CC BY
15Клубань В. С., Федосеева Е. В.
о возможности предотвращения ВЫБРОСОВ НЕФТИ из горящих вертикальных стальных резервуаров
Рассмотрены основные причины выбросов нефти из горящих вертикальных стальных резервуаров и предложены мероприятия по их предотвращению. Для предотвращения выбросов горящей нефти и вскипаний при пожаре в резервуаре предлагается производить принудительное интенсивное перемешивание нефти с помощью систем размыва донных отложений.
Ключевые слова: выброс, пожар, резервуарный парк, гомотермический слой, водяная подушка, перемешивание нефти.
Целью систем обеспечения пожаро-взрывобезопасности при хранении нефти и нефтепродуктов является предотвращение возникновения пожаров и взрывов на территории резервуарных парков, а также быстрое тушение горящих резервуаров, с уменьшением потерь от сгоревших жидкостей и исключением аварийных и технологических выбросов пожаровзрывоопасных веществ и продуктов сгорания в атмосферу.
При тушении горящих резервуаров с нефтью, мазутом и другими тёмными нефтепродуктами могут происходить выбросы и вскипания этих жидкостей, так как при их горении образуется гомотермический слой.
Гомотермический слой - поверхностный нагретый слой нефти, мазута и других горючих жидкостей, температура в котором примерно равна или выше температуры на поверхности горящей жидкости. Формирование гомотермического слоя происходит за счёт частичного выгорания лёгких фракций многокомпонентной горючей жидкости и оседания более тяжёлых фракций этой жидкости. Механизм формирования поверхностного нагретого гомотер-мического слоя можно представить следующим образом: верхний слой горящей жидкости, потерявший в результате выгорания более лёгкие фракции, становится тяжелее нижележащих слоёв (за счёт более высокой плотности по отношению к плотности последних слоёв), нагретых до той же температуры, и постепенно опускается до холодной жидкости. При нагревании холодной жидкости, прилегающей к нижней границе гомотермического слоя, происходит всплывание её к поверхности испарения и частичное выгорание; возникающий противоток обе-
спечивает равномерное распределение плотности и выравнивание температуры во всём нагретом поверхностном слое и его увеличение. Толщина го-мотермического слоя растёт со временем, достигая некоторого предельного значения. Скорость нарастания прогретого гомотермического слоя для нефти 0,7-1,0)-10-4 м/с = 0,252-0,36 м/ч, его температура может доходить до 130-160 °С и более [1]. При наличии в нефти и тёмных нефтепродуктах воды (обводнённый нефтепродукт) температура прогретого слоя может достигать 200-250 °С [2].
Когда нагретый гомотермический слой достигает поверхности водяной подушки (подтоварной воды), находящейся на дне резервуара, вода перегревается выше 100 °С, затем бурно вскипает, происходит интенсивное парообразование. Водяной пар с большой силой выталкивает горящую жидкость из резервуара либо увеличивает объём содержимого продукта в резервуаре (при этом происходит вскипание и перелив горящей жидкости через стенку резервуара).
Выбросы могут происходить не только из горящих наземных вертикальных стальных или подземных железобетонных нефтяных резервуаров, но также из открытых амбаров с нефтью.
Так, 21 января 1901 года на нефтепромыслах братьев Нобелей в Баку загорелась нефть, хранящаяся в вырытом в земле открытом амбаре, вмещающем около 100 тысяч тонн. Для предотвращения просачивания нефти в почву дно и боковые стены этого амбара были густо обмазаны глиной, а дно покрыто слоем воды.
Нефть начала прогреваться и к исходу первых суток произошло её бурное вскипание и выброс. Горящая нефть выплеснулась из амбара через земляную обваловку и хлынула огненным потоком через город в сторону морского залива, уничтожая всё на своем пути (здания, жилые дома, бараки рабочих). Во время пожара погибло 129 человек, 1,5 тысячи человек лишились крова [2].
Защита от выброса горящей нефти не может быть обеспечена такими мероприятиями как охлаждение горящих резервуаров,
увеличение противопожарных разрывов до соседних объектов или повышение надёжности наземного защитного обвалования резервуаров (выброс горящей жидкости происходит на высоту 80-100 и более метров, то есть в десятки раз выше защитного обвалования, выполненного в соответствии с требованиями СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности»). В настоящее время надёжной защитой от выброса горящей нефти при пожаре, в основном, является предотвращение пожара в нефтяных резервуарах и обеспечение его тушения до возникновения критической ситуации (выброса), то есть его быстрое тушение.
В 1956-1965 годах в Советском Союзе проводились исследования по тушению нефтепродуктов в наземных и подземных резервуарах путём их перемешивания с помощью сжатого воздуха. Исследования позволили установить, что горение тёмных нефтепродуктов прекращается, если температура на их поверхности становится существенно ниже температуры воспламенения. Такого снижения температуры можно добиться с помощью охлаждения в начальной стадии пожара поверхностного слоя горящих тёмных нефтепродуктов. Так, при подаче воздуха или инертных газов под слой нефтепродукта пузырьки воздуха или газа, поднимаясь вверх увлекают близлежащие холодные слои, вызывая движение жидкости во всем объёме. В результате этого, нижние холодные слои смешиваются с небольшим верхним прогретым слоем, и его температура резко понижается. Снижение температуры горящей жидкости приводит к уменьшению скорости испарения и, следовательно, к снижению интенсивности горения. В результате перемешивания температура поверхности верхнего слоя горящей жидкости становится ниже температуры воспламенения и горение полностью прекращается.
По результатам данных исследований были разработаны «Рекомендации по тушению пожаров жидких горючих веществ в резервуарах методом перемешивания» (1959 г.) и «Технические условия и нормы на проектирование устройств по тушению пожаров дизельного топлива в резервуарах методом перемешивания» (1965 г.).
Разработка новых систем тушения пожаров в резервуарах, появление новых пенообразователей, а также сложность устройства
и применения вышеописанных систем по тушению горящих резервуаров привели к тому, что их прекратили использовать. В настоящее время тушение пожаров в резервуарах, в основном, производится пеной низкой и средней кратности.
Обратим внимание на существенные детали исследований, проведённых полвека назад:
- пузырьки воздуха или газа, поднимаясь вверх, увлекают за собой близлежащие холодные слои, которые смешиваются с небольшим верхним прогретым слоем, температура которого вследствие этого резко понижается (предотвращается образование го-мотермического слоя и (или) происходит его разрушение);
- понижение температуры поверхностного нагретого слоя горящей жидкости приводит к уменьшению скорости испарения и снижению интенсивности горения.
Однако для предотвращения образования гомотермического слоя и (или) его разрушения горящую жидкость в резервуаре можно перемешивать не только воздухом и инертным газом, но и другими способами. Рассмотрим один из них.
Большинство нефтяных резервуаров ёмкостью 2-50 тыс. м3 оборудованы системами размыва донных отложений (мешалками) типа «Диоген-500», «Диоген-700» или «Тайфун-20», «Тайфун-24» и другими, которые устанавливаются на первом поясе резервуаров с нефтью на крышке люков-лазов и предназначены для размыва тяжёлых донных отложений, которые накапливаются в нефтяных резервуарах в процессе их эксплуатации (см. рис. 1).
Рисунок 1. Устройство для размыва донных отложений «Диоген»
Принцип работы мешалок заключается в образовании направленной затопленной струи нефти, создаваемой пропеллером, и её углового возвратного движения над днищем резервуара (см. рис. 2). Это обеспечивает перемешивание массы нефти, при котором тяжёлые парафинистые отложения, осадки и механические примеси отрываются от днища, взвешиваются в общей массе нефти и затем откачиваются с нефтью в другие резервуары или магистральный нефтепровод. Мешалка имеет автоматический привод возвратного углового перемещения вала и может работать непрерывно в течение нескольких суток, автоматически перемещая затопленную струю по всей поверхности днища резервуара. Изменение направления струи нефти в горизонтальной плоскости производится за счёт поворота оси пропеллера. Высокую надёжность и долговечность мешалок указанного типа обеспечивают наличие в конструкции коррозионностойких сталей и волновых редукторов с промежуточными телами качения. Для резервуаров объёмом до 20 тыс. м3 достаточно одного устройства, объёмом 50 тыс. м3 - два устройства.
Следует вывод, что системы размыва, способные перемешивать всю массу нефти при нормальной эксплуатации нефтяных резервуаров, при пожаре смогут предотвратить образование гомотермического слоя или способствовать его разрушению (если он начал образовываться до включения мешалок), а также разрушению водяной подушки. Оставшаяся после дренирования вода будет перемешиваться вместе с размытыми парафинистыми отложениями и механическими примесями.
Следовательно, мешалки, находящиеся в РВС в работоспособном состоянии, необходимо использовать при тушении пожаров для предотвращении выбросов горящей нефти.
В соответствии с требованиями п. 13.2.3 СП 155.13130.2014, наземные резервуары для нефти и нефтепродуктов объёмом 5 тыс. м3 и более оборудуются системами автоматического пожаротушения. По оценкам специалистов на автоматические установки пожаротушения (АУП) приходится до 20 % общих затрат на резервуарные парки. Вместе с тем, согласно статистике, в тушении большей части пожаров в резервуарах они не участвуют в связи с выходом из строя в начале пожара. Например, в резервуарах со стационарной крышей пожар начинается со взрыва паровоздушной смеси в его свободном пространстве, что приводит к подрыву или отрыву крыши, отрыву стенок от днища, повреждению пеногенераторов, установленных на верхних поясах стенок РВС, и подводящих к ним трубопроводов.
Если хотя бы один из пеногенераторов типа ГВПС-2000 или ГПСС-2000, установленных на РВС со стационарной крышей, выходит из строя или диафрагмы некоторых пеногене-раторов не вскрываются, то количество пены, подаваемой в горящий резервуар, будет недостаточным для ликвидации горения. Но даже если при взрыве в резервуаре пеногенерато-ры не повреждаются, то при задержке подачи пены или задержке в охлаждении стенок горящего резервуара, они могут деформироваться вместе со стенками.
В некоторых случаях (отказ в срабатывании АУП; ремонт, техобслуживание АУП; диверсия или землетрясение) огонь охватывает всю поверхность нефти или нефтепродукта в резервуаре большого объёма (10 тыс. м3 и более).
Тушение горящих нефтяных резервуаров передвижной пожарной техникой, как правило, производится традиционным способом -подачей пены средней или низкой кратности на поверхность горящей жидкости при помощи
пеногенераторов, установок типа «Пурга» или мониторов. Как говорилось ранее, пожары в нефтяных резервуарах нередко принимают затяжной характер, иногда сопровождаются вскипаниями и выбросами нефти и нефтепродуктов. При этом существует угроза распространения пожара на соседние резервуары, здания и сооружения, возникает риск гибели и травмирования участников тушения пожара, а также угроза повреждения и выхода из строя пожарной техники. Вместе с тем растёт требуемое количество пенообразователей и воды для тушения и охлаждения соседних резервуаров. В качестве примера можно привести трагические последствия пожара в резервуарном парке ЛПДС «Конда», произошедшего 22.08.2009 г. [3].
Известно, что горение жидкости в резервуаре можно ликвидировать не только подачей огнегасительных средств в очаг пожара, но также с помощью её откачки из зоны горения: после удаления из зоны горения горючего вещества горение прекращается [4, 5]. Однако в России откачка нефти при тушении горящих открытым пламенем РВС производится редко.
Вместе с тем, при пожарах на всех типах РВС нередко возникает необходимость откачки нефти из горящего резервуара через технологические трубопроводы в другие резервуары резервуарного парка, в магистральный нефтепровод, а из него - в свободные или не полностью заполненные резервуары головных нефтеперекачивающих станций; в свободные резервуары резервуарного парка морского терминала; в танкеры, находящиеся на загрузке, или специальные аварийные резервуары, предназначенные для сброса в них нефти или нефтепродуктов из горящих резервуаров.
Откачку нефти из горящих резервуаров рекомендуется производить в следующих экстремальных ситуациях:
- система подслойного тушения не смонтирована, а существующая автоматическая или полуавтоматическая система пожаротушения и система охлаждения вышли из строя и пожар не удалось ликвидировать в начальной стадии его возникновения;
- горящая нефть выходит в обвалование при повреждении стенки, шва, соединяющего днище со стенкой резервуара, или при прогорании прокладок у задвижек приёмо-раздаточных патрубков;
- ликвидировать горение на поверхности горящей нефти сложно или невозможно;
- количества сил и средств для проведения пенной атаки недостаточно;
- количества воды для тушения и охлаждения горящего и соседних с ним резервуаров недостаточно и т. п.
Обычно тушение пожара в РВС производится по одному из двух вариантов: без откачки нефти и с откачкой. Рассмотрим две ситуации:
1) тушение пеной без откачки продукта из горящего резервуара;
2) откачка продукта до минимально возможного уровня без тушения пеной (после прекращения откачки тушение оставшейся нефти может производиться пеной [6]).
Цель тушения в обеих ситуациях - предотвращение гибели и травмирования людей, распространения пожара, ликвидация пожара с минимальными потерями, недопущение выбросов и вскипаний.
Для предотвращения выбросов и вскипаний в обеих ситуациях предлагается производить принудительное интенсивное перемешивание нефти с помощью мешалок типа «Диоген», «Тайфун» и прочих (если РВС ими оборудован). При этом, перед включением мешалок желательно удалить подтоварную воду через дренажную линию. Использование мешалок позволит предотвратить образование гомотермического слоя и разрушить оставшийся слой подтоварной воды (она перемешается с нефтью и будет находиться в ней во взвешенном состоянии). Если при этом откачка производиться не будет, то при остановке мешалки вода постепенно осядет на дно, начнёт образовываться гомотермический слой, и при контакте его с осевшей водой может произойти выброс или вскипание.
Однако если из горящего резервуара откачивается нефть, одновременно перемешиваемая одной или несколькими мешалками, то будет предотвращено образование гомо-термического слоя, будет разрушен и частично удалён слой подтоварной воды. Прекращение работы мешалки опять приведёт к образованию гомотермического слоя и осаждению воды. Не исключено, что в этом случае в РВС может произойти вскипание, но большой опасности оно представлять не будет, так как количество нефти, оставшейся после откачки, будет сравнительно небольшим: она практически будет догорать.
Вышесказанное позволяет сделать следующие выводы. При пожаре с открытым
пламенем в нефтяном резервуаре наряду с действиями, предусмотренными [7], отключением газоуравнительной системы (при её наличии), удалением подтоварной воды следует включить устройства для перемешивания горящей жидкости. В случае, если принято решение тушить пожар без откачки нефти, а силы и средства готовы к проведению пенной атаки, то на период её проведения следует прекратить перемешивание горящей жидкости мешалками. При подготовке к пенной атаке мешалки должны работать.
Если в результате пенной атаки горение в резервуаре не удалось ликвидировать, то мешалки необходимо включить повторно, они должны работать непрерывно до следующей пенной атаки. Если и в этом случае горение в резервуаре не ликвидировано, а сил и средств для проведения пенной атаки недостаточно, и принято решение о контролируемом выжи-
гании нефти, то после пенной атаки необходимо снова включить мешалки. В этом случае они должны работать непрерывно до выхода их из строя от воздействия высокой температуры или прекращения горения (ликвидации пожара).
Следует иметь в виду, что откачку необходимо производить до минимально возможного уровня, причём полностью откачать нефть из стальных вертикальных нефтяных резервуаров типа РВС, РВСП, РВС с плавающей крышей можно только в том случае, если их днище имеет коническую форму и приёмо-разда-точные патрубки в нём размещены в днище. Основная масса резервуаров, эксплуатирующихся в России, имеет плоское днище, приёмо-раздаточные патрубки в них врезаны в боковую стенку и находятся на расстоянии около 0,4-0,5 м от днища, поэтому откачать полностью нефть из них будет невозможно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрыво-опасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник. - Т. 1, 2. - М.: Химия, 2004.
2. Савельев П. С. Пожары-катастрофы. - М.: Первая образцовая типография, 2003.
3. Волков О. М. Версия «домино» на пожаре группы РВС-20000 на линейной производственно-диспетчерской станции «Конда» // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2013. - № 2. Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/ 2013-2/2013-2.Мш1
4. Клубань В. С., Фам Х. К. Откачка нефтепродуктов при пожарах в резервуарах - один из эффективных безопасных способов их локализации // Технологии техносферной безопас-
ности: Интернет-журнал. - 2014. - № 3. Режим доступа: http:// ipb.mos.ru/ttb/2014-3/2014-3.html
5. Клубань В. С., Фам Х. К. О безопасной откачке нефти и нефтепродуктов из горящих резервуаров // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2013. - № 5. Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/2013-5/2013-5.html
6. Малашенко С. М, Смиловенко О. О., Емельянов В. К., Черневич О. В. Устройство врезки в продуктопровод для подачи воздушно-механической огнетушащей пены в горящий резервуар // Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. - 2014. - № 2. -С. 115-122.
7. Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. - М., 2000.
Kluban V., Fedoseeva E.
ABOUT THE POSSIBILITY OF PREVENTING OIL BLOWOUT FROM BURNING VERTICAL STEEL TANKS
ABSTRACT
Purpose. We have studied the main causes of oil blowout from burning vertical steel tanks and proposed measures for its prevention. When oil tanks are on fire the heated homothermal layer is formed. After reaching the surface of the bottom water the homothermal layer causes its overheating above 100 °C and ebullition. The produced water vapour either forces the burning liquid violently out of the tank onto the adjoining territory or increases the amount of the tank contents that leads to the burning liquid overflow.
Methods. In the article we have made the comparison and analysis of methods for the extinction of burning oil tanks based on mixing the burning liquid in a tank.
Findings. We have proposed a new method for preventing oil blowout based on the results of the research carried out in the 1950-60s on fire-fighting by means of mixing the burning liquid with air. Our
method involves intensive mixing of burning oil with sediment scouring apparatus (mixers) of "Diogenes" or "Typhoon" types installed in oil tanks.
Research application field. The proposed method is recommended for the extinction of oil tanks with foam without pumping out oil from a burning tank or without the use of foam pumping out oil to the lowest possible level (after the discontinuance of pumping process the remaining oil can be extinguished with foam).
Conclusions. When extinguishing oil tanks the apparatus for mixing burning liquid must work continuously until the end of oil pumping out or the apparatus failure caused by high temperature exposure or putting out the fire.
Key words: blowout, fire, tank farm, homothermal layer, bottom water, oil mixing.
REFERENCES
1. Korol'chenko A.Ya., Korol'chenko D.A. Pozharovzryvo-opasnost' veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniia. Spravochnik. T. 1, 2 [Fire-explosion hazard of substances and materials and means of extinguishing them. Guide, vol. 1, 2]. Moscow, Khimiia Publ., 2004.
2. Savel'ev P.S. Pozhary-katastrofy [Fires-disaster]. Moscow, Pervaia obraztsovaia tipografiia Publ., 2003.
3. Volkov O.M. Version "Domino" on the fire of group of vertical steel tanks on the linear production-management station "Konda". Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2013, no. 3, available at: http://ipb.mos.ru/ttb/2013-3/2013-3.html (accessed February 06, 2016). (in Russ.).
4. Kluban V.S., Pham H.Q. Pumping oil products during fires in tanks - one of the most effective safe ways to their localization. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2014,
no. 3, available at: http://ipb.mos.ru/ttb/2014-3/2014-3.html (accessed February 06, 2016). (in Russ.).
5. Kluban V.S., Pham H.Q. About save pumping out oil and oil products from the burning tanks. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2013, no. 5, available at: http://ipb.mos.ru/ ttb/2013-5/2013-5.html (accessed February 06, 2016). (in Russ.).
6. Malashenko S.M., Smilovenko O.O., Emelyanov V.K., Chernevich O.V. A device for cutting holes in the pipelines in order to supply a burning storage tank with air-mechanical firefighting foam. Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. 2014, no. 2, pp. 77-84.
7. Rukovodstvo po tusheniiu nefti i nefteproduktov v rezervuarakh i rezervuarnykh parkakh [Guide to extinguishing of oil and oil products in tanks and tank farms]. Moscow, GUGPS-VNIIPO-MIPB Publ., 2000.
VLADiMiR Kluban
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
,- ,- I State Fire Academy of EMERCOM of Russia,
Ekaterina Fedoseeva n •
Moscow, Russia
