Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения пожароврывобезопасности технологического оборудования 22
1.1. Специфика пожаровзрывоопасности технологи ческого оборудования с горючими газами и легковос пламеняющимися жидкостями 22
1.2. Стастика пожаров. Характерные пожары и взрывы..'. 25
1.3. Современное состояние теории горения газов и паров 65
1.4. Физические явления, наблюдаемые при попадании технологического оборудования в очаг пожара 81
1.5. Методы обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования 88
1.5.1. Флегматизация и ингибирование 90
1.5.2. Предохранительные клапаны и мембраны 95
1.5.3. Огнезащитные покрытия и / или теплоизоляция стенок... 98
1.5.4. Огнепреграждающие устройства 107
1.5.5. Установки взрывоподавления 115
1.5.6. Пассивная взрывозащита. 116
1.5.7. Пористые среды 116
1.6. Постановка проблем и целей. Выбор направления исследований 117
Глава 2. К теории концентрационных пределов распространения пламени по газопаровоздушным смесям 123
2.1. Примеры закономерностей, характерных для кпр пламени и необъяснимых в рамках тепловой теории горения 124
2.2. Цепное воспламенение и явление распространения пламени 130
2.3. Разветвленно-цепной механизм воспламенения газов и критический характер кпр 142
2.4. Конкуренция разветвления и обрыва цепей в во-дородовоздушных смесях 144
T" 2.5. Кинетические факторы, определяющие кпр в ме-
Тано-воздушных смесях 150
2.6. Влияние ингибиторов на крп и роль конкуренции разветвления и обрыва цепей 155
2.7. Причины различия эффективности действия ингибиторов на нижний и верхний кпр 158
Глава 3. Химические свойства ингибиторов - определяющий фактор эффективности их влияния на горение газов и паров 164
3.1. Зависимость эффективности действия ингибито ров на горение газов от химических свойств 166
3.1.1. Методика проведения эксперимента 167
3.1.2. Результаты экспериментального изучения влияния ингибиторов на кпр и их обсуждение 171
3.1.3. Результаты экспериментального изучения влияния ингибиторов на интенсивность горения газов 181
3.2. Флегматизация парогазовых смесей при повы шенных давлениях и температурах инертными газами и парами воды 193
3.2.1. Постановка задачи 193
3.2.2.методика эксперимента 195
3.2.3. Результаты экспериментов 198
3.3. Особенности действия паров воды на процессы горения. Специфика химического механизма 199
3.4. Исследование предельных условий диффузионного горения газов и паров в различных средах 214
3.4.1. Постановка задачи 214
3..2. Методика эксперимента 215
3.2.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 220
Глава 4. Влияние аэрозолей на горение газопаровоздушных смесей 232
4.1. Флегматизация горючих газопаровоздушных смесей аэрозолеобразующими составами 232-
4.1.1. Постановка вопроса 232
4.1.2. Методика эксперимента 233
4.1.3. Результаты экспериментов 234
4.2. Механизм воздействия аэрозолеобразующих ог-нетушащих составов на горение газов 238
4.3. Специфика действия аэрозоля перегретой воды на процессы горения 248
4.3.1. Постановка вопроса 248
4.3.2. Методика эксперимента 250
4.3.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 255
4.4. Гистерезисы концентрационных пределов распространения пламени 270
4.4.1. Постановка вопроса 270
4.4.2. Методика эксперимента 273
4.4.3. Обсуждение экспериментальных данных 277
Глава 5. Взрывозащита технологического оборудования с горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями путем использования пористых структур 288
5.1. Общие представления о режимах горения газов в пористых средах. Постановка задачи 288
5.2. Влияние засыпки из металлических шариков на характеристики горения водородовоздушных смесей в замкнутом сосуде 293
5.3. Исследование влияния пористой структуры на характеристики горения газовых смесей 301
5.4. Исследование влияния состава окислительной атмосферы на характеристики горения газовых смесей с пористой структурой 312
5.5. Моделирование динамики сгорания газовоздушной смеси в замкнутом сосуде, заполненном пористой структурой 323
5.6. Предотвращение взрывов на моделях резервуаров с лвж с помощью пористых сред 335
Глава 6. Взрывозащита технологического оборудования с горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями путем использования огнепре-граждающих устройств 342
6.1. Особенности применения огнепреграждающих устройств 342
6.2. Расчет критического диаметра огнегасящего канала для локализации пламени по горючим газам 347
6.3. Исследование функционирования сетчатых огнепреграждающих устройств 357
-7-
6.3.1. Огнепреграждающие сетки, обеспечивающие пожаровзры-вобезопасное функционирование каталитических сжигателей водорода 358
6.3.2. Исследование модели сетчатого огнепреградителя для воздуховодов промышленных предприятий 370
6.4. Экспериментальная оценка искрообразующей способности материалов в среде горючих газов и паров 381
6.4.1. Постановка задачи 381
6.4.2. Методика экспериментальных исследований 385
6.4.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 389
6.5. Разработка конструкции искрогасителя для автотранспортных средств, эксплуатируемого на объектах, связанных с обращением горючих газов и паров 394
6.5.1. Выбор конструкции искрогасителя 394
6.5.2. Апробация устройства искрогасителя 398
Глава 7. Исследование нагрева резервуара с суг в очаге пожара 409
7.1. Экспериментальное исследование нагрева резервуара с суг в очаге пожара 409
7.1.1. Объект исследования 411
7.1.2. Методика проведения экспериментов 415
7.1.3. Поведение баллонов при отсутствии предохранительного клапа 424
7.1.4. Поведение баллонов с огнезащитными покрытиями при на личии предохранительного клапана 444
7.2. Математическая модель нагрева сосуда с суг в очаге пожара .463
7.2.1. Постановка задачи и метод ее решения 464
7.2.2. Результаты расчетов 473
7.3. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 478
Глава 8. Результаты внедрения диссертационной работы 492
8.1. Разработка норм пожарной безопасности «огне-преградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний» 492
8.2. Разработка норм пожарной безопасности «пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей» 496
8.3. Разработка изменений и дополнений в «правила пожарной безопасности рф» (ппб 01-93**) в части хранения сжиженных газов в помещениях и зданиях для проживания людей 499
8.4. Искрогаситель для автотранспортных средств..505
8.5. Использование результатов экспериментальных исследований при разработке дополнения к нормам для расчета и проектирования вагонов железных дорог мпс колеи 1520 мм (несамоходных) 506
8.6.0пределение пожаровзрывоопасности газовоздушной среды в контейнере изделия 55 (65) .511
8.7. Использование данных экспериментальных и
Теоретических исследований при разработке рекомендаций по тактике действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара 522
Выводы 536
Литература
- Физические явления, наблюдаемые при попадании технологического оборудования в очаг пожара
- Конкуренция разветвления и обрыва цепей в во-дородовоздушных смесях
- Результаты экспериментального изучения влияния ингибиторов на интенсивность горения газов
- Механизм воздействия аэрозолеобразующих ог-нетушащих составов на горение газов
Введение к работе
Актуальность работы
Наблюдаемый рост пожаровзрывоопасности промышленного производства вызван интенсификацией технологических процессов, увеличением единичных мощностей агрегатов, созданием и использованием веществ с новыми, недостаточно изученными свойствами. В современном производстве новые технологии, как правило, более пожароопасны. Расширяется применение пожароопасных технологий, насыщенных пожароопасными веществами, материалами, изделиями. Развитие промышленности неразрывно связано с возрастающими темпами применения различных газов. Особую пожаровзры-воопасность в технологических процессах представляют собой углеводородные газы, водород и пары легковоспламеняющихся жидкостей.
Проблема защиты промышленных предприятий от пожаров и взрывов неразрывно связана с изучением пожаровзрывоопасности технологического процесса производства, возможности распространения горения по технологическим средам и разработкой технических средств, препятствующих распространению пламени и разрушению технологического оборудования.
Росту пожаровзрывоопасности производства должны быть противопоставлены адекватные защитные меры. На это нацелены федеральные законы "О пожарной безопасности" и "О промышленной безопасности опасных производственных объектов". Не менее важную роль в обеспечении пожарной безопасности играют и подзаконные акты, среди которых в качестве одного из основных, следует указать ГОСТ Р 12.3.047-98 "Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля", вступивший в действие в 2000 г.
К настоящему времени разработано большое число способов взрыво-предупреждения и взрывозащиты технологического оборудования с легковоспламеняющимися жидкостями и горючими газами.
Однако химические способы взрывозащиты были развиты не в достаточной мере. Не имеют научного обоснования: выбор химически активных веществ по предотвращению распространения горения по газообразным технологическим средам; номенклатура показателей, необходимая для создания высокоэффективных огнепреградителей и искрогасителей. Кроме того, отсутствуют технические экспериментально проверенные решения, способствующие увеличению времени пребывания технологического оборудования в очаге пожара, а также предотвращающие при этом его разрушение.
Несмотря на то, что методы обеспечения пожаровзрывобезопасности известны давно, до последнего времени в России отсутствовали нормативные документы федерального уровня, регламентирующие требования пожарной безопасности к технологическим средам, конструированию, изготовлению и
эксплуатации огнепреграждающих устройств. В связи с этим тема диссертации, направленная на решение указанных вопросов, является актуальной.
Целью работы является развитие научных основ и совершенствование методов обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования с горючими газами и жидкостями. Для ее достижения ставятся и решаются следующие задачи:
1. Разработка новых средств и способов обеспечения пожарной безопасности технологических сред, что включает в себя:
выяснение закономерностей ингибирования процессов горения технологических сред;
исследование флегматизирующей способности различных аэрозолей (перегретой воды, аэрозолеобразующих огнетушащих составов) горения газопаровоздушных смесей;
экспериментальное определение предельных условий диффузионного горения горючих газов и паров при повышенных температурах при истечении из отверстий малого диаметра;
определение возможности применения пористой структуры для снижения взрывных нагрузок при горении технологических сред;
исследование влияния огнепреграждающей среды на характер распространения пламени по технологическим средам;
определение зажигающей способности фрикционных искр горючих газовых смесей для оценки искробезопасности материалов.
2. Исследование и усовершенствование способов противопо
жарной защиты технологических процессов, что включает в себя:
разработку на основе экспериментальных и теоретических исследований комбинированного способа противопожарной зашиты, обеспечивающего предотвращение взрыва резервуара с СУГ в очаге пожара;
исследование особенностей функционирования сетчатых огнепреграждающих устройств, применяемых для обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования;
исследование особенностей функционирования искрогасителей и разработка эффективной конструкции указанных устройств.
3. Разработка научных основ нормативно-технической базы,
что включает в себя:
новую научно-обоснованную систему показателей, регламентирующую функционирование огнепреградителей и искрогасителей сухого типа и методы экспериментального определения этих показателей;
систему показателей пожарной опасности технологических сред;
метод экспериментального определения зажигающей способности фрикционных искр;
- новую редакцию руководства по расчету основных показателей пожаров-зрывоопасности веществ и материалов. Научная новизна работы
-
На основе учета конкуренции разветвления и обрыва реакционных цепей в качестве важнейшего фактора в воспламенении и развившемся горении дано объяснение наблюдаемым особенностям концентрационных пределов распространения пламени в горючих газах, в том числе тем, которые не находили объяснения в рамках традиционных представлений о тепловом характере воспламенения и горения. Полученные результаты позволили целенаправленно проводить изменение КПР пламени горючих газов путем введения активных добавок.
-
Выявлен механизм действия паров воды, как ингибитора горения, наряду с их влиянием в качестве разбавителя и поглотителя тепла.
-
Предсказан и на примере модельного процесса — горения водорода -обнаружен эффект гистерезиса концентрационных пределов распространения пламени. Эффект заключается в том, что воспламеняемость заданной горючей смеси различна в зависимости от того, в каком направлении варьируют состав начальной горючей смеси при определении КПРП. Показано, что явление обусловлено участием адсорбированных промежуточных частиц-атомов и радикалов в развитии реакционных цепей. Приведен механизм реакций, объясняющий наблюдаемое явление.
-
На основании результатов экспериментальных исследований условий диффузионного горения газов, как при нормальных, так и при повышенных температурах предложен новый метод определения минимальных огнету-шащих концентраций газовых составов. Обнаружена аномальная зависимость предельной скорости срыва присоплового диффузионного факела от диаметра сопла d при малых его размерах (от 1.2 до 3.2 мм).
5. Получены новые экспериментальные данные, характеризующие
влияние пористой структуры в виде засыпки шариков из алюминиевой фоль
ги, для снижения взрывных нагрузок при горении технологических сред с
учетом состава окислительной атмосферы и на условия флегматизации горе
ния горючих газовых смесей с воздухом,
6. Предложена математическая модель распространения газовоздушно
го пламени в замкнутом сосуде, заполненном пористой средой, с учётом
процессов межфазного теплообмена и сжатия несгоревшей смеси продукта
ми сгорания. Модель апробирована с использованием экспериментальных
данных, опубликованных в литературе для метановоздушных смесей различ
ного состава. Результаты расчётов и экспериментальные данные удовлетво
рительно согласуются.
7. Экспериментально показана возможность применения сетчатых огне-
преграждающих устройств различных типов для обеспечения пожаровзры-
вобезопасности технологического оборудования, в частности, термокатали
тического сжигателя водорода. Определены условия распространения пла
мени по огнепреградителям сетчатого типа. Обнаружен эффект стабилизации
пламени на поверхности огнепреграждагощей сетки, который может быть
применен для разработки конструкции пламенного сжигателя водорода.
Уточнено число Пекле для расчёта критического диаметра гашения пламени огнепреграждающих устройств.
-
Разработан новый экспериментальный метод определения зажигающей способности фрикционных искр горючих газовых смесей для оценки искробезопасности материалов.
-
Предложена новая методика определения огнезащитных свойств покрытий резервуаров с СУГ в условиях пожара, позволяющая выбрать наиболее эффективное покрытие. На основании систематических исследований динамики изменения давления и температуры стенок в баллонах со СУГ в очаге пожара показано, что эффективным средством увеличения времени пребывания резервуара с СУГ в очаге пожара является их покрытие огнезащитным составом.
10. В качестве эффективного метода по предотвращению опасности
разрушения баллона с СУГ предложена комбинация действий огнезащитного
покрытия (теплоизоляционного пакета) и предохранительного клапана.
Предложено и осуществлено комбинирование действий огнезащитного по
крытия (теплоизоляционного пакета) и предохранительного клапана. Серий
ные испытания показали высокую эффективность предложенного подхода.
11. Разработана математическая модель, описывающая динамику пара
метров системы сжиженный газ-резервуар с предохранительным клапаном и
тепловой защитой. Адекватное описание этой моделью наблюдаемой дина
мики вышеуказанных параметров системы позволяет рекомендовать ее для
предсказания поведения баллонов со СУГ при нагреве в условиях пожара.
Практическая значимость работы заключается в установлении и нормировании показателей, регламентирующих пожарную опасность технологических сред производственных процессов и работоспособность огнепре-градителей и искрогасителей сухого типа.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке норм пожарной безопасности НПБ 254-99 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний»; НПБ 23-2001 «Пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей»; Изменений и дополнений в Правила пожарной безопасности РФ (ППБ 01-93**) в части хранения сжиженных газов в помещениях и зданиях для проживания
людей; при разработке Изменений №1 ГОСТ 12.1.044-89; при разработке методов определения показателей пожаровзрывоопасности газопаровоздушных смесей (НКПР, МВСК, МФК) при повышенных давлениях и температурах; рекомендаций «Тактика действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара»; руководства «Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов»; конструкции железнодорожной цистерны для пропана, бутана и их смесей модели 15-9503 АВП, принятой к серийному производству в 2001 г., а также при использовании полученных результатов на объектах различных отраслей промышленности, связанных с обращением горючих газов и паров.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах: Fifth Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization (Shanghai, October 24-29, 1999 г.); XI и XII Симпозиумы по горешпо и взрыву (Черноголовка, 1996, 2000 гг.); Ill International Symposium on Combustion and Explosion Hazards (Preston, 2000); XV, XVI научно-практические конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (Москва, 1999 г.); научные семинары и научно-технические советы Госгортехнадзора РФ (1998-1999 гг.) и ФГУ ВНИИПО МЧС России (1998, 1999, 2002 гг.); научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" (МИИТ, г. Москва, 1998 г.); Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России — исследования, управление, опыт» (30-31 мая 2002 г., г. Москва); Международном коллоквиуме по управлению детонационными процессами (Москва, 2002 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 115 печатных работ, а также 3 авторских свидетельства на изобретение и 2 положительных решения на полезные модели.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 535 страницах машинописного текста и состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает 275 наименований. Общий объем работы, включая 115 рисунков и 31 таблицу, составляет 562 страницы.
На зашиту выносятся следующие положения:
результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния состава газопаровоздушных смесей на концентрационные пределы распространения пламени;
интерпретация экспериментальных данных на основе представления о доминирующей роли разветвленно-цепного механизма в возникновении воспламенения, распространения пламени, развившемся горении;
эффект гистерезиса верхнего концентрационного предела распространения пламени, обнаруженный нами на примере модельного процесса — дефлаграционного горения водорода в воздухе;
экспериментальные данные по изучению условия флегматизации горения метана и паров бензина в воздухе газоаэрозольными огнетушащими составами, подтверждающими эффект ингибирования пламени мелкодисперсной твердой фазой солей металлов, действие которых обусловлено эффективным обрывом реакционных цепей;
экспериментальные данные по влиянию аэрозоля перегретой воды на дефлаграционное горение газов (метана, водорода);
механизм действия паров воды, как ингибитора горения, заключающийся в том, что молекулы воды, не претерпевая химического превращения, участвуют в обрыве реакционных цепей наряду с их влиянием в качестве разбавителя и поглотителя тепла;
- экспериментальные данные по условиям гашения диффузионного
пламени газов и паров в различных средах, определение условий срыва
диффузионного факела при истечении смесей водород - инертный газ (азот,
водяной пар), нагретых до температуры 20-300 С, в ненагретый воздух для
случая сопел с малым диаметром (1.2,2.1 и 3.2) мм;
результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния пористой структуры на характеристики горения газопаровоздушных смесей в замкнутом сосуде в зависимости от состава окислительной атмосферы;
экспериментальный метод по определению зажигающей способности фрикционных искр горючих газовых смесей для оценки искробезопасности материалов;
экспериментальные данные исследования функционирования сетчатых огнепреграждающих устройств;
научно обоснованные методы оценки параметров огнепреграждающих устройств (огнепреградителей и искрогасителей);
конструкция искрогасителя для автотранспортных средств, эксплуатируемых на объектах, связанных с обращением горючих газов и паров;
результаты экспериментальных и теоретических исследований поведения газовых баллонов с огнезащитными покрытиями и предохранительными клапанами при нагреве в очаге пожара;
эффективный способ защиты резервуаров с СУГ от теплового воздействия очага пожара..
Физические явления, наблюдаемые при попадании технологического оборудования в очаг пожара
На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности исходное сырье, полупродукты и другие продукты имеют высокую степень пожарной опасности. Пожарная опасность таких предприятий постоянно увеличивается в связи с интенсификацией технологических процессов, увеличением единичной мощности технологических установок. Пожаровзрывоопасность усугубляется в связи с тем, что основные технологические процессы проводятся при высоких температурах и давлениях.
Как известно, к возникновению пожара приводит одновременное выполнение следующих условий: наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания. В силу специфики технологических процессов во многих отраслях промышленности горючее и окислитель обычно присутствуют вместе, или во всяком случае окислитель (воздух) контактирует с реактором, в котором находится горючее. Это например, процессы пиролиза, гидрокрегинга и т.д., где зачастую полную изоляцию этих двух компонентов не всегда удается выполнить. Поэтому на всех пожаровзрывоопасных производствах должны быть созданы условия предотвращающие накопление горючих газов и исключающие или задерживающие возникновение потенциальных источников зажигания в виде открытого огня, электрических зарядов статического электричества, искр удара и трения, нагретых поверхностей технологического и т.д.
Пожары (и последующие взрывы) на таких объектах являются, как правило, следствием аварийных ситуаций, развивающихся примерно по следующей схеме [4]: - в результате нарушения герметичности трубопроводов, запорной арматуры и оборудования происходит истечение горючих газов; - вышедшие в атмосферу газы либо воспламеняются, либо создают зону загазованности с взрывоопасными концентрациями горючего. Развивающееся при воспламенении газопаровоздушной смеси избыточное давление взрыва приводит к разрушению оборудования установки и находящихся рядом объектов; - факторы пожара интенсивно воздействуют на аппарат и трубопровод, из которого происходит истечение, а также на оборудование и трубопроводы, находящиеся в непосредственной близости, вследствие чего в них повышается давление выше расчетного, они теряют прочность и разрушаются, или происходит их разгерметизация из-за разрушения уплотняющих устройств; количество вышедшего наружу продукта и масштабы пожара увеличиваются во времени, принося значительный материальный ущерб.
Пожары с последующими взрывами на указанных объектах могут возникать при нарушении технологического режима, из-за неосторожного обращения с огнем, в результате допущенных нарушений при проектировании и эксплуатации, а также других причин.
Взрывы и связанные с ними пожары могут возникать при освоении новых технологических процессов производства, пуске нового оборудования, при недостаточной изученности условий обеспечения пожаровзрывоопасности этих процессов, показателей пожаровзрывоопасности сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Такие случаи наблюдались при освоении некоторых нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.
Производственное оборудование и технологические аппараты технологических установок размещаются на небольшом расстоянии друг от друга и часто имеют значительную высоту. Большое количество горючих и легковоспламеняющихся жидкостей и газов, перерабатываются при высоких давлениях и температурах, а наличие открытых источников зажигания определяют высокую пожарную опасность предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и специфику развития пожаров на этих объектах.
Конкуренция разветвления и обрыва цепей в во-дородовоздушных смесях
По-прежнему на высоком уровне остается число взрывов газа и пожаров в жилых домах. Во многих случаях здания подвергались значительным разрушениям, имеются человеческие жертвы.
Статистические данные свидетельствуют о том, что ущерб от пожаров и взрывов в зданиях и сооружениях различного назначения остается достаточно большим и имеет тенденцию к увеличению. Высокие температура и давление, развиваемые в этих зданиях при горении или детонации веществ и материалов, приводят к частичному или полному разрушению строительных конструкций. При взрыве газа в здании во многих случаях получают повреждения здания, расположенные на различных расстояниях от пострадавшего объекта.
В жилых зданиях наибольшее число взрывов связано с утечкой природного газа, меньшее количество - с хранением или использованием взрывчатых веществ и им аналогичных, ЛВЖ и ГЖ.
Анализ взрывов в промышленных зданиях показывает, что 36.3 % взрывов происходит без обрушения строительных конструкций; 54.1% - с частичным их разрушением, 5.4 % - с полным разрушением строительных конструкций соседних зданий.
Пожары в современных жилых и общественных зданиях, как правило, не сопровождаются потерей несущей способности строительных конструкций, что объясняется: 1) ограниченной величиной пожарной нагрузки в этих помещениях (для жилых зданий она редко превышает 50 кг на 1 м пола в пересчете на древесину; 2) высокими нормативными требованиями по пределам огнестойкости несущих и ограждающих конструкций; 3) применением строительных конструкций с пределами распространения огня близких к нулю; 4) сравнительно не большим объемом помещений, наличием множества ограждающих конструкций, препятствующим быстрому распространению пожара; 5) своевременным выездом пожарных к месту пожара. В современных жилых зданиях пожары ликвидируются до момента выхода огня за пределы квартиры.
Напротив, пожары в производственных зданиях сопровождаются частичным или полным обрушением их строительных конструкций, что объясняется: 1) высокой пожарной нагрузкой, связанной с обращением большого числа веществ и материалов в производственных помещениях; 2) большим объемом производственных помещений; 3) использованием легких металлических конструкций, особенно с горючим утеплителем; 4) выделением при горении токсичных веществ.
Давление взрыва газопаровоздушных смесей используемых в быту достаточно велико и достигает уровня избыточного давления порядка 500-600 кПа. В случаях, когда площадь окон недостаточна или их давление вскрытия стекол окажется высоким, величина давления взрыва будет возрастать до значений, при котором будут подниматься плиты перекрытий или разрушаться несущие и ограждающие конструкции.
Следует подчеркнуть, что применяющиеся при так называемых «евроремонтах» квартир стеклопакеты оборудуются 4-х и 5-ти миллиметровыми стеклами, которые достаточно прочны и начинают разрушаться только при значительных избыточных давлениях (не менее 4-6 кПа в зависимости от размеров стекла). Поэтому, при взрыве газа в помещении окна, оборудованные таким остеклением, не осуществляют роль сбросных проемов, что приводит к резкому повышению взрывного давления.
Практика показала, что для безопасной эксплуатации баллонов сжиженного газа необходимо точно соблюдать нормы их заправки и тщательно контролировать массу заправляемого в баллон газа путем взвешивания. При этом весы, на которых взвешивают, должны подвергаться метрологическим -поверкам, а достоверность их показаний должна соответствовать требованиям Госстандарта России.
Анализ статистических данных показывает, что основными причинами возникновения аварийных ситуаций явились низкий уровень трудовой дисциплины, грубые нарушения норм и правил техники безопасности, снижение качества технического надзора.
Основными причинами взрывов газа в жилых домах является изношенность подводящих газовых трубопроводов, бытовых приборов и оборудования, а также самовольное подключение жителей к газовым сетям. Большое число взрывов газа в жилых домах связано с бесконтрольным использованием населением газовых баллонов. По оценкам Госгортехнадзора России пик аварийности будет наблюдаться в 2002-2005 гг.
Первостепенное внимание при решении проблемы обеспечения пожаровзрывобезопасности жилых зданий и сооружений должно быть уделено вопросам мониторинга горючих газов путем использования простейших конструкций сигнализаторов довзрывоопасных концентраций.
В настоящее время в России отсутствует единая научно обоснованная, утвержденная в законодательном порядке, система сбора статистической информации об авариях, а информация об авариях на оборудований, связанному с обращением СУГ, зачастую скрывается.
Результаты экспериментального изучения влияния ингибиторов на интенсивность горения газов
Выше было отмечено, что разность скоростей (f-g), имеющая первоначально положительный знак без ингибитора может стать отрицательной в присутствии ингибитора, поскольку увеличивается величина g. Однако, даже если знак (f-g) остается положительным, влияние ингибитора на КНР, как показано в предыдущей главе, вызвано тем, что уменьшается интенсивность горения, снижается температура смеси и, соответственно, затрудняется разогрев соседнего свежего слоя газовой смеси. В итоге затрудняется цепное воспламенение соседнего свежего слоя газовой смеси.
В настоящем разделе рассматривается влияние ингибитора на интенсивность горения. В уравнении (2.15) величина g представляет собой удельную суммарную скорость обрыва цепей, Из выражения (2.15) видно, что с увеличением содержания [In] экспоненциально уменьшается скорость реакции, и, следовательно, скорость тепловыделения. Естественно, это сказывается на кинетику горения. Это иллюстрируется на Рис. 3.1.4 а- 3.1.4 в. В этих опытах величина избыточного давления взрыва АР является показателем повышения температуры, поскольку, как было сказано выше, горение водорода протекает в замкнутом объеме и сопровождается монотонным уменьшением числа молей. Соответственно, рост давления является результатом только саморазогрева.
На всех трех рисунках видно, что при увеличении концентрации ингибитора уменьшается скорость саморазогрева, и значит скорость реакции. Например, из Рис. 3.1.4 в видно, что увеличение содержания [In] лишь на 0.5 % (об.) уменьшает максимальную скорость реакции в 3 раза. Данные рис. 3.1.4. показывают прежде всего, что ингибитор действует не только на условия воспламенения (КПР), но также на характер протекания развивающегося горения. Мы видим, что с увеличением содержания количества ингибитора монотонно уменьшается скорость реакции в течение всего процесса горения во всех 3-х сериях опытов. Таким образом, конкуренция разветвления и обрыва цепей является определяющим фактором в развивающемся горении. Поэтому увеличение содержания ингибитора лишь на пол процента приводит к наблюдаемому уменьшению интенсивности горения. Очевидно, что объяснить такое влияние лишь разбавлением смеси или увеличением теплоемкости невозможно, тем более, что в данном случае ингибитор сам является горючим веществом.
Рассмотрим теперь тепловой режим горения и его зависимость от содержания ингибитора. Обратим внимание, что, несмотря, на существенное замедление процесса под воздействием ингибитора в данном интервале его концентраций, горение до момента достижения максимальной температуры фактически остается адиабатическим. Действительно, как видно из рис. 3.1.4.а, максимальная температура в околостехиометрических газовых смесях отличается лишь незначительно, при том, что скорости реакций соседних кривых отлича -183-ются, по крайней мере, в несколько раз. Поэтому, уменьшение скорости горения при добавлении ингибитора обусловлено не уменьшением температуры. Свидетелем того, что процесс что время теплоотвода на 2 порядка больше, чем время достижения максимальной температуры на выходе наиболее медленной из рассматриваемых здесь реакционных смесей (кривая 3, Рис. 3.1.4 в). Этим следует объяснить, что несмотря на значительное замедление реакции, максимальная температура, и соответственно, максимальное значение АР, близки к адиабатическому процессу горения.
Фактически адиабатический характер процесса в этих условиях позволяет с хорошей точностью определить величины разогрева по росту давления. Из Рис. 3.1.4.а. видно, что максимальный разогрев газовой водородовоздушной числа молей газа при протекании химической реакции температура горения водорода стехиометрического состава составляет 1800-1900 С. Эта величина близка к значению, приводимому в литературе [29].
На рис. 3.1.5, 3.1.6 представлены экспериментальные данные по зависимости максимального давления взрыва АРтах и максимальной скорости нарастания давления взрыва (dP/dt)max от концентрации ингибирующей добавки (Inh А] и СгРдВгг). Эти данные позволяют следить за изменением характера проте
Механизм воздействия аэрозолеобразующих ог-нетушащих составов на горение газов
Кривые, показанные на рис. 5.3.3-5.3.6, имеют характерную форму, типичную для зависимостей параметров взрыва газовоздушных смесей от их состава. Максимумы этих зависимостей отвечают концентрациям метана и водорода в воздухе, близким к стехиометрической. С повышением средней плотности пористой среды происходит монотонное снижение максимального давления взрыва с увеличением средней плотности пористой среды. Однако при р =50 кг/м3 для около стехиометрических смесей метана наблюдается существенный рост величины (dP/dt)max, в то время как максимальное давление взрыва снижается.
Как следует из данных, приведенных на рис. 5.3.3- 5.3.6 с увеличением средней плотности пористой среды происходит сужение концентрационной области распространения пламени, оцененной по точкам пересечения кривых с осью абсцисс. Зависимость нижнего (НКПР) и верхнего (ВКПР) концентрационных пределов распространения пламени от величины р представлена на рис. 5.3.7,5.3.8.
Как видно из рис. 5.3.7 для метановоздушной смеси НКПР растет, а ВКПР падает с увеличением средней плотности пористой среды от 0 до -305 кг/м , а при росте величины р с 37 до 50 кг/м значения НКПР и ВКПР практи-чески не изменяются. При концентрации пористой структуры 63 кг/м распространение пламени не наблюдается. Данную точку можно интерпретировать как точку флегматизации метановоздушной смеси при разбавлении пористой структурой.
Как видно из рис. 5.3.8 для водородовоздушной смеси НКПР не изменя-ется при содержании пористой структуры до 25 кг/м , а затем монотонно возрастает. ВКПР также не изменяется при содержании пористой структуры до 13 кг/м3 , а затем монотонно уменьшается. Эффект флегматизации водородовоздушной смеси при разбавлении пористой структурой не наблюдается.
Наблюдаемые эффекты обусловлены в основном тепловым и газодинамическим взаимодействием фронта пламени с пористой средой, хотя не исключается и воздействие поверхности пористой среды на химическую кинетику горения, которое в нашем случае, по-видимому, относительно невелико. Тепловое воздействие заключается, во-первых, в предотвращении распространения пламени по пористой среде (эффект огнепреграждения) за счет теплопотерь из фронта пламени и, во-вторых, в снижении максимального давления взрыва за счет теплопотерь из нагретых продуктов сгорания в тех случаях, когда распространение пламени оказывается возможным. В случае реализации первого механизма происходит сужение концентрационной области распространения пламени (рис. 5.3.7, 5.3.8). В случае второго механизма наблюдается снижение максимального давления взрыва при наличии распространения пламени по пористой среде (рис. 5.3.3, 5.3.5).
Газодинамическое воздействие вместе с тепловым определяет изменение максимальной скорости нарастания давления взрыва с концентрацией метана и средней плотностью пористой среды. С одной стороны, при увеличении р возрастает степень загроможденности объема реакционного сосуда и увеличивается турбулизация среды с соответствующим увеличением видимой скорости распространения пламени. С другой стороны, с ростом средней плотности пористой среды происходит увеличение теплопотерь от фронта пламени и продуктов сгорания. Первый фактор превалирует над вторым в случае быстрого-рящих околостехиометрических смесей, чем и обусловлен рост (dP/dt)max с уве-личением р от 37 до 50 кг/м при концентрации метана 9 % (об.). В случае медленно горящих околопредельных богатых смесей, превалирует фактор тепловых потерь. В результате этого происходит уменьшение (dP/dt) с увеличением р. Для околопредельных бедных смесей гидродинамический и тепловой факторы, по-видимому, уравновешивают друг друга, в результате чего максимальная скорость нарастания давления взрыва изменяется с ростом средней плотности пористой среды от 0 до 37 кг/м относительно слабо (рис. 5.3.6). Аналогичный эффект наблюдается и для водородовоздушной смеси при разбавлении порис -307-той структурой.
Из представленных на рис. 5.3.3 - 5.3.8 данных следует, что с точки зрения практического использования рассматриваемой пористой среды для взры-возащиты емкостей представляется целесообразным принимать среднюю плот-ность р в диапазоне 35-40 кг/м . Действительно, при более низких плотностях концентрационная область распространения пламени шире, а максимальное давление взрыва выше, чем для указанных выше значениях р. В то же время увеличение средней плотности пористой среды выше 40 кг/м не приводит ни к снижению А Ртах, ни к сужению концентрационной области распространения пламени, давая в то же время рост (dP/dt)max.
Таким образом, проведенные экспериментальное исследование горения метано- и водородовоздушных смесей различного состава в пористой структуре, представляющей собой засыпку шариков из тонкой алюминиевой фольги, в замкнутом сосуде объемом 4.2 л, свидетельствуют о перспективности применения пористых сред для взрывозащиты емкостей с легковоспламеняющимися жидкостями.
Найдено, что с увеличением средней плотности пористой среды происходит сужение концентрационной области распространения пламени и снижение максимального давления взрыва. Максимальная скорость нарастания давления взрыва растет с увеличением средней плотности для околостехиометрических смесей, падает - для богатых околопредельных смесей и практически не меняется - для бедных околопредельных смесей. Указанные эффекты обусловлены взаимодействием гидродинамического и теплового факторов, один из которых приводит к ускорению пламени за счет турбулизации его фронта пористой сре дой, а второй - к охлаждению фронта пламени и его гашению (в случае около предельных медленногорящих составов) или к снижению максимального дав ления взрыва за счет охлаждения продуктов сгорания (в случае околостехио метрических быстрогорящих составов).
