CC BY
26
For basic loads, Vietnam standard system does not mention to the importance factor, although main design standards of Vietnam are compiled on the basis of Russian standard system. This fact requires an addition of the method taking into consideration "the importance" of works in general structural design calculations to Vietnam standard system. In addition, there should have studies on how to determine importance factor in countries and how to apply this importance factor in conditions of Vietnam on the basis of the design criteria for safety and economy, suitable with conditions of Vietnam.
References
1. ASCE 7-2005 Minimum design loads for buildings and other structures.
2. ASCE 7-2010 Minimum design loads for buildings and other structures.
3. BS EN 1990:2002 Basis of structural design.
4. BS EN 1998-1:2004 Design of structures for earthquake resistance. Part 1 - General rules, seismic actions and rules for buildings.
5. Vietnam Standard Draft "Work design in earthquake areas", 2014.
6. Nguyen Xuan Chinh. Translation draft EN 1990-2002.
7. QCVN 03/2012 «Principles for classification, decentralization of civil, industrial works and urban infrastructure».
8. TCVN 9386: 2012. Earthquake resistant work design.
9. GOST R 54257-2010 «Reliability of constructions and foundations. Basic principles and requirements».
10. SP 14.13330.2011 Seismic Building Design Code. Updated Version of SniP II-7-81*.
11. Russian Federation Federal law N384-FZ of December 30, 2009. «Technical regulation on safety of buildings and structures».
DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.132
Цой А. А.1, Демехин Ф.В.2
1 Аспирант;
2
доктор технических наук, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России КРИТЕРИИ МОДЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ФАКЕЛЬНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГОРЕНИЯ
Аннотация
В статье рассмотрено влияние факельного углеводородного горения на строительные конструкции и технологические установки. Выделены реактивная, углеводородная и стандартная зоны факельного горения. Приведены результаты испытаний вспучивающихся огнезащитных покрытий на разработанной экспериментальной установке, выведены критерии модели эффективности огнезащитных покрытий: относительная огнезащитная эффективность, критерий факельности. Сделаны выводы о применимости огнезащитных составов в зонах горения.
Ключевые слова: факельное углеводородное горение, огнезащитные покрытия, огнезащитная эффективность.
Tsoy A.A.1, Demehin F.V.2
Postgraduate student;
2PhD in Engineering, Saint-Petersburg University of State fire service of EMERCOM of Russia
CRITERIA OF MODEL OF FIRE RATING OF FLAME-RETARDANT COATING FOR STEEL STRUCTURES
IN THE CONDITIONS OF HYDROCARBON JET FIRE
Abstract
The article considers the influence of hydrocarbon Jet fire on building structures and technological installations. Separate of the zones of the flame: jet fire, hydrocarbon fire and universal fire. The results of testing of foaming flame-retardant coatings on the developed experimental setup , derived model criteria of fire rating of flame-retardant coating: the relative fire rating, the criterion of flare.
Keywords: hydrocarbon Jet fire, flame-retardant coating, fire rating.
Характерным и наиболее опасным физическим явлением, возникающим при реализации пожароопасных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли, является факельное горение. При факельном горении развиваются сильные высокотемпературные газовые потоки с температурой горения до 1500 оС и скоростью истечения, которая может быть близка к местной скорости звука (до 340 м/с). Плотность теплового потока достигает 300 кВт/м2, что создает опасность потери механической прочности и деформации в течение первых 5-10 мин омываемых пламенем или находящихся вблизи него конструкций и технологических аппаратов. Особенностью факельного горения горючих жидкостей или газов является, как правило, непрерывное нарастание площади, охваченной горением.
В связи с этим большой интерес вызывает поведение тонкослойных вспучивающихся огнезащитных покрытий в условиях факельного углеводородного горения и их применение на объектах нефтегазовой отрасли.
Рассмотрим влияние факельного горения на технологические установки и строительные конструкции.
В настоящее время накоплен большой объем теоретических и экспериментальных исследований по вопросам факельного горения [1-3]. Опубликованная информация о фактических характеристиках факельных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли имеет крайне ограниченный и противоречивый характер. Поэтому в качестве модельного приближения достаточно сложной и спонтанно меняющейся во времени формы пламени примем, что факел имеет вытянутую цилиндрическую форму, расширяющуюся в сторону истечения газа.
Факел пламени, образующийся в случае пожара при разгерметизации технологического оборудования, можно разделить на три зоны (рис.1) с различными температурными и скоростными параметрами газового потока. По мере удаления от отверстия температура и скорость газового потока постепенно уменьшаются.
1. Зона реактивного горения - характеризируется высокой температурой (свыше 1500 оС) и скоростью газового потока (до 150 м/с). Под действием высокоскоростного газового потока происходит практически мгновенное разрушение огнезащитного покрытия. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне, как правило, не превышает 3 мин.
2. Зона углеводородного горения - характеризуется высокой температурой (до 1500 оС), но более низкой скоростью газового потока (до 70 м/с), по сравнению с зоной реактивного горения. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне не превышает 5-10 мин, разрушение огнезащитных покрытий происходит достаточно быстро, но с сохранением определенного запаса времени для принятия решений по пожаротушению или включению систем автоматического пожаротушения. Данную зону можно характеризовать как зона углеводородного пожара.
3. Зона стандартного горения - характеризуется стандартным температурным режимом (ГОСТ 30247.0-94). Средняя температура пламени не превышает 800 оС, скорость газового потока менее 20 м/с. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне может достигать 15-20 мин. Огнезащитная эффективность покрытий соответствует времени испытаний, в условиях стандартного температурного режима.
Металлические строительные конструкции Технологические установки и оборудование под давлением Другие технологические установки и оборудование Факел пламени
Зона теплового воздействия ог факела пламени Рис. 1 - Зоны факельного горения
Воздействие факела пламени на какую-либо конструкцию или установку уменьшается в сторону истечения газового потока, вследствие чего уменьшается температурное и аэродинамическое воздействие на огнезащитные покрытия.
Проведены испытания тонкослойных вспучивающихся огнезащитных составов на экспериментальной установке с применением газовой горелки, имитирующей воздействие факельного горения, на различных расстояниях.
Результаты испытаний исследованных образцов огнезащитных покрытий представлены в таблицах 1-4.
Таблица 1 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени
газовой горелки 1100 оС (/гп=140 мм)
Наименование состава Время огнезащитной эффективности
Образец №1 Образец №2 Образец №3 Образец №4 Образец №5
Стабитерм-217 12 11 13 11 13
Б1ге РгйеС: 8 8 8 7 6
Фризол-ЭП 6 7 7 6 5
СИаПек1709 33 30 33 29 28
ПЗСМ 16 15 16 14 15
Таблица 2 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени
газовой горелки 930 оС (/гп=180 мм)
Наименование состава Время огнезащитной эффективности
Образец №1 Образец №2 Образец №3 Образец №4 Образец №5
Стабитерм-217 17 18 20 18 19
Б1ге РгйеЛ 13 14 14 13 12
Фризол-ЭП 11 13 13 12 11
СИаПек1709 более 40 более 40 более 40 более 40 более 40
ПЗСМ 22 21 20 20 19
Таблица 3 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени
газовой горелки 830 оС (/гп=200 мм)
Наименование состава Время огнезащитной эффективности
Образец №1 Образец №2 Образец №3 Образец №4 Образец №5
Стабитерм-217 23 25 27 25 26
Б1ге РгйеЛ 22 18 18 20 18
Фризол-ЭП 20 19 17 20 18
СИаПек1709 более 40 более 40 более 40 более 40 более 40
ПЗСМ 31 29 32 29 30
Таблица 4 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени
газовой горелки 730 оС (/гп=240 мм)
Наименование состава Время огнезащитной эффективности
Образец №1 Образец №2 Образец №3 Образец №4 Образец №5
Стабитерм-217 32 31 32 31 33
Б1ге РгйеЛ 26 28 26 26 26
Фризол-ЭП 24 25 27 26 25
СИаПек1709 более 40 более 40 более 40 более 40 более 40
ПЗСМ 35 37 37 36 37
Проведенные испытания показали, что основная причина разрушения огнезащитных покрытий в условиях факельного углеводородного горения происходит вследствие абляции - уноса высокотемпературным газовым потоком части материала с поверхности покрытия. Под действием газового потока на поверхности вспученного покрытия образуется отверстие, которое с течением времени постепенно расширяется в ширину и в глубину по мере прогорания. В результате этого, происходит воздействие факела пламени непосредственно на поверхность пластины, незащищенной огнезащитным покрытием.
Время эффективности огнезащитных составов, при проведении испытаний на расстоянии 0,14 м, значительно ниже (в 2-4 раза), чем при стандартном режиме испытаний, что связано с более жесткими температурными и аэродинамическими условиями воздействия газовой горелки на образцы (температур испытаний около 1100 оС, скорость газового потока около 60 м/с). Исключение составил зарубежный огнезащитный состав СЬа11:ек-1709, сертифицированный по зарубежным стандартам на углеводородное горение. Среднее время испытаний огнезащитного состава СЬа1!ек-1709 на данном расстоянии составило 30 мин.
По мере удаления образцов от сопла горелки происходит уменьшение абляции покрытий, что связано с уменьшением скорости и температуры газового потока. Уже на расстоянии около 200 мм образование отверстия в
огнезащитном покрытии не происходит, в связи с чем наблюдается увеличение времени огнезащитной эффективности испытуемых составов.
Однако говорить о том, что данные огнезащитные средства не рекомендуются к применению на объектах нефтегазовой отрасли, нельзя. Испытуемые огнезащитные составы обладают определенной огнезащитной эффективностью, которой может оказаться достаточной для обеспечения инерционности при срабатывании систем пожаротушения, водяного орошения, защитных водяных завес, а также в отдельных случаях применять для защиты путей эвакуации персонала.
Таким образом, противопожарная защита технологических установок и строительных конструкций (в том числе огнезащитная обработка) должна осуществляться в зависимости от возможности возникновения факельного горения на той или иной технологической установке и приблизительного определения границ зон горения. В этих целях необходимо провести подробный анализ пожарной опасности защищаемого объекта, определить возможные места и вероятность возникновения факельного горения, а также границы зон в зависимости от длины факела.
Определению длины факела посвящено много работ, в которых содержатся предложенные разными авторами расчетные или эмпирические формулы. На основании полученной длины факела строятся зоны факельного горения.
Таким образом, были выделены два критерия модели эффективности огнезащитных покрытий для строительных конструкций и технологических установок объектов нефтегазовой отрасли:
1. Относительная огнезащитная эффективность (Коэ) - безразмерная величина, характеризующая отношение показателей эффективности огнезащитных составов при испытаниях в условиях стандартного температурного режима (тст) и в условиях факельного углеводородного горения (Тф). Выражается коэффициентом, которой принимает различные значения, в зависимости от типа огнезащитного состава:
Тфуг
На примере проведенных испытаний, была рассчитана относительная огнезащитная эффективность испытанных огнезащитных покрытий (таб. 5).
Таблица 5 - Относительная огнезащитная эффективность испытанных огнезащитных составов
Наименование состава Испытываемое время ОЗЭ, мин Полученное время ОЗЭ при проведении испытаний, мин Относительная огнезащитная эффективность
Стабитерм-217 30 12 2,5
Fire Protect 30 7,4 4,1
Фризол-ЭП 30 6,2 4,8
Chartek 1709 30 30,6 1
ПЗСМ 30 15,2 2
Сделаны следующие выводы:
Если коэффициент относительной огнезащитной эффективности принимает значение равное или меньше единицы (Хоэ<1), то применение данного огнезащитного состава на строительных конструкциях и технологических установках нефтеперерабатывающих производств допустимо во всех зонах, включая реактивную зону факельного горения.
Если коэффициент принимает значения от 1 до 2,5 (К^э^^), то применение данных составов допускается в зонах углеводородного и стандартного горения. Применение данного огнезащитного состава возможно в зоне реактивного горения только при увеличении толщины слоя нанесенного покрытия в 2-2,5 раза от рекомендуемого (по технической документации на покрытие),
При значениях коэффициента более 2,5 ^оэ>2,5) применение данного состава допустимо только в зонах стандартного горения, либо в зонах реактивного и углеводородного горения для обеспечения инерционности при срабатывании систем пожаротушения, водяного орошения, защитных водяных завес, а также в отдельных случаях для защиты путей эвакуации персонала. При увеличении толщины слоя нанесенного покрытия в 2-2,5 раза от рекомендуемого (по технической документации на покрытия) данные составы, возможно, применять в зоне углеводородного горения.
2. Критерий факельности - коэффициент, характеризующий воздействие высокотемпературного газового потока в зависимости от удаленности от отверстия истечения газа.
Расчет длин разнообразных факелов позволил выделить следующие средние расстояния зон горения факела пламени от отверстия истечения (таб. 6).
Таблица 6 - Длины зон факельного горения
Длина факела пламени Зона реактивного горения Зона углеводородного горения Зона стандартного горения
от 10 до 15 м до 5 м 5-12 м от 12 м
от 15 до 30 м до 10 м 10-25 м от 25 м
свыше 30 м до 15 м 15-35 м от 35 м
Литература
1. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978.
2. Тимофеева С.С., Дроздова Т.И., Плотникова Г.В., Гольчевский В.Ф. Физико -химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 178 с.
3. Андрюшкин А.Ю. Формирование дисперсных систем сверхзвуковым газодинамическим распылением: монография / А. Ю. Андрюшкин. СПб.: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012. 400 с. - ISBN 978-5-85546-673-7.
References
1. Vulis L.A., Jarin L.P. Ajerodinamika fakela. L.: Jenergija, 1978.
2. Timofeeva S.S., Drozdova T.I., Plotnikova G.V., Gol'chevskij V.F. Fiziko-himicheskie osnovy razvitija i tushenija pozharov: ucheb. posobie. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2013. 178 s.
3. Andijushkin A.Ju. Formirovanie dispersnyh sistem sverhzvukovym gazodinamicheskim raspyleniem: monografija / A. Ju. Andrjushkin. SPb.: BGTU «VOENMEH», 2012. 400 s. - ISBN 978-5-85546-673-7.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.061 Черкашина Н.И.
ORCID: 0000-0003-0161-3266, Кандидат технических наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки в сфере научной
деятельности № 11.2034.2014 УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ К МИКРОМЕТЕОРИТНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
Аннотация
В статье рассмотрена устойчивость терморегулирующих покрытий на основе полимерных композитов к микрометеоритному воздействию. В качестве частиц использовались преимущественно металлические частицы: Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Ti и др. с размерами от 0,1-9 мкм. Также в работе представлены данные по облучению материалов сажей, для создания имитации воздействия космической пыли.
Ключевые слова: терморегулирующие покрытия, полимеры, микрометеоритное воздействие.
Cherkashina N.I.
ORCID: 0000-0003-0161-3266, PhD in Engineering, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov THE STABILITY OF THERMAL CONTROL COATINGS BASED ON POLYMER COMPOSITES
TO MICROMETEORITE EFFECTS
Abstract
The article the stability of thermal control coatings based on polymer composites to micrometeorite effects. As particles have been used predominantly metallic particles: Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Ti and etc. with sizes from 0.1-9 microns. Also, the paper presents data on irradiation of soot materials, to create a simulation of the impact of space dust.
Keywords: thermoregulatory coatings, polymers, micrometeorite impact.
Элементы, находящиеся на внешней поверхности космического аппарата подвергаются негативным создействия космоса [1-8], особенно сильным ударам микрометеоритных частиц [9-16]. Характеристики по которым оценивают большинство микрометеоритов следующие: масса - 10-17 - 10-9 кг, интегральная плотность потока - 10-8 част./см2, интервал скоростей относительно КА - до 72 км/с.
Столкновение микрометеоритных частиц с указанными выше параметрами с элементами космического аппарата, находящимися на внешней стороне обычно не вызывают пробой оболочки космического объекта, но могут вызвать эрозию внешних элементов [17-25] и изменить их первоначальные функциональные свойства [26-30]. Поэтому актуальным является проведение экспериментов по взаимодействию микрометеоритных частиц в широком диапазоне скоростей элементами космического летательного объекта, находящимися на внешней его стороне.
При столкновении микрометеорной частицы с твердым веществом за очень малое время возникает пространство сильного сжатия материи, которое и является источником ударной волны, как в твердом веществе, так и в микрометеорной частице.
Исходные значения ударной волны, как правило, определяются законами сохранения энергии, массы и импульса, а также уравнениями состояния материала (мишени) и снаряда (микрометеоритной частицы). Известно, что при столкновении частицы, сделанной из стали о вещество, которое тоже выполнено из стали со скоростью порядка 10-80 км/с, то создаваемое давление в вистеме будет огромным и равным не менее 1011 - 1013 Па. Однако, при ударах частиц, обладающих низкой скоростью, приблизительно 1км/с, основную роль уже будет играть пластическая деформация вещества, на которое падает частица, т.е. происходит выдавливание или выплескивание частичек материала из образовавшегося «кратера», вокруг которого образуется свободное пространство. Если вещество, на которое падает набегающая частица хрупкое, например, сделано из стекла, то образовавшаяся ударная волна приведет к хрупкому разрушению и образуются трещины (радиальные и тангенциальные).
В данной работе изучалось взаимодействие микрометеоритных частиц с полимерными композитами терморегулирующего назначения. В качестве матрицы для синтеза полимерных композитов в работе использовали полиалканимид, а в качестве наполнителя модифицированный алюмосилсесквиоксаном вольфрамат свинца.
Устойчивость разработанных полимерных композитов к микрометеоритному воздействию исследовалось на специализированном генераторе ускоряющих частиц. Напряжение ускорения для данного оборудования находится в широком интервале от 2^105 до 4^106 В. Установка находится в НИИЯФ МГУ.
