Использование керамзитовых подложек при проливах нефти и нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 614.84:614.0.06

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЕРАМЗИТОВЫХ ПОДЛОЖЕК ПРИ ПРОЛИВАХ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Е. В. Ширяев

Одним из существенных критериев влияния на параметры горения нефтепродуктов является площадь пролива нефтепродукта. Известно, что на твёрдой поверхности коэффициент растекания больше, чем на грунтовой и неспланированной поверхности. На базе Ивановского института ГПС МЧС России проводится изучение физико-химических свойств гранулированных материалов, которые возможно использовать для создания различного типа гранулированных подложек, а также для планировки поверхности с использованием данных подложек в качестве меры превентивного характера. Работа направлена на уменьшение размеров взрывоопасных зон при аварийных проливах нефтепродукта.

Ключевые слова: горение нефтепродуктов, пролив нефтепродукта, гранулированные подложки.

Как известно, одним из существенных критериев влияния на параметры горения нефтепродуктов является площадь пролива нефтепродукта. На твёрдой поверхности коэффициент растекания больше, чем, например, на грунтовой и неспланированной поверхности, при этом на грунте дисперсность пор может быть в разы выше, чем на твёрдой поверхности. В случае, когда нефтепродукт впитывается в грунт и на поверхности остаётся лишь тонкая плёнка нефтепродукта, при возгорании параметры горения будут ниже, чем при проливе на твёрдой поверхности, когда вся масса нефтепродукта находится на этой поверхности.

Существуют материалы, обладающие низкой плотностью — способные держаться на воде, нефтепродукте и т. д., при этом обладающие высокой температурой плавления. При проливе нефтепродукта на поверхность с материалами такого рода они всплывают, тем самым на поверхности остаётся лишь тонкая плёнка нефтепродукта, основная масса располагается под этой поверхностью. Сравнительные характеристики рассматриваемых гранулированных материалов приведены в табл.

В настоящее время на базе Ивановского института ГПС МЧС России проводится изучение физико-химических свойств различного рода гранулированных материалов, которые возможно использовать для создания различного типа гранулированных подложек, а также для планировки поверхности с использованием данных подложек в качестве меры превентивного характера.

Ширяев Евгений Викторович, науч. сотрудник, Ивановский институт ГПС МЧС России;

Россия, г. Иваново, e-mail: edufire@mail.ru

© Ширяев Е. В., 2013

То есть в зависимости от вида, массы нефтепродукта, особенностей технологического процесса, погодных условий планировать поверхность с использованием гранулированных материалов. Эффективность данного метода проверятся в лабораторных условиях института на примере использования керамзитового гравия при проливе нефтепродуктов. Данная работа направлена на уменьшение размеров взрывоопасных зон при аварийных проливах нефтепродукта. Используя подложки из керамзитовых материалов, удаётся снизить испарение с поверхности пролива нефтепродукта. Планирование поверхности предлагаемым способом вносит значительный вклад в предотвращение каскадного развития аварийной ситуации. Поэтому исследование, направленное на решение вопросов планировки поверхности в местах возможных разливов нефтепродуктов с использованием гранулированных материалов, позволит в значительной мере снизить воздействие опасных факторов пожара на людей и объекты.

При подборе материалов для разрабатываемых подложек главную роль играют их физикохимические свойства, а именно на снижение термодинамических характеристик пламени и величины испарения нефтепродукта из-под слоя гранулированной подложки будут влиять размер зерен, объемный вес, влагопоглощение материала, термостойкость, а также способ размещения подложки, её геометрические размеры.

В зависимости от размера зерен гравий делят на следующие фракции: 5—10, 10—20 и 20— 40 мм, зерна менее 5 мм относят к гравийному песку. В зависимости от объемного насыпного веса, кг/м3, гравий делят на марки от 150 до 800. Влагопоглощение гравия 8—20 %, термостойкость до 1200 градусов С (рис 1, 2). Для первоначальных лабораторных исследований поведения подложек из гранулированных материалов при

проливах нефтепродукта с последующим возгоранием были использованы подложки из керамзитового гравия (рис. 3).

К факторам, влияющим на площадь растекания нефтепродукта, относят расход, продолжительность истечения, плотность нефтепродукта и др. При этом одним из ключевых факторов является коэффициент растекания нефтепродукта, который зависит от вида поверхности. Так, в [2] для упрощения расчётов приведены коэффициенты растекания нефтепродукта по различным поверхностям.

Эти коэффициенты используются в известной формуле по определению площади растекания:

FПР = /р ^,

где /р — коэффициент разлития (растекания), м-1; УЖ — объем жидкости, поступившей в окружающее пространство при разгерметизации резервуара, м3; /р — 5 м-1 при проливе на неспланированную грунтовую поверхность; /р — 20 м-1 при проливе на спланированное грунтовое покрытие; /р — 150 м-1 при проливе на бетонное или асфальтовое покрытие.

Таблица

Сравнительные характеристики рассматриваемых гранулированных материалов

Материал Плотность, кг/м3 Теплопроводность (в сухом виде), Вт/(мК) Устойчивость в воде 5 ’В й И ^ н0 ем ми со * ей К PM S Цвет 3 Цу р

Открытая пористость Керамзит 150-800 0,1-0,7 Слабоустойчив — устойчив 0-5; 10-20; 20-40; Кирпичный (коричневый) 1000-1200

Вспученный перлит 0,05-0,08 Слабо- устойчив 0,1-0,5 Белый (серый) 800-1200

Вспученный вермикулит Белый (коричневый) 1000-1500

Закрытая (ячеистая) пористость Пеностекло Пеноситал 180-300 0,05-0,09 Устойчив 3-5 Черный 4000-4500

Поравер 0,06-0,09 Устойчив Белый 7000-15000

Зола-уноса ТЭС 0,09-0,2 Устойчив 0,1-0,5 Белый (серый) 9000-12000

ПЕНОКЕРАМ™ 180-300 0,07-0,09 Устойчив 0,2-0,5 Белый (серый) 7000

Примечания: прочность вспученного перлита низкая, остальных — высокая.

1

2

3

4

1

2

3

4

Рис. 1. Поведение подложек из гранулированных материалов при наполнении водой ёмкостей:

1) пенокерам; 2) керамзит;

3) вспученный перлит; 4) вспученный вермикулит

Рис. 2. Нахождение подложек из гранулированных материалов в заполненных емкостях водой сроком 1 месяц:

1) пенокерам; 2) керамзит;

3) вспученный перлит; 4) вспученный вермикулит

Приведённые коэффициенты растекания главным образом зависят от величины впитывания нефтепродукта в поверхность пролива. При этом впитывание нефтепродукта в поверхность пролива зависит от структуры поверхности. Существуют физико-математические модели и методы расчета линейных размеров и площади зеркала аварийных разливов нефти при аварийном проливе нефтепро-

дукта. Характерный размер растекания горючих жидкостей на стандартной поверхности выражается произведением степенных функций критерия Г али-лея и критерия гомохронности:

L/l = Л-СсТ-Но",

где L — характерный размер растекания жидкости; I — определяющий размер; А — постоянная величи-

на; т и п — показатели степени, учитывающие условия растекания нефти; Ga — критерий Галилея:

Ga = я13^2,

g — ускорение свободного падения; V — кинематическая вязкость жидкости; Но — преобразованный критерий гомохронности:

Но = gт2/l,

где т — продолжительность истечения.

Рис. 3. Гранула керамзитового гравия в разрезе

Для оценки размера зеркала разлития нефтепродукта на подстилающей поверхности используется зависимость характерного размера растекания от продолжительности, вязкости, объема и расхода вытекающей при аварии горючей жидкости, а также структуры подстилающей поверхности. Эта зависимость для непрерывного истечения описывается следующим уравнением:

Lp =у[Квл ■ зр—Х ■

А ■

( q ■х ^ т ( > п

я — 2

р я ■^

, ,2 1

V \q ■х

3

V IV р V

где Квл — коэффициент влияния структуры поверхности на растекание нефтепродуктов; М — масса аварийного пролива жидкости; q — массовый расход жидкости через аварийное отверстие.

В ряде источников ([2, 5, 6]) достаточно ограниченно приведены значения коэффициентов растекания на поверхности. Так, имеются данные коэффициенты для грунта, бетона, плитки и асфальта. При этом не выведены подобные коэффициенты для поверхности, состоящей из гранулированных материалов, например, на подложке из керамзитового гравия.

В обзоре математических моделей растекания горючих жидкостей на горизонтальной поверхности [5] показано, что для оценки площади разлива более целесообразно использовать эмпирические зависимости. В [6] приведены эмпирические формулы, характеризующие разлив горючей жидкости (керосина, бензина, дизельного топлива, масла, нефти) на стандартной поверхности (поверхность стекла):

- удельная плоскость растекания ^ — площадь разлива единицы объема жидкости на стандартной поверхности при нормальных условиях;

- средняя толщина пленки 5 — осредненное значение по всей площади растекания жидкости;

- диаметр приведенного круга d — диаметр круга с площадью, равной площади растекания жидкости;

- относительное изменение поверхности ^

£ =

где Sр — площадь разлива; Sш — площадь поверхности шара с объемом, равным объему разлитой жидкости;

- относительная удельная площадь растекания е:

Sстр

где Sстр — площадь разлива стандартной жидкости (керосин).

Эмпирические данные [3] свидетельствуют, что толщина пленки жидкости на поверхности стекла составляет, мм:

- керосин — 0,0534;

- бензин — 0,0581;

- дизельное топливо — 0,285;

- масло — 0,09025;

- нефть — 0,3711.

Влияние структуры поверхности на площадь растекания определяется коэффициентом влияния структуры Квл:

Квл =

Брст

где стекло Sр — площадь разлива на стекле.

В [3] приведены значения коэффициента Квл для грунта, бетона, плитки и асфальта. В частности, площадь разлива нефти и бензина на грунте составляет 0,6 и 0,1 соответственно от площади разлива этих жидкостей на стекле, т. е. около 6 мм. Здесь следует отметить, что, во-первых, в действительности наблюдаемая толщина слоя будет меньше за счет впитывания жидкости в грунт; во-вторых, наличие даже небольших неровностей на грунте (впадин) приведет к их заполнению и увеличению средней толщины слоя жидкости, а значит, и к уменьшению площади разлива.

Процессы впитывания нефтепродуктов в спланированную поверхность изучены недостаточно. При планировании поверхности гранулированными материалами, рассмотренными выше, подложка всплывает, тем самым покрывая всю площадь пролива. Одной из ключевых задач в таком планировании является уменьшение испарения нефтепродукта при растекании на гранулированную подложку. Существующие физикоматематические модели и методы расчета размеров и площади зеркала аварийных разливов нефтепродукта не работают в данных условиях.

Проводимое исследование направлено на определение оптимального состава гранулированной подложки для использования при проектировании наружных технологических установок, где обращаются нефтепродукты, а также на действующих установках, где есть возможность перепланировки

Библиографический список

1. О порядке организации мероприятий по и предупреждению ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории: постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2002 года № 240 // Собр. законодательства РФ. — 2002. — N 16, ст. 1569.

2. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах: утв. приказом МЧС от 10.07.2009 г № 404, зарег. в Минюсте от 17.08.2009 г № 14541. — (1Шр://л'%'%г. погт-к^. га^№Р^а1/56/56326/^ех. Мт). — (04.06.2013).

3. МД.116-08. Обеспечение пожарной безопасности установок по ликвидации аварийных проливов нефти и нефтепродуктов: [согласованы письмом ДНД МЧС России от 2 июля 2008 г. № 19-2-3-2261 Рекомендации]. — М., ВНИИПО, 2008. — 27 с.

4. Козлитин, А. М. Количественный анализ риска возможных разливов нефти и нефтепродуктов / А. М. Козлитин, А. И. Попов, П. А. Козлитин // Управление промышленной и экологической безопасностью производственных объектов на основе риска: сб. ст. — Саратов: СГТУ, 2005. — С. 135—160.

5. Горпинич И. А. Методы оценки площади разлива горючей жидкости при аварии железнодорожной цистерны / И. А. Горпинич // Проблемы пожарной безопасности: сб. науч. тр. / Гос. служба Украины по чрезвычайным ситуациям, Нац. ун-т гражданской защиты Украины. — Харьков: НУГЗУ, 2012. — Вып. 31. - С. 44—47.

6. Иванов, Е. Н. Противопожарная защита открытых технологических установок / Е. Н. Иванов. — М.: Химия, 1986. — 288 с.

7. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер [и др.]. — М. Наука, 1976. — 279 с.

поверхности. Главной целью исследования является возможность снижения величины пожарного риска на наружных технологических установках, а также повышение безопасности при ликвидации аварийной ситуации, связанной с проливом нефтепродуктов.

References

1. O poryadke organizacii meropriyatij po i preduprezhdeniyu likvidacii razlivov nefti i nefteproduktov na territorii: postanovlenie Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 15 aprelya 2002 goda № 240 // Sobr. zakonodatel'stva RF. — 2002. — N 16, st. 1569.

2. Metodika opredeleniya raschetnyx velichin

pozharnogo riska na proizvodstvennyx ob'ektax: utv.

prikazom MChS ot 10.07.2009 g № 404, zareg. v Minyuste ot 17.08.2009 g № 14541. — (http://www. norm-load. ru/SNiP/Data1/56/56326/index. htm). — (04.06.2013).

3. MD.116-08. Obespechenie pozharnoj bezopasnosti ustanovok po likvidacii avarijnyx prolivov nefti i nefteproduktov: [soglasovany pis'mom DND MChS Rossii ot 2 iyulya 2008 g. № 19-2-3-2261 Rekomendacii]. — M., VNIIPO, 2008. - 27 s.

4. Kozlitin, A. M. Kolichestvennyj analiz riska vozmozhnyx razlivov nefti i nefteproduktov / A. M. Kozlitin, A. I. Popov, P. A. Kozlitin // Upravlenie promysh-lennoj i e'kologicheskoj bezopasnost'yu proizvodstvennyx ob'ektov na osnove riska: sb. st. — Saratov: SGTU, 2005. — S. 135—160.

5. Gorpinich I. A. Metody ocenki ploshhadi razliva goryuchej zhidkosti pri avarii zheleznodorozhnoj cisterny / I. A. Gorpinich // Problemy pozharnoj bezopasnosti: sb. nauch. tr. / Gos. sluzhba Ukrainy po chrezvychajnym situaciyam, Nac. un-t grazhdanskoj zashhity Ukrainy. — Xar'kov: NUGZU, 2012. — Vyp. 31. — S. 44—47.

6. Ivanov, E. N. Protivopozharnaya zashhita otkrytyx texnologicheskix ustanovok / E. N. Ivanov. — M.: Ximiya, 1986. — 288 s.

7. Planirovanie e'ksperimenta pri poiske optim-al'nyx uslovij / Yu. P. Adler [i dr.]. — M. Nauka, 1976. — 279 s.

THE USE OF EXPANDED CLAY SUBSTRATES IN THE STRAITS OF OIL AND OIL PRODUCTS

Shiryaev E. V.,

Research fellow,

Ivanovo Institute of State Fire Service of EMERCOM of Russia;

Russia, Ivanovo, e-mail: edufire@mail.ru

One of the essential criteria influence on parameters of combustion of petroleum products is the area of the Strait of oil. It is known that on a solid surface spreading coefficient greater than dirt and not the planned surface. On the basis of the Ivanovo Institute of EMERCOM of Russia is carried out to study physic-chemical properties of granular materials that can be used for creation of various types of granular substrates, as well as for planning the surface using data substrates as measures of a preventive nature. Work is aimed at reduction of the sizes of hazardous areas in emergency spills of oil product.

Keywords: combustion of petroleum products, strait oil, granulated substrate.