CC BY
6УДК 614.842.61
DOI 10.25257/FE.2021.3.30-36
ШВЫРКОВ Сергей Александрович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: pbtp@mail.ru
АПАНАСЕНКО Игорь Алексеевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: apanasenkoig@yandex.ru
ТРЕТЬЯКОВ Алексей Владимирович
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: atret@inbox.ru
МАКАРОВ Сергей Александрович Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: sl7031975@rambler.ru
ФЕЩЕНКО Александр Николаевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: saver32@maii.ru
ВОЕВОДА Сергей Семенович
Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОДАЧИ ПЕНЫ В РЕЗЕРВУАР С ВЫСОКООКТАНОВЫМ БЕНЗИНОМ
Представлены результаты анализа нормативных документов, регламентирующих выбор величины интенсивности подачи пены для тушения высокооктановых бензинов в резервуарах. Описана разработанная экспериментальная установка и методика определения критической интенсивности подачи пены различными способами в резервуар в зависимости от начального прогрева в нём высокооктанового бензина.
Ключевые слова: пожар, пенное пожаротушение, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, пенообразователь, топливо, экспериментальная установка, методика.
Технический регламент Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту», действующий на территории Российской Федерации, нормирует применение в топливах эфиров и спиртов в качестве оксигенатов. При этом анализ статистики пожаров на объектах хранения, переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов показал, что более 90 % пожаров произошло в наземных резервуарах, из них около 50 % - в резервуарах с бензинами различных марок, в том числе высокооктановыми бензинами, находящими всё большее применение на практике [1]. Пожары нефтепродуктов наносят материальный ущерб государству и непоправимый ущерб экологии [2].
Актуальными становятся вопросы о выборе способа и интенсивности подачи пены для обеспечения успешного тушения пожара высокооктановых бензинов в резервуарах [3-5].
Требуемые значения интенсивности подачи пены для тушения высокооктановых бензинов в резервуарах приведены в следующих нормативных документах по пожарной безопасности:
- СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности» (далее Свод правил);
- «Руководство по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках» (далее Руководство);
- «Рекомендации по тушению высокооктановых бензинов в резервуарах» (дополнение к «Руководству по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках», далее Рекомендации).
Анализ требований, содержащихся в указанных документах, свидетельствует о различии критериев выбора нормативной интенсивности подачи пены для тушения высокооктановых бензинов. Так, в Своде правил и Руководстве критерием выбора интенсивности подачи пены является температура вспышки горючей жидкости, а в Рекомендациях - октановое число бензина. При этом важно отметить, что в анализируемых документах представлены значения интенсивности только для отдельных способов подачи пены и отсутствуют значения для комбинированных способов её подачи в резервуар. В связи с этим возникает вопрос о возможности применения повышающих коэффициентов для нормативных значений интенсивности подачи пены в зависимости от времени свободного развития пожара в резервуаре с высокооктановым бензином.
Для оценки величины нормативной интенсивности подачи пены и соответствующих повышающих коэффициентов необходимо, прежде всего, знать значения критической интенсивности подачи пены от температуры высокооктанового бензина [6]. Для определения искомой величины в зависимости от способа подачи пены в резервуар разработаны экспериментальная установка и соответствующая методика проведения испытаний.
30
© Швырков С. А., Апанасенко И. А., Третьяков А. В., Макаров С. А., Фещенко А. Н., Воевода С. С., 2021
Основной особенностью разработанной установки является обеспечение возможности подачи пены под слой, на поверхность, а также реализация комбинированного способа её подачи (рис. 1) [7]. Таким образом, на установке реализован универсальный способ подачи пены для тушения пожара топлива в резервуаре.
При разработке установки использовалось как стандартизированное оборудование, так и вновь предложенное. Так, для подачи пены на поверхность горючей жидкости применяется лабораторный пе-ногенератор 1 по ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний», закреплённый
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 - пеногенератор для подачи на поверхность; 2 - держатель пеногенератора; 3 - манометр жидкостный; 4 - расходомер жидкостный; 5 - герметичная ёмкость с рабочим раствором пенообразователя; 6 - ресивер; 7 - компрессор; 8 - пеногенератор для подачи под слой; 9 - манометр газовый; 10 - расходомер газовый; 11 - ротаметр; 12 - источник сжатого воздуха; 13 - быстросъёмное соединение; 14 - подставка для модельного очага; 15 - горючая жидкость (высокооктановый бензин); 16 - круглый противень модельного очага
Figure 1. Experimental installationscheme; 1 - foam generatorfor discharging onto the surface; 2 - foam generator holder; 3 - liquid pressure gauge; 4 - liquid flowmeter; 5 - sealed container with foaming agentworking solution; 6 - receiver; 7 - compressor; 8 - foam generatorfor discharging underthe layer; 9 - gas pressure gauge; 10 - gas flowmeter; 11 - rotameter; 12 - compressed air source; 13 - quick-detachable connection; 14 - support for model fireplace; 15 - combustible liquid (high-octane gasoline); 16 - round pan for model fireplace
на держателе пеногенератора 2, обеспечивающий расход рабочего раствора пенообразователя от 1,8 до 2,2 г/с. Генерация пены осуществляется при помощи принудительной подачи сжатого воздуха от источника 12. Таким образом, на установке предоставляется возможность получения пены кратностью от 8 до 80 единиц. Генерация пены, подаваемой под слой, производится с использованием модельного пеногенерато-ра 8 с расходом рабочего раствора пенообразователя от 1,8 до 2,2 г/с и кратностью пены от 4 до 5 единиц. Диаметр распылителей всех модельных пеногенера-торов составляет 1,5 мм, что позволяет производить подачу с установленным расходом в зависимости от давления. Модельный противень 16 располагается на подставке для модельного очага 14. Расход рабочего раствора пенообразователя и подаваемого воздуха контролируется расходомерами 4 и 10 соответственно. Для измерения давления рабочего раствора пеноо-
бразователя и воздуха используются манометры 3 и 9. Для создания необходимого давления рабочий раствор заливается в герметичную ёмкость 5, откуда вытесняется воздухом из ресивера 6. Воздух в ресивер закачивается с помощью компрессора 7. Для определения объёмного расхода воздуха используются ротаметры 11. Быстросъёмное соединение 13 предназначено для исключения попадания горючей жидкости 15 в систему за счёт более высокой плотности.
Изменение интенсивности подачи пены на установке осуществляется за счёт регулирования расхода пенообразователя, а также использования двенадцати модельных противней высотой каждый по 0,4 м и диаметром от 0,12 до 0,5 м, изготовленных из стали низкой прочности толщиной стенки 0,001 м. Соответствие значений интенсивности подачи пены в зависимости от расхода пенообразователя и площади противня представлено в таблице 1.
Таблица 1
Соответствие значений интенсивности подачи пены в зависимости от площади противня и расхода пенообразователя
Table 1
Correspondence of foam discharge intensity values depending on pan area to foaming agent flow rate
Диаметр противня, м Площадь противня, м2 Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с), в зависимости от расхода пенообразователя, г/с
1,8 2 2,2 3,6 4 4,4
0,12 0,011 0,159 0,177 0,195 0,318 0,354 0,389
0,16 0,02 0,09 0,1 0,109 0,179 0,199 0,219
0,19 0,028 0,064 0,071 0,078 0,127 0,141 0,155
0,21 0,035 0,052 0,058 0,064 0,104 0,116 0,127
0,23 0,042 0,043 0,048 0,053 0,087 0,096 0,106
0,25 0,049 0,037 0,041 0,045 0,073 0,082 0,09
0,28 0,062 0,029 0,032 0,036 0,058 0,065 0,071
0,31 0,075 0,024 0,027 0,029 0,048 0,053 0,058
0,35 0,096 0,019 0,021 0,023 0,037 0,042 0,046
0,4 0,126 0,014 0,016 0,018 0,029 0,032 0,035
0,45 0,159 0,011 0,013 0,014 0,023 0,025 0,028
0,5 0,196 0,009 0,01 0,011 0,018 0,02 0,022
Для проведения тестовых экспериментов на установке в качестве модельной жидкости использовались три вида топлива с разными оксигенатами, октановым числом 98 единиц и максимально допустимой массовой долей кислорода. Модельное топливо № 1 имело в составе водорастворимый оксигенат -изопропиловый спирт (ИПС), модельное топливо № 3 - водонерастворимый оксигенат - метилтретбу-тиловый эфир (МТБЭ), модельное топливо № 2 являлось смесью модельных топлив № 1 и № 3 в равных объёмных соотношениях. Состав модельных топлив представлен в таблице 2.
Расчёт массового содержания кислорода в модельных топливах производился по формуле [8]:
Фо =
ЮсИРо
РокИ + Рг О-Л) '
углеводородного компонента, кг/м3; юо - массовая доля кислорода в оксигенате, %.
Массовая доля кислорода в оксигенате рассчитывалась по формуле [8]:
Мг(окс)
где Лг(О) - относительная атомная масса кислорода; Мг(окс) - относительная молекулярная масса ок-сигената.
Для определения влияния температуры горючей жидкости на эффективность тушения производилось её предварительное термостатирование в климатической камере, общий вид которой представлен на рисунке 2.
где фО - массовая доля кислорода в модельном топливе, %; А - объёмная доля оксигената, доли; р - плотность оксигената, кг/м3; рГ - плотность
Состав модельных топлив
Model fuels composition
Таблица 2
Table 2
Номер модельного Состав топлива, % (об.) Октановое
топлива МТБЭ ИПС Изооктан Н гептан число
1 0 9 86 5
2 7,5 5 83 4,5 98
3 15 0 80 5
Рисунок2. Камера климатическая марки ТХВ-80 Figure 2. Climatic camera ТХВ-80
Диапазон исходной температуры горючей жидкости составлял от 5 до 70 °С. Верхняя граница диапазона температур выбрана из расчёта, что через 3 ч свободного горения бензина в резервуаре его поверхностный слой глубиной до 0,35 м в среднем прогревается до 70 °С [9].
Методика проведения экспериментов заключается в следующем.
Перед проведением испытаний необходимо тщательно промыть противни, используемые в качестве модельных очагов, и высушить их в течение 30 мин. Необходимо промыть экспериментальную установку, убедиться в работоспособности всех составных элементов, а также в герметичности соединений, для этого в систему запускается вода, соединительные части покрываются мыльным раствором с целью выявления негерметичных соединений.
Далее следует перейти к калибровке установки (рис. 3).
Цель калибровки заключается в выборе расхода рабочего раствора пенообразователя и воздуха для получения заданной кратности и расхода пены. Для выполнения калибровки приготавливается 10 л рабочего раствора пенообразователя. Раствор заливается в ёмкость для рабочего раствора пенообразователя. В генератор пены подаётся рабочий раствор пенообразователя и воздух. Через 5-10 с после начала подачи пена отбирается в ёмкость с известным объёмом, при этом фиксируется время заполнения ёмкости. Определяется масса ёмкости до заполнения пеной и после. Таким образом вычисляется масса пены. Расход раствора определяется делением массы пены на время заполнения ёмкости, объёмный расход воздуха -делением объёма пены на время заполнения ёмкости. Расход раствора и воздуха на установке регулируются с помощью ротаметров. Кратность пены вычисляется делением объёма пены на объём раствора. При получении установленных параметров кратности пены, расхода рабочего раствора пенообразователя приступают к проведению испытаний.
Приготовленное модельное топливо помещается в климатическую камеру для нагревания до заданной температуры. Далее в противень заливается слой приготовленного прогретого топлива высотой 0,35±0,001 м. С помощью горелки топливо поджигается и одновременно с этим включается секундомер для определения времени тушения. К тушению приступают сразу (без предварительного горения) с целью выявления влияния заданной температуры прогрева.
Генератор для подачи пены на поверхность вводится в зону горения таким образом, чтобы пена подавалась в центр противня, поддерживая заданные расходы раствора пенообразователя и воздуха. Измеряется время от момента начала подачи пены в противень до момента прекращения горения. При реализации тушения подслой-ным или комбинированным способом пена низкой кратности подается в основание модельного очага. По результатам экспериментальных исследований
Рисунок 3. Процесс калибровки установки Figure 3. Installation calibration process
определяется критическая интенсивность подачи пены для каждого диапазона температур в зависимости от способа подачи пены [10, 11].
Определение критической интенсивности производится следующим образом. По таблице 1 выбирается промежуток интенсивностей до верхней границы, равной величине 0,195 кг/(м2-с) и разделяется на шесть равных диапазонов с шагом 0,033 кг/(м2-с). Далее производится несколько тушений с величиной интенсивности подачи из каждого диапазона. В случае успешного тушения интенсивность для следующего опыта снижается на шаг. В случае нетушения модельного очага следующая интенсивность выбирается как среднее значение между последним тушением и нетушением. Если далее наступает тушение, то критическая интенсивность будет равна величине между последним тушением и нетушением. В случае повторного нетушения снова выбирается следующее среднее значение между последним тушением и нетушением и так далее до момента тушения.
Испытания необходимо проводить при следующих условиях: температура окружающего воздуха от 15 до 25 °С, атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа, относительная влажность воздуха от 40 до 80 %.
Таким образом, в результате выполненной работы показана актуальность проведения исследований, направленных на оценку величины критической интенсивности подачи пены различными способами в зависимости от начальной температуры прогрева высокооктанового бензина в резервуаре. Для определения искомой величины разработаны экспериментальный стенд и соответствующая методика проведения испытаний, результаты которых будут приведены в дальнейших публикациях авторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калагина Ю. М. Статистика пожаров на объектах нефтегазовой отрасли // Материалы IX Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». Саратов, 2017.
2. Smith C. A. Focus on oil and chemical fires // Fire Prot. 1985. No. 11. Pp. 14-16.
3. Молчанов В. П., Саутиев М. И. Определение величины интенсивности подачи пены для тушения топлива с различной концентрацией полярных горючих жидкостей // Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации: сборник материалов IV международной научно-практической конференции. М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. С. 128-130.
4. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Ша-роварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. М.: Калан, 2002. 448 с.
5. Hoshino M., Hayashi K. Extinguishing abilities of fire-fighting foams for petroleum tank fires // Bulletin Japan Association Fire Science and Engineering. 1990. 39, no. 2. Рр. 9-17.
6. Битуев Б. Ж., Дешевых Ю. И, Воевода С. С., Макаров С. А. Тушение спиртосодержащих топлив фторсинтетической пеной: монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. С. 5-14.
7. Бастриков Д. Л., Воевода С. С., Молчанов В. П., Шароварников А. Ф. Комбинированный способ тушения пожаров автомобильных бензинов в вертикальных стальных резервуарах [Электронный
ресурс] // Технологии техносферной безопасности 2013. Вып. 6 (52). С. 2. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21487175 (дата обращения 09.08.2021).
8. Фещенко А. Н., Макаров С. А., Рахманин О. К. Особенности выбора модельной горючей жидкости для исследования процесса тушения пожаров углеводородно-спиртовых топлив [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности 2017. Вып. 2 (74). С. 135-139. Режим доступа: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=29871133 (дата обращения 09.08.2021).
9. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей. М.: АН СССР, 1961. 208 с.
10. Болдышева З. В., Саутиев М. И, Макаров С. А, Битуев Б. Ж. Оценка влияния концентрации спирта в топливе на величину интенсивности подачи противопожарной пены [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности 2014. Вып. 6 (58). С. 3. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29871133 (дата обращения 09.08.2021).
11. Макаров С. А., Саутиев М. И., Фещенко А. Н., Третьяков А. В., Апанасенко И. А. Определение основных параметров пенного пожаротушения экстракционно-разделяемых спиртосодержащих модельных топлив [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности 2017. Вып. 6 (76). С. 23-30. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35344152 (дата обращения 09.08.2021).
Материал поступил в редакцию 28 апреля 2021 года.
Sergey SHVYRKOV
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail\ pbtp@mail.ru
Igor APANASENKO
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail\ apanasenkoig@yandex.ru
Aleksey TRETYAKOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail\ atret@inbox.ru
Sergey MAKAROV
PhD in Engineering, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: sl7031975@rambler.ru
Aleksander FESCHENKO
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail, saver32@mail.ru
Sergey VOEVODA
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR DETERMINING CRITICAL INTENSITY OF FOAM DISCHARGE TO A TANK WITH HIGH-OCTANE GASOLINE
ABSTRACT
Purpose. The analysis of normative documents regulating the amount of foam supply intensity for extinguishing high-octane gasoline was carried out in the research. The developed technique of determining foam supply critical intensity by various methods depending on the initial heating of high-octane gasoline is described, as well as the experimental installation that allows implementing a combined foam discharge method whereby foam is simultaneously discharged both onto the surface of the combustible liquid and under the layer.
Methods. The authors analyzed normative documents regulating fire extinguishment of oil and petrochemicals. The study was carried out at the experimental installation developed according to the appropriate test method.
Findings. The analysis of normative documents indicated differences in the criteria for choosing foam discharge intensity for high-octane gasoline. It was decided to determine the possibility of applying increasing factors for standard values of foam discharge intensity depending on time of free fire development in a high-octane gasoline tank. The experimental installation was based on the standardized installation according to GOST R 50588, which was modernized for possible foam discharge
in a combined way. Fuel is preheated to determine the heating temperature effect on foam application rate. Model foam generators with a flow rate of 1.8-2.2 g/s and pans of various diameters were used to change the intensity of foam discharge.
Research application field. This technique will be used for obtaining data on determining the most effective method of extinguishing high-octane gasoline at different time intervals. The experimental installation will allow obtaining new data on choosing intensity and methods of foam discharge for modern mixed gasolines.
Conclusions. The carried-out work showed the relevance of conducted research work aimed at assessing the value of foam discharge critical intensity applying various methods depending on the initial heating temperature of high-octane gasoline in the tank. To determine the target value, the experimental stand and the corresponding test procedure have been developed, the results of which will be given in further publications.
Key words: fire, foam fire extinguishment, inflammable and combustible liquids, foaming agent, fuel, experimental installation, technique.
REFERENCES
1. Kalagina Yu.M. Statistics of fires at oil and gas industry facilities. In: Materialy IX Mezhdunarodnoi studencheskoi nauchnoi konferentsii "Studencheskii nauchnyi forum' [Materials of the IX International Student Scientific Conference "Student Scientific Forum"]. Saratov, 2017 (in Russ.).
2. Smith C.A. Focus on oil and chemical fires. Fire Prot. 1985. No. 11. Pp. 14-16.
3. Molchanov V.P., Sautiev M.I. Determination of the intensity of foam supply for extinguishing fuel with different concentrations of polar flammable liquids. In: Pozharotushenie: problemy, tekhnologii, innovatsii: sbornik materialov IV mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Collection of materials of the IV International scientific and practical conference Firefighting: problems, technologies, innovations"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2015. Pp. 128-130 (in Russ.).
4. Sharovarnikov A.F., Molchanov V.P., Voevoda S.S., Sharovarnikov S.A. Tushenie pozharov nefti i nefteproduktov [Extinguishing fires of oil and petroleum products]. Moscow, Kalan Publ., 2002. 448 p.
5. Hoshino M., Hayashi K. Extinguishing abilities of fire-fighting foams for petroleum tank fires. Bulletin Japan Association Fire Science and Engineering. 1990. 39, no. 2, pp. 9-17.
6. Bituev B.Zh., Deshevykh Yu.I., Voevoda S.S., Makarov SA.Tushenie spirtosoderzhashchikh topliv ftorsinteticheskoi penoi: monografiia [Extinguishing alcohol-containing fuels with fluorosynthetic foam: monograph]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2009. Pp. 5-14.
7. Bastrikov D.L., Voevoda S.S., Molchanov V.P., Sharovarnikov A.F. Combined method of fire extinguishing of the automobile petrol in vertical steel tanks. Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti (Technology
© Shvyrkov S., Apanasenko I., Tretyakov A., Makarov S., Feschenko A., Voevoda S., 2021
35
of technosphere safety). 2013, iss. 6 (52), p. 2. Available at: https://www. elibrary.ru/item.asp?id=21487175 (accessed August 9, 2021) (in Russ.).
8. Feshchenko A.N., Macarov S.A., Rahmanin O.K. Features choice model flammable liquid to research the process of fires extinguishing of hydrocarbon and alcohol fuels. Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti (Technology of technosphere safety). 2017, iss. 2 (74), pp. 135-139. Available at: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=29871133 (accessed August 9, 2021) (in Russ.).
9. Blinov V.I., Khudyakov G.N. Diffuzionnoe gorenie zhidkostei [Diffusive combustion of liquids]. Moscow, USSR Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.
10. Boldysheva Z.V., Sautiev M.I., Makarov S.A., Bituev B.G. Assessment of influence of the concentration of alcohol in fuel on flow rate of the firefighting foam. Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti (Technology of technosphere safety). 2014, iss. 6 (58), p. 3. Available at: https://elibrary. ru/item.asp?id=23150203 (accessed August 9, 2021) (in Russ.).
11. Makarov S.A., Sautiev M.I., Feshchenko A.N., Zhanataev D.H., Apanasenko I.A. Definition of the main parameters for foam extinguishing of extractively separated alcohol-containing motor fuels. Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti (Technology of technosphere safety). 2017, iss. 6 (76), p. 23-30. Available at: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=35344152 (accessed August 9, 2021) (in Russ.).
