CC BY
14УДК 614.841.4
DOI 10.25257/FE.2018.2.22-25
РУБЦОВ Дмитрий Николаевич
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: aiaks@mail.ru
ЕГОРОВ Андрей Николаевич Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: stinger1010@yandex.ru
РУБЦОВ Владимир Валентинович
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: aiaks@mail.ru
МОДЕЛЬ РЕЗЕРВУАРА ТИПА «СТАКАН В СТАКАНЕ» ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЕГО ЗАЩИТНОЙ СТЕНКИ
В публикации приводится описание впервые изготовленной физической модели резервуара с защитной стенкой типа «стакан в стакане» (РВСЗС), необходимой для проведения огневых испытаний. Модель указанного резервуара позволит изучить влияние тепловых потоков, образующихся при пожаре в основном резервуаре, на нагрев защитной стенки. Обоснованы необходимые и достаточные геометрические параметры модели РВСЗС и представлено конструктивное исполнение модели резервуара.
Ключевые слова: защитная стенка, нефтепродукт, модель резервуара, пожар, физический эксперимент.
Численное решение математической модели нагрева защитной стенки РВСЗС от теплового потока пожара, происходящего в основном резервуаре и падающего на обогреваемую поверхность защитной стенки, даст возможность обоснованно подходить к решению вопроса нормативного обеспечения защитной стенки РВСЗС системами пожарной безопасности [1, 2]. Однако, чтобы подтвердить адекватность численного расчёта, необходимо провести процедуру его верификации. Для достижения указанной цели необходимо провести физическое моделирование указанного процесса на разработанном экспериментальном стенде, являющимся моделью объекта исследования.
В статье [3] говорится о том, что модели нефтяных резервуаров нашли широкое применение при проведении экспериментальной части научно-исследовательских работ, что позволяет авторам настоящей статьи воспользоваться богатым опытом при проектировании экспериментальной модели РВСЗС, для чего необходимо использовать критерии, обосновывающие выбор параметров модельного резервуара, а именно:
- подобие пламени,
- геометрическое подобие резервуара.
Основным геометрическим показателем модели резервуара для проведения на нём огневых испытаний является его диаметр, который должен быть подобен натурному резервуару.
В работе [3] определён необходимый и достаточный диаметр основной модели РВСЗС для выполнения огневых испытаний (от 1 до 1,5 м). Объявленный размер считается основополагающим
для проектирования остальных геометрических параметров модельного резервуара в соответствии с выбранным масштабом: высоты основного резервуара, диаметра и высоты защитной стенки.
При проектировании модели РВСЗС в качестве натурного объекта целесообразнее выбрать резервуар с номинальным объёмом 700 м3 и высотой 9 м, так как он практически соответствует с геометрическим размерам резервуару, имеющего номинальный объём 1 000 м3 и высоту 12 м. Но при их одинаковых диаметрах (10,43 м) разность высот корпуса достигает 3 м. При соблюдении геометрического подобия модели РВС-700 уменьшается высота её корпуса в сравнении с моделью РВС-1000, однако соблюдается равенство диаметров, что значительно снижает затраты на приобретение металлолистов, которые необходимо использовать при создании модели.
Перед проектированием модели резервуара необходимо рассмотреть конструктивные особенности самого прототипа модели РВСЗС: изготовление в виде двух резервуаров - внутреннего и внешнего. Внутренним резервуаром является стандартный резервуар со стационарной крышей, стационарной крышей и понтоном или плавающей крышей. Во внутреннем или основном резервуаре обращается нефть или нефтепродукт. Внешний или защитный резервуар предназначен для предотвращения разлива нефтепродуктов в случае возникновения аварийных ситуаций. Защитный резервуар не оснащается каким-либо видом крыши. Однако для защиты межстенного пространства от атмосферных осадков и мусора внешний резервуар может быть снабжён защитным или атмосферным козырьком, в этом
22
© Рубцов Д. Н., Егоров А. Н., Рубцов В. В., 2018
Рисунок 1. Принципиальная схема РВСЗС: крыша; 2 - основная стенка; 3 - межстенное пространство; 4 - днище; 5 - защитная стенка; 6 - защитный козырёк
случае пространство между внутренним и внешним корпусом резервуаров следует оборудовать вентиляционными патрубками [4]. Устройство погодоза-щитного козырька носит рекомендательный характер и может не входить в конструкцию РВСЗС.
Днище основного резервуара может опираться на днище защитного резервуара. В конструкции защитного резервуара устраиваются смотровые люки или люки-лазы для обеспечения доступа в межстенное пространство, а также лестницы на корпусах основного и защитного резервуаров.
Расстояние между основным резервуаром и защитной стенкой не должно быть меньше 1,8 м, а высота защитного резервуара должна составлять не менее 80 % высоты основного резервуара, что должно предотвращать возможные аварийные переливы через защитную стенку нефтепродуктов в случае разгерметизации основного корпуса резервуара [5]. На рисунке 1 представлена типовая конструкция РВСЗС, выполненная в виде 3Э-модели [6].
Для изготовления модели РВСЗС необходимо определить применяемую марку стали и её толщину. С этой целью были проанализированы требования, представленные в нормативных документах и ранее выполненных научно-исследовательских работах, связанных с проведением физических экспериментов на моделях резервуаров.
В исследованиях, указанных в работе [7], связанных с проверкой предложенной модели динамической устойчивости системы «резервуарный парк - нефтепродукт», при проведении экспериментов использовались два полигонных вертикальных стальных резервуара с толщиной стенки 3 мм. В работе [8] моделировался нефтепродуктовый резервуар с плавающей крышей вместимостью 50 000 м3. Модель резервуара выполнялась из органического стекла марки ТОСП (техническое органическое стекло пластифицированное) с толщиной стенки нижнего пояса 19 мм. В работе [9] представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных на крупных моделях резервуаров с диаметрами 3, 6 и 9 м и высотой 2-2,5 м. Толщина металлических листов моделей резервуаров составляла 1,2 мм в верхней части и 2,5 мм в нижней части.
Согласно ГОСТ 31385-2016 «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия» минимальная толщина листов стенки резервуаров вместимостью 700 и 1 000 м3 составляет 5 мм. Допускается применять листовую сталь с толщиной листов стенки не менее 4 мм следующих классов прочности:
- С245 (марка стали Ст3пс5, Ст3Гпс5);
- С255 (марка стали Ст3сп5);
- С345-3, С345-4 (марка стали 09Г2С-12, 09Г2С-13,09Г2С-14).
Для предотвращения лавинообразного разрушения резервуара с защитной стенкой применяется при их изготовлении листовая нормализованная сталь класса прочности С355 и С390 для расчётных поясов рабочей и защитной стенки [9]. Также при проектировании толщины металла учитываются припуски на коррозию металла.
Проанализировав работы [7-9], установили, что толщина стальных листов, применяемых в конструировании моделей резервуаров, находится в диапазоне от 1,2 до 3 мм, что возможно использовать при проектировании модели РВСЗС.
Основываясь на вышеприведённых положениях, авторами настоящей статьи разработан проект модели РВСЗС: она состоит из двух металлических резервуаров - основного (внутренний) и защитного (наружный). Размеры модели приняты в соответствии с масштабом 1:8 к геометрическому размеру РВСЗС вместимостью 700 м3 и составляют следующий порядок значений:
- диаметр основной стенки модели резервуара ё = 1,22 м;
" о.с.м 1 1
- диаметр защитной стенки модели резервуара ё = 1,62 м;
г з.с.м 1 1
- высота основной стенки модели резервуара И = 1,3 м;
о.с.м
- высота защитной стенки модели резервуара И = 1 м.
з.с.м
Основной резервуар (внутренний) как и защитный (внешний) снизу опирается на приварное стальное днище; марка используемой конструкционной стали - 09Г2С-1, толщина защитной стенки - 1,2 мм, толщина основного резервуара - 3 мм. Принципиальная схема модели резервуара с защитной стенкой типа «стакан в стакане» приведена на рисунке 2.
Оба корпуса имеют по две приваренные ручки, которые позволят с помощью лебёдок перемещать резервуары в пространстве. Ручки расположены на половине высоты стенок с внутренней стороны резервуаров. Внутри основного резервуара установлен на штативе (И = 70 см) поддон (И = 30 см, ё = 1,20 м), который выполнен из стали, равной по толщине основному резервуару.
На рисунке 3 представлен реализованный проект физической модели РВСЗС, применяемый для хранения нефти и нефтепродуктов. Модель обладает физическим подобием с натурным резервуаром
1
2
5
3
4
1
a
б
Рисунок 2. Основные геометрические параметры модели РВСЗС:
а - вид сверху; б - вид спереди;
1 - диаметр защитной стенки; 2 - диаметр основной стенки; 3 - высота защитной стенки; 4 - высота основной стенки
Рисунок 3. Модель РВСЗС:
1 - основная стенка модели резервуара;
2 - защитная стенка модели резервуара;
3 - приварное стальное днище; 4 - межстенное пространство
4
2
2
1
3
номинальной вместимости РВСЗС-700 и геометрическим подобием диаметра РВСЗС-1000.
В результате проведённой работы на кафедре пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС России впервые спроектирована и реализована модель РВСЗС, предназначенного для проведения огневых испытаний защитной стенки и систем противопожарной защиты, располагаемой на ней. Полученная модель позволит изучить нестационарный процесс нагрева защитной стенки резер-
вуара, образующийся от теплового потока пожара, происходящего в основном резервуаре и падающего на обогреваемую поверхность защитной стенки резервуара. Результаты физического эксперимента позволят при необходимости скорректировать математическую модель, а также провести процедуру её верификации на адекватность исследуемого физического процесса, что позволит говорить о возможности её применения в любом диапазоне номенклатурного ряда резервуаров с защитной стенкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рубцов Д. Н., Егоров А. Н. Математическое моделирование как метод изучения устойчивости защитной стенки резервуара типа «стакан в стакане» в условиях пожара // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасности объектов». Иваново: Ивановская пожарно-спасательная Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 389-392.
2. Кошмаров Ю. А, Башкирцев М. П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. Учебник. М.: Высшая инженерная и пожарно-техническая школа МВД СССР, 1987. 440 с.
3. Егоров А. Н. Опыт применения моделей нефтяных резервуаров в экспериментальных исследованиях // Материалы 7-й международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности -2018». М.: Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 66-70.
4. Швырков С. А, Горячев С. А, Швырков А. С. Актуальные вопросы нормирования требований пожарной безопасности к защитной стенке нефтяных резервуаров типа «стакан в стакане» [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 3 (67). С. 56-63. Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ «Ь/2016-3/32-03-16.йЬ^ (дата обращения 28.04.2018).
5. Рубцов Д. Н., Шалымов М. С. О развитии пожара в резервуаре типа «стакан в стакане» с нефтью и нефтепродуктами // Технологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 3 (67). С. 74-81. Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-3/ 23-03-16.ttb.pdf (дата обращения 28.04.2018).
6. Резервуарный парк, состоящий из резервуаров с плавающим понтоном, плавающей крышей, с подогревом [Электронный ресурс] // Видеохостинг УоиТиЬе [сайт]. Режим доступа: https:// yutub.kz/watch/rezervuarniy-park-sostoyashchiy-iz-rezervuarov-s-plavayushchim-pontonom-plavayushchey-krishey-s-podogrevom/ (дата обращения 28.04.2018).
7. Сучков В. П. Научные основы стандартизации в области обеспечения пожарной безопасности технологий хранения нефтепродуктов: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.26.03 / Сучков Виктор Петрович. М.: МИПБ МВД РФ, 1997. 467 с.
8. Дмитриев Н. Н. Методика моделирования нефтяных вертикальных цилиндрических резервуаров для испытания их конструкций на прочность в условиях лаборатории: дис. . канд. техн. наук: 05.13.15 / Дмитриев Николай Николаевич. М., 1985. 276 с.
9. Сафарян М. К. Металлические резервуары и газгольдеры. М.: Недра, 1987. 200 с.
10. Барвинко А. Ю., Юрчишин А. В., Барвинко Ю. П., Яш-ник А. Н. Применение листовой качественной стали повышенной прочности в резервуарах для хранения нефти [Электронный ресурс]// Монтажные и специальные работы в строительстве. 2016. Вып. 1. С. 2-8. Режим доступа: http://www.montazhnie.ru/assets/ %00%В6%01%83%01%80%000/оВ00/о000/оВ0%000/оВВ-01-2016^ (дата обращения 28.04.2018).
Материал поступил в редакцию 18 мая 2018 года.
Dmitri RUBTSOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: aiaks@mail.ru
Andrei EGOROV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: stinger1010@yandex.ru
Vladimir RUBTSOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences,
Senior researcher
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: aiaks@mail.ru
"TUBE-INSIDE-TUBE" VESSEL MODEL FOR CARRYING OUT FIRE TESTING OF ITS PROTECTIVE WALL
ABSTRACT
Purpose. The description of the first-ever made physical "tube-inside-tube" vessel model with a protective wall necessary for carrying out fire testing is given in the published work. Numerical solution of the mathematical model for heating the protective wall of a "tube-inside-tube" type vessel against the fire heat flow can give an opportunity to reasonably solve a regulatory provision issue for a protective wall of a similar type vessel with fire safety systems. It is necessary to conduct its verification procedure to confirm the numerical calculation adequacy. To achieve this goal the authors of the article have carried out a physical modeling of the process on a specially designed diagnostic stand, which is a research object model.
Methods. Mathematical and physical modelings have been used to carry out fire testing.
Findings. As a result of the conducted work, the model "tube-inside-tube" vessel designed to carry out fire testing of a protective wall and fire protection systems located on it has been designed and implemented at the technological processes fire safety department
of State Fire Academy of EMERCOM of Russia. It will allow studying heat fire flows impact on the vessel protective wall.
Research application field. Carrying out physical experiments to verify the mathematical model. The model obtained will allow studying the unsteady-state process of heating the vessel protective wall generating from the heat fire flow that occurs in the main vessel and falling on the heated vessel protective wall surface.
Conclusions. It will be possible to apply a product range model of vessels with a protective wall under satisfactory convergence of physical and mathematical experiments. The results of the physical experiment will allow revising the mathematical model and also conducting its verification procedure for the examined physical process adequacy. All this will allow us to speak about the possibility for the model application at any product range of vessels with a protective wall.
Key words: protective wall, oil product, vessel model, fire, physical experiment.
REFERENCES
1. Rubtsov D.N., Egorov A.N. Mathematical modeling as a method for studying the stability of the protective wall of a tank like a "glass in a glass' in the conditions of fire. Mat-ly V Vseros. nauch.-prak. konf. "Aktualnye voprosy sovershenstvovaniya inzhenernyh sistem obespecheniyapozharnojbezopasnosti ob"ektov" [Proceedings of the 5th All-Russian sci. and pract. conf. "Actual issues of improving engineering systems for fire safety of objects"]. Ivanovo, Ivanovo Fire and Rescue Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2018, pp. 389-392. (in Russ.).
2. Koshmarov Yu.A, Bashkirtsev M.P. Termodinamika i teploperedacha vpozharnom dele [Thermodynamics and heat transfer in firefighting] Moscow, Ministry of Internal Affairs of the Soviet Union Publ., 1987. 440 p.
3. Egorov A.N. Opyt primeneniya modelej neftyanyh rezervuarov v ehksperimental'nyh issledovaniyah. Mat-ly 7 mezhdunar. nauch. prakt. konf. molodyh uchyonyh i spec. "Problemy tekhnosfernoj bezopasnosti - 2018" [Proceedings of the 7th Inter. Sci. and Pract. Conf. of Young Sci. and Spec. "Problems of Technospheric Security -2018"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2018, pp. 66-70. (in Russ.).
4. Shvyrkov S.A., Gorychev S.A., Shvyrkov A.S. Topical issues of regulation of fire safety to the protective wall of the oil tanks of the type "glass in the glass". Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, no. 3 (67), pp. 56-63, available at: http:// agps-2006.narod.ru/ttb/2016-3/32-03-16.ttb.pdf (accessed April 28, 2018). (in Russ.).
5. Rubtsov D.N., Shalymov M.S. About spread of a fire in tank of "glass in the glass" type with oil and petroleum products. Tekhnologii
tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, no. 3 (67), pp. 74-81, available at: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-3/ 23-03-16.ttb.pdf (accessed April 28, 2018). (in Russ.).
6. Tank park, consisting of tanks with a floating pontoon, floating roof, heated, YouTube - video hosting. Available at: https:// yutub.kz/watch/rezervuarniy-park-sostoyashchiy-iz-rezervuarov-s-plavayushchim-pontonom-plavayushchey-krishey-s-podogrevom/ (accessed April 28, 2018).
7. Suchkov V.P. Nauchnye osnovy standartizatsii v oblast obespecheniia pozharnoi bezopasnosti tekhnologii khraneniia nefteproduktov [Scientific bases of standardization in the field of ensuring fire safety of oil products storage technologies. PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, Moscow Fire Safety Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 1997. 467 p.
8. Dmitriev N.N. Metodika modelirovaniia neftianykh vertikalnykh tsilindricheskikh rezervuarov dlia ispytaniia ikh konstruktsii na prochnost v usloviiakh laboratorii [The technique of modeling of oil vertical cylindrical tanks for testing their structures for strength in laboratory conditions PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, 1985. 276 p.
9. Safarian M.K. Metallicheskie rezervuary i gazgoldery [Metal tanks and gas holders]. Moscow, Nedra Publ., 1987. 200 p.
10. Barvinko A.Yu., Yurchishin A.V., Barvinko Yu.P., Yashnik A.N. Application of high-quality high-quality steel sheet in storage tanks for oil // Montazhnye i spetsialnye raboty v stroitelstve, 2016, no. 1, pp. 2-8, available at: http://www.montazhnie.ru/assets/%D0%B6% D1 %83%D 1 %80%D0%BD%D0%B0%D0%BB-01 -2016.pdf (accessed April 28, 2018). (in Russ.).
© Rubtsov D., Egorov A., Rubtsov V., 2018
25
