Комбинированный способ тушения пожаров автомобильных бензинов европейского стандарта в наземных вертикальных стальных резервуарах

На правах рукописи

Бастриков Денис Леонидович

КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ

АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ ЕВРОПЕЙСКОГО СТАНДАРТА

В НАЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль, технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук Москва – 2013

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре общей и специальной химии

Научный руководитель: доктор технических наук Молчанов Виктор Павлович

Официальные оппоненты: Шебеко Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета»

научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России, главный научный сотрудник Назаров Владимир Петрович, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, профессор кафедры пожарной безопасности технологических процессов

Ведущая организация: ООО «НК «Роснефть» – Научно-технический центр»

Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 15 часов 30 минут на заседании дис сертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопо жарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Швырков Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, на территории страны планируется увеличение объемов добычи нефти с 470,2 (2005 г.) до 535 млн. т (2030 г.). Уже в настоящее время объем переработки нефти значительно увеличился с 173 (2000 г.) до 237 млн. т (2008 г.), а глубина переработки нефти возросла с 70 до 73 %. Увеличился экспорт нефтепродуктов с 57 (2000 г.) до 112 млн. т (2008 г.).

Увеличение объемов добычи нефти способствует увеличению мощностей по ее переработке (например, Туапсинский нефтеперерабатывающий завод – до 12 млн. т/год, Киришинефтеоргсинтез – на 12 млн. т/год), а также строительству новых нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов (например, Приморский нефтеперерабатывающий завод мощностью – до 20 млн. т/год). Ежегодные уровни экспорта автомобильных бензинов будут находиться в диапазоне от 315 до 330 млн. т/год.

В 2008 г. в развитие требований Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании» разработан и введен в действие технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиаци онному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных дви гателей и топочному мазуту», направленный на приближение качества нефте продуктов к требованиям, установленных в директивах Европейского Парламента и Совета Европы 2003/17/EC и 98/70/EC об экологических требо ваниях к топливам, поступающим на мировой рынок. При этом техническим регламентом введены ограничения по концентрации серы и свинца в составе автомобильных бензинов, предполагается ограничение применения ряда анти детонационных присадок. Вместо них бензины будут содержать полярные жидкости – спирты. Так, содержание этилового спирта составит до 5 %, изо пропилового спирта – до 10 %, третбутанола – до 7 %, изобутанола – до 10 %.

Кроме этого, автомобильные бензины подразделяются на классы Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5, которые принято называть классами европейского стандарта. Важно также отметить, что в соответствии с требованиями этого технического регламента с 2015 г. на территории России будет разрешен оборот автомобильных бензинов только класса Евро-5, в которых допускается макси мальное содержание спиртов.

Основной нормативный документ в области обеспечения пожарной безопасности резервуарных парков и объектов нефтегазовой отрасли СНиП 2.11.03-93* «Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы» регламентирует осуществлять тушение нефтепродуктов в вертикаль ных стальных резервуарах (далее РВС) подачей пены средней и/или низкой кратности на поверхность нефтепродуктов. Допускается применение подслой ного способа пожаротушения пеной низкой кратности в РВС, тушение которых может осуществляться от передвижной пожарной техники. Применение других способов пожаротушения допускается на основе рекомендаций научно исследовательских институтов, утвержденных и согласованных в установлен ном порядке. Так, например, согласно требований «Рекомендаций по тушению высокооктановых бензинов АИ-92, АИ-95 и АИ-98 в резервуарах», разработан ных ФГУ ВНИИПО МЧС России, ограничено применение подслойного способа тушения нефтепродуктов с содержанием полярных жидкостей. Подслойный способ подачи пены низкой кратности при тушении пожаров в резервуарах можно применять только для автомобильных бензинов Нормаль-80 и Регуляр-92. Таким образом, до настоящего времени в нормативных документах отсутствуют требования по выбору средств и методов тушения автомобильных бензинов европейского стандарта – бензинов с содержанием спиртов (далее ав томобильных бензинов), что и обуславливает необходимость научного обосно вания возможности применения комбинированного способа тушения пожаров этих бензинов, под которым понимается одновременная подача пены под слой и на поверхность горящего бензина.

Кроме этого, выполненный в работе анализ пожаров в РВС показал неэффективность работы автоматических установок пенного пожаротушения, которые при взрыве или деформации верхнего пояса резервуара выходят из строя еще до начала тушения пожара, при этом единственным способом успешной ликвидации пожара является подача огнетушащих веществ от передвижной пожарной техники, что требует, как правило, длительного времени для сосредоточения достаточного количества сил и средств подразделений пожарной охраны.

Степень разработанности темы исследования. Ранее проведенные экспериментальные исследования в области применения низкократной пленко образующей пены для тушения высокооктановых бензинов и смесевых топлив (Шароварников А.Ф., Молчанов В.П., Грашичев Н.К., Воевода С.С., Шароварников С.А. и др.) позволили установить возможность применения фторсинтетических пенообразователей для ликвидации пожаров в РВС. При этом были определены оптимальные интенсивности подачи пленкообразующей пены для тушения пламени смесевых топлив различными методами ее подачи (под слой и на поверхность бензинов). Однако, ряд важных с практической точки зрения закономерностей, позволяющих определить эффективность применения одновременной подачи пены несколькими методами на тушение пожаров в РВС, выявлены в научном плане недостаточно. Поэтому для приме нения на практике ранее обоснованных значений интенсивности подачи пены необходимо определить количественные режимы ее подачи единым комбини рованным способом.

Таким образом, целью диссертационной работы является обоснование применения комбинированного способа тушения пожаров автомобильных бен зинов европейского стандарта в РВС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ требований нормативных документов к системам про тивопожарной защиты РВС и сформулировать принципы выбора интенсивно сти подачи пены на тушение пожаров автомобильных бензинов;

- определить скорость разрушения пены, получаемой при совместном при менении пенообразователей различных композиций и разработать метод оцен ки совместимости пенообразователей;

- установить влияние концентрации спиртов в автомобильных бензинах на изолирующую эффективность фторсинтетических пленкообразующих пенооб разователей и процесс тушения пламени при различных способах подачи пены;

- создать экспериментальную установку и методику проведения опытов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей при тушении пламени автомобильных бензинов в РВС с учетом различных способов подачи пены (под слой, на поверхность и их комбинацией);

- предложить номограмму для определения количественных режимов по дачи пены комбинированным способом для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.

Объектом исследования являлись способы подачи пленкообразующей низкократной пены для тушения автомобильных бензинов в РВС. В качестве предмета исследования рассматривались количественные режимы подачи низкократной пены комбинированным способом.

Методы исследования, применяемые в работе, регламентированы нацио нальными стандартами РФ, а именно: ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ Р 53280.2-2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетуша щие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и мето ды испытаний».

Достоверность представленных в работе результатов подтверждается:

- применением для обработки полученных экспериментальных данных апробированных методов статистического анализа;

- применением поверенных средств измерений и аттестованного испыта тельного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны концептуальные принципы выбора интенсивности подачи пены для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.

2. Доказано влияние смесей пенообразователей различных композиций на скорость разрушения пены. Разработан метод оценки совместимости пенообра зователей для тушения автомобильных бензинов в РВС.

3. Установлено влияние концентрации спиртов в автомобильных бензинах на изолирующую эффективность фторсинтетических пленкообразующих пено образователей.

4. Получены новые экспериментальные данные по влиянию концентрации спиртов в автомобильных бензинах на процесс тушения пламени при различ ных способах подачи пены.

5. Создана экспериментальная установка и методика проведения опытов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей при тушении пожаров автомобильных бензинов в РВС с учетом различных способов подачи пены. По результатам исследований разработана номограмма для определения количественных режимов подачи пены комбинированным способом для туше ния пожаров автомобильных бензинов в РВС.

Практическая ценность работы состоит в том, что доказана возможность совместного применения смесей пенообразователей при тушении пожаров ав томобильных бензинов европейского стандарта в РВС комбинированным спо собом. Применение комбинированного способа тушения пожаров автомобиль ных бензинов в РВС направлено на повышение надежности систем противопо жарной защиты, эффективность тушения автомобильных бензинов с содержа нием спиртов и оптимизацию необходимого запаса пенообразователей на скла дах нефти и нефтепродуктов.

Материалы диссертации реализованы при разработке:

- нормативного документа по пожарной безопасности: Изменение № 1 к ГОСТ Р 53280.2-2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетуша щие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и мето ды испытаний». М.: Академия ГПС МЧС России, 2012 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Пенообразователи и смачиватели для тушения пожаров. Требования к применению» Свод Правил.

М.: Академия ГПС МЧС России, ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета»

научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России, 2012 г.;

- лабораторного практикума по курсу общей и специальной химии для курсантов, слушателей и адъюнктов Академии ГПС МЧС России. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012 г.

Основные результаты работы были доложены на: Научн.-практ. конф.

«Теория и практика длительного хранения» (г. Москва, Федеральное агентство по государственным резервам ФГБУ НИИПХ Росрезерва, 2011);

Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012);

Международной пром. конф. «Развитие инфраструктуры юга России» (г. Краснодар, ВЦ «Кубань ЭКСПОЦЕНТР», 2012);

Конф. «Пожары и окружающая среда» (г.

Москва, Национальная академия наук пожарной безопасности, 2013);

Заседании Добровольного пожарного общества поддержки пожарных Гамбурга, секция № 5 «Пожаротушение» (Германия, г. Гамбург, 2013);

Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013);

Конф. по промышленной безопасности и охране труда в ООО «НК-Роснефть»

(г. Архангельск, ОАО «РН-Архангельскнефтепродукт», 2013), Конф.

«Техническое регулирование в области пожарной безопасности: состояние, перспективы» (г. Москва, Национальная академия наук пожарной безопасности», 2013).

На защиту выносятся:

- концептуальные принципы выбора интенсивности подачи пены при про ектировании систем противопожарной защиты РВС;

- метод оценки совместимости пенообразователей для тушения автомо бильных бензинов в РВС;

- результаты анализа экспериментальных данных влияния концентрации спиртов в автомобильных бензинах на изолирующую эффективность фторсин тетических пленкообразующих пенообразователей и процесс тушения пламени при различных способах подачи пены;

- результаты экспериментальных исследований по определению огнету шащей эффективности пенообразователей при тушении пламени автомобиль ных бензинов с учетом различных способов подачи пены;

- номограмма для определения количественных режимов подачи пены комбинированным способом для тушения пожаров автомобильных бензинов в РВС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ.

Структура, объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах текста, включает в себя 9 таблиц, 32 рисунка, список литературы из 132 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследо вания, показаны научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлен анализ научной литературы и обзор произо шедших крупных пожаров в РВС на объектах нефтегазовой отрасли. Выявлены проблемы, возникающие при тушении пожаров автомобильных бензинов. На основе отечественного и зарубежного опыта тушения таких пожаров установ лено, что наиболее распространенным способом тушения является применение пены в системах противопожарной защиты РВС, а также подаваемой от пере движной пожарной техники.

Отмечено, что во многих экономически развитых странах (США, Канада и страны Европы) уже несколько лет активно применяются системы пенного по жаротушения подачей пены низкой кратности с применением фторсинтетиче ских пленкообразующих пенообразователей. Низкократную пену подают тра диционным способом – сверху на поверхность «зеркала» резервуара. Также применяется передвижная пожарная техника, где подача пены осуществляется навесными струями сверху на поверхность нефтепродуктов.

Анализ пожаров в резервуарах, оборудованных автоматическими установ ками пожаротушения пеной средней кратности, показал, что такие установки по разным причинам не обеспечили тушение пожара в начальной стадии его развития. Это связано с отказом или выходом из строя систем противопожар ной защиты (рисунок 1).

Повреждения узлов ввода пены взрывом (51 %) Повреждения узлов ввода пены из-за пожара Рисунок 1 – Диаграмма в обваловании (27 %) распределения причин отказов Повреждения пеногенераторов систем противопожарной защиты и пенокамер (14 %) с применением пены средней Другие кратности причины (8 %) В диссертации выполнен анализ требований российских нормативных до кументов и зарубежных стандартов в части проектирования систем противопо жарной защиты РВС. Выявлено, что в отечественных нормах выбор интенсив ности подачи пены зависит только от температуры вспышки нефтепродукта и способа подачи пены. К недостаткам такого подхода можно отнести то, что не учитывается время свободного развития пожара от момента его обнаружения до начала проведения пенных атак, компонентный состав бензинов, номиналь ный объем резервуара. В частности, в европейских стандартах значение интен сивности зависит также от конструктивного исполнения резервуара (со стацио нарной, плавающей крышей или понтоном).

При длительном нагреве горючих жидкостей меняются не только их физико-химические свойства, но и пожаровзрывоопасные свойства, следова тельно, необходимо предусматривать иной подход к тушению пожара. Экспе риментально доказано, что существенное влияние на процесс тушения бензина оказывает температура нефтепродукта. Так, при повышении температуры всего с 25 до 45 оС у бензина, содержащего в своем составе 15 % спиртов, время тушения увеличивается в 1,5-1,8 раза, а критическая интенсивность подачи пе ны возрастает практически в 2 раза. Также, чем больше доля спиртов в бензине, тем нагляднее сказывается влияние температуры нефтепродукта на процесс контактного разрушения пены.

Во второй главе содержится описание экспериментальных методов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей, используемых в работе, а также характеристики пенообразователей.

В экспериментальной части работы использованы, как традиционные ме тоды, например, метод измерения поверхностного и межфазного натяжения растворов (метод Дью Нуи), так и специальные методы. К специальным мето дам относятся: определение совместимости смеси пенообразователей;

изучение изолирующего действия водных пленок фторсодержащих пленкообразующих пенообразователей на поверхности автомобильных бензинов;

определение ог нетушащей эффективности пенообразователей при подаче пены комбиниро ванным способом.

Основным методом исследования являлся метод определения огнетуша щей эффективности фторсинтетической низкократной пены при комбиниро ванном способе тушения пламени автомобильных бензинов.

Разработаны методика и экспериментальная установка для определения огнетушащей эффективности фторсинтетической низкократной пены при ком бинированном способе ее подачи, которые позволяют определять количествен ные режимы подачи пены в зависимости от компонентного состава бензинов (рисунок 2).

Рисунок 2 – Экспериментальная установка для определения огнетушащей эффективности фторсинтетической низкократной пены при комбинированном способе ее подачи Указанные методы дают возможность определять причины изменения ог нетушащей эффективности пенообразователей при тушении автомобильных бензинов с различным содержанием спиртов.

В главе также содержится описание методики и установки для определе ния совместимости пенообразователей, позволяющих установить возможность совместного применения пенообразователей различных композиций для туше ния пожара.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследова ний огнетушащей эффективности пены и процесса тушения автомобильных бензинов европейского стандарта различными способами с использованием разных композиций пенообразователей.

При испытаниях получены сведения об устойчивости пены из смесей се рийно выпускаемых пенообразователей разных композиций. Для исследования были отобраны образцы пенообразователей, применяемые в системах пожаро тушения на объектах защиты нефтегазовой отрасли.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что в усло виях реального пожара при совместном применении пенообразователей наблю дается эффект образования так называемой «сухой» пены, когда скорость исте чения раствора из пены приближается к скорости формирования пены. Такая пена не обладает необходимыми для ликвидации горения физико-химическими свойствами.

На рисунке 3 показаны кривые, характеризующие скорость разрушения пены при изменении количественного состава смесей пенообразователей.

Начальные и конечные точки – это «эталонные» составы пенообразователей, а промежуточные – пропорциональные смеси составов в концентрации 25, 50 и 75 %, соответственно.

45, Скорость разрушения пены, г/с 42, 40 37,01 34, Рисунок 3 – Изменение 33,76 32, скорости разрушения 32, 31, 30, пены, получаемой из 31, 30 32, 26, 30, смеси пенообразователей:

26,18 23, образцы A, B, C и D – 18, фторсодержащие пенообразователи 19, различных марок -смесь пенообразователей А и С 8, 10 -смесь пенообразователей B и A -смесь пенообразователей C и B - смесь пенообразователей D и C 6, 100 25 50 75 Концентрация смесей пенообразователей, % Из рисунка 3 видно, что при смешении образцов пенообразователей ско рость разрушения пены (скорость «сенерезиса») изменяется неравномерно. Так, скорость разрушения пены смесей пенообразователей «А» и «С», «D» и «C» в различных процентных сочетаниях превышает значения, полученных у «эта лонных» образцов в 1,2-1,5 раза, при этом высокая скорость истечения раствора из пены наблюдается у смесей в концентрации 1:1 и 3:1. При испытании «эта лонных» образцов, у пенообразователя (образец «С») наблюдалась наиболее низкая скорость разрушения пены, что характеризует его более высокую огне тушащую эффективность. Однако введение в раствор других пенообразовате лей с иным химическим составом ухудшило свойства пенообразователя.

Это доказывает, что при тушении пожаров не допускается производить смеше ние пенообразователей без проведения предварительных испытаний их образ цов про предлагаемому в работе методу.

Сведения, полученные при испытаниях смесей пенообразователей, могут быть использованы при разработке планов тушения пожаров на объектах нефтегазовой отрасли.

Проведенные огневые испытания по тушению пламени в модельном резервуаре свидетельствуют, что во всех случаях увеличение спиртового компонента в автомобильных бензинах ведет к снижению огнетушащей эффек тивности пенообразователей. Результаты испытаний по тушению бензина Премиум Евро-95 с добавлением изопропилового спирта представлены на ри сунке 4, где содержание изопропилового спирта по массе указано на графиках.

Исследования показали, что во всех случаях увеличение концентрации спирта ведет к повышению величины критической интенсивности подачи пены и вре мени тушения. Огнетушащее действие пен определяется, прежде всего, их спо собностью резко снижать скорость испарения паров нефтепродуктов в зону го рения.

Механизм проникновения паров горючего через слой пены определяется структурой границы контакта пены с нефтепродуктом и характером их взаимо действия. Выявлено, что при концентрации спирта менее 5 % характер тушения практически не меняется, но превышение этого предела резко сказывается на устойчивости пен. При малой концентрации спирта в бензине критическая и оптимальная интенсивности подачи пены увеличиваются незначительно, одна ко увеличение концентрации спирта до 15 % и более приводит к резкому уве личению интенсивности подачи пены и удельного расхода на тушение единицы поверхности модельного резервуара с 2,5 до 16 кг/м2. Удельные затраты пены на тушение единицы площади поверхности автомобильного бензина определя ли по формуле:

J Q, (1) Т где Q – удельный расход пены, кг/м2;

J – интенсивность подачи пены на туше ние пламени бензина, кг/(м2с);

Т – время тушения, с.

Результаты лабораторных испытаний показали, что пожары автомобиль ных бензинов с содержанием спиртов можно эффективно тушить фторсинтети ческими низкократными пенами. При этом, необходимо значительно увеличи вать интенсивность подачи пены в случае увеличения концентрации спирта в бензине. Так, при содержании спирта более 15 % интенсивность подачи пены у испытываемых пенообразователей достигала 0,12 кг/(м2с). По мере увеличения интенсивности подачи пены время тушения снижается, но достигнув опреде ленной величины, остается далее практически неизменным. Это значение соот ветствует оптимальной интенсивности подачи пены.

350 300 Время тушения, с 250 Время тушения, с 200 150 100 50 Б ензин Прем иум Евро-95 Б ензин Прем иум Евро- а) б) 5% ИПС 10% ИПС 5% ИПС 10% ИПС 15% ИПС 20% ИПС 20% ИПС 15% ИПС 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,. Интенсивность подачи пены, кг/(м. с) Интенсивность подачи пены, кг/(м2с) 350 300 Время тушения, с Время тушения, с 250 200 150 100 50 Б ензин Прем иум Евро-95 Б ензин Прем иум Евро- в) г) 10% ИПС 5% ИПС 10% ИПС 5% ИПС 20% ИПС 15% ИПС 15% ИПС 20% ИПС 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, Интенсивность подачи пены, кг/(м. с) Интенсивность подачи пены, кг/(м. с) Рисунок 4 – Зависимость времени тушения автомобильного бензина Премиум Евро-95 от интенсивности подачи пены из пенообразователя:

а) образец – «A»;

б) образец – «B»;

в) образец – «C»;

г) образец – «D»

Для пленкообразующих пенообразователей важно определить их способ ность самопроизвольно растекаться по поверхности бензинов для предотвра щения испарения паров бензина в зону горения. Экспериментальные исследо вания этого явления проводились в аэродинамической трубе (рисунок 5) при постоянной скорости воздушного потока 2 м/с. Отметим, что скорость процесса разрушения водных пленок на поверхности бензинов определяется интенсивно стью диффузионного проникновения спирта. По мере накопления молекул спирта в пограничном слое формируется размытый слой, состоящий из смеси водного раствора со спиртом. Разрушение пленки происходит из-за десорбции молекул пенообразователя с межфазной границы. Водный раствор пенообразо вателя постепенно экстрагирует спирт из бензина, происходит растворение мо лекул пенообразователя в смешанном поверхностном спиртовом слое.

Чем больше концентрация спирта в автомобильном бензине, тем быстрее происходят разрушительные процессы, следовательно, выше удельная скорость контактного разрушения пены.

Рисунок 5 – Принципиальная схема аэродинамической уста новки:

1 – компрессор;

2 – трансформатор;

3 – корпус установки;

4 – каверны с бензином;

5 – анемометр;

6 – лабораторный штатив Результаты экспериментов по разрушению водных пленок на поверхности бензина Регуляр-92 представлены на рисунке 6, концентрация спирта в автомо бильном бензине указана на графиках.

с).

Бензин Регуляр- Бензин Регуляр- с) Интенсивность испарения, кг/(м. 2, 2, Интенсивность испарения, кг/(м 15 % 15% 0% 10% 5% 10 % 5% 0% 1, 1, а) б) 0 30 30 60 Время, с Время, с с).

Бензин Регуляр- Бензин Регуляр- с) Интенсивность испарения, кг/(м. 2, 2, 15 % Интенсивность испарения, кг/(м 15 % 10 % 0% 5% 10 % 5% 0% 1, 1, в) г) 0 60 30 90 60 Время, с Время, с Рисунок 6 – Зависимость интенсивности испарения автомобильного бензина Регуляр-92 при нанесении на его поверхность пленки из пенообразователей:

а) образец «A»;

б) образец «B»;

в) образец «C»;

г) образец «D»

Процесс разрушения изолирующей пленки характеризовался увеличением скорости испарения паров бензина. Во всех случаях увеличение концентрации спирта резко снижало время изолирующего действия водных пленок растворов пенообразователей. Выявлено, что при увеличении концентрации спирта в ав томобильных бензинах с 5 до 15 % изолирующая способность водных пленок пенообразователей уменьшается в 3-4 раза.

Анализ полученных результатов показывает, что уменьшение изолирую щей способности водных пленок наблюдалось у всех используемых в экспери ментах пенообразователях (рисунок 7). Полученные экспериментальные дан ные доказывают высокую трудность тушения бензинов с концентрацией спирта 15 % и более, что связано, в основном, с увеличением скорости поступления паров бензина в зону горения.

3, с).

Пенообразователи:

Интенсивность испарения, кг/(м - образец A 2, - образец B - образец C - образец D Рисунок 7 – Зависимость скорости испарения бензина Регуляр- 1, от концентрации спирта при нанесении водной пленки из 1, растворов пенообразователей различных марок 0, 0 5 Концентрация спирта, % В четвертой главе представлен анализ результатов натурных эксперимен тов, свидетельствующих о том, что при концентрации спирта менее 5 % харак тер тушения автомобильных бензинов практически не изменяется. Однако, превышение этого барьера резко влияет на характер устойчивости огнетуша щей пены. Такие результаты были получены для всех исследованных в данной работе образцов фторсинтетических пенообразователей. Полученные экспери ментальные зависимости удельного расхода пены при тушении автомобильных бензинов (на примере бензина Премиум Евро-95) от содержания спиртов (рисунок 8) доказывают снижение огнетушащей эффективности пенообразова телей и увеличение времени тушения пожара. Результаты исследований пока зывают, что с увеличением концентрации спирта в автомобильных бензинах при оптимальной интенсивности подачи пены (J1opt, J2opt, J3opt, J4opt, J5opt) резко возрастает ее удельный расход подачи (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5).

350 10,5 10, а) б) 300 9,0 9, Q Удельный расход,кг/м Q Удельный расход,кг/м Время тушения, с 250 7, 7, Премиум Евро- Время тушения, с 5% ИПС 200 10% ИПС 6, 6, 15% ИПС Q4 20% ИПС 150 4, 4,5 Q Q 100 3, 3,0 Q Q Премиум Q Евро- Q 5% ИПС 50 1, 1, 10% ИПС 15% ИПС Jopt Q 20% ИПС Jopt3 Jopt Jopt1 Jopt2 Jopt3 Jopt4 Jopt5 Jopt1 Jopt 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, Интенсивность подачи пены, кг/(м с) Интенсивность подачи пены, кг/(м. с) 300 21 300 Премиум Евро- в) г) Q 5% ИПС Удельный расход пены,кг/м 10% ИПС Удельный расход пены, кг/м 250 15% ИПС Время тушения, с Время тушения, с 20% ИПС Q1 Q 15 200 12 Премиум 150 Q Евро- Q2 5% ИПС 9 10% ИПС Q 15% ИПС 100 20% ИПС 6 Q 50 Q Q4 3 Q Jopt Jopt5 Jopt1 Jopt2 Jopt3 Jopt4 Jopt Jopt2 Jopt Jopt 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, Интенсивность подачи пены, кг/(м2 с) Интенсивность подачи пены, кг/(м. с).

Рисунок 8 - Зависимость времени тушения автомобильного бензина Премиум Евро- и удельного расхода от интенсивности подачи пены пенообразователем:

а) образец «A»;

б) образец «B» в) образец «C» г) образец «D»

интенсивность, кг/(м2с);

удельный расход, кг/м Для обеспечения оптимизации процесса тушения автомобильных бензинов следует увеличивать интенсивность подачи пены, что приводит к увеличению удельной скорости ее подачи. Доказано, что нельзя увеличивать интенсивность подачи пены бесконечно долго, так как при достижении предельной величины происходит резкое увеличение времени тушения. Это связано с образованием «бурунов» на поверхности нефтепродукта, что подробно рассмотрено в работах Молчанова В.П. При этом, за счет значительной высоты «буруна»

происходит резкое как резкое увеличение удельной площади, так и времени тушения пожара.

Детальный анализ процесса тушения бензинов подслойным способом по казал, что важным фактором является суммарная толщина пенного слоя, кото рая, в свою очередь, зависит от структуры пены, высоты «буруна» и скорости встречного движения поверхностного слоя бензина.

Выражение для оценки геометрической толщины пенного слоя, основан ное на работах Блинова В.И. и Худякова Г.Н., использующих подслойную по дачу воздуха в основание резервуара для тушения тяжелых нефтей, имеет вид:

a S h h h h1 0 b w, (2) g r f где S – площадь поверхности тушения, м ;

rf – плотность пены, кг/м3;

h0 – ми нимальная толщина пенного слоя, м;

hb – высота буруна, м;

hw – толщина дви жущегося встречного поверхностного слоя нефтепродукта, м2.

При этом, значение константы a1 определялось интенсивностью движения нефтепродукта, которое после получения расчетных значений уточнялось в хо де натурных экспериментов:

w a r g S 0, (3) 0 r 1 g где h0 – минимальная толщина пенного слоя, м;

S0, r0 – площадь и приведенный радиус исходной поверхности, м2, м;

rg – плотность горючей жидкости, кг/м3;

w0 – максимальная скорость движения жидкости, м/с.

Запишем зависимость минимальной толщины пенного слоя на поверхно сти горючей жидкости:

F f h, (4) g 0 r f где Ff – предельное напряжение сдвига пены;

rf – плотность пены, кг/м3.

Из формулы (4) следует, что начальная толщина пенного слоя зависит от площади, покрытой пеной. Это объясняется тем, что процесс образования за щитного пенного слоя сопровождается ростом средней толщины пенного слоя, и, поэтому, к моменту тушения пожара значение толщины слоя достигает мак симума. Также это явление можно объяснить увеличением силы трения по верхностного слоя бензина об основание пенного слоя. В формуле (2) это зна чение регулируется величиной составляющей скорости встречного движения поверхностного слоя нефтепродукта (hw).

Скорость движения горючей жидкости в поверхностном слое на границе «бензин – защитный пенный слой» зависит от удельного расхода пены, высоты слоя топлива в резервуаре и диаметра резервуара. Такая цепочка взаимосвязей изначально была выявлена в исследованиях Реутта В.Ч. и Петрова И.И., а затем обоснована в научной школе Шароварникова А.Ф.

Используя полученные ранее соотношения можно получить выражение для определения высоты «буруна»:

4 h b Q 3 H 3. (5) b Процесс тушения пожара автомобильных бензинов в резервуарах под слойным способом показан на рисунке 9. Пена подается в резервуар снизу че рез пенные насадки непосредственно в слой бензина. В процессе подъема пена взаимодействует с нефтепродуктом и формирует поток жидкости, который раз носит ее к стенкам резервуара. В существующих системах противопожарной защиты резервуаров увеличение интенсивности подачи пены в слой продукта, соответствующей оптимальной интенсивности, приведет к увеличению удель ной скорости подачи пены. При этом, из-за наличия спиртов в бензине выше 10-15 % увеличивается скорость контактного разрушения пены. Часть пены из за сильной компрессии в пенопроводах разрушается уже в процессе движения по ним, и, в дальнейшем, в виде раствора выливается из пенных насадков, а не расходуется на тушения пожара.

Анализ выражения (5) позволяет сделать вывод о прямой зависимости вы соты «буруна» от удельной скорости подачи пены. При достижении определен ной высоты «буруна», равной критическому значению, тушение пожара при за данной интенсивности достигнуто не будет. Это объясняется недостатком тол щины пенного слоя, так как увеличение высоты «буруна» приведет к резкому увеличению удельной поверхности тушения – «зеркалу» нефтепродукта.

Изолирующая водная пленка Бурун Бурун Рисунок 9 - Схема процесса тушения пожара в РВС подачей Интенсивное пены в слой бензина перемешивание слоев бензина потоками всплывающей пены Пена Раствор разрушенной пены Анализ кривых тушения автомобильных бензинов различными способами подачи пены (рисунок 10) показывает, что наилучшей огнетушащей эффектив ностью обладает пена при подаче комбинированным способом. При этом до стигается минимальное время тушения при заданной интенсивности подаче пе ны. Наибольшая критическая интенсивность требуется для подслойной подачи пены, что связано с высокой скоростью разрушения пены при подъеме.

Подача пены Подача пены а) б) комбинированным комбинированным способом способом 160 Подача пены на Время тушения, (с) Подача пены поверхность бензина в слой бензина Время тушения, (с) 120 Подача пены на Подача пены поверхность в слой бензина бензина 80 40 Jкр Jкр Jкр Jкр Jкр Jкр 0 0,0 6 0,0 8 0, 10 0, 12 0,1 4 0 0,0 6 0,0 8 0, 10 0,1 2 0,1 Интенсивность подачи пены, (кг/м 2с) Интенсивность подачи пены, (кг/м с) Подача пены на в) поверхность бензина Подача пены в слой бензина Рисунок 10 – Зависимость времени ту Время тушения, (с) шения бензинов от интенсивности пода чи пены различными способами:

а) бензин Регуляр-92;

б) бензин Премиум Евро-95;

Подача пены в) Супер Евро- комбинированным способом Jкр Jкр Jкр 0 0,06 0,08 0,10 0,12 0, Интенсивность подачи пены, (кг/м с) Количественные режимы подачи пленкообразующей пены в слой и на по верхность нефтепродуктов зависят от содержания спиртового компонента в автомобильных бензинах. Доказано, что при увеличении содержания спирта, большую часть пены необходимо подавать на поверхность автомобильных бензинов.

В диссертации предложено использовать для тушения автомобильных бензинов европейского стандарта в РВС комбинированный способ, схема которого показана на рисунке 11.

Водная пленка Пена Бурун Рисунок 11 - Схема процесса тушения пожара ИНТЕНСИВНАЯ в РВС подачей пены циркуляция комбинированным слоев бензина способом Пена Пена В работе определены количественные режимы подачи пены в слой и на поверхность бензина сверху при различном содержании спирта, графическое распределение которых, показано на рисунке 12. Максимальная кривизна ги пербол соответствует количественному соотношению поданной пены в слой и на поверхность бензина сверху при комбинированном способе подачи и опре деляется содержанием спирта.

, с, с 600Пр ем и ум Е в р о -95 (Е в р о -4) Супер Евро- 500 (Евро-5) Область подачи Область подачи пены при пены при Бензин 400 содержании содержании (Нормаль-80) спиртов 15 % спиртов до 5% и более 300 200 Регуляр- (Евро-3) 100 0/100% 50/50% 30/70% 70/30% 100/0% Количественные режимы подачи пены:

обом подачи на подслойным способом спос поверхность Рисунок 12 – Номограмма для определения количественных режимов подачи пены комбинированным способом в резервуар На рисунке 13 приведены численные значения нормативного запаса пенообразователя для тушения РВС с проведением трех пенных атак, номи нальным объемом от 5000 до 50000 м3, способ подачи пены указан на диаграмме. В расчетах использовались нормативные интенсивности подачи раствора пенообразователя с 15 % содержанием спирта в бензине.

Рисунок 13 – Диаграмма распределения необходимого запаса пенообразователя для тушения пожаров автомобильных бензинов европейского стандарта в РВС при различных способах подачи пены Из рисунка 13 видно, что применение комбинированного способа тушения пожаров автомобильных бензинов с содержанием спиртов в РВС позволяет значительно оптимизировать затраты на необходимый запас пенообразователя, хранящийся на объектах нефтегазовой отрасли в 1,3-1,8 раза.

Заключение диссертационной работы содержит констатацию основных научных и практических результатов работы.

В приложении приведены метод оценки совместимостей пенообразовате лей, представлены патенты РФ и акты внедрения результатов диссертационной работы в нормативные документы по пожарной безопасности и в учебный процесс Академии ГПС МЧС России.

Таким образом, в диссертации решена задача, направленная на повышение эффективности систем противопожарной защиты РВС для хранения автомобильных бензинов европейского стандарта на основе определения количественных режимов подачи пены научно обоснованным комбинирован ным способом тушения пожара (одновременной подачи пены в слой и на поверхность бензинов), внедрение которого вносит значительный вклад в обеспечение пожарной и промышленной безопасности объектов нефтегазовой отрасли страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. На основе анализ требований нормативных документов по пожарной безопасности разработаны концептуальные принципы для выбора интенсивно сти подачи пены для тушения пожаров автомобильных бензинов с содержанием спиртов в РВС.

2. Выявлены особенности влияния совместного применения пенообразова телей различных композиций на устойчивость пены. Экспериментально обос нована необходимость проведения предварительного анализа совместимости пенообразователей для выявления возможности их одновременного примене ния при тушении пожаров автомобильных бензинов. Разработан и внедрен в нормативный документ по пожарной безопасности метод оценки совместимо сти пенообразователей.

3. Определена эффективность изолирующей способности водных пленок фторсинтетических пенообразователей, позволяющая количественно оценить влияние концентрации спирта в бензине. Установлено, что при концентрации спирта в бензине до 5 % время защитного действия водных пленок у различных пенообразователей практически не изменяется. При увеличении концентрации спирта более 15 % скорость процесса разрушения пленок резко возрастает, а при большей концентрации спирта в бензине изолирующая эффективность пленок полностью утрачивается.

4. Установлено, что увеличение концентрации спирта в автомобильных бензинах с 5 до 15 % приводит к повышению критической и оптимальной ин тенсивности подачи пены в 3-4 раза, при этом удельный расход пены на туше ние единицы поверхности бензина в резервуаре возрастает с 2,5 до 16 кг/м2.

5. Разработана экспериментальная установка и методика проведения опы тов по определению огнетушащей эффективности пенообразователей при ту шении пожаров автомобильных бензинов в РВС комбинированным способом.

Разработана номограмма для определения количественных режимов подачи пе ны комбинированным способом в резервуар. Установлено, что с увеличением концентрации спиртов в автомобильных бензинах от 5 до 15 % соотношение количественного показателя подачи пены должно составлять 25-30 % под слой нефтепродукта и 70-75 % – на поверхность бензинов.

6. Результаты диссертационной работы использованы при разработке:

- нормативных документов (Свод Правил, изменения к ГОСТ) по обеспе чению пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли;

- учебной и научной литературы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:

1. Воевода, С.С. Объемное тушение закрытых производственных объектов высокократной пеной [Электронный ресурс] / С.С. Воевода [и др.] // Технологии техносферной безопасности. – 2011. № 2. – 3 с. – Режим доступа:

http://agps-2006.narod.ru/ttb/2011-2/05-02-11.ttb.pdf.

2. Воевода, С.С. Применение системы подслойного пожаротушения для предотвращения вскипания и выброса нефтепродукта в резервуарах с понтоном и плавающей крышей [Электронный ресурс] / С.С. Воевода [и др.] // Технологии техносферной безопасности. – 2011. - № 2. – 3 с. – Режим доступа:

http://agps-2006.narod.ru/ttb/2011-2/06-02-11.ttb.pdf.

3. Бастриков, Д.Л. Тушение пожаров моторного топлива европейского стандарта низкократной пеной [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2011. – № 4. – С. 49-52.

4. Воевода, С.С. Закономерности смачивания горючих материалов водой и водными растворами смачивателей [Текст] / С.С. Воевода [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2011. – № 5. – С. 36-40.

5. Бастриков, Д.Л. Применение различных пенообразователей для тушения пожаров горючих жидкостей [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2012. – № 1. – С. 70-72.

6. Молчанов, В.П. Тушение пламени полярных горючих жидкостей [Текст] / В.П. Молчанов [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2012. – № 6. – С. 69-73.

7. Воевода, С.С. Влияние факторов пожара на огнетушащую эффективность пленкообразующих пенообразователей [Текст] / С.С. Воевода [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2012. – № 10. – С. 63-65.

8. Пат. на полезную модель № 117298 Российская Федерация, МПК A62C35/00 Установка подслойного пожаротушения в резервуарах с нефтепродуктами [Текст] / Дешевых Ю.И., Молчанов В.П., Воевода С.С., Макаров С.А., Бастриков Д.Л., Крутов М.А.;

заявитель и патентообладатель Дешевых Ю.И. (RU), Молчанов В.П. (RU), Бастриков Д.Л. (RU). – 2012105583/12;

заявл. 17.02.2012;

опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18. – 12.: 5 ил.

9. Пат. на полезную модель № 124578 Российская Федерация, МПК A62C3/06 Автономная установка подслойного пожаротушения в резервуарах с нефтепродуктами [Текст] / Царев М.А., Молчанов В.П., Воевода С.С., Макаров С.А., Бастриков Д.Л., Крутов М.А., Шароварников А.Ф.;

заявитель и патентообладатель Воевода С.С. (RU), Бастриков Д.Л. (RU), Крутов М.А. (RU).

— № 2012138123 ;

заявл. 06.09.2012;

опубл. 10.02.2013, Бюл. № 23. – 9 с.: 3 ил.

Остальные публикации по теме диссертации:

10. Бастриков Д.Л. Противопожарная защита резервуарных парков с нефтепродуктами [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Безопасность объектов топливно-энергетического комплекса. – 2012. – № 1. – С. 68-70.

11. Бастриков, Д.Л. Выбор и применение пенообразователей для повышения эффективности тушения пожаров нефти и нефтепродуктов [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Сб. материалов Международной научн.-практ конф.:

Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. – С. 248-250.

12. Бастриков, Д.Л. Проблемы противопожарной защиты резервуаров с новыми евротопливами [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Безопасность. – 2012.

– № 4. – С. 18-19.

13. Воевода, С.С. Современные технологии противопожарной защиты резервуаров с новыми топливами евростандарта [Текст] / С.С. Воевода [и др.] // Безопасность объектов топливно-энергетического комплекса. – 2013. – № 1. – С. 104-107.

14. Воевода, С.С. Установка подслойного пожаротушения нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках [Текст] / С.С. Воевода [и др.] // Безопасность объектов топливно-энергетического комплекса. – 2013. – № 2. – С. 46-48.

15. Бастриков, Д.Л. Техническое регулирование при проектировании систем противопожарной защиты объектов топливно-энергетического комплекса [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Сб. материалов Международной научн.-практ. конф.: Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации. –М.:

Академия ГПС МЧС России, 2013. – С. 27-33.

16. Бастриков, Д.Л. Современные подходы к повышению качества пенообразователей [Текст] / Д.Л. Бастриков [и др.] // Сб. материалов Международной научн.-практ. конф.: Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. – С. 39-42.

Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60х84/1/16.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина,