Согласно работе [30] максимальная площадь горения в помещении, при которой система пожаротушения еще может ликвидировать пожар, определяется зависимостью: Fr 3 V где: Fr - площадь горения; V - объем помещения. Согласно этой. зависимости максимальная допустимая площадь горения составляла : Frmax = 5 м .
С другой стороны, согласно [31] известно, что при проливе 1 литра горючей жидкости (растворителя, легкой фракции нефти и т.п.) площадь зеркала составляет 0,5-1 м . Поскольку текучесть трансформаторного масла значительно меньше, чем у растворителей, в расчет была положена величина 0,5 м .
Принималось, что площадь пролива трансформаторного масла на горизонтальную поверхность следует определять по формуле: Fnp = F rg /К, где: Fnp = 0,5 Уж ; F rg - действительная площадь горения; К = 1,6 - коэффициент, учитывающий разбрызгивание жидкости при проливе и увеличение площади горения за время от момента пролива до момента тушения. Расчет проводился по формуле: Frg F г,max kFnp Fr,max к0,5 Уж Fr,max Уж Fr,max /к-0,5 = 5/1,6 0,5 = 6,2 л.
С самого начала пролива левый верхний угол стекла из полиметилметакрилата под действием температуры отклонился внутрь макета. Через 2 мин.30 сек. с начала пролива треснуло силикатное стекло и на четвертой минуте разрушилось. Макет потерял необходимую для пожаротушения герметичность.
Через 4 минуты после пролива была включена установка пожаротушения. Положительного эффекта достигнуто не было, хотя наблюдалось некоторое снижение температуры в объеме. После этого показания всех термопар продолжали увеличиваться и через 6 мин. Достигли максимального значения, равного 900 С.
Температура элементов конструкций первые 4 минуты изменялась незначительно (примерно на 100 С). Через 4,5 мин. резко возросла температура поверхности колонны (термопара N9). В это же время стали резко увеличиваться показания других термопар, зачеканенных в элементах конструкций, хотя значения температур оставались ниже, чем в объеме и на поверхности колонны. Это указывает на то, что горение конструкций протекало в поверхностном слое и не достигло глубины 10 мм; повышение температуры в глубине конструкций определялось только передачей тепла по материалам.
Уточнение конструкции поддона самотушения для устройства формирования
В процессе проведения исследований было проведено две серии опытов с устройством самотушения и одно испытание (для сравнения) без устройства. Все испытания проводились при температуре воздуха +23-30 С. Результаты испытаний представлены в таблице 4.1.
В первой серии (с 1 по 7 опыт) слив горящего масла осуществлялся непосредственно в устройство самотушения с целью определения критических условий горения трансформаторного масла в узких каналах при больших проливах. Уровень жидкости в емкости устройства самотушения изменялся в каждом опыте в сторону увеличения, а незаполненная высота труб Н, уменьшалась.
Условия проведения первого опыта носили пробный характер, поэтому количество проливаемой жидкости было минимальным. В процессе проведения опыта было отмечено следующее. Горящая жидкость попадала на поверхности ограждающих конструкций, интенсивно горела и стекала в устройство самотушения, при этом горение ее сразу прекращалось.
Условия проведения второго и всех остальных опытов 1-ой серии носили целенаправленный характер; были отмечены следующие особенности. Во втором опыте на 45 сек. произошло разрушение остекления в торцевой части камеры, которое располагалось со стороны системы пролива. После вскрытия остекления произошел выброс пламени наружу, но через несколько секунд горение (после слива масла в устройство самотушения) прекратилось. В последующих опытах образовавшийся проем был закрыт металлическим листом. Во время третьего опыта, когда количество проливаемой жидкости было увеличено до 130 л, произошел частичный пролив горящего масла на небольшую площадь поверхности пола и вертикальные ограждающие конструкции. При этом наблюдалось интенсивное горение в пределах пролива. Языки пламени выбивались через открытые проемы, но как только горящая жидкость попадала в устройство самотушения, горение быстро прекращалось. Жидкость, которая оставалась в неровностях поверхности пола и не попала в емкость, продолжала гореть. Это горение ликвидировалось с помощью ручного огнетушителя. Аналогичная картина наблюдалась в опытах 4, 5 и 6. В процессе этих опытов производилось измерение температуры продуктов горения внутри объема камеры.
Время интенсивного горения длилось в пределах 10-20 сек. при этом среднеобъемная температура в объеме камеры не превышала 400С. В опыте 7, когда уровень жидкости превысил критическое значение, в секциях 3, 9, 10, 11 и 12 горение жидкости в устройстве самотушения не прекратилось. Величина Нкр, найденная в этой серии экспериментов при больших проливах горящего масла оказалась равной 75 мм.
Во второй серии опытов (с 8 по 11) по просьбе заказчика испытания проводились с использованием отдельных образцов строительных конструкций, применяемых в РФ. Образцы устанавливались по одному в каждом опыте. Цель этих экспериментов заключалась в изучении поведения строительных конструкций в условиях реального пожара и оценке эффективности газового пожаротушения. В связи с этим пролив горящей жидкости производился не в устройство самотушения как в предыдущей серии, а на поверхность пола или образцы конструкций. Для этого в верхней части камеры под проемом был смонтирован желоб длиной 4 м.
В восьмом опыте изучалась эффективность устройства самотушения при проливе жидкости (с помощью желоба) на всю поверхность наклонного пола.
После слива масла наблюдалось интенсивное горение по всему объему камеры. По истечении 13 сек. горение было только на полу в местах скопления жидкости, образовавшихся в результате деформации металла. Эти очаги горения были ликвидированы с помощью ручного огнетушителя. Изменение среднеобъемной температуры продуктов горения в этом опыте показано на рис. 4.4. Характер изменения кривой показывает, что среднеобъемная температура в объеме камеры выше по сравнению с предыдущими опытами, где пролив производился только в поддон. В 9-ом опыте изучалась эффективность тушения трансформаторного масла при проливе его на технологическое оборудование. Для этого в сливном желобе были сделаны поперечные щели шириной 3-5 мм, а внутри камеры установлены имитаторы оборудования - трубы из материала СТЭФ диаметром 600 мм и длиной 1500 мм в количестве 3-х штук. В момент слива трубы были полностью облиты горящим маслом и охвачены пламенем. Через 8-10 сек. горение в устройстве самотушения прекратилось, а в это время масло на трубах продолжало гореть. Горение также продолжалось на полу в местах скопления жидкости. На 3-й минуте от начала опыта пламя было потушено с помощью ручного огнетушителя. Результаты этого опыта показали, что при попадании горящей жидкости на технологическое оборудование, горение на нем продолжается длительное время, в результате чего могут произойти температурные деформации. Из этого следует, что для ликвидации пожара применение одних пассивных средств защиты недостаточно и необходимо использование активных средств защиты.
